梯形对称收获铲阻力特性数学模型的建立与分析

以根茎类收获机配备的梯形对称双铲为研究对象,结合机械动力学、土壤粘弹塑性力学等理论建立了收获机工作状态下挖掘阻力数学模型,获得了土壤特性参数、挖掘铲结构参数以及机器工作参数与工作阻力之间的函数关系。基于所推导的数学模型,仿真分析了挖掘铲入土角、滑切角、挖掘深度、铲面面积以及机器前进速度对工作阻力的影响。仿真结果表明,入土角和前进速度的增大会导致工作阻力非线性增大,挖掘深度和铲面面积的增大会导致工作阻力线性增加。结合阻力仿真曲线,并考虑实际工作要求和工作效率,适宜的入土角为20°~30°,滑切角设置为40°~50°,前进速度在1~2 m/s。     

白萝卜收获机挖掘铲参数的设计

针对我国白萝卜人工收获效率低、成本高等问题,设计出专用的白萝卜挖掘铲。工作时,第1步通过挖掘铲破坏白萝卜与土壤的接触力,使白萝卜与土壤分离,第2步由人工捡拾装袋进而完成白萝卜收获的全过程。通过建立挖掘铲的几何模型确定了入土角α、铲面长度L、铲面宽度A和后端面高度h。该挖掘装置采用后悬挂牵引的方式挖掘白萝卜,使白萝卜的收获效率大大提高,装置结构简易、成本低,具有极其广阔的市场应用场景。     

板蓝根收获机挖掘铲的设计与有限元仿真分析

为解决板蓝根收获机在作业过程中存在挖掘阻力大、铲面易壅土的问题,依据板蓝根自身特性及种植农艺要求,设计了4UD-600型板蓝根收获机,其作业幅宽600mm,最大挖掘深度为500mm,可一次完成板蓝根的挖掘、土药分离和成条侧出铺放。阐述了收获机的工作原理,对其挖掘铲进行了设计和主要参数的计算,并利用SolidWorks软件中的有限元分析插件Simulation对该挖掘铲进行了静力学分析,最后进行了试验验证。设计采用固定式三角平面挖掘铲,通过动力学分析构建工作阻力模型,依据动量定理、动能定理及几何关系进行计算,确定出挖掘铲的最佳入土角α=19°～23°,铲长L=360～400mm,铲刃张角θ=55°。有限元静力学分析结果显示:挖掘铲的应力主要集中在3个螺纹孔处,且最大应力分布在铲的背面离铲尖较近的两个螺纹孔处,最大应力值为22.44MPa,远小于挖掘铲的许用应力220.6MPa,强度满足设计要求;而产生最大位移的位置为铲尖,变形值为0.09184mm,与整个铲相比此变形量很小,可以忽略。试验结果与仿真结果基本一致,在误差允许的范围内,满足设计要求。     

马铃薯收获过程中土壤与挖掘铲相互作用的有限元分析

针对传统马铃薯挖掘铲试验研究花费大、周期长的问题,采用三维弹塑性有限元分析方法,分别计算出挖掘铲铲面倾角为5°,10°,15°,20°时土壤的变形和应力;依据作用力与反作用力相等的原理,得出挖掘铲在采用不同铲面倾角时所受的土壤阻力.通过计算结果对比,得出牵引阻力和铲面倾角之间的数学模型,为今后挖掘铲的设计、阻力降低和效率提高提供理论依据.     

太子参收获机挖掘机构设计及分析

为减小福建地区山地环境下太子参收获机的挖掘阻力,设计一种具有振动功能的太子参挖掘机构。通过太子参的种植环境以及挖掘铲的受力分析,设计挖掘深度h、入土角β、挖掘铲刃口倾角θ、铲体长度L及其宽度b等主要技术参数。根据偏心机构与四杆机构运动学原理分析挖掘铲的运动特征,利用ADAMS软件对其进行运动学仿真。根据挖掘铲理论负载计算所得的法向力,进一步利用ANSYS有限元软件对挖掘机构的挖掘铲进行静力学分析。通过实地测试并监测不同工况下的挖掘阻力,验证振动挖掘机构的功能性与理论分析结果。结果表明：挖掘机构可以实现以正弦波为周期的往复振动。对挖掘铲面施加563.85 N的法向力,挖掘铲最大应力为141.87 MPa,小于45号钢的355 MPa,满足受力要求。实地测试结果表明：不同工况下振动挖掘阻力在1 320 N和1 583 N之间变化,小于无振动时的挖掘阻力1 604 N,说明太子参振动挖掘具有减小挖掘阻力的作用。平均挖掘阻力为1 458 N,与理论计算数据1 505.181 N接近,进一步验证理论计算的合理性。     

马铃薯收获机挖掘铲工作阻力影响因素分析与研究

针对土壤容积密度、铲面宽度、挖掘深度、铲面倾角和机具工作速度5个影响马铃薯收获机牵引阻力的因素,分别采用正交计算法和基于Mat Lab的单因素分析法进行研究,得出了5个因素与工作阻力均为正向关系的结论。其中,土壤容积密度和铲面宽度与挖掘铲工作阻力成近似的线性关系,其余3个因素成非线性关系。铲面宽度、挖掘深度、铲面倾角、土壤容积密度和机具工作速度对挖掘铲工作阻力的影响程度依次降低。研究结果为如何减小马铃薯收获机挖掘阻力提供了参考依据。     

MZPH-820型单行马铃薯收获机设计

针对现有小型马铃薯收获机作业过程中,行进阻力大、易于壅堵、伤薯率高,以及垄高适应性差等问题,设计了MZPH-820型单行马铃薯收获机.该机挖掘铲各铲片相互分离,间隙通畅;升运链导向撑链轮通过悬臂板支撑,承力通轴实现向上移动,作业时入土部件仅有挖掘铲及切土防漏圆盘,可有效防止秧茎缠绕及壅土;挖掘铲角度调节机构可实现挖掘铲与升运链导向撑链轮角度的同步调节,使挖掘铲铲面倾角在18°～30°内连续可调,便于不同土质条件下优化作业性能;导向限深轮及支撑行走轮二者高度的协调调整使得收获机能够满足100～400 mm垄高地块的作业要求,保证挖掘铲预设铲面倾角的实现,垄高适应性得到增强.宽行高垄地块的田间试验表明:MZPH-820型单行马铃薯收获机挖掘、输运顺畅,分离效果明显,纯小时生产率为0.10 hm2/h,伤薯率为0.3%,损失率为3.9%,性能达到技术规范要求.     

S型链式马铃薯收获机挖掘装置的设计及有限元分析

针对我国马铃薯在主粮化的政策下迅速发展而机械化收获水平阻碍其发展的问题,研制了S型链式马铃薯收获机。在研究国内外马铃薯收获技术及装备的基础上,重点对该机器的挖掘装置进行设计。采用固定式挖掘铲装置,针对我国小地块种植马铃薯的国情,确定了固定式挖掘装置的结构形式:铲体宽度为1430mm,铲面倾角范围为33.6°～39.5°,铲体长度为320mm,铲刃夹角为150°;同时,对铲座支撑进行设计,各部件采用65Mn钢材质,钢板厚度为10mm。利用ANSYS对挖掘装置进行有限元分析,确保挖掘装置结构稳定。对整机进行田间试验,结果表明:明薯率98.5%,伤薯率1.2%,破皮率1.6%,生产率0.33hm~2/h,相对于其他挖掘装置伤薯率明显降低,明薯效果也相对改善。     

板蓝根收获机挖掘装置设计与有限元分析

针对现有板蓝根收获机具存在挖掘阻力大、挖掘铲面容易壅土等问题,在研究国内外块茎类作物收获机械的基础上,根据板蓝根的农艺要求、生物特点、收获时的土壤条件等,设计一种作业幅宽为130 cm、最大挖掘深度为40 cm、一次进地可完成板蓝根的挖掘、筛分、铺放等功能的专用两行板蓝根收获机具。运用动量定理、动能定理和几何关系对挖掘铲进行设计,计算得出挖掘铲的最佳入土角α、铲面宽度b、铲面长度l等参数。利用SolidWorks软件中Simulation插件对挖掘铲进行有限元分析并优化。并进行试验验证,试验发现：最佳的入土角α为20°,铲宽b为1 328 mm,铲长l为245 mm;有限元分析表明通过在挖掘铲后方增加一道梁,将挖掘铲最大位移量从1 mm减小到0.01 mm,能有效减低失效风险。对整机进行田间试验,结果表明：挖掘铲壅土率低,未出现明显变形;在作业速度1.6 km/h、挖掘深度40 cm的情况下,平均挖净率97.6%、损伤率2.4%。     

根茎类中药材收获机挖掘装置设计与仿真试验

针对根茎类中药材收获机采用固定式挖掘铲收获时,存在挖掘深度不足,入土阻力大,功率损耗严重,碎土效果差,铲尖磨损较大等问题,采用理论计算与数值仿真的方法,对振动式挖掘装置的挖掘铲参数、运动机构、铲面运动特性和工作效果进行研究。结果表明:该装置采用锯齿形平面三角铲,铲刃张角≤94°、入土角为20°～30°、工作深度≥500 mm,铲面长度为772 mm,运动机构类型为四连杆机构,工作时做平面运动,其水平方向运动类似于余弦函数曲线,垂直方向为正弦函数曲线,速度与加速度变化类似。挖掘铲在水平方向和垂直方向的运动曲线平滑顺畅,运动类型与理论推导值吻合,为简谐运动,运动过程无干涉现象,速度与加速度变化均符合运动规律。当挖掘装置的前进速度为2.4 m/s,入土角为25°,转速为280 r/min时,该装置的挖掘阻力最小。采用振动式挖掘装置对中药材进行收获时,可有效减小挖掘阻力,具有良好的碎土分离效果,整体运行平稳,工作可靠,各项性能均满足行业标准要求。     

马铃薯收获机挖掘铲牵引阻力分析与测试

针对马铃薯收获机工作过程中牵引阻力和功率消耗大的问题,以挖掘铲为研究对象,对正切时的牵引力模型进行了修正,建立了同时适用于正切和滑切的牵引力模型。基于MatLab的单因素分析得出滑切角、铲面倾角和机具工作速度与挖掘铲牵引力成非线性关系;挖掘铲牵引力与滑切角为负相关,与铲面倾角和机具工作速度为正相关。在收获条件允许的范围内,增大滑切角、减小铲面倾角和机具工作速度,能有效降低挖掘铲牵引力。通过田间试验验证了MatLab分析结论,表明所建立的挖掘铲牵引力模型是合理可行的,为分析研究马铃薯收获机挖掘阻力提供了参考依据。     

MZPH-820型单行马铃薯收获机设

针对现有小型马铃薯收获机作业过程中,行进阻力大、易于壅堵、伤薯率高,以及垄高适应性差等问题,设计了MZPH-820型单行马铃薯收获机。该机挖掘铲各铲片相互分离,间隙通畅;升运链导向撑链轮通过悬臂板支撑,承力通轴实现向上移动,作业时入土部件仅有挖掘铲及切土防漏圆盘,可有效防止秧茎缠绕及壅土;挖掘铲角度调节机构可实现挖掘铲与升运链导向撑链轮角度的同步调节,使挖掘铲铲面倾角在18°～30°内连续可调,便于不同土质条件下优化作业性能;导向限深轮及支撑行走轮二者高度的协调调整使得收获机能够满足100～400mm垄高地块的作业要求,保证挖掘铲预设铲面倾角的实现,垄高适应性得到增强。宽行高垄地块的田间试验表明：MZPH-820型单行马铃薯收获机挖掘、输运顺畅,分离效果明显,纯小时生产率为0.10hm2/h,伤薯率为0.3%,损失率为3.9%,性能达到技术规范要求。     

马铃薯挖掘阻力测试装置研究

针对现有的马铃薯收获机械牵引阻力大、设计和安装不合理、燃油消耗大、生产效率低等问题,以固定式三角平面挖掘铲作为研究对象,设计了马铃薯挖掘阻力测试装置,进行田间试验,分析挖掘铲铲面倾角、铲刃斜角及前进速度对牵引阻力的影响,并以牵引阻力作为优化指标,得到较优的参数组合。研究结果表明:挖掘铲铲面倾角为16°~32°时,牵引阻力随着铲面倾角的逐渐增加而迅速增大;铲刃斜角为50°~55°时,牵引阻力较小;牵引阻力随着前进速度的增加而逐渐增大,趋势稳定且缓慢。同时,通过响应面试验进行参数优化得出:牵引阻力的最佳的工作参数组合为铲面倾角20°、铲刃斜角52.8°、前进速度0.8m/s。该研究可为马铃薯收获机挖掘装置设计、安装参数的选择和马铃薯收获机挖掘阻力的研究提供参考。     

多段曲线拟合弹齿式枝条捡拾参数反求法求解

为了达到矮砧集约栽培种植模式果园行间果树枝条高效还田处理的目的,研究了拖拉机悬挂式枝条粉碎设备的关键部件—弹齿滚筒式枝条捡拾器。通过分段设计弹齿在空间的理想运行姿态及运动轨迹,来满足捡拾枝条过程中不同阶段的捡拾要求。使用反求法,建立弹齿滚筒式捡拾器的数学模型,编制人机对话软件,对滑道中心函数曲线求解,并进行曲线拟合及其数据后处理,同时优化曲柄半径L1、弹齿长度L2、弹齿角度β、十字架半径r、弹齿与曲柄夹角θ等变量参数,以达到捡拾枝条时各项参数最佳匹配的性能要求。优化后的具体参数为:L1=50 mm、L2=170 mm、r=80 mm、θ=55°,α在一个周期内顺时针旋转,将其分成了5段,即α1、α2、α3、α4、α5,相对应转动的角度分别是45°、45°、90°、90°、90°。与α每段对应的β值,即β1、β2、β3、β4、β5,对应的角度范围分别是:65°>β1> 60°,60°>β2>-70°,-70°>β3>-220°,-220°>β4>-280°,-280°>β5>-295°(65°)。     

基于离散元法的胡萝卜挖掘铲优化设计

针对胡萝卜联合收获机工作过程中松土挖掘阻力大、胡萝卜漏拔率高等问题，对收获状态下三角翼形挖掘铲进行受力分析和计算，确定了铲面宽度和铲刃角的取值范围。根据胡萝卜种植模式，建立了挖掘铲-胡萝卜-土壤离散元仿真模型，以挖掘铲面长度、宽度及铲刃倾角为试验因素，以挖掘阻力、土壤破碎率为试验指标开展了胡萝卜挖掘仿真试验，仿真时间历程显示了土壤与胡萝卜随挖掘铲运动的变化过程。利用仿真试验数据拟合建立不同试验因素影响下挖掘铲阻力与土壤破碎率的二次多元回归方程，通过Design-Expert 10.0.7对数学模型进行分析求解，得出了最优参数组合为：铲面长度260mm,铲面宽度370mm,铲刃倾角57°。通过与凿型铲进行对比试验，结果表明：工作阻力降低了9.4%,土壤破碎率提高了2.8%,优化设计的三角翼形挖掘铲在工作阻力和土壤破碎率方面具有良好的松土性能，满足胡萝卜收获要求。研究可为胡萝卜挖掘装置试验研究和设计提供理论参考。     

红壤凿形深松铲的设计与试验

针对南方红壤旱作区土壤黏性强、比阻大的现状,为减少深松铲的红壤土黏附量和降低牵引阻力,设计了一种红壤凿形深松铲。在深入分析红壤条件下深松铲受力情况的基础上,确定了影响红壤凿形深松铲黏附阻力和牵引阻力的结构参数及其取值范围。同时,采用正交试验设计方法,研究了入土角、铲柄刃口夹角、铲柄厚度和铲柄侧面宽度对黏土量和牵引阻力的影响规律,得出红壤凿形深松铲的最佳结构参数组合:入土角β为4 0°、铲柄刃口夹角γ为6 0°、铲柄厚度σ为4 0 mm、铲柄侧面宽度B2为100mm。同时,基于最佳结构参数组合优化深松铲,设计了掘齿型和半轴型铲头。田间对比试验结果表明:标准型、掘齿型、半轴型铲头3种红壤凿形深松铲牵引阻力的跃动区间分别为11~16kN、13~17kN、9~12kN;与标准型相比,掘齿型的黏土量减少4.2%,牵引阻力增加6.24%~15.15%,半轴型的黏土量和牵引阻力分别减小30%和18.21%~18.64%,确定了铲头形状为半轴型。该研究为适用于南方红壤旱作区耕作机具的设计研究提供了参考依据。     

基于二次正交旋转回归试验的深松铲关键参数建模

对深松铲的关键参数翼张角α、刃角δ、翼倾角β进行多因素多水平二次正交旋转回归试验,以牵引阻力为观测指标,分析α、δ、β与观测指标之间的关系,得出两者之间的数学模型,为深松铲的优化设计提供参考依据。     

三七收获机组合式挖掘铲减阻效果研究——基于EDEM

针对三七的特殊农艺及三七机械化收获阻力大的特点,设计了一种由二阶平面铲和土壤破碎铲组合的三七收获机组合式挖掘铲。采用EDEM离散元仿真软件对两种铲关键部件进行了工作阻力的比较,仿真结果表明:工作速度分别为0.5、0.7、0.9m/s时,挖掘深度分别为100、150、200mm条件下,组合式挖掘铲的水平与垂直阻力皆小于传统挖掘铲,表面组合式挖掘铲在降低工作阻力有着更好的性能。该研究旨在为三七及其他块茎类作物挖掘铲的设计提供技术参考。     

马铃薯挖掘铲的改进设计与试验

针对目前马铃薯收获机田间收获试验中挖掘铲入土困难及大块土壤破碎效果不理想导致壅土现象等问题,对挖掘铲进行了改进优化,对比分析了振动式挖掘铲和静挖掘铲的区别,并对振动式挖掘铲的铲宽、铲面倾角、铲仞倾角等进行了分析计算。以明薯率、伤薯率、含杂率为性能指标,对设计挖掘铲进行了可靠性验证,以经过杀秧处理的马铃薯植株为试验对象进行田间试验验证,结果表明:实际的挖薯率为96.98%,伤薯率为1.12%,含杂率为2.46%,优于马铃薯收获的国家行业标准作业要求。研究数据对马铃薯收获的挖掘作业具有重要意义。     

胡萝卜联合收获机高效减阻松土铲设计与试验

针对胡萝卜联合收获机作业时松土铲普遍存在作业阻力大、漏拔率高等问题,设计了一种高效减阻松土铲。以狗獾爪趾为仿生原型设计了仿生减阻铲尖,并分析了其减阻机理,建立了铲翼与土壤间的力学接触模型,确定了影响松土铲作业质量的铲翼结构参数。基于EDEM离散元仿真技术,建立了部件-土壤-作物多元仿真模型,通过单因素试验与正交旋转组合试验,确定了铲翼结构参数取值范围及其对指标的影响规律。建立了试验因素与指标间的多目标优化数学模型,运用Design-Expert 8. 0. 6软件确定了松土铲的最优参数组合,通过田间性能试验验证了高效减阻松土铲的作业性能。结果表明:影响胡萝卜联合收获机松土铲作业质量的主要结构参数为铲翼开角α和铲翼倾角β,当铲翼开角α和铲翼倾角β分别为120. 27°和47. 37°时,松土铲作业性能最优,最优组合下前进阻力与胡萝卜拔取力分别为1 908. 76 N和55. 37 N。经田间性能试验验证,田间试验结果与仿真优化结果基本一致,与凿式松土铲相比,高效减阻松土铲前进阻力降低了5. 79%,胡萝卜拔取力降低了20. 68%,漏拔率降低了3. 8个百分点,满足胡萝卜收获农艺要求。