基于EDEM的油莎豆旋耕装置分析与试验

针对油莎豆收获过程中含土量大、根—块茎—土壤分离困难等问题造成的工作阻力大及土壤破碎率低等技术难题,通过建立油莎豆根系—块茎—土壤离散元模型,进行EDEM仿真试验,研究分析旋耕刀在不同工作参数组合下对油莎豆团聚体破坏状况。以旋耕刀旋转速度、前进速度、工作深度为试验因素,以旋耕刀挖掘阻力和刀轴扭矩为试验指标,进行正交试验,并通过Design-Expert 8.0. 6进行数据分析,得出旋耕刀最佳工作参数,即刀轴转速为250r/min、前进速度为0.8m/s、工作深度为118mm。根据优化的结果进行虚拟仿真验证试验,得出最优结果:工作阻力为3478.05N、刀轴扭矩为32.638N·m,研究可为实际油莎豆收获机田间试验提供理论基础。     

基于离散元法的油莎豆摘果脱出物筛分分析与试验

油莎豆作为一种新型油料作物，其联合收获机摘果脱出物的筛分是机械化收获的重要环节。为了提高筛分效果，以现场采样油莎豆摘果脱出物样本物料为研究对象，测定出样本物料油莎豆颗粒组分质量分数为76.8%,颗粒大小为13～18mm;建立物料颗粒离散元模型，导入EDEM软件进行不同筛面的仿真模拟试验分析，得出编制筛最佳网尺寸为18mm,筛分效果为91.46%;冲孔筛最佳网尺寸为20mm,筛分效果为87.77%;鱼鳞筛最佳网尺寸为20mm,筛分效果为87.47%;进行台架筛分试验分析，并得出选用筛孔尺寸为20mm的编制筛网可得到最佳综合筛分效率94.32%。研究结果可为油莎豆机械化筛分装置的设计和优化提供理论依据。     

油莎豆收获机双层滚筒筛式果杂分离装置设计与试验

针对油莎豆机械化收获过程中块茎(果)与土壤草团(杂质)分离不彻底导致收获损失率与含杂率较高的问题,设计了一种双层滚筒筛式果杂分离装置,通过理论分析确定了该装置的主要结构参数与工作参数。建立了分离装置-收获物料互作的EDEM-MBD耦合仿真模型,以双层滚筒筛转速、分离螺旋输送器转速、柔性齿段长度为试验因素,以块茎分离率和含杂率为试验指标,依据Box-Behnken试验原理开展三因素三水平仿真试验。对试验结果进行方差分析,建立了分离率、含杂率与各显著因素之间的回归模型,利用回归模型进行参数寻优,结果表明：当双层滚筒筛转速为24.9 r/min、分离螺旋输送器转速为148.5 r/min、柔性齿段长度为1 277.8 mm时,分离率最大,为96.23%,含杂率最小,为25.55%。田间验证试验结果表明：最优参数组合下的果杂分离装置平均分离率为93.19%,平均含杂率为26.65%,与回归模型寻优结果基本一致;果杂分离装置与清选装置联合使用时,分离率增加1.05个百分点,含杂率降低9.97个百分点,可满足油莎豆收获生产需求。     

油莎豆联合收获机合页筛片式升运装置设计与试验

针对油莎豆机械化收获过程中升运振动装置除杂效果不明显,导致油莎豆与土壤杂质等分离不彻底,漏土率较低,伤果率较高的问题,以及在升运输送过程中存在土壤堵塞、回带等问题,结合油莎豆果-土-秧团聚体特性,设计了一种合页筛片式升运装置,通过筛片折弯部分增大筛孔面积,对团聚体提供与链筛运动方向相同的推力,使合页式升运装置提高漏土效率且有效避免了回带现象。对其倾角和固定位置进行了分析和设计,运用EDEM进行仿真试验,以油莎豆链筛线速度、链筛板折弯高度、链筛振动频率为试验因素,以油莎豆团聚体漏土率和伤果率为试验指标,通过三因素三水平正交仿真试验,最终得到输送筛片最佳结构参数组合为：链筛线速度1.151m/s、折弯高度27.779mm、振频9.561Hz,此时升运装置漏土率为96.524%、伤果率为2.439%。田间验证试验结果表明:当链筛线速度为1.2m/s、折弯高度为28mm、振频为9.5Hz时,合页式升运装置平均漏土率为96.05%,平均伤果率为2.38%,与仿真试验所测结果基本一致,满足油莎豆升运链筛工作要求。     

油莎豆种子籽粒离散元仿真参数标定与试验

为了解决新型油料作物油莎豆排种器设计过程中种子物理参数不清及仿真参数与实际差异较大，造成模拟试验不准确，制约油莎豆排种器的发展的问题，测定了油莎豆种子的几何参数、弹性模量、泊松比、摩擦因数、碰撞恢复系数和休止角。以截面圆跳动法测出油莎豆种子精确外形轮廓并建立仿真颗粒模型，通过离散元仿真参数标定得出油莎豆种间静摩擦系数为0.662,油莎豆种间滚动摩擦因数为0.024。通过休止角试验验证，得到误差为1.61%,较标定前降低92.9%。通过排种仿真试验、排种器试验台试验和播种田间试验验证，得到仿真重播指数相对误差为3.79%、4.64%,漏播指数相对误差为6.81%、8.64%。由此表明，油莎豆仿真参数标定值可靠，可为油莎豆单粒精播排种器设计优化提供参考。     

反向旋抛式油莎豆起挖装置设计与试验

针对油莎豆挖掘装置以正向旋转挖掘方式为主,其漏豆率高、易拥堵、根系环抱体土壤难破碎,导致后续清选分离困难,联合收获工作效率极低等问题,应用离散元仿真分析方法,建立油莎豆根系-块茎-土壤离散元模型,分析油莎豆根系-块茎-土壤之间相互作用对油莎豆根系土壤环抱体碎裂的影响机理,设计一种反向旋抛式油莎豆起挖装置,并应用单因素和正交旋转中心组合试验方法,研究反旋挖掘装置旋耕刀相位角和安装间距对性能指标埋果率和土壤破碎率影响规律和优化参数组合,试验结果表明,反向旋抛式油莎豆起挖装置的最佳组合参数为：相位角61°、安装间距150 mm,此时土壤破碎率为94.10%、埋果率为1.39%,在相同参数设置下与普通旋耕刀组合进行田间验证试验,结果表明,埋果率降低了13.33%,土壤破碎率提高了3.15%,满足油莎豆机械化收获部颁标准技术要求。研究结果为进一步提升油莎豆收获机具研发提供了理论依据。     

油莎豆排种离散元仿真参数标定与试验

油莎豆种球形状不规则,表面凹凸不平,国内油莎豆播种装置多数是基于大粒种球排种器进行改进,由于离散元模拟试验过程中缺乏准确的仿真参数,导致对排种器进行仿真优化分析时产生误差。针对此问题,本文测量油莎豆种子的本征参数和与排种装置间的接触参数,利用逆向工程技术构建油莎豆种子颗粒填充模型。依据方形壳体和圆筒的仿真堆积试验结果,采用Plackett-Burman试验筛选出对种群堆积角有显著影响的种间静摩擦因数和种间滚动摩擦因数,建立以这两种显著影响因子为自变量、种群堆积角为响应值的二元回归方程。用Matlab对方程组求解后得到标定后的种间静摩擦因数和种间滚动摩擦因数分别为0.246、0.083。为检验标定后参数的可靠性,在EDEM中进行仿真验证试验,结果显示方形壳体装置仿真和物理堆积角的误差为0.43%,圆筒装置仿真和物理堆积角的误差为0.55%。为进一步验证标定后参数的准确性,采用气力式精量排种器,并选取3个关键特征尺寸和堆积截面积占比率,待种群稳定后将仿真和物理试验做对比,最后得到进种口种群上边界最大凸点处与排种盘水平中心线距离H1、种群轮廓边界与透明观察窗左侧竖线的交点到排种盘水平中心线距离H2和堆积截面积占比率r等参数的相对误差均在8.33%以内。     

油莎豆收获装备设计与试验

设计了一种油莎豆收获机,主要由机架、输送分离装置、脱粒分离装置、清选装置等部件组成,采用多重清选功能使该机具有良好的流动性和分离性,可实现油莎豆机械化收获过程中籽粒与杂质土、根茎的高效分离清选。以籽粒损失率和含杂率为评价指标,通过设置各部分不同转速,进行3因素3水平正交试验,最终确定油莎豆收获机的最佳参数组合,为各关键部件设计、改进及参数选择提供依据。     

复合筛分式油莎豆收获机设计及试验

以降低油莎豆收获过程中的破损率、损失率,提高筛净率为目标,设计了一种由升运网链、脱粒滚筒、键式分离装置、吹杂风机、水平链条输送器和吸杂风机组成的复合筛分式油莎豆收获机,并针对该机的核心部件键式分离装置,以曲轴转速、分离装置角度和挡板角度为因素,筛净率和落粒损失率为指标开展了正交试验,利用Design-Expert软件建立了回归方程和响应面模型,通过田间试验检测了样机的收获效率和漏豆损失率。     

基于离散元法的核桃分级装置设计与试验

为了提高核桃分级机械的作业效率及保证分级合格率,设计并试制了一款滚筒式核桃分级装置。通过运用三维建模软件SolidWorks对核桃分级装置进行建模,使用离散元软件模拟核桃分级过程,并以温185核桃为试验对象,对样机进行分级试验。结果表明:当分级筛笼转速为26r/min、筛笼倾角为1.5°、进料口尺寸为70mm时,核桃分级合格率最高,样机试验结果与仿真试验结果基本相同。因此,运用仿真软件对分级装置进行辅助设计是可行的,可为其它分级装置的设计提供参考。     

基于离散元法的筑埂机旋耕切削性能研究

为提高水田筑埂机筑埂质量和工作效率,探究旋耕弯刀的结构参数和工作参数对筑埂机旋耕切削性能的影响,构建了旋耕弯刀—土壤的离散元模型,同时对旋耕弯刀工作时复杂的受力情况进行分析。以IT245旋耕刀为基础,设计了几种不同的旋耕刀片,分别以旋耕弯刀结构参数和工作参数为试验因素,单位幅宽扭矩和扭矩为试验指标,进行两组正交试验。通过极差分析,得到影响旋耕弯刀功耗的3种主要工作参数,并探究其对旋耕弯刀碎土效果的影响规律。综合分析得到旋耕弯刀参数最优组合为:正切面端面刀高60mm,侧切刃包角27°,弯折角120°,幅宽60 mm,工作转速300 r/min,前进速度0. 3 m/s,工作深度100 mm。该研究为探讨刀具与土壤相互作用机理、降低水田筑埂机作业能耗及提高碎土效率提供了参考。     

基于离散元法的宝塔菜联合收获机输送机构研究

针对现有收获机在果实的运送过程中存在的壅土、耗用劳动力大等突出问题,以宝塔菜联合收获机为研究对象,对收获机的输送机构进行了研究设计。使用离散元法建立土壤的运动模型,比较了输送器在不同结构参数和工作参数下果实与土壤的输送情况,确定了收获机合理的设计参数,提高了宝塔菜收获率,为收获机输送机构的设计与研究提供了理论依据。田间初步试验表明:果实和土壤能够流畅输送,证明了运用离散元法分析收获机输送机构的可行性。     

基于离散元法的芯铧式开沟器设计

传统式芯铧式开沟器被广泛地应用于东北垄作地区,但其开沟宽度大、与土壤产生的阻力大限制其使用。为此,对芯铧式开沟器的结构特点进行研究,确定了开沟器宽度d、入土角α、斜面角β、作业速度v、含水率p为其性能的影响因素,用Solid Works软件建立了一系列不同参数的芯铧式开沟器模型。通过对耕层土壤的物理性质与力学性质的研究,运用EDEM对所设计的一系列芯铧式开沟器进行仿真分析,得到开沟阻力较小的开沟器,其参数为:入土角为50°、斜面角为55°、宽度为50mm。在室内土槽中,进行芯铧式开沟器的性能测试。结果表明:仿真与试验数据具有一定的相关性,且规律基本一致,验证了仿真模型参数选取的正确性。     

基于离散元的倾斜圆盘勺式大豆排种器仿真优化

为提高倾斜圆盘排种器的排种性能,以中黄39大豆种子的物料学特性为基础,对该型排种器的充种、清种过程进行研究,得出其垂直倾角及工作转速是影响排种器工作性能的两个重要因素。利用离散元软件EDEM进行仿真研究,设计了二次回归正交旋转组合试验,运用SPSS软件进行试验数据处理,以排种器合格指数、重播指数和漏播指数作为排种器性能的评价指标,分别建立其与排种器垂直倾角、工作转速的回归方程。运用MatLab中非线性优化fmincon函数,获得该型排种器最优参数组合为垂直倾角1 9.5°、工作转速4 6.7 r/min时,合格率为97.28%,重播率为1.98%,漏播率为0.74%。     

离散元法在玉米脱粒机优化设计中的应用研究

为了能够提高玉米脱粒机的性能,深入地研究了离散元法在玉米脱粒机优化设计中的应用。首先,分析了离散元法的基本理论;接着,讨论了玉米脱粒机的主要性能参数;最后,利用MATLAB软件编制了基于离散元法的玉米脱粒机性能分析的仿真程序,研究了滚筒转速和功率对玉米脱粒机脱净率和破碎率的影响,从而能够选择了最优的滚筒性能参数。     

基于离散元的交叉导流式穴播装置仿真与试验

针对机械式杂交稻精密穴播装置中存在的芽种播种稳定性差和精度低的问题,设计了一种具有交叉导流式种室与穴播窝眼滚筒相结合的精密穴播装置。运用EDEM离散元分析技术,对设计的穴播装置进行了工作过程仿真分析。结果表明:设计的穴播装置充填合格率比采用传统种室的提高了5. 47%。通过对设计的穴播装置进行的性能试验表明:播种合格率仿真与试验相比,相对误差为3. 63%;设计的穴播装置与采用传统种室的穴播装置相比,合格率提高了3. 88%,达到了82. 12%。由此表明:采用交叉导流种室的穴播装置能有效地提高充填能力及播种性能,采用的离散元仿真方法对开展精密穴播装置的设计具有参考意义,可为今后精密穴播装置的研究奠定坚实的基础。     

基于离散元的双轴旋耕机功耗预测模型

针对双轴旋耕机结构参数复杂、功耗高,受耕作时节限制,难以用田间试验的方法进行减阻降耗研究的问题。基于离散元法,构建双轴旋耕-秸秆-土壤耕作模型,研究了双轴配置参数对功耗的影响,通过响应面试验分析,建立了功耗的数学预测模型。模型优化的结果表明,当前后刀轴回转半径均为195mm,后轴相对于前轴垂直距离为99.8mm,前后轴回转圆水平距离为100.6mm,获得的功耗最小为9.018kW。为了验证功耗模型的准确性,在固定工作参数下,进行了原尺度整机仿真试验和田间试验。试验结果表明：真实原尺度旋耕机的田间试验功耗与整机仿真值误差均值为9.5%,范围为5.8%~13.4%,结合响应面分析说明功耗数学预测模型较为准确,表明旋耕机刀组在缩放过程中误差变化较小,模型能够准确反映双轴配置参数对双轴旋耕机在稻茬田地作业功耗的影响。