振动深松机的设计与试验

土壤环境是农业发展的重要基础条件，是一种宝贵的不可再生资源。长期以来，由于农业机械的反复碾压和土壤过度开发，导致土壤紧实，破坏土壤耕层，影响作物的生长与产量提升。深松是指利用深松机械疏松土壤、改善紧实度，是提高土壤蓄水保墒能力的有效方式。传统深松机存在作业阻力大和工作效率低等问题。因此，设计一种振动深松机，基于振动深松机减阻机理提出整体设计方案，并对关键部件进行设计与选型，最后通过田间试验验证振动深松机对土壤环境的改善作用。     

行间深松机的深松铲设计及有限元分析

深松耕法是一种新的土壤耕作方法,其有打破犁底层,加深耕作层,改善耕层结构、提高土壤蓄水保墒、抗旱耐涝的作用。针对东北地区常年作业土壤耕层较浅、土壤板结的问题,设计了一种行间深松机,并运用Solid Works软件对其深松铲进行三维建模。同时,运用ANSYS Workbench软件对深松铲进行有限元分析,主要包括静力分析、模态分析、等效应力和全位移分析。结果表明:深松铲的应力主要集中在铲柄与机架连接的位置,而且最大应力为38.72MPa;模态分析表明:振动频率间隔较大且不会发生共振。研究成果为深松铲的改进设计提供了参考。     

弹簧预紧力可调式振动深松机设计与试验

为了减小深松机的耕作阻力和拖拉机的动力消耗,增强深松机对不同类型土壤的适用性,设计了弹簧预紧力可调式自激振动深松机。在机具工作过程中,通过自激振动单元的振动作用,可有效减小深松机的牵引阻力;通过弹簧预紧力调节机构可改变弹簧的预紧力,以适应不同物理特性的土壤,获得理想的深松效果。田间试验表明在保证耕深的前提下,合适的弹簧预紧力可有效减小机具的耕作阻力。为了测试该深松机的减阻性能,设计了2.5、3.2、4.0km/h 3种作业速度和250、300、350mm 3种深松深度,进行了两因素三水平的全因素试验,试验结果表明：在不同作业速度与深松深度下,与非振动深松机相比,该深松机均能有效减小牵引阻力,减阻比为10.30%~22.65%;对不同作业速度和深松深度下的振动深松牵引阻力和非振动牵引阻力进行了方差分析。结果表明作业速度、耕作深度和机具类型对深公机工作阻力均有显著性影响,在不同作业速度下,由于自激振动单元的减阻作用,随着耕作深度的增加,振动深松牵引阻力增加速度小于非振动深松。     

1SZ-460型杠杆式深松机设计与试

深松作业可以打破犁底层,在不翻动土壤的前提下可有效改善土壤的透水、透气性能,为植物根系提供更大的伸展空间。本文针对普通深松机械作业中存在的牵引阻力大、土壤松碎效果差等问题,研制出一种基于杠杆原理的振动式深松机。深松铲形式为窄凿型,能最大限度地保护土壤、减少水分蒸发。样机在30 cm耕深时振动作业与无振动作业的牵引阻力对比试验表明,振动深松作业可有效降低机具牵引阻力,降阻幅度可达     

中耕深松节水技术研究

为了解决辽宁省西北地区春播时期干旱缺水导致墒情不够无法播种和出苗难的问题,在长期田间种植试验和调研的基础上,研制了1HS-2型中耕深松机。对深松机进行了田间性能试验,结果表明,该机结构合理,深松深度等性能指标符合农艺要求。2005和2006年,分别应用研制的中耕深松机在辽宁省阜新地区进行中耕深松试验,深松深度为20～25cm。在玉米收获期对深松后的土壤和未深松土壤的物理性质进行测试分析,测试结果证明:深松与未深松(CK)相比,耕层土壤含水量显著增加,土壤容重显著降低。     

振动深松机的原理及技术优势分析

深松作业是在传统的农业耕作基础上进行的新技术,有利于打破传统耕作产生的犁底层,并显著优化耕地的土壤结构,有利于农业生产的长久发展。通过介绍振动深松机与传统深松作业的区别与优势,说明了振动深松的基本原理和常用机型的作业特点,总结了现阶段存在的技术问题,并对振动深松技术的发展提出了展望。     

振动深松机关键部件的设计

为减少深松机耕作阻力和牵引阻力,实现减阻节能高效作业,对振动深松机的关键部件进行优化设计.阐述振动深松机的结构及工作原理,详细说明偏心轴、深松铲铲头与铲柄的设计方案,为今后进行深松机相关的设计提供依据.     

1SZ-460型杠杆式深松机设计与试验

深松作业可以打破犁底层,在不翻动土壤的前提下可有效改善土壤的透水、透气性能,为植物根系提供更大的伸展空间.本文针对普通深松机械作业中存在的牵引阻力大、土壤松碎效果差等问题,研制出一种基于杠杆原理的振动式深松机.深松铲形式为窄凿型,能最大限度地保护土壤、减少水分蒸发.样机在30cm耕深时振动作业与无振动作业的牵引阻力对比试验表明,振动深松作业可有效降低机具牵引阻力,降阻幅度可达13%～18%.     

自激振动式深松机及关键部件设计

随着农业机械化的快速发展与应用，农业机械长期碾压、翻耕，破坏了土壤犁底层，使犁底层变得硬、厚、肥力降低，限制了作物产量提高与品质提升。深松机械可以改善土壤肥力、打破犁底层，为作物生长提供一个良好的土壤环境，但是目前深松机械存在田间阻力较大、机械能耗高等问题。自激振动式深松机主要是基于弹簧片使深松铲发生振动，土壤在不同频率和不同振幅下破碎，提高土壤深松效率与深松稳定性。系统论述了国内外振动深松机发展现状，对自激振动式深松机的振动弹簧、深松铲等关键部件进行设计。研究结果可以为深松机械的发展与设计优化提供参考和借鉴。     

考虑分段土壤作用力的振动减阻分析

振动载荷作用下耕作土壤作用力复杂多变,为研究入土角、振幅、振频对土壤作用力、牵引阻力的影响,将耕作土壤视为粘弹性材料,根据深松铲对土壤进行切削、提升、再切削,建立考虑分段土壤作用力的振动深松机-土壤系统的力学模型,采用渐近法与数值积分求解分析该模型,分析表明入土角为45°、振幅为0.001 m、振频为10 Hz时,土壤作用力较小。利用振动深松机进行试验研究,试验数据与仿真数据对比,验证了模型的正确性。试验结果进一步表明利用振动可以减小土壤作用力,降低拖拉机牵引阻力,提高土壤深松质量。     

基于DEM-MBD耦合算法的自激振动深松机仿真分析

自激振动深松机的设计主要采用田间试验及理论分析方法,但田间试验成本高、周期长,同时理论分析尚不具备完整准确的解析解。为提高该类机具的设计效率,保证设计结果的准确性和可靠性,本文在课题组研制的Agri-DEM软件平台上,添加了离散元法（DEM）与多体动力学（MBD）耦合算法,然后利用该算法对自激振动深松单体作业过程进行仿真分析。耦合算法中,采用MBD方法建立了台车-深松机-悬挂架-土壤的系统动力学模型,包括7个活动刚体、1个滑移铰、7个转动铰、1个滑移驱动、1个弹簧力约束和1个阻尼约束,同时利用广义坐标分块算法将系统微分代数方程组转化为微分方程组,并通过亚当斯-莫尔顿校正算法进行积分,求解获得各刚体的运动学参数和动力学参数;采用DEM方法建立了耕作土壤的离散元模型,考虑土壤颗粒的黏附力,提出一种适合于土壤等湿颗粒间的接触力学模型——湿颗粒模型,模型参数通过试凑法确定。对模型进行深松铲的动力学响应分析、弹簧及牵引力动力学响应分析和土壤扰动过程分析,仿真结果表明：土槽台车前进速度为0.5m/s时,机具牵引力周期性变化的区间为-331.06~1492.75N,最大牵引力为1492.75N;深松铲的入土角周期性变化的区间为0~-0.11rad,在高度方向上铲柄质心的变化区间为-400.33~-581.37mm;激振弹簧受载也呈周期性变化,变化区间为2623~-2231N;深松铲铲尖部位抬升土壤,土壤颗粒扰动量在铲尖区域最大,并沿深松铲前进方向和侧向依次递减。仿真结果直观的呈现了自激振动深松机的作业过程及土壤颗粒的运动情况,定性的解释了自激振动深松机的减阻机理。本文添加的DEM-MBD耦合算法,为自激振动深松机工作过程分析和优化设计提供了一种新方法。     

1ZS-2型振动深松机的研究设计

通过对现有深松机的比较研究，确定了1ZS-2型振动深松机的总体结构；设计了典型零部件并进行了选材和强度校核。该机可通过改变振动元件的转速获得不同的频率，通过改变偏心转子的偏心率来改变振幅。虽然，振动深松不能减少总功耗，但可以大大降低牵引阻力，这对拖拉机充分发挥现有功率是非常有效的。     

土壤深松部件松土机理的分析

土壤深松技术不同于土壤传统的耕作法—铧式犁耕法,是少耕法的一种。为此,通过分析3种不同的深松部件对土壤的作用过程,提出了它们的松土机理,并进行了比较分析研究。研究结果表明:全方位深松部件与斜柱犁在不同程度上实现了利用拉伸应力松碎土壤。尤其是全方位深松部件松土范围大,深松效果好,耕作比阻小,是深松作业的首选机型。     

保护性耕作拟合曲线型深松铲设计与试验

针对东北地区深松整地作业中,深松铲土壤扰动量和耕作阻力大的问题,以离散元(EDEM)软件仿真分析铲尖对土壤的作用为依据,设计了拟合曲线型深松铲。采用离散元软件模拟深松铲铲尖在土壤中的运动,获得铲尖上方土壤颗粒运动轨迹的拟合曲线和拟合方程,采用线元设计法对线形优化,获得铲柄外形曲线;同时设计了刃部、切削刃角、入土角,并通过铲柄与铲尖的互作效应试验验证了分层的可行性与合理性。土槽对比试验表明,拟合曲线型深松铲有效降低了土壤扰动量和耕作阻力,比折线式深松铲土壤扰动量减少了53.6%,耕作阻力减少了36.23%;比圆弧式深松铲土壤扰动量减少了66.18%,耕作阻力减少了29.18%。田间对比试验表明,拟合曲线型深松铲比折线式深松铲回土面积增加了81.03%,比圆弧式深松铲的回土面积增加了146.95%。土槽和田间试验表明,拟合曲线型深松铲土壤扰动量小、耕作阻力小,满足深松作业的要求。     

气爆辅助式深松机设计与田间性能试验

为提高深松机作业质量,明确气爆技术在深松作业中的工作效果,设计了气压深松机,优化了深松铲结构,并进行作业效果田间试验.深松机应用气压控制系统将周期性高压气体通过导气管传送至深松铲出气口处,从而完成气压深松作业.以土壤扰动系数、膨松度与碎土率作为评价指标,进行松机作业质量田间试验,结果表明:气压深松机深松作业后,土壤膨松...     

主动润滑减阻曲面深松铲设计与试验

针对深松作业阻力大、牵引能耗高、作业效率低等问题,提出了一种针对低含水率、高紧实度耕作土壤的曲面深松铲主动润滑减阻和土壤改良复合作业方案。首先,在三维扫描获得曲面深松铲三维模型的基础上,通过离散元法分析了曲面深松铲作业过程中深松铲与土壤颗粒间的互作特性,确定了铲体最大摩擦接触面作为主动润滑减阻面;其次,提出了主动液体润滑减阻思路,并借鉴蚯蚓体液分布构形与体表织构,分别在铲面和铲尖的最大摩擦接触面上,设计了沟槽形式的表面构型与节流孔等润滑面结构以及润滑介质泵送系统,形成了主动润滑减阻曲面深松铲;最后,以作业速度、润滑液流量为试验因素,以水平方向作业阻力为主要指标,在两种土壤条件下进行了大田试验。试验结果表明：在褐土地作业环境下,当作业速度为3 km/h、润滑液流量为12 L/min时,减阻率可达13.48%;在盐碱地作业环境下,当作业速度为1.87 km/h、润滑液流量为12 L/min时,减阻率可达19.87%;初步证明主动润滑减阻作业模式在低含水率、高紧实度土壤中具有较好减阻效果。     

主动润滑减阻曲面深松铲设计与试验

针对深松作业阻力大、牵引能耗高、作业效率低等问题,提出了一种针对低含水率、高紧实度耕作土壤的曲面深松铲主动润滑减阻和土壤改良复合作业方案。首先,在三维扫描获得曲面深松铲三维模型的基础上,通过离散元法分析了曲面深松铲作业过程中深松铲与土壤颗粒间的互作特性,确定了铲体最大摩擦接触面作为主动润滑减阻面;其次,提出了主动液体润滑减阻思路,并借鉴蚯蚓体液分布构形与体表织构,分别在铲面和铲尖的最大摩擦接触面上,设计了沟槽形式的表面构型与节流孔等润滑面结构以及润滑介质泵送系统,形成了主动润滑减阻曲面深松铲;最后,以作业速度、润滑液流量为试验因素,以水平方向作业阻力为主要指标,在两种土壤条件下进行了大田试验。试验结果表明：在褐土地作业环境下,当作业速度为3km/h、润滑液流量为12L/min时,减阻率可达13.48%;在盐碱地作业环境下,当作业速度为1.87km/h、润滑液流量为12L/min时,减阻率可达19.87%;初步证明主动润滑减阻作业模式在低含水率、高紧实度土壤中具有较好减阻效果。     

基于SPH算法的深松铲土壤切削过程仿真及试验研究

为探明深松铲土壤切削过程中切削阻力的变化规律和了解深松铲切削土壤过程情况,基于SPH方法建立了深松铲土壤深松的有限元模型,并对其深松过程进行仿真分析。仿真结果表明:SPH法能够直观地模拟深松铲土壤切削完整过程,最大等效应力为3. 184MPa,主要集中在与深松铲接触土壤上,仿真切削阻力为3.65 k N。通过耕整地移动式田间动态试验台进行田间试验验证,得出切削阻力为3. 542 k N,与仿真结果相比误差仅为3. 05%,验证了基于SPH法进行深松铲切削土壤过程的仿真是可行的。     

Tillage Tool Design by the Finite Element Method: Part 2. Experimental Validation of the Finite Element Results with Soil Bin Test

Laboratory soil bin tests of subsoiler cutting in a sandy loam soil were carried out in order to validate the results obtained from the finite element calculations reported in Part 1 of this study. Measured results of subsoiler draught force and soil failure dimension taken on the surface were presented for four combinations of the subsoiler shank rake angle and chisel angle. Soil bin tests also measured the variation of draught force with subsoiler displacement. It was observed that the angle of both the subsoiler parts affected the dimensions of the surface soil failure and the magnitude of subsoiler draught force.Finite element method predictions of the subsoiler draught force as well as the extent of surface soil failure agreed well with measurements made in the soil bin. The predicted draught force for all subsoiler types exceeded the measured ones. The overprediction error ranged from 11·76 to 20·04%. The finite element model provided a good approximation to the maximum upward soil movement for the experiments. Better finite element method predictions of the front soil failure was obtained for the two subsoiler designs with a small chisel angle of 15° than for the designs with chisel angles of 23 and 31°. Among the four investigated subsoiler types the best subsoiler design was devised, which required the lowest draught and developed good soil loosening qualities as estimated by soil volume change. This subsoiler had a shank of 75° rake angle and an inclined chisel of 15° angle. Keeping a good soil loosening performance was attributed to the smaller shank rake angle of 75°, which indicated that the shank played an important role for the determination of the quality of soil loosening.