基于离散元法的果园开沟刀具的仿真与试验研究

为探究自主研制的果园立式单轴开沟机刀片数量对开沟质量及功耗的影响及刀片在作业过程中受力最大的部位,采用离散元法建立了4刀片刀具开沟过程的仿真模型,并运用转速—扭矩测量平台获得了开沟过程中刀具的真实功耗,得出仿真模型的误差为9.3%,从而验证了离散元法对刀具开沟过程进行模拟的可行性。运用该仿真模型分别对刀片数目为3和5的刀具开沟过程进行了仿真研究,结果表明:当刀片数目为3时刀具的功耗最小,刀片数目为4为时开沟效果最好。通过分析4刀片刀具工作时的受力情况,得知其在工作开始时功耗波动较大,底端刃口处始终受到较大力的作用,因而应对其进行耐磨处理。     

葡萄深施有机肥开沟装置设计及仿真

针对葡萄种植施肥过程中开沟作业功耗大的问题,根据新疆葡萄种植地土壤特性及葡萄种植模式,设计了一种适用于葡萄深施有机肥的开沟装置,主要由机架、刀盘总成及导流罩等组成。其中,开沟刀具依次间隔螺旋排列,刀具2把为1组,共7组14把。在完成开沟装置设计与土壤参数测定的基础上,利用离散元仿真软件建立了土壤颗粒模型及土壤-开沟装置交互模型,仿真分析了前进速度、刀盘转速及刀具组合对开沟作业功耗的影响。结果表明:前进速度、刀具组合、刀盘转速与刀具组合交互作用对开沟作业功耗影响显著。确定的最优参数组合为:前进速度801m/h,刀盘转速111r/min;刀盘组合为:刀A切土角150°、弯折角60°、工作幅宽133mm,刀B切土角180°、弯折角90°、工作幅宽166mm。此时,开沟作业功耗为17k W。     

基于ANSYS/LS——DYNA的旋耕刀强度和功耗研究

目前,旋耕刀的功耗研究主要基于ANSYS/LS—DYNA进行,旋耕刀强度分析则主要通过静力学分析完成,这与刀具实际工作时的受力状态仍有一定的差距。因此,为同时得到旋耕刀切削土壤过程中刀具应力的动态变化、刀具切削力及切土功率,利用ANSYS/LS—DYNA,采用单元组合法,对旋耕弯刀切削土壤的过程进行数值模拟。数值仿真结果表明:切削过程稳定进行时,刀具所受应力最大值为5.67×10~8 Pa,刀具与刀座的连接处容易产生应力集中,刀具的最大切削力为433.9N,由刀具转动时受到的最大扭矩求得切土峰值功率为1.66kW,与理论分析得到的刀具切削力和切土功率相近。研究结果为旋耕刀的结构参数优化设计提供指导并为旋转耕作类机械切削土壤的数值模拟仿真提供参考。     

基于多体动力学的圆盘式开沟机虚拟仿真与功耗测试

目前圆盘式开沟机功率消耗主要通过理论计算或样机试制后的田间试验等方法得出,测试结果受环境、设备精度影响较大,为此提出了利用虚拟测试平台评估圆盘式开沟机功率消耗的方法。首先建立圆盘式开沟机工作部件的ANSYS动力学模型,并进行边界约束条件和载荷设置,分别模拟圆盘式开沟机在开沟深度400 mm、前进速度0.8 km/h、刀盘转速180 r/min和开沟深度500 mm、前进速度1.5 km/h、刀盘转速220 r/min 2种工况下的功率消耗,仿真结果为31.26 kW和32.67 kW;然后构建相同工况的田间功耗测试系统,测得的实际功耗为33.57 kW和35.41 kW,仿真值与实测值相对误差分别为6.88%和7.73%,验证了该种测试方法的准确性和可行性。最后分别选取3种开沟深度、2种前进速度和3种刀盘转速因素组成18种开沟工况,对其进行仿真分析,结果表明:刀盘转速在200 r/min时,无论前进速度高低,圆盘式开沟机均具有最低的功耗。     

基于ANSYS/LS-DYNA的滚筒式翻堆机翻抛功耗模型研究

翻堆机的翻抛功耗是翻堆机的主要功耗,翻抛功耗与运行参数、结构参数、工艺需求以及建筑结构之间存在相互制约的关系,通过对翻抛功耗与其他参数关系的研究分析能够对翻堆机的翻抛功耗进行优化。因此根据滚筒式翻堆机的工作特点,选用ANSYS/LS-DYNA软件和SPH模型对翻抛装置翻抛物料的过程的功耗进行数值模拟分析,将仿真结果与理论计算结果进行对比验证,从而得到翻抛功耗的模型。经过仿真刀齿切削过程的功耗约为82.7 J,刀齿转动翻抛污泥的峰值功率为3.96 kW,平均功率为0.812 kW,与理论分析得到的刀齿翻抛功率相近。     

螺旋刀具土壤切削过程模拟分析——基于ANSYS/LS-DYNA971

根据立式螺旋开沟机的工作特点,在ANSYs中建立了螺旋刀具切削土壤的有限元模型,并运用显式动力分析程序LS-DYNA97l对螺旋刀具土壤过程进行了数值模拟分析,分析结果与实际工作情况吻合,得到了切削过程中土壤的等效应力分布情况.结果表明,土壤在切削时,主要受到刀具挤压和剪切破坏.当切削力升高到土壤破坏强度时,土壤迅速失效,为揭示土壤切削状态和开沟机优化设计提供了依据.     

基于FEM和正交试验的茶园修剪机刀片的优化

修剪是茶树等经济类树木种植综合管理中的重要环节,切口质量的好坏对其产量和质量具有直接的影响。为降低修剪过程中刀片的剪切阻力、提高切口质量,采用FEM数值方法和APN1211E-U功率分析仪进行了茶树枝修剪的仿真与试验,仿真峰值功耗与试验峰值功耗误差为5.7%,验证了茶树枝修剪仿真模型的准确性。运用该仿真模型对刀片间隙γ、切割速度υ进行了虚拟正交试验,并建立了该参数与峰值阻力的数学模型,得出在刀片间隙γ为0.01mm、剪切速度υ为1.414 7m/s、修剪直径为3.5mm时,茶树枝峰值阻力最小为5.160 7N,为茶园修剪机刀具的设计和优化提供了方法和思路。     

林地开沟机刀具优化设计与试验

针对林地开沟条件恶劣、开沟困难的情形,设计一种开沟刀,对设计的开沟刀进行切削土壤研究与参数优化。利用LS-DYNA建立开沟刀—土壤切削有限元模型,得到开沟刀土壤切削过程等效应力、切削阻力以及切削能耗的变化规律。以平均切削阻力为指标,建立正交仿真试验,探究刀片厚度、刃倾角和刀片切削速度对平均切削阻力的影响。正交仿真试验结果表明：平均切削阻力最小时的最优参数组合为刀片厚度6 mm,刃倾角45°,刀片切削速度2 m/s;各因素影响平均切削阻力的顺序为刀片切削速度>刀片厚度>刃倾角。对优化后的开沟刀进行静力学分析,刀具的强度与刚度满足要求。林地试验开沟刀切削阻力平均值为232.6 N,试验值与仿真值误差为7.1%,表明开沟刀—土壤切削模型可用于开沟刀参数优化。     

圆盘式开沟机抛土性能的研究

近年来,新疆的果园开沟装备较过去人工开沟得到了跨越式发展,一个完备的技术体系正在逐步建立,但受功耗高、效率低、回流多等因素制约,果园开沟装备在稳定性方面仍存在许多不足,严重影响开沟性能。为此,有必要对适用于新疆矮、密种植模式的果园圆盘式开沟技术进行一个系统总结与分析,为后续开沟的技术装备研发指明方向。为此,分析了国内外旋耕机对抛撒轨迹的研究现状,总结了目前已有的正转旋耕模型和反转旋耕模型两种旋耕模型研究现状,分析了基于MatLab、Simulink、高速摄像机、高速数字图像采集和图像处理等技术对盘式开沟机开沟刀具运动、土块单元运动情况,并探究了影响圆盘式开沟机抛洒轨迹的的主要因素,展望了未来果园圆盘式开沟技术装备发展方向。     

开沟机作业功耗的正交试验分析及其优化设计

为了研究各种因素作用对开沟机作业功耗的影响规律,并实现对开沟机作业功耗的优化设计,根据传统经验和已有研究结果,对影响开沟作业功耗的主要因素——开沟深度、前进速度和土壤坚实度进行设计并实施了正交试验,再根据试验结果进行了影响作用的极差分析和方差分析,得出各个因素影响的主次顺序依次为：开沟深度〉土壤坚实度〉前进速度,根据正交试验结果,采用二阶响应面法建立了开沟机作业功耗的优化模型,并将实测试验数据代入到模型中,从而在试验中加以计算验证.试验结果表明：功耗响应面模型的计算值与试验值的误差在10%以内,这说明建立的功耗优化模型具有较高的工程实用性,可为开沟机产品设计人员选择节省功耗的参数组合和操作人员选择功耗匹配的拖拉机提供理论依据.     

果园链式开沟器系统的设计及有限元分析

设计了一种果园链式开沟器系统,可一次性完成开沟、覆土两道工序,并介绍了该系统的工作原理及结构。运用SolidWorks软件设计出链式开沟器系统的结构模型,计算出链式开沟器系统工作时所需功率为6.66kW。将模型导入ANSYS Workbench中,对单排开沟刀进行模态分析,求解出前6阶约束模态的固有频率和相应振型,得到最低固有频率为717.61Hz,并提出对单排开沟刀进行结构改进。对单个开沟刀进行静力学分析,得到开沟刀的应力图和变形分布图,可知开沟刀工作时所受应力和形变量均在允许范围内。对果园链式开沟器系统进行田间试验,结果表明:果园链式开沟器系统符合设计的技术要求。     

茶园仿生往复式开沟松土机设计与试验

丘陵山区茶园土壤板结、石砾较多,使用传统旋转或移动式开沟机会出现打石跳刀、刀具无法入土、开沟不深、作业阻力大的问题。为此,依据人工铲土具有自发性以最低功耗完成最优作业路径的特点,设计仿人工铲土动作的曲柄摇杆式开沟装置,并研制小型茶园往复式开沟松土机。通过分析人工使用铁锹铲土的动作,建立入土、切土、抛土的运动模型,基于Matlab软件分析得到人工铲土时铁锹锹尖运动轨迹的拟合方程,以此方程为基准,建立曲柄连杆机构的目标函数,结合约束条件解出曲柄摇杆机构结构参数,同时对开沟铲进行开沟阻力分析,确定开沟铲的结构参数。建立Recurdyn和EDEM耦合的开沟铲-土壤互作仿真模型,并进行三因素三水平正交试验,对作业和结构参数进行优化,得到最优参数组合：机器前进速度v为0.06 m/s、曲柄转速n为42 r/min、入土倾角φ为80°。田间试验结果表明,茶园往复式开沟松土机作业平均开沟深度为211.5 mm,开沟功率为0.119 kW,沟深稳定性系数为90.9%,相较于传统旋转式开沟机,开沟功率降低6.3%,沟深稳定性系数提高3.1个百分点,整机作业质量满足茶园农艺要求。     

免耕播种机浅旋清茬斜置式防堵装置设计与试验

针对黄淮海地区玉米免耕播种作业时,过量小麦秸秆残茬堵塞开沟器的问题,提出一种以拨离残茬和浅旋根茬形式实现苗床清整的斜置式防堵装置。通过理论分析对防堵装置结构参数进行设计,确定了各参数的范围和相互关系,并根据装置结构对耕刀拨茬入土和脱茬离土的过程进行受力分析,确定了影响工作性能的因素。运用离散元方法模拟防堵装置在田间作业过程,以秸秆清除率、土壤扰动系数和功耗为评价指标,对装置倾角、转速和前进速度进行回归分析和显著性检验,确定了各因素对评价指标的影响及主次顺序。通过对回归模型进行多目标函数优化求解,得到最优参数组合为：转速400r/min、前进速度6km/h、倾角18.5°,此时秸秆清除率为74.5%、土壤扰动系数为34.7%、功耗为1.36kW。以优化得到的参数对装置进行土槽试验,试验结果表明：转速为400r/min、前进速度6km/h、倾角18.5°时,秸秆清除率为92.5%、土壤扰动系数为29.6%、功耗为1.51kW,试验结果与仿真试验优化结果相吻合,满足设计要求。     

油茶林立式螺旋松土除草机设计与试验

为实现低矮密集型油茶林松土、除草、除灌一体化作业,解决油茶林土壤板结、草灌杂生等问题,设计了立式螺旋松土除草机。通过对油茶林常见杂草、杂灌根系的物理力学特性分析,结合刀具运动分析,设计了立式螺旋耕刀。采用Hertz-Mindlin bonding接触模型建立了根土复合体模型,以降低功耗为目标对刀具参数进行了仿真优化,分析其对根土复合体的扰动情况,并试制样件进行了土槽试验,检验耕作效果,验证了仿真分析的可靠性。仿真结果表明：优化后立式螺旋耕刀对根土复合体的扰动率可达到91.41%,切削土壤时最大功耗为0.16 kW;切削根土复合体时最大功耗为0.77 kW。土槽试验表明：耕刀的耕深稳定性系数为92.34%,碎土率95.00%,除根率95.30%;螺旋耕刀在切削土壤时,实际测得最大转矩为7.93 N·m,比仿真值低6.57%;切削根土复合体时,实际测得最大转矩为34.84 N·m,比仿真值低4.91%,两者比较接近,验证了设计的正确性。设计的立式螺旋松土除草机满足丘陵山地油茶林松土、除草、除灌作业要求。     

茶园切抛组合式开沟刀设计与试验

针对茶园机械化开沟抛土性能不理想、无专用刀具的问题,设计了适用于茶园开沟的切抛组合式开沟刀。对抛土刀抛土片的抛土过程进行动力学分析,确定其关键参数抛土片宽度为8cm、倾斜角为30°时,可保证抛土刀横向抛土幅宽满足农艺要求。性能试验表明：切抛组合式开沟刀单侧抛土幅宽为22.7cm、抛土均匀性系数为90.3%、覆土厚度为2.1cm、开沟深度稳定性系数为87.8%、沟底浮土厚度为1.2cm,对照组单一开沟刀为13.4cm、84.3%、2.4cm、82.3%、2.5cm,说明切抛组合式开沟刀更符合茶园开沟实际需求,抛土均匀性与开沟稳定性更好,所抛土壤不易落入沟内。功耗分析试验表明,与单一切土刀相比,切抛组合式开沟刀抛土的正后侧区域冲击力减小,抛土上方区域冲击力减小,从而导致其抛土总冲击力减小,因此,该组合式开沟刀提高了开沟抛土质量,同时未明显增大开沟功耗。     

立式螺旋开沟器土槽试验装置

为了研究立式螺旋开沟器在不同前进速度、转速、开沟深度以及开沟角度组合工况下进行作业的功率消耗情况,设计了一套试验装置.该装置以上位机和数据采集卡为控制系统核心,利用LabVIEW编写的测控软件实现了开沟器转速、转矩等参数的采集、显示以及土壤切削功耗的处理和分析,以获得不同前进速度、转速、开沟深度以及开沟角度组合作用下土壤功耗的变化情况.利用该试验装置在转速为250 r/min,开沟角度为0°,开沟深度为250 mm的情况下,进行了前进速度分别为3,4,5 m/min的单因素土壤切削试验,并将试验参数代入切削功耗的理论计算公式中,从而对试验结果加以计算验证.单因素试验结果表明：该装置能模拟开沟器在不同前进速度、转速、开沟深度以及开沟角度组合作用下的土壤切削全过程,并且以前进速度为单因素变量的试验测得的土壤切削功耗与理论计算的最大误差为11.05%.     

新型无叶粉垄刀具仿真设计研究

针对粉垄刀具作业功耗和切削阻力大及耕后表层土块大的问题,设计了一种新型无叶(螺旋叶片)刀具,采用SPH法建立3种线型新无叶刀具作业系统仿真模型,进行作业性能对比分析,优选一种线型新刀具,并与原刀具进行对比,且对优选新型无叶刀具作业过程进行分析。研究结果表明：与原粉垄刀具相比,新刀具功耗减少了8.4%,表层土壤破碎度减小了43.3%;新刀具作业后土壤表层破碎度较高,主要是由于新刀具耙齿切出细长条的土块后,土块可受到上层外部刀片和相邻刀具的上层外部刀片交错切削;刀具的切削阻力受外部刀片数量和分布、耙齿的宽度及底刀的结构等因素影响较大。研究结果可为粉垄刀具减阻优化提供理论依据。     

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。     

基于有效落种空间的甘蔗横向种植机开沟器设计与试验

针对甘蔗横向种植对落种质量要求高的问题,基于有效落种空间形成条件,设计了一种组合式甘蔗横向种植开沟器,主要由防漏犁、旋耕部件和开沟犁构成。通过分析落种运动与土壤运动规律,确定影响落种效果的因素以及各关键部件的结构参数。以旋耕转速、工作深度和前进速度为试验因素,以有效落种深度、旋耕功耗和开沟阻力为试验指标开展田间正交试验,探究作业参数对开沟器性能的影响规律。试验结果表明,工作深度对有效落种深度、旋耕功耗和开沟阻力有极显著影响;旋耕转速对旋耕功耗有极显著影响;前进速度对旋耕功耗有显著性影响。使用较优作业参数组合进行验证性试验的结果表明,在旋耕转速为200 r/min、工作深度为30 cm和前进速度为1.20 m/s时,有效落种深度为29.9 cm,落种深度稳定性系数为97.6%,覆土厚度为8.8 cm,浮土厚度为3.4 cm,旋耕功耗为34.0 kW,单侧开沟阻力为14.1 kN,开沟器性能指标满足甘蔗横向种植的落种要求。     

小麦播种机高速开沟阻力的动态建模与仿真

小麦播种机开沟器作为核心触土部件,阻力大、能耗高,是制约播种机作业速度及高速播种作业质量提升的关键所在。为此,选择无侧翼且宽度较窄的鸭嘴式开沟器,通过对小麦播种机高速开沟作业过程中的阻力来源及与土壤的相对运动过程进行分析,建立了开沟器—土壤动力学阻力模型。利用Abaqus软件建立土壤-开沟器三维动态有限元模型,以开沟器工作阻力为试验指标,在作业速度为8~12km/h范围内进行正交仿真试验,并将试验结果与阻力模型理论值进行对比分析。结果表明:仿真结果与理论值误差在允许范围内,且两者变化趋势基本相同,验证了模型的可靠性,为后面高速播种机开沟器的参数优化设计和实践提供支持。