深松铲减阻性及耕作阻力影响因素研究——基于LS-DYNA

为研究不同触土曲面深松铲的减阻效果及不同工作参数对深松铲耕作阻力的影响,设计了5种典型准线的深松铲结构,并通过ANSYS/LS-DYNA软件对深松铲切削土壤过程进行了仿真,对比分析了不同结构深松铲切削土壤时所受到的阻力,选择出减阻性能最好的深松铲结构。以优选的深松铲作为研究对象,对入土角、工作速度及工作深度等因素进行单因素试验,研究上述因素对耕作阻力的影响。试验结果表明:仿生变曲率深松铲的减阻性能最好,其耕作阻力最小(601 N);入土角为24°时,深松铲耕作阻力最小;耕作阻力随工作速度和工作深度的增加而增大。该文可为深松铲结构的设计以及工作参数的选择提供一定的技术支持。     

自激式振动深松整地机设计与试验

为了减小深松耕作阻力、提高深松深度的稳定性,设计了一种入土角可控的自激式振动深松整地机。通过室内土槽对比试验优化了自激式振动深松装置的弹簧参数,验证了减阻效果,并对整机作业质量进行了田间测试。土槽试验表明:弹簧的性能参数对减阻效果有显著影响,当弹簧刚度为194 N/mm时,入土角可控自激振动深松可使牵引阻力下降29.8%,自激振动条件下入土角可控较不可控牵引阻力下降8.9%;田间试验结果表明:深松整地机作业后深松深度合格率达到100%,稳定性系数达到95.49%,土壤膨松度平均值为19.34%,土壤干扰系数为56.62%;机具作业后地表平整,碎土率平均值为76.4%,通过性能良好,较好地满足了我国北方一年两熟区深松整地技术的要求。     

基于EDEM的轻型凿式深松铲土壤耕作载荷仿真分析

以轻型凿式深松铲为研究对象,利用EDEM建立其离散元仿真模型,确定深松铲土壤深松作业过程中的耕作载荷组成,并采用单因素试验方法分析了入土深度及作业速度对土壤耕作载荷的影响。结果表明:深松铲土壤耕作阻力主要由前进阻力及垂直阻力组成,土壤耕作阻力及其前进、竖直分量随着作业速度及入土深度的增大而增大,且土壤耕作阻力与两作业参数间皆成抛物线型二次函数关系;同时,土壤耕作阻力的波动状况随入土深度的增大及作业速度的减小而减小。该研究可为深松铲的研究提供一定的依据。     

深松铲入土力学分析与振动减阻机理研究

对深松铲入土时与土壤的力学作用进行分析,得出土壤的变形阻力是影响牵引阻力的主要因素,从而提出振动减阻机理,即利用振动使土壤从无结构转变为有结构,达到减小耕作阻力、提高作业质量、降低能源消耗、提高生产效率的效果。     

甘蔗地凿式深松犁角度参数的优化研究

针对现有甘蔗地深松犁牵引阻力大的问题,通过试验分析优化对深松犁综合性能影响较大的角度因素—犁柄倾角、入土角、入土隙角。采用二次通用旋转组合试验,建立了关键角度参数与牵引阻力之间的数学模型,对试验数据进行通径分析和响应面分析。在保证深松犁作业性能的前提下,确定了犁柄倾角为33°、入土角为25°、入土隙角为6°时为最优的参数组合。田间检验试验结果表明:优化后的深松犁深松性能良好,牵引阻力较低,满足甘蔗地深松技术要求。研究结果可为进一步优化甘蔗地深松机整体性能提供理论依据和数据参考。     

振动深松的试验研究

应用二次正交旋转设计的试验方法对凿式振动深松铲进行了试验研究，分析了振动深松过程中牵引阻力、功率损耗与前进速度、激振频率和振幅之间的关系，借助回归分析建立了相应的数学模型，并将振动深松与无振动深松进行了对比。研究表明，振动深松不能减少总功耗，但可大幅度地降低牵引阻力。低频大振幅对振动深松比较合适。     

深松铲入土深度及铲形对耕作阻力影响

深松作业存在的主要问题是耕作阻力大。深松机中深松铲作为重要部件,其形状和结构参数直接影响着深松作业的牵引阻力及作业质量等。通过推拉力计测量了鸭掌形铲在不同入土深度时的耕作阻力;通过变换不同铲形的耕作试验,测量了现有凿形铲、鸭掌形铲、翼形铲在入土深度为35cm时的耕作阻力。结果表明:牵引阻力随着鸭掌形铲入土深度的增大而增大,因为土壤硬度随着土层深度的增加而增大,所以在10~20cm的土层中对深松铲的阻力较小,深松铲在20~30cm的土层中的阻力有较大增加,在30~40cm的土层中阻力增加幅度最大,其规律符合二次曲线。不同铲形耕作试验表明:铲形不同时,铲尖与土壤接触面积不同,导致深松铲与土壤之间的剪切力和挤压力不同,其牵引阻力与铲尖面积满足对数关系。     

马铃薯振动挖掘装置的性能试验研究

针对马铃薯收获过程中普遍存在的挖掘切削阻力大、耗能高等问题,设计了一种五杆双作用振动挖掘装置,以输送速度、入土角、振幅及振动频率为试验因素,以机组功耗为评价指标,采用功耗测试系统对其进行了试验,并利用Design-Expert 8.6.0软件对试验数据进行了处理。结果显示:影响因素对功耗的影响次序为牵引速度入土角振幅振动频率;以低功耗为优化目标,对建立的数学模型进行优化,获取了功耗最小组合方案,即牵引速度为0.53m/s、振幅为12.63mm、入土角为10.14°、振动频率为11.73Hz时,功耗为12.22kW。对该组合进行田间验证,结果表明:实际功耗为12.536kW,实际值与理论值之间的误差为2.6%,符合设计要求。该研究成果可为马铃薯收获过程降低功耗、减少阻力等研究提供参考。     

行间深松部件的试验研究

国内外现有的深松机在地表无覆盖的条件下工作性能较好,但是在保护性耕作条件下还存在秸秆堵塞、入土困难、工作阻力大等问题。为此,对研制的行间深松部件进行了正交试验。结果表明,圆盘和铲的水平间距、机器前进速度、深松铲的入土角对牵引阻力和牵引功耗有显著影响,对深松机具的研究提供一定的基础。     

长根茎中药材收获机试验研究

为减少长根茎中药材收获时的牵引阻力,以振动频率、振幅、松土铲入土角为影响因素,采用正交试验法探讨各因素对牵引阻力的影响.试验结果表明,三因素对试验指标的影响顺序为入土角＞振幅＞振动频率;振动作业和不振动作业的沟槽剖面宽度不同.     

振动式深松机运动特性分析及试验研究

为了深入研究深松机具作业过程中的牵引阻力、能量消耗及作业性能,首先对影响深松作业的结构参数振动幅值、振动频率、振动角度和机具前进速度逐一进行分析;然后从运动特性入手,分别对3种不同振动角度下的运动轨迹进行了研究。结果表明:振动角等于0时,运动轨迹为一段锁扣波形,总功耗增加,深松效果增加不明显;当振动角大于0时,运动轨迹为一段沿运动方向倾斜的正弦波形,将其分为向前上方切削运动和后撤运动两段,前段功率消耗与非振动深松相当,但后撤阶段功率消耗增大使得降耗效果不明显;当振动角度小于0时,运动轨迹为一段沿运动方向相反倾斜的正弦波,将其分为向前下方切削运动和提升运动两段,同时,在提升阶段运动过程中,深松铲工作于已深松过的土壤中,因而功耗大大减小,可以实现减阻降耗目的。同时,在前进速度为0.2~1.78m/s、振幅为10mm、振动角为10.80~-3 2.40和0~50Hz振动频率条件下,对振动式深松机具进行了单因素土槽试验研究,并分析了各因素与功率损耗之间的关系。     

带翼振动深松铲运动特性分析及试验研究

为解决目前深松作业机具在南方大粘性、易板结及压实特别严重的土壤特性下,机具耕作阻力大、深松质量不高的问题,对带翼振动深松铲深松机理进行研究。通过对机具深松部件进行运动仿真,对速度、加速度、运动轨迹进行分析表明:铲翼和铲尖的切削和抬升土壤过程同步交替进行;铲尖水平方向速度和加速度幅值很大,主要切削土壤,铲翼垂直速度和加速度幅值很大,主要抬升土壤;铲翼对土壤进行二次的破碎疏松,以较小的耕作阻力有效提高了土壤疏松质量。田间试验结果表明:振动深松后在10~20cm和20~30cm土层的坚实度降低了54.2%和53.7%,不振动深松10~20cm和20~30cm土层的坚实度降低了41.6%和48.8%;特别是在0~1 0 cm土层振动深松使土壤坚实度比深松前降低了7 0.1%,远大于不振动深松的4 2.7%;带翼深松铲振动深松相比不振动深松可以减少3.2%~27.2%的牵引力阻力,减阻效果明显。由此可为带翼深松铲结构优化和提高深松机具在南方的作业性能提供理论参考。     

土壤旋切振动减阻的有限元分析

提出了一种对旋耕机具施加振动载荷进行压实土壤切削减阻的方法。对板结土壤参数进行土壤三轴测试试验,结合LS—DYNA的MAT147材料模型,测试土壤材料模型参数,并建立了南方丘陵地带板结土壤本构模型及土壤振动旋切过程的有限元数值模型。通过三维数值模拟和计算,分析了外加激励的振型、频率及振幅等因素对土壤切削阻力的影响及变化规律,并得到实现最优减阻效果的各项参数组合。研究结果表明,采用振动旋耕机具进行土壤作业过程中,选择合适振动频率、幅值以及振动类型的外加刀具振动能实现土壤耕作减阻,有效降低机具的土壤切削功率。     

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.     

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。     

二维振动铲装的试验研究

通过小型铲斗改变振动参数的正交试验得出：振幅、频率、插入速度对铲土功和消耗功率均有较显著的影响；频率与插入速度对铲土功和消耗功率的影响一致，即高频率与低插入速度时铲土功与消耗功率较小；振幅对铲土功与功率消耗的影响相反，即小振幅时消耗功率小，大振幅时铲土功较小。     

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。     

以砂鱼蜥头部为原型的仿生深松铲尖设计与离散元仿真

为解决传统深松机具触土部件破土困难、耕作阻力大等问题,以砂鱼蜥头部为仿生原型,采用逆向工程技术对其特殊几何特征进行提取,将量化后的几何结构特征应用于深松铲尖的设计,以期减小深松铲作业阻力和能耗。依据不同特征曲面,设计了3种仿生铲尖试样,并与凿型铲尖试样进行性能对比。建立离散元模型,求解不同铲尖垂直贯入土壤阻力;制备试样,通过万能试验机进行土壤垂直贯入实测试验;将模拟结果和实测试验结果进行对比,结果表明离散元仿真分析和实测试验结果吻合较好,最大贯入阻力的相对误差为2.47%～3.91%。使用离散元法分析仿生铲尖和凿型铲尖（T-S）在土壤分层情况下的相互作用,证实仿生铲尖比凿型铲尖具有更低的所需牵引力,其中仿生铲尖B-S-2减阻效果最好,相对于凿型铲尖,其减阻率为8.34%～19.31%。离散元分析揭示砂鱼蜥头部仿生曲线特殊的曲率变化对破土阻力有显著影响,仿生铲尖改变了土壤颗粒的流动方向,减小了铲尖上方土壤扰动范围,从而降低所需牵引力。在3种作业速度和3种耕作深度下对阻力的仿真结果与土槽试验结果进行对比,误差为10.83%～17.06%。     

预破土组合振动深松铲的设计与试验

为了避免在深松铲铲柄上开破土刃口而降低深松铲的强度,本文将破土刃口与铲柄分离开进行独立设计,形成内弧半径为150 mm的专有弧形破土器,承担对土壤的切割作用,减轻深松作业阻力.本文通过田间试验验证了预破土器对深松减阻的效果,确定了预破土器的最佳安装位置,试验结果表明,在振幅5 mm、振频10 Hz、前进速度1.44 k...