基于狗獾爪趾的仿生深松铲结构设计与试验

针对现有深松铲存在的耕作阻力较大及能耗较高等问题,利用仿生学原理将狗獾爪趾的曲线应用到深松铲的结构设计中,设计了一种铲柄刃口为多项式曲线、铲尖为圆弧形的新型深松铲。为研究其耕作效果,将所设计的深松铲与国标深松铲进行了室内土槽对比试验。试验结果表明:在相同的深松试验条件下,仿生深松铲比国标深松铲的耕作阻力减小了13.33%~21.72%,仿生深松铲减阻效果明显;仿生铲柄与国标铲尖组合比国标深松铲耕作阻力减小了3.01%~7.61%,仿生铲尖与国标铲柄的组合比国标深松铲耕作阻力减小了7.67%~16.9 7%,仿生铲尖的减阻效果显著于仿生铲柄的减阻效果。     

基于狗獾爪趾的仿生深松铲振动减阻研究

为降低深松作业的耕作阻力,对基于狗獾爪趾的仿生深松铲进行了振动减阻性能的研究,将仿生减阻技术与振动减阻技术相结合,研究减阻效果。同时,在耕作速度为0.6、1.0m/s和耕作深度为250、300mm的条件下进行仿生深松铲的振动减阻试验。试验结果表明:振动式深松铲的耕作阻力随着耕作深度和耕作速度的不断增大而增大;在相同的试验条件下,仿生深松铲振动耕作方式的耕作阻力比未带振动耕作方式的耕作阻力减小1 3.0 5%~1 8.9 4%,减阻效果明显。     

仿生偏柱式减阻深松铲设计及离散元仿真分析

过大的深松阻力是限制深松作业效果及深松机推广的重要原因之一,而深松阻力主要由深松铲引起,因而改进其结构、减小其作业阻力将有助于节能降耗及深松作业的推广。以善于挖掘的竹鼠及蚁狮幼虫为仿生对象,应用三维扫描仪对竹鼠爪趾及蚁狮幼虫进行结构获取,建立竹鼠爪趾及蚁狮幼虫背部的三维曲面。应用逆向工程原理提取优异的挖掘曲线,据此建立偏柱式深松铲三维模型。以深松深度、深松铲宽度及深松铲入土角为设计目标,设计出3种仿生偏柱式深松铲,并提出一种偏柱式深松铲铲柄的设计方法。应用EDEM软件对深松阻力进行模拟可知,深松铲铲柄及铲尖的仿生设计可有效减小其深松阻力,最大可减阻12.92%。仿生偏柱式深松铲设计将为深松铲结构优化提供新的设计思路。      

仿生减阻深松铲设计与试验

将小家鼠爪趾高效的土壤挖掘性能应用于深松铲减阻结构设计中,设计了铲柄破土刃口为指数函数曲线型减阻深松铲。为了对比耕作阻力,应用仿生减阻深松铲与传统深松铲进行了田间深松耕作试验。结果表明,耕深和前进速度对耕作阻力均有显著影响,且耕作阻力随着耕深和前进速度的增大而增大。在相同试验条件下,仿生减阻深松铲与传统深松铲相比,耕作阻力降低8.5%~39.5%,减阻效果明显。     

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%。     

仿生耐磨减阻深松铲的研究现状

深松铲在作业过程中存在工作阻力大、磨损严重的问题,因此良好的耐磨减阻性能和冲击韧性对改善深松铲的作业效果、延长深松铲的使用寿命具有极其重要的意义。仿生是深松铲优化设计的一种有效方法,本文归纳了仿生深松铲研究的生物仿生原型以及采用的仿生方法,从动物爪趾形态仿生、生物表面特殊几何结构仿生和复合仿生的角度,对仿生深松铲的耐磨减阻性能研究现状进行分析和总结。并基于已有研究提出仿生深松铲在未来的研究中向生物的力学特性仿生、功能特征仿生方面拓展,可以将鸟类、植物等的耐磨减阻特征作为新的仿生探索领域,也可以尝试将仿生设计与表面改性技术等其他技术方法相结合进行研究,以期为仿生深松铲的耐磨减阻性能研究提供参考,促进深松铲的耐磨减阻性能优化设计研究。     

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。     

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。     

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。     

滑切型自激振动减阻深松装置设计与试验

针对长江中下游地区黏重土壤深松作业阻力大的问题,基于滑切和自激振动减阻的原理,设计了滑切型自激振动深松装置。对滑切型铲柄的滑切角及刃口角进行了分析及参数设计,通过有限元分析,表明铲柄强度符合设计要求,自激振动弹簧采用内外双弹簧以减小自激振动装置的结构尺寸。土槽对比试验表明,固定连接方式滑切型深松铲在各速度下相对于传统弧形深松铲减阻7. 79%～8. 81%,自激振动连接方式滑切型深松铲在各速度下相对于传统弧形深松铲减阻15. 45%～20. 05%。田间性能试验表明,深松后各深度下土壤坚实度下降显著,0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm深度下土壤坚实度分别减小78. 18%、56. 08%和62. 72%;深松后各深度下土壤容重下降14. 66%～20. 81%,土壤含水率在0～10 cm略有下降,在10～20 cm和20～30 cm略有上升;土壤扰动系数均值为60. 8%,土壤蓬松度均值为11. 9%;深松深度及其稳定性系数符合行业标准,滑切型自激振动深松装置作业质量总体满足作业要求。     

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.     

基于耦合式仿生海豚深松铲的作业机理分析

针对目前深松作业中耕作阻力过大、深松铲磨损严重等问题,课题组应用高压气流土壤劈裂理论,借鉴仿生学原理,建立耦合数学模型,揭示气压耦合深松复杂应力作用下深松铲受力特性,确定最优减阻效能目标函数,利用遗传算法进行拓扑优化,以期得到气压耦合海豚深松铲关键部件结构最优减阻参数,为耦合式仿生海豚深松铲的研制及推广提供科学依据。     

南疆土壤特性下振动深松机深松铲结构及强度的研究

为有效发挥深松作业优势,针对南疆土壤特性通过实验分别测出了15、20、25、30 cm耕作深度下有振动和无振动两种情况下的耕作阻力,利用有限元软件在耕作深度30 cm时对主要工作部件深松铲的变形、应力及应变进行分析,为南疆土壤特性下深松铲的设计提供了一定的支撑数据,同时完成了对深松铲的强度校核,进行了适当改进和加强,保证了深松作业的连续稳定和安全性。     

深松铲刃耐磨技术研究

深松是保护性耕作的一种典型模式,然而深松的关键部件——深松铲的土壤磨料磨损是导致其失效甚至报废的主要因素之一。本文对提高深松铲刃耐磨性的方法进行了探讨,并提出了利用仿生技术来提高深松铲刃耐磨性的新方法。结果表明,仿生设计方法能够使深松铲刃的耐磨性能提高20%~30%。     

气压劈裂式深松铲的土壤劈裂减阻机理及有限元分析

针对我国现有土壤深松机械存在深松阻力大、深松幅度小等问题,研制了一种工作阻力小、深松效率高的气压劈裂式深松铲。首先建立了土壤与铲面在有无气压劈裂的工况下的力学模型,并进行对比分析,研究气压劈裂减阻机理,推导出在气压劈裂下的牵引阻力计算公式;然后,为验证设计的可靠性,对深松铲整体结构进行静力学分析与动力学分析。结果表明:气压劈裂式深松铲能够有效减小深松阻力,深松铲的最大应力远小于所选材料的屈服应力,且固有频率可明显避开与机身结构的共振频率。     

基于土壤扰动与牵引阻力的深松铲结构参数优化

针对目前深松铲作业阻力大的问题,以3种深松铲(凿形、箭形、翼形)为研究对象,以深松铲的铲形、入土角α和张角β为试验因素,在辽宁省春玉米垄作区,进行了田间正交试验。检测了深松沟土壤扰动等指标和深松阻力F,计算了深松沟形面积与牵引阻力比值即沟形面积比阻。结果表明,α、β对耕后土壤特性、深松沟形面积和沟形面积比阻没有显著影响。α对阻力F有显著影响,F随α先减小,再增大,当α为21°时阻力最小。铲形对耕后土壤特性、深松沟形面积、阻力F和沟形面积比阻有显著影响,凿形铲、箭形铲和翼形铲作业对土壤扰动面积依次增大,翼形铲的扰动面积分别比凿形铲和箭形铲大49.8%、30.0%,箭形铲扰动面积比凿形铲大15.3%(P0.05);但翼形铲所受阻力分别比箭形铲和凿形铲大123.6%和36.6%,箭形铲比凿形铲所受阻力大63.7%(P0.05)。从凿形铲到翼形铲,沟形面积比阻依次增大,凿形铲的沟形面积比阻分别较箭形铲和翼形铲小42.4%和50.2%(P0.05),箭形铲的沟形面积比阻较翼形铲小5.4%(P0.05)。综合深松铲对土壤扰动疏松效果、牵引阻力及沟形面积比阻分析,入土角α为21°的凿形铲是相对最优的铲形。     

楔形自润滑深松铲的结构设计与减阻试验

深松是实施保护性耕作的基础,在实行保护性耕作的初期更是必不可少的作业环节,能够打破犁底层、降低土壤容重、改善耕层结构。实现深松的主要工具是深松铲,其品质决定了深松效果。针对深松铲在工作过程中耕作阻力较大的问题,设计出一种楔形自润滑深松铲,借助SolidWorks软件进行结构设计及仿真分析,并在实验室进行减阻试验。试验结果表明:在相同试验条件下,楔形自润滑深松铲与传统深松铲对比,耕作阻力降低14.60%~21.17%,减阻率的平均值为18.28%,减阻效果明显。     

基于八角环传感器的弧形深松铲阻力测试

利用八角环传感器测试原理,对弧形深松铲在耕作过程中所受水平、竖直方向的阻力以及扭矩进行测试分析,研究弧形深松铲在不同耕深、耕速条件下所受阻力的变化情况。试验结果表明:八角环传感器测试系统测得的深松阻力与理论计算值基本相符,测量误差较小且在允许范围内。耕深变化对于阻力影响较大,该试验方法具有较好的可靠性和准确性,所测得的结果为弧形深松铲的进一步优化设计提供数据。     

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。     

深松、铺管、施肥一体铲的动力学建模与分析

建立了深松、铺管、施肥一体铲的动力学模型,并进行了仿真分析。深松、铺管、施肥一体铲是一种具有深松、犁底层下铺渗灌管及施肥的多功能联合作业铲。依据一体铲的工作原理,建立了一体铲在工作时所受到的水平阻力模型,该阻力由深松、铺管和施肥3部分的水平阻力构成。将一体铲三维模型导入ADAMS仿真软件中进行了动态仿真,主要分析了工作深度和行走速度对水平工作阻力的影响。结果表明:一体铲的水平工作阻力与拖拉机的行走速度成抛物线函数关系;一体铲的水平工作阻力与工作深度近似于成正相关的线性函数关系。通过对一体铲的动力学建模与分析,为进一步设计、改进一体铲提供了参考依据。