基于超声振动的土壤切削挖掘装置设计与试验

针对农业装备触土部件工作阻力大、耗能高等问题,提出了利用超声波高频振动辅助土壤切削挖掘从而降低阻力的技术方案,设计了超声振动土壤切削挖掘装置。选定20kHz作为超声激振频率,基于耦合谐振效应的目标,分析、设计了夹心式换能器和圆锥形变幅杆等关键部件的结构参数。建立了变幅杆有限元模型,利用仿真方法对其进行模态分析和谐响应分析,仿真结果显示,变幅杆轴线伸缩固有频率接近20kHz,与设计值吻合。搭建了超声振动土壤切削挖掘阻力试验测试平台,进行了有、无超声波振动土壤切削挖掘阻力土槽对比试验,结果表明：相比无振动刚性挖掘铲,超声波振动挖掘铲能够有效降低土壤切削挖掘阻力,在1.5、2.5、3.5MPa 3种土壤硬度条件下,超声波振动挖掘铲所对应的降阻率分别为35.1%、40.7%和44.3%,土壤硬度越大,超声波振动挖掘铲的降阻效果越明显。当土壤含水率为20%~48%时,不论有无振动,土壤切削挖掘阻力均随着土壤含水率的增加先迅速降低后又缓慢回升。由于超声振动激励需要额外消耗能量,故振动挖掘总耗能并未降低。试验验证了超声振动土壤切削挖掘降阻方案的可行性以及参数设计的合理性。     

五杆双作用马铃薯振动挖掘装置的设计与仿真

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,分析了挖掘铲的轨迹及运动特性,并利用SolideWorks、ADAMS等对机构进行了三维建模和运动学仿真。结果显示:在只添加振动驱动力的情况下,五杆双作用振动挖掘铲在水平和垂直方向上分别以20mm和8mm为振幅做简谐运动,仿真结果和理论分析结果一致。模拟田间实际运行轨迹结果显示:振动挖掘铲在随机架前行的同时,以固定的振幅做往复运动,运行轨迹为倾斜的正弦曲线。试验结果表明:该装置工作性能可靠,设计符合要求,可为马铃薯收获过程降低功耗、减少阻力等研究提供参考。     

马铃薯振动挖掘试验台的设计与试验

为了寻求马铃薯收获机振动挖掘部件的结构参数与运动参数对挖掘阻力的影响,设计了一种马铃薯振动挖掘试验台。该试验台可灵活调节振动挖掘部件的入土角度、前进速度、振动频率及振动幅度等,来模拟马铃薯振动挖掘过程。介绍了该试验台的结构与工作原理,对振动挖掘关键部件进行了设计,并对影响振动挖掘阻力的主要因素开展了正交试验研究。试验结果表明:影响振动挖掘阻力的主次作用因素依次为振动幅度、振动频率、前进速度,较优参数组合方案为振动幅度15mm、振动频率12Hz、前进速度0.5m/s,此时平均牵引阻力为594N,较相同牵引速度下的平动阻力减小19%。本研究结果可为马铃薯振动挖掘部件的设计提供参考。     

基于离散元法的胡萝卜挖掘铲优化设计

针对胡萝卜联合收获机工作过程中松土挖掘阻力大、胡萝卜漏拔率高等问题，对收获状态下三角翼形挖掘铲进行受力分析和计算，确定了铲面宽度和铲刃角的取值范围。根据胡萝卜种植模式，建立了挖掘铲-胡萝卜-土壤离散元仿真模型，以挖掘铲面长度、宽度及铲刃倾角为试验因素，以挖掘阻力、土壤破碎率为试验指标开展了胡萝卜挖掘仿真试验，仿真时间历程显示了土壤与胡萝卜随挖掘铲运动的变化过程。利用仿真试验数据拟合建立不同试验因素影响下挖掘铲阻力与土壤破碎率的二次多元回归方程，通过Design-Expert 10.0.7对数学模型进行分析求解，得出了最优参数组合为：铲面长度260mm,铲面宽度370mm,铲刃倾角57°。通过与凿型铲进行对比试验，结果表明：工作阻力降低了9.4%,土壤破碎率提高了2.8%,优化设计的三角翼形挖掘铲在工作阻力和土壤破碎率方面具有良好的松土性能，满足胡萝卜收获要求。研究可为胡萝卜挖掘装置试验研究和设计提供理论参考。     

花生挖掘铲动力学分析与试验

对花生挖掘铲与土壤进行动力学分析,建立了挖掘铲工作阻力数学模型,确定了挖掘铲的工作参数、土壤类型、土壤物理机械性质等因素与工作阻力之间的函数关系.分析了挖掘铲的铲面倾角、工作速度、挖掘深度、铲面宽度等因素对挖掘铲工作阻力的影响,以寻求最佳的工作参数.进行了挖掘铲工作阻力测试和花生收获试验,试验结果验证了挖掘铲阻力模型和工作参数的确定是合理的.     

基于振动的土壤挖掘阻力与耗能特性试验研究

为了研究振动频率、振动方向等参数对振动式土壤挖掘降阻特性和耗能特性的影响,设计开发了振动式土壤挖掘阻力试验台。经理论分析、计算确定了振动挖掘机构运动参数。在土壤平均相对湿度为27%、平均土壤坚实度为2.2MPa条件的室内土槽系统中,在挖掘深度150mm、前进速度0.15~1.00m/s、振动频率2~20Hz的因素条件下,利用该试验台开展了土壤振动挖掘阻力和耗能特性试验研究。结果表明,振动式土壤挖掘能够有效降低工作阻力,其降阻率先随着振动频率增大而增大,在2~20Hz频率段,前后方向振动和垂向振动振幅分别为13mm和10mm时,其最大降阻率分别可达到21%和25%。降阻率在10~14Hz后增长速度变缓,表明该区间处于土壤的自振频率区间。前后方向振动下土壤挖掘降阻率和振动速度与前进速度的比值有关,当振动速度小于前进速度时,降阻率比较小,随着振动频率增加而缓慢增大;当振动速度大于前进速度后,在对应的频率点其降阻率会迅速上升,之后增长速度逐渐变缓。由于需要额外激振能量输入,两种振动方向的强迫振动式土壤挖掘综合耗能并不减少,在振动频率低于10Hz下,耗能比范围在1~1.07,但超过10Hz后,耗能比会随着振动频率增大以较快速度增加。振幅的增大能够使土壤挖掘阻力获得一定的降低,但同时振动挖掘耗能有较大的增加。     

甘薯收获机的结构设计及关键工作参数分析

本研究针对低山丘陵地区甘薯种植模式,设计了一种满足机械化收获要求的小型甘薯收获机,并对关键部件挖掘铲进行单独建模、模态分析,得到其固有频率.为了获得工作中挖掘铲的最小工作阻力,利用LS-DYNA对铲片切削土壤的过程进行数值仿真,并进行了单因素试验以及三因素三水平的正交试验,得出挖掘铲铲片的工作阻力曲线及其各种条件的极值...     

花生收获机械土壤阻力测试装置试验与设计

为便于对花生收获机械作业过程中所受的土壤阻力进行测试与研究,研制了由机械部分、传感器和信息采集与处理3部分组成的花生收获机械土壤阻力测试装置。测试装置由拖拉机牵引可快速连续测试土壤阻力,并能实时显示、即时存储。系统标定和实验室试验表明:系统运行稳定,平均测试精度达93.07%;在田间进行两因素三水平验证试验,测试装置运行平稳,准确地反映了所受土壤阻力情况。     

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。     

大葱收获机挖掘阻力的理论与试验研究

大葱收获机挖掘阻力的研究对大葱收获机设计具有十分重要的作用,目前还未见有大葱收获机挖掘阻力的报道。为此,针对大葱收获机挖掘阻力难以测试的问题,采用理论建模和自主创新的嵌入式测试技术进行了研究。通过对大葱挖掘铲的受力分析及对挖掘土壤的动力学分析,研究了土壤附着力对挖掘过程的影响并建立了挖掘阻力数学模型。为克服传统根茎类作物挖掘力测试系统存在测试构件多、力传递误差大等不足,创新设计了嵌入式连续土壤阻力测试系统。同时,进行了不同挖掘速度和挖掘深度下的挖掘阻力测试试验,并将挖掘阻力理论结果与试验结果进行比较,二者趋于一致,表明对挖掘阻力的研究是正确的。最后,基于大量测试数据,建立了挖掘深度、挖掘速度与挖掘阻力之间的关系图。研究表明:阻力随着挖掘深度和挖掘速度的增加而逐渐增大,挖掘深度对挖掘阻力的影响比挖掘速度对挖掘阻力的影响大得多。因此,在保证将大葱从土壤中顺利挖掘出来的前提下,尽量减小挖掘入土深度,同时兼顾收获效率和大葱损伤率及损失率等因素,尽量提高挖掘速度,以保证大葱收获机的挖掘效率。     

太子参收获机挖掘机构设计及分析

为减小福建地区山地环境下太子参收获机的挖掘阻力,设计一种具有振动功能的太子参挖掘机构。通过太子参的种植环境以及挖掘铲的受力分析,设计挖掘深度h、入土角β、挖掘铲刃口倾角θ、铲体长度L及其宽度b等主要技术参数。根据偏心机构与四杆机构运动学原理分析挖掘铲的运动特征,利用ADAMS软件对其进行运动学仿真。根据挖掘铲理论负载计算所得的法向力,进一步利用ANSYS有限元软件对挖掘机构的挖掘铲进行静力学分析。通过实地测试并监测不同工况下的挖掘阻力,验证振动挖掘机构的功能性与理论分析结果。结果表明：挖掘机构可以实现以正弦波为周期的往复振动。对挖掘铲面施加563.85 N的法向力,挖掘铲最大应力为141.87 MPa,小于45号钢的355 MPa,满足受力要求。实地测试结果表明：不同工况下振动挖掘阻力在1 320 N和1 583 N之间变化,小于无振动时的挖掘阻力1 604 N,说明太子参振动挖掘具有减小挖掘阻力的作用。平均挖掘阻力为1 458 N,与理论计算数据1 505.181 N接近,进一步验证理论计算的合理性。     

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。     

马铃薯收获机挖掘装置智能设计系统与评价方法研究

针对马铃薯收获机挖掘装置设计效率低、设计知识难以高效获取和运用的问题,构建了马铃薯收获机挖掘装置智能设计系统。在收集整理挖掘铲设计规则的基础上,以产生式、框架式和混合式的知识表示方法表达挖掘装置的设计知识并进行存储,建立智能设计系统知识库;利用Visual Studio软件搭建知识管理系统,对规则类和实例类知识进行管理;采用基于规则和基于实例的正向推理方法,探讨智能设计系统推理机制;基于SolidWorks二次开发技术,对挖掘装置进行参数化建模;基于挖掘铲挖掘阻力分析和RecurDyn-EDEM联合仿真试验,构建挖掘装置工作性能评价体系;以Visual Studio为开发平台、VB.NET为开发语言,应用SolidWorks API接口技术和MySQL数据管理方法,对设计知识库、知识管理系统、推理机、参数化模型库和评价体系进行整合及联合运用,开发了马铃薯收获机挖掘装置智能设计系统。利用系统进行挖掘铲实例设计,并进行工作性能评价分析,结果表明,挖掘铲工作所需牵引力为856.24 N,所受最大牵引阻力为724.81 N,明薯率为97.22%,伤薯率为1.43%,表明该挖掘铲满足设计要求。     

振动式马铃薯挖掘装置关键部件设计

当前马铃薯收获机的主要挖掘方式为采用固定式挖掘铲实现一维强行破土切削,其普遍存在切削挖掘阻力大、能耗高、铲尖磨损严重等问题,故设计一种振动式马铃薯挖掘装置,采用四杆机构实现水平方向的振动,采用偏心轮机构实现竖直方向的振动。工作时,由拖拉机后输出轴提供动力,经变速箱实现变速和换向后传递给输出轴,输出轴通过链传动带动安装有链轮的主轴旋转,主轴端部安装有偏心轮,通过偏心轮机构的旋转实现竖直方向的振动,另一方面偏心轮通过连杆与四杆机构相连,四杆机构以机架的四个铰接点为转动中心,实现竖直方向的振动挖掘。通过田间试验,验证装置工作性能的稳定性以及可行性,试验结果表明:该机明薯率≥95%,挖净率≥98%,破皮率<3%,能够满足马铃薯的收获要求,可为后续马铃薯收获机械的设计提供一些理论依据。     

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。     

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。     

小型振铲式马铃薯挖掘机的设计与减阻性能研究

针对丘陵山区马铃薯收获过程中大型机械不适用、小型拖拉机功率不足的问题,设计了振铲式马铃薯收获机,目的是减小挖掘阻力,提高薯土分离效率。为了研究振动参数对挖掘阻力以及土壤破碎量的影响,基于离散元法（DEM）,利用Hertz Mindlin无滑动接触模型和粘结接触模型建立了土壤模型,对振动挖掘过程进行了模拟,并通过模拟试验得到了挖掘过程中挖掘铲受到的阻力。     

深松机模态试验研究

对深松机模态试验系统进行了研究,测试了深松机单体的模态振型和频率,为进一步优化设计提供了理论基础和试验数据.用很长的柔索加弹簧把深松部件悬吊起来,测定深松部件的质量为105kg,系统自振频率为1.38Hz.通过测量深松机单体的振动特性和分析表明,对所研制的深松机来说,土壤阻力的变化频率与深松机部件的第4阶模态频率比值为2/29～2/34,使深松铲产生竖直方向的自激振动,达到减小土壤阻力的目的.     

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。     

振动式农业土壤切削挖掘技术研究现状与展望

在土壤的耕作、深松、根茎类作物挖掘等作业过程中,普遍存在着挖掘切削阻力大、耗能高的问题。为了解决这些问题,国内外相关学者采用了多种方法和途径来改善土壤机具的切削挖掘阻力,振动式土壤切削挖掘方式也是一种重要的降低阻力的途径。为此,对国内外研究者在振动式农业土壤切削挖掘领域的理论和试验研究进行了阐述,分析了振动式挖掘方式的减阻机理,分别对强迫式和自激式两种振动方式下在农业土壤中典型的应用研究进行了综述,指出了相关研究的优点和不足,并对振动挖掘技术在土壤作业领域的前景进行了展望分析。