根茎类中药收割机的设计与研究

【目的】解决利用固定式收割机收割根茎类中药材时,时常出现的各种问题,如碎土效果较差、入土阻力高、挖掘深度不足、功率损耗较大等。【方法】课题组利用理论计算和数据仿真方法,从挖掘装置的工作原理入手,全面分析振动式挖掘装置的工作效果、运动结构、挖掘铲参数等。并对设计的挖掘装置进行了运动学仿真,验证其是否符合规范要求。【结果】改良装置水平方向运动速度趋势与余弦函数曲线基本相同,垂直方向则属于正弦函数曲线。【结论】挖掘装置应用锯齿形平面三角铲,入土角控制在20°左右,工作深度大于500 mm,铲面长度为772 mm,运动结构采用四连杆结构,比较便于进行平面运行操作。     

胡萝卜联合收获挖掘部件运动及力学特性分析

针对胡萝卜联合收获机挖掘铲入土困难、挖掘壅土造成夹持不准、挖掘阻力大等问题，开展了胡萝卜挖掘部件运动及力学特性研究。构建了挖掘部件入土特性及与土壤互作力学特性的数学模型，理论解析了入土角、入土行程、挖掘阻力及挖掘部件结构间的关联关系。借助EDEM离散元仿真软件，分析了挖掘铲的入土行程及铲土互作力学特性，并进行田间验证试验。结果表明：土壤壅起高度、挖掘阻力均与入土角度成正比，最终入土角为14°～22°时，胡萝卜收净率≥98%,破损率为≤1.5%,壅土现象不显著，满足收获要求。     

梯形对称收获铲阻力特性数学模型的建立与分析

以根茎类收获机配备的梯形对称双铲为研究对象,结合机械动力学、土壤粘弹塑性力学等理论建立了收获机工作状态下挖掘阻力数学模型,获得了土壤特性参数、挖掘铲结构参数以及机器工作参数与工作阻力之间的函数关系。基于所推导的数学模型,仿真分析了挖掘铲入土角、滑切角、挖掘深度、铲面面积以及机器前进速度对工作阻力的影响。仿真结果表明,入土角和前进速度的增大会导致工作阻力非线性增大,挖掘深度和铲面面积的增大会导致工作阻力线性增加。结合阻力仿真曲线,并考虑实际工作要求和工作效率,适宜的入土角为20°~30°,滑切角设置为40°~50°,前进速度在1~2 m/s。     

振动式侧铲根茎类药材挖掘机的设计与试验

针对现有根茎类中药材收获时存在牵引阻力大、根土分离差的等问题,设计了一种振动式侧铲根茎类药材挖掘机,主要由栅条铲装置、侧铲装置、连杆装置、抖动压切装置及升运器等重要部件等组成.对关键装置进行运动和受力分析,确定了关键结构和运动参数.对样机进行了田间试验,结果表明:整机在运行过程平稳可靠,无壅土现象;当挖掘深度为460m...     

木薯收获机挖掘铲挖深控制系统设计

木薯挖掘过程中,带有一定入土角的挖掘铲一直有朝深度方向挖掘的趋势,导致机具动力消耗过大;挖掘铲在切土、碎土过程中,对挖掘铲的入土倾角要求也有所不同。针对上述问题,设计了一种平行四杆机构,使挖掘铲的运动满足一定的运动轨迹;为了实现挖掘铲运动的精确控制,设计出地表检测机构。工作时,两种机构结合,利用传感器测出挖掘过程中的信号,经过运算处理后控制电磁换向阀换向,可以精确控制液压缸动作,从而调节木薯挖掘铲挖掘深度,实现木薯挖掘过程中挖掘深度的自动精确控制。     

折耳根联合收获机挖掘系统设计及性能分析

针对现有的山地折耳根联合收获机在较黏性土质作业中出现的因前进阻力大而导致机器驱动轮打滑以及因土壤湿度大导致培土淤积铲斗出现的壅土等问题,提出一种以固定隙角入土,到达规定深度后变换角度从而减轻前进阻力的可变角度挖掘铲的新型挖掘机构。设计复合平面四杆机构实现了挖掘铲角度的变换,确定变角度挖掘铲入土隙角与变角度过程,分析此过程中切土等相关性能。通过理论计算及试验得出以固定角度入土阻力为1 272.91 N,变角度后铲刀水平切土挖掘阻力为701.66 N,改变铲刀角度后相较原先角度入土其阻力减少44.88%,理论分析表明变角度机构在降低挖掘阻力方面的有效性。     

马铃薯挖掘阻力测试装置研究

针对现有的马铃薯收获机械牵引阻力大、设计和安装不合理、燃油消耗大、生产效率低等问题,以固定式三角平面挖掘铲作为研究对象,设计了马铃薯挖掘阻力测试装置,进行田间试验,分析挖掘铲铲面倾角、铲刃斜角及前进速度对牵引阻力的影响,并以牵引阻力作为优化指标,得到较优的参数组合。研究结果表明:挖掘铲铲面倾角为16°~32°时,牵引阻力随着铲面倾角的逐渐增加而迅速增大;铲刃斜角为50°~55°时,牵引阻力较小;牵引阻力随着前进速度的增加而逐渐增大,趋势稳定且缓慢。同时,通过响应面试验进行参数优化得出:牵引阻力的最佳的工作参数组合为铲面倾角20°、铲刃斜角52.8°、前进速度0.8m/s。该研究可为马铃薯收获机挖掘装置设计、安装参数的选择和马铃薯收获机挖掘阻力的研究提供参考。     

基于离散元法的三七仿生挖掘铲设计与试验

为减小三七收获过程中的挖掘阻力,以三七根茎及种植土壤为研究对象,测定本征物理参数,设置Bonding键参数建立三七根茎的离散元模型,分析根土粘结机理,利用Hertz-Mindlin with JKR建立三七根茎-种植土壤离散元复合模型;建立并分析挖掘铲的理论力学模型,确定仿生挖掘铲设计尺寸(长×宽×厚)为：360 mm×150 mm×8 mm、入土角30°、铲尖半角60°;采集野猪头三维模型的点云数据,确定仿生铲的结构曲线方程,建立仿生挖掘铲的三维模型;开展仿生挖掘铲与平面挖掘铲的仿真对比试验,追踪颗粒位移流向得平均位移以及平均挖掘阻力,分析颗粒的速度矢量明晰了挖掘铲面的减阻机理,得仿生挖掘铲的仿真试验减阻率为19.15%;利用高速摄影和阻力采集设备开展土槽试验,结果表明土壤颗粒流向与仿真趋势一致,仿生挖掘铲和平面挖掘铲的平均挖掘阻力为1 207.23、1 594.49 N,仿生挖掘铲减阻率为24.29%,与仿真试验减阻率十分接近,验证了离散元模型准确可靠、挖掘铲力学模型构建准确,仿生结构设计合理。     

木薯收获机多阶挖掘铲设计及其力学特性分析

基于土壤的碎裂理论,参考薯类等块根类收获挖掘铲设计出了多阶挖掘铲。此挖掘铲轮廓呈弓形,有利于铲在土壤中运动;铲板增添纵向铲刃以增强铲板对土壤的剪切。将其与普通平面铲牵引阻力做对比分析,得出入土倾角取30°较合理,牵引阻力降低6.93%;分析铲板宽度与牵引阻力关系,得出铲板宽度取10~15cm较适宜。通过有限元分析其静力学性能,旨在为进一步的木薯收获机械挖掘铲设计提供参考。     

深根茎中药材双重振动挖掘机构的研究

为了更有效地减少深根茎中药材挖掘的挖掘阻力,借助Pro/E软件,建立了深根茎中药材双重振动挖掘机构零部件的数字化实体模型,并对深根茎中药材挖掘机构的关键部件—挖掘铲和犁刀的工作状态进行了动态仿真,分析了铲尖和刀尖的运动参数曲线;最后,进行了挖掘机构的田间试验研究。结果表明,铲尖和刀尖的运动符合设计要求;采用双重振动原理实现的挖掘机构可有效地减小挖掘阻力。     

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。     

三七收获机组合式挖掘铲减阻效果研究——基于EDEM

针对三七的特殊农艺及三七机械化收获阻力大的特点,设计了一种由二阶平面铲和土壤破碎铲组合的三七收获机组合式挖掘铲。采用EDEM离散元仿真软件对两种铲关键部件进行了工作阻力的比较,仿真结果表明:工作速度分别为0.5、0.7、0.9m/s时,挖掘深度分别为100、150、200mm条件下,组合式挖掘铲的水平与垂直阻力皆小于传统挖掘铲,表面组合式挖掘铲在降低工作阻力有着更好的性能。该研究旨在为三七及其他块茎类作物挖掘铲的设计提供技术参考。     

马铃薯收获机挖掘铲工作阻力影响因素分析与研究

针对土壤容积密度、铲面宽度、挖掘深度、铲面倾角和机具工作速度5个影响马铃薯收获机牵引阻力的因素,分别采用正交计算法和基于Mat Lab的单因素分析法进行研究,得出了5个因素与工作阻力均为正向关系的结论。其中,土壤容积密度和铲面宽度与挖掘铲工作阻力成近似的线性关系,其余3个因素成非线性关系。铲面宽度、挖掘深度、铲面倾角、土壤容积密度和机具工作速度对挖掘铲工作阻力的影响程度依次降低。研究结果为如何减小马铃薯收获机挖掘阻力提供了参考依据。     

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.     

多级分离缓冲马铃薯收获机设计与试验

针对云南山地黏土条件下马铃薯机械化收获分离效果差、明薯率低、伤薯率和破皮率较高等问题,采用多级分离振动、多重缓冲和低位侧铺的方式,设计了一种多级分离缓冲马铃薯收获机。在阐述机具整体结构及工作原理的基础上,通过理论计算确定了挖掘装置、多级分离缓冲装置、主动振动装置等主要关键部件的结构参数;建立抛送分离阶段薯土运动模型,获取微波浪形薯土分离相关技术特征;建立马铃薯筛面滑动模型,对薯块的运动特性进行理论分析,得出薯块顺流、回流的运动规律;分析土块在输送分离过程中的碰撞特性,确定了影响分离破碎效果的因素。以含杂率和土壤覆盖度为试验指标,采用二次旋转正交组合试验设计方法进行了空载试验,并利用高速摄影和三轴姿态传感器实时获取分离筛上土壤的分布状态和运动规律,结果表明,分离筛最佳工作参数组合为:一级分离筛线速度1.42 m/s、二级分离筛线速度2.2 m/s、侧输出线速度1 m/s,此时土壤覆盖度69.11%,含杂率2.56%。在分离筛最佳工作参数组合下,以明薯率、破皮率和伤薯率为试验指标进行了田间收获试验,结果表明:当工作速度1.05 m/s、挖掘深度180 mm、振动强度Ⅱ级、筛面倾角22°时,明薯率为99.1%、破皮率为1.41%、伤薯率为1.32%,各项性能指标均符合国家行业标准要求。     

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。     

挖拔式木薯收获机挖深液压控制装置的设计与试验

针对挖拔式木薯收获机在收获过程中带有一定倾角的挖掘铲有朝着深度方向行进的趋势,增加了挖土量及挖掘负荷等问题,提出了基于液压控制系统调整挖深的设计思路。为此,研制了一种挖深液压控制装置,主要由地表仿形机构、挖掘铲液压调节机构、液压系统及PLC控制系统4部分组成;同时,对液压系统的负载特性进行系统分析计算,选取了合适的执行元器件,并在此基础上进行土槽实验。结果表明:地表仿形机构,最大误差8.9%,平均误差3.5%;掘铲液压控制系统的响应时间为1.7s,1s内完成对挖出铲的角度与深度自动调节,测试效果能够满足精准挖深控制要求。     

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。