基于ALE有限元仿真的土壤切削振动减阻

针对浙江省茶园土壤压实问题造成小型茶园作业机功率不足问题,提出了茶园振动深松的土壤作业方法。以浙江龙井茶园压实土壤为分析对象,针对土壤深耕铲-土壤切削过程的动力学数值仿真,建立了土壤静态切削力学模型,并进行了土壤大变形切削的屈服失效分析。采用ALE算法模拟了土壤静态切削中深耕铲的切削阻力变化情况,建立了深耕铲-土壤的三维有限元模型并分析了振动切削的振动类型、频率、振幅以及深耕铲的前进速度对土壤切削阻力降低的关系,得出了振动频率和振幅对切削力的影响规律。进一步研究了不同的振动切削条件下,振动类型和刀具的切削速度对切削阻力的影响,通过合理选取一定的深松铲外加振动激励的振幅和频率能够得到最小的切削阻力,实例分析证明,振动频率取为25?Hz,振幅为14?mm时,振动切削的插入阻力能达到最小,切削阻力能降低约22%。上述研究结果为土壤振动切削减阻的外加振源参数优化提供了设计依据。     

基于BDS和IMU的挖掘机铲斗位姿测量方法与试验

为提高农田建设中挖掘机施工作业精度和智能化程度，本文提出了一种基于BDS（BeiDou Navigation Satellite System，北斗卫星导航系统）和IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）的挖掘机铲斗位姿测量方法。首先，采用IMU测量挖掘机各执行机构的姿态角信息，解算获得挖掘机车体坐标系下铲斗末端的三维坐标，利用双天线BDS和IMU检测车体的位置和姿态建立了挖掘机铲斗末端三维坐标的实时解算模型，并设计了融合双天线BDS和IMU输出高频率高精度位姿的卡尔曼滤波算法。模拟挖掘机实际施工场景进行了静态和动态试验，采用全站仪验证铲斗末端三维坐标解算值。试验结果表明，该方法能准确实时测量挖掘机铲斗末端三维坐标，挖掘机铲斗末端三维坐标解算值与全站仪实测值的运动轨迹变化一致，同一时刻空间两坐标点距离均方根偏差小于30mm，三个轴向坐标动态测量均方根偏差均在20mm内，绝对偏差≤30mm的数据占比不低于95.35%，挖掘机铲斗位姿的准确测量为挖掘机精准施工智能引导提供了基础。     

基于亚塑性本构模型的土壤-触土部件SPH互作模型

触土部件是农机的主要组成部分,高精度的土壤-触土部件互作模型对农业耕作触土部件的节能优化设计具有重大意义。为提高土壤切削过程数值模拟的精确度,该研究基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）框架,从土壤亚塑性本构模型出发,结合土壤-触土部件接触模型,提出一种土壤-触土部件互作模型。通过砂土坍塌试验和土壤切削试验,对比分析了模拟仿真和物理试验中砂土自由表面演变、内部应力变化、土壤静止和运动分界面形态以及粒子位移。在此基础上对4种不同形状刀具的土壤切削过程进行模拟,以土壤切应力、位移分布表征刀具在切削过程中对土壤的破坏情况,讨论了大半径抛物线型刀具切削过程中的土壤粒子速度场,并得出不同形状刀具切削阻力的变化规律。结果表明,刀具水平切削阻力的模拟值和试验值平均相对误差为9.885%,说明所提模型对刀具水平切削阻力的预测精度较高。研究结果可为土壤-触土部件互作模型的建立提供新的思路,为触土部件的优化设计提供参考。     

基于离散元的西北旱区农田土壤颗粒接触模型和参数标定

为了解决利用离散元法模拟土壤作业过程在预测农具阻力和土壤动态运动时存在失真等问题,整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性内聚力模型(liner cohesion model,LCM)优势建立西北旱区农田土壤模型,以不同参数(静摩擦系数、动摩擦系数和内聚强度)组合下仿真得到的土壤仿真堆积角为响应值,基于Box-Behnken试验法建立回归模型,并根据该回归模型进行了参数预测并验证,对17组土壤仿真堆积角方差分析表明:静摩擦系数、动摩擦系数、动摩擦系数和抗剪强度的交互项、动摩擦系数的二次项对仿真堆积角的影响极显著;静摩擦系数和动摩擦系数的交互项、静摩擦系数的二次项对仿真堆积角的影响显著。使用预测的参数进行6种不同含水率土壤直接剪切仿真和试验对比可知,当含水率为1%~20%时,仿真与试验间的抗剪强度相对误差为1.18%~9.31%,仿真与试验间的内摩擦角相对误差为0.55%~4.07%。对仿真和试验鸭嘴插入阻力数据进行分析可知,仿真与试验曲线在入土距离处于0~50 mm期间时,但仿真入土阻力曲线波动较大,仿真和试验阻力走势基本一致,玉米直插穴播最深处50 mm处的仿真和试验入土阻力相对误差为0.928%,可利用此时的入土阻力分析直插鸭嘴结构对强度的影响。     

土方机械工作装置整体结构的强度分析方法

针对土方机械工作装置的结构特点,结合有限元法进行强度分析时计算结果的准确性有待提高的问题,以某小型挖掘机的工作装置整体结构为研究对象,提出了工作装置整体结构有限元分析方法,对动臂、斗杆、铲斗、油缸和连接销轴构成的系统进行整体建模、加载和有限元强度分析,并结合实际产品开发进行了验证.研究结果表明,该方法对土方机械工作装置及同类产品设计分析具有一定的指导意义,为同类问题的解决提供了可行的分析方法.     

基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀辊土壤切削有限元模拟

为揭示秸秆还田耕整机的螺旋刀辊与土壤之间的关系特性,根据螺旋刀辊切削土壤的工作特点,利用ANSYS/LS-DYNA971软件对螺旋刀辊土壤切削过程进行模拟,得出了螺旋刀辊切削土壤的功率消耗、切削阻力的大小以及土壤等效应力的变化规律.模拟结果表明,螺旋刀辊转速为300 r/min,机组行进速度为1.1 m/s 时,单组螺旋刀辊切削土壤的最大功耗为6.4 kW,最大切削阻力为2820.7 N,且土壤最大等效应力发生在横刀刚入土时的内侧面,所得功耗值与经验推导值相符.研究结果为双轴型水田高茬秸秆还田耕整机的系统参数优化设计提供参考.     

青菜头缩短茎滑切刀研制

青菜头机械化收获水平低下是制约青菜头产业发展的重要原因之一。为解决青菜头机械化收获过程中缩短茎切割难度大和农机与农艺融合程度低等问题,该研究提出了一款滑切式青菜头收获机并对其滑切刀作业参数进行分析与试验。首先,基于青菜头收获农艺要求阐述青菜头收获机整机及其切根装置的结构及工作原理,根据受力分析确定滑切刀安装方式。然后,对紫色土壤和滑切刀的接触参数进行标定并基于EDEM建立土壤-滑切刀互作模型,仿真分析不同作业速度、刀具夹角对滑切刀作业阻力的影响。结果表明:1)相同速度下,滑切刀交叉夹角与作业阻力负相关;2)相同滑切刀角度下,滑切刀作业阻力与作业速度正相关。以滑切刀切削阻力为评价指标,作业速度、刀具夹角、切割距离为影响因素进行切割试验并对试验参数进行优化,结果表明:滑切刀作业速度与切削阻力呈正相关,切割距离与切削阻力呈负相关,刀具夹角从60°到120°,切削阻力先减小再增大。影响切削阻力大小的主次因素顺序为作业速度、刀具夹角和切割距离。优化圆整后的滑切刀作业速度为0.1 m/s,刀具夹角65°,切割距离20 mm,3次重复试验得到的切削阻力依次为141.24、156.32和150.65 ...     

虚拟花卉植物在可变风场中的运动行为仿真

花卉植物茎、枝、叶和花瓣结构复杂,运动行为仿真成为目前虚拟植物的研究热点之一。该文基于花卉植株的高精度的建模,将动力学理论和弹簧-质点模型应用到虚拟花卉植物跟风力的交互运动仿真中,提出一种实时模拟花卉植物与风场交互的方法。运用多层次反向动力学原理和布料模拟系统原理分别实现了单株花卉植物在风场中自身运动和群落花卉在风场中的整体运动的模拟。可以模拟在球形风场和平面风场中,随风力和风速实时变化的单株或群落花卉植物的运动行为特征,模拟效果逼真自然,具有较强的真实感。该研究可为虚拟植物运动仿真提供参考。     

蝼蛄前足爪趾三维几何构形的减阻机理

触土部件的阻力直接影响耕作机械和工程机械的作业效率,该研究利用工程仿生设计方法,基于蝼蛄前足爪趾优异的地下掘进能力,提取前足爪趾的三维几何构形特征用于仿生试件设计,通过土槽切削阻力试验和有限元模拟,分析蝼蛄前足爪趾几何构形的减阻性能和机理。研究结果表明,前足爪趾的构形特征对切削阻力有显著影响（P<0.05）,仿生试件的切削阻力较楔状体试件最高可降低56.96%,三维仿生构形的减阻性能优于一维和二维构形。蝼蛄前足爪趾构形能使被切削土壤沿挖掘面顺畅移动,避免了土壤在仿生试件尖部的堆积和对中后部的挤压,实现切削阻力的减小。该基于蝼蛄前足爪趾的工程仿生研究可为耕作和工程机械触土部件的减阻设计提供理论基础。     

低功耗小型立轴式深耕机分段螺旋旋耕刀具的研制

丘陵山地普遍使用微耕机进行耕地作业,长期浅耕带来了土壤板结、蓄水保墒能力下降等问题,亟需适应丘陵山地地形的小型深耕机进行深耕作业。为降低深耕作业刀具的功率消耗,该文研究了一种基于立式铣削、具有上翻下松作业特征的立轴式分段螺旋旋耕刀具,该刀具由立轴刀盘与沿其圆周方向均布的3把分段非连续螺旋型刀片组成。通过运动分析,建立了分段螺旋刀片运动参数模型,对刀片结构参数、刀具结构及工作参数进行了设计。基于光滑粒子流体动力学方法对设计的分段螺旋刀片作业过程中的土壤粒子运动、切削阻力及功率消耗等进行了分析,并试制样件进行了功率消耗及作业效果的实际测试。仿真结果表明:相对于传统立式直角旋耕刀片,分段螺旋刀片具有明显的上翻下松效果,切削阻力降低了37.5%,切削阻力波动范围平均值降低了60.6%,功率消耗降低了47.6%。土槽实测表明:设计的立轴式分段螺旋刀具实际功率消耗为2.86 kW,比仿真值高11.28%,两者比较接近,验证了仿真结果的有效性;同时,实际耕深稳定性达到设计要求且对土壤有较好的碎土和抛土能力。该研究可为低功耗小型深耕机的研发奠定基础。     

液压挖掘机自动控制系统的设计和实现

为了提高液压挖掘机操纵系统自动化程度,对WY1.5型液压挖掘机的液压系统进行电液比例控制改造,在不改变原手动操纵系统功能的基础上,增设一套自动操纵系统,基于移动车辆控制器编程实现对挖掘机的自动控制。对改造后的液压挖掘机自动控制操纵系统进行试验,结果表明改造后自动操纵系统能够完成手动操纵系统的全部控制功能,运行稳定。     

挖掘机獾爪趾仿生斗齿提高其入土性能仿真与试验

为解决挖掘机斗齿入土阻力大,易断裂的问题,该文利用Handyscan700扫描仪获取獾右前爪中趾表面的三维点云,提取獾爪趾的侧面轮廓曲线,并进行拟合得到曲线方程,将获取的曲线方程运用到斗齿的设计中,利用三维软件建立斗齿模型。运用有限元分析软件对仿生斗齿和80型斗齿的力学性能和切土过程进行数值模拟,对比分析了力学性能的差异以及能量损耗与切土深度的关系。采用快速成型加工技术加工出了仿生斗齿与80型斗齿试样。利用电子万能试验机对2种试样进行了楔土试验,测定了楔入阻力与楔入深度的关系。结果表明：在施加相同载荷的情况下,仿生斗齿所产生的最大等效应力小于80型斗齿的,破坏的可能性小,比较安全;当斗齿的入土深度相同时,仿生斗齿的消耗的能量总小于80型斗齿;在同样条件下,仿生斗齿的楔入阻力较80型斗齿低11.9%～12.6%。该文以獾爪趾为仿生原型设计的挖掘机斗齿不仅解决了工程中遇到的问题,还为减阻部件的开发提供了新思路,具有重要的参考价值。     

高地面仿形性动力底盘的设计与试验

针对一般农业机械动力底盘在丘陵山区行驶、田间作业时,由于地形适应性差以及附着力不足导致车轮打滑,影响整机作业效果等现象,采用地面仿形原理,设计一种全时8轮驱动、5自由度仿形的山地农业机械动力底盘,并对底盘主要结构参数进行了分析计算。试验证明：底盘样机具有良好的地形适应性和通过性,且转向灵活,能够保持良好的附着力,满足在崎岖不平的道路行驶及田间作业要求。     

非道路车辆轮胎-土壤相互作用建模方法及试验技术综述

轮胎-土壤相互作用研究是非道路车辆地面力学发展的重要基础,其中轮胎-土壤试验技术和轮胎建模方法对非道路车辆驱动系统设计、驱动算法开发以及整车牵引性能评估均具有重要意义。为明确非道路车辆轮胎-土壤相互作用研究中轮胎建模方法与试验技术的未来发展方向,该研究首先概述了国内外轮胎-土壤相互作用研究中所涉及的核心试验技术,包括土壤力学性能试验和室内单轮土槽试验,然后重点总结了轮胎-土壤相互作用的轮胎模型建立方法,将现有轮胎建模方法归纳为经验建模、数值建模和半经验建模,剖析比较了三种建模方法的优缺点和适用场景,并就每种建模方法列举了若干应用实例。最后,结合智能传感、智能测量、机器学习、整车协同等先进领域最新进展,提出了轮胎-土壤相互作用下轮胎建模方法和试验技术的未来研究重点与发展方向,以期为非道路车辆轮胎-土壤相互作用研究提供理论依据和技术参考。     

农机土槽试验动力学参数测试系统的研制

该文对土槽试验测试系统进行了改进设计,以满足新型农业机械的研发和性能参数测试的需求,使数据更准确有效,试验检测手段更为方便。将拉压力传感器、角度传感器与农机通用的三点悬挂机构有机结合,研制了三点悬挂式五杆测力装置,并以LABVIEW为开发平台开发了农机土槽试验动力学参数测试系统,实现土槽试验中土槽台车及试验机具的前进速度、动力输出轴转速与扭矩、输出功率、试验对象的前进阻力等参数的实时测试。试验运行表明系统测量数据可靠,装置操作方便,试验效率大大提高。     

工程机械铰接系统铰点动态约束反力的研究

通过整车系统动力学分析,对铰接式工程机械铰接系统铰点动态约束反力进行了研究。在作业工况下,铰接系统铰点受到三个力及二个力矩的作用,这些力和力矩的大小依赖于作业阻力、机械自重、惯性力、车轮滚动阻力和车轮驱动力矩,得到了其解析表达式。     

基于北斗的农机作业大数据系统构建

针对全国范围农机作业动态监测和量化统计的应用需求,该研究通过在农业机械上安装北斗终端,制订数据传输规范,完成了基于北斗的农机作业大数据系统建设。该系统由农业机械及北斗终端、农机制造企业物联网平台和农机作业大数据管理服务平台3部分组成。系统共接入农机290 153辆。经数据清洗、轨迹分割和参数提取3个数据处理步骤,可获得农机的工作时长、行驶里程和作业面积等基本统计量。以2021年夏小麦机械化收割为例,利用该系统进行数据获取、处理和统计分析,输出收割机分布热力图和作业重心转移图,进行了收割时长、收割效率与收割面积等统计,分析了小麦主产区对跨区作业的依赖程度。麦收期间在线收割机累计35 243辆,日均18 568辆,收割时长中位数均值为8.3 h/d,收割面积中位数均值为5.5 hm2/d,约75%的小麦收割机进行了跨区作业,跨区距离中位数约为597 km。应用结果表明,农机作业大数据系统可准确开展数据处理和作业统计,可以向农业农村部门、农机制造企业、农机合作社和农机手提供作业动态监测和数据分析服务。