分层交错式葡萄防寒土弧形清土叶轮的设计与试验

针对目前中国北方葡萄防寒土清土部件作业功耗高和相关理论研究较少的问题,设计了一种葡萄防寒土弧形清土叶轮,主要由花键连接轴套、叶轮轴、弧形叶轮片和叶轮片连接板等组成,采用分层交错式结构,以十字交叉形式排布。首先,依据中国北方葡萄防寒土清除农艺要求,确定弧形清土叶轮的外形尺寸和叶轮片数量。通过理论分析弧形清土叶轮的运动和受力,确定影响其作业功耗的主要因素。并基于EDEM软件,以弧形清土叶轮前进速度、转速和叶轮片弯曲角为试验因素,以叶轮扭矩和水平前进阻力为试验指标,进行三因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验,以扭矩和水平前进阻力最小为优化目标,获得最优参数组合;进一步基于土槽试验,验证弧形清土叶轮仿真优化结果的准确性,并与直板式清土叶轮作业进行对比分析。仿真优化结果表明,当弧形清土叶轮前进速度为0.38m/s,转速为450r/min,叶轮片弯曲角为18°时,其扭矩和水平前进阻力最小,分别为9.99 N·m和27.09 N;土槽试验结果表明,弧形清土叶轮扭矩和水平前进阻力分别为11.56N·m和31.82N,与仿真优化结果的相对误差分别为13.58%和14.86%,同时,与直板式清土叶轮作业对比,弧形清土叶轮扭矩和水平前进阻力分别降低了9.40%和15.37%。研究结果可为后续葡萄藤防寒土清土机的整体设计提供理论依据和技术支撑。     

沟栽葡萄防寒布覆土卧式刷辊清除装置设计与试验

针对中国西北地区沟栽葡萄春季防寒布上方大量覆土影响防寒布回收的问题,该研究设计了一种水平卧式刷辊清土装置,用于清除防寒布上方埋土。首先,通过理论分析确定了清土总成结构和工作参数取值范围。进一步,基于EDEM-RecurDyn耦合仿真建立柔性清土总成-土壤作用模型,模拟清土作业过程。以清土率和清土总成的转动扭矩为试验指标,设计Plackett-Burman和Box-Behnken仿真试验,以清土率最大和扭矩最小为优化目标,获得最优参数组合为：机具前进速度0.3 m/s、转速550 r/min、安装角30°、叶片偏角0°,清土率和扭矩预测值分别为86.72%、73.36 N·m。最后,采用最优参数组合进行田间试验,结果表明,清土率和扭矩分别为84.12%和78.62 N·m,与仿真优化结果的相对误差分别为3.0%和7.2%。研究结果可为防寒布辅助埋土防寒模式下清土机械研究提供技术参考。     

自动避障式葡萄藤防寒土清土机研制

针对目前葡萄藤防寒土清土机自动化程度低、清土不彻底和易伤藤等问题,该研究基于多体动力学软件RecurDyn和离散元软件EDEM耦合仿真的方法,面向中国北方砂壤土地区葡萄园内的葡萄藤防寒土清除,提出采用柔性刷子与橡胶组合的清土作业部件,并设计了一种自动避障式葡萄藤防寒土清土机,主要由机架、避障摆动机构、避障信号采集机构、控制器、清土部件、挡土板、传动部件和限深轮等部分组成,在机具前进作业过程中,通过触杆感知自动避开水泥柱,并将葡萄藤上覆盖的防寒土清除干净。采用耦合仿真试验,模拟整机避障清土的作业过程,以机具前进速度、避障油缸速度、清土部件转速和触杆转动角度阈值为试验因素,以土壤清除率为试验指标,进行四因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归显著性分析,确定了对试验结果影响显著的因素,以土壤清除率最大为优化目标,获得了机具的最佳作业参数组合:机具前进速度0.43 m/s、避障油缸速度60 mm/s、清土部件转速550 r/min、触杆转动角度阈值10°,此时仿真优化的土壤清除率为54.65%。加工物理样机并进行田间验证试验,得到田间试验的土壤清除率为59.73%,与仿真试验的土壤清除率相对误差约为8.50%,田间试验结果与仿真优化结果基本一致,满足自动避障式葡萄藤防寒土清土作业要求。研究结果可为触土机具避障机构的整体设计及优化提供理论依据和技术支撑。     

葡萄分层旋抛式清土起藤机高效旋抛刀设计与试验

针对中国西北地区酿酒葡萄清土作业缺乏与土壤颗粒群相互作用的研究,凭经验设计使得单层旋抛清土方法效率低以及清土部件功耗高的问题,设计了一种分层旋抛式清土起藤机并对旋抛刀与土壤相互作用进行研究。首先,根据中国西北地区酿酒葡萄种植及清土的农艺要求,完成分层旋抛刀的设计,然后对旋抛式清土起藤机的运动进行理论分析,确定影响旋抛刀功耗和抛送距离的主要因素,并通过EDEM—Recurdyn耦合仿真,以旋抛刀不同焊接角度、转速及整机的前进速度为试验因素,以清土率、旋抛刀扭矩为评价指标,分析土壤离散颗粒群与旋抛刀之间的相互作用,得到最优参数组合,进一步基于台架试验对仿真试验进行验证。结果表明,当旋抛刀焊接角度为30°,转速为270r/min,前进速度为0.4 m/s时,清土率为49.1%,旋抛刀平均扭矩为13.09 N·m,土壤抛送距离集中在1.52～1.75 m之间,与仿真优化结果（清土率为55.9%）相对误差为13.8%,研究结果可为后续研制分层旋抛式清土起藤机提供理论依据及技术参考。     

酿酒葡萄清土起藤机刮板与防寒土相互作用研究

中国西北酿酒葡萄主产区春季的清土起藤作业机械化刚刚开始,针对目前单刮板清土部件作业整机功耗高,清土效率低以及缺乏与防寒土动态作用的理论研究等问题,本文提出了刮板式清土机的设计理论及方法,并设计了一种双刮板式清土起藤机。首先,根据中国西北葡萄种植地区清土农艺要求,确定刮板的数量及外形尺寸,然后通过理论分析大刮板的受力,确定影响其工作阻力的主要因素,并通过EDEM离散元仿真,对设计的具有不同曲面形式、切削角及倾斜角的刮板进行土壤离散颗粒群与机械刮板相互作用仿真,分析刮板壅土情况和土壤颗粒群的流动规律,然后设计三因素三水平的正交试验,以壅土量为评价指标获得刮板的最佳工作参数,并进行了台架试验验证,结果表明当刮板曲面为抛物线、切削角为55°、倾斜角为60°时,刮板壅土量最少,为43.2kg,清土效果最佳,与仿真结果一致;加工一台双刮板式物理样机并进行了田间试验,与传统单刮板式清土起藤机进行对比试验,结果表明双刮板式清土起藤机的清土率为75.03%,比传统单刮板清土起藤机提高了27.2个百分点,新研制的刮板相对传统刮板壅土量降低了38.74%。研究结果可为后续研制葡萄藤清土起藤机提供技术参考和理论依据。     

虎杖根系脱土滑梳式辊指的设计与试验

根系脱土是中药虎杖收获的重要环节,采用直线梳刷式脱土辊指实现根土分离极为有效,然而直辊与根系作用时,常出现相互勾连、扯拉等不良状况,致使脱土功耗显著增加,为此该文融入滑切方式,设计了一种曲线滑梳式脱土辊指。根据滑切理论,确定了辊指滑梳的临界条件,利用对数螺线方程建立了辊指梳刃的曲线方程,通过辊指的动力学分析,建立了辊指作业的功耗模型,确定了辊指转速、辊指作业长度、辊指滑切角为功耗的主要影响因素,并根据摩擦角与滑切角关系,利用Matlab软件得到摩擦角和滑切角与功耗的伪彩色能量图,确定功耗最小所对应的辊指滑切角为67°。进行功耗及脱净率试验,利用多目标优化设计方法对试验结果进行综合评价。结果表明:在辊指转速为350 r/min、辊指作业长度为30 mm、辊指滑切角为67°时,脱土辊指的作业性能较优,此时脱净率为93.03%,功耗为76.73 W。研究结果可为虎杖根土分离部件的结构改进设计和作业参数优化提供依据。     

篱架式葡萄藤冬季埋土清除与防寒布回收机研制

针对中国新疆地区篱架式葡萄春季清土作业中存在的机械清土不彻底、防寒布回收困难以及效率低等问题,该文设计了一种葡萄埋土清除与防寒布回收机,由机架、清土部件、卷布部件和液压系统等组成。在EDEM软件中建立土垄和清土部件的仿真模型,以清土距离作为清土效果的评价指标,以刮土板工作面曲率半径、清土叶轮叶片数及其转速为试验因素,在行进速度为2 km/h的条件下设计并实施三因素五水平仿真正交试验,得到最优参数组合:曲率半径680 mm、叶片数4片、转速500 r/min,此时清土距离为294.27 mm。加工样机并对最优参数组合进行田间验证试验,得到清土距离为271 mm,与仿真试验结果的相对误差为8%,埋土基本清理干净,且对葡萄藤和防寒布的损伤小,作业效率高,为人工清土效率的10倍以上。研究结果可为新疆地区篱架式葡萄埋土清除作业提出新的思路,为后续葡萄清土机械的研制提供参考。     

果园秸秆覆盖机弹齿式解捆防堵装置设计与试验

针对果园秸秆覆盖机解捆铺料装置易堵塞问题，该研究基于秸秆解捆过程力学分析，设计了一种弹齿式防堵装置。首先建立防堵装置-秸秆捆离散元模型，通过EDEM仿真比较了加装和未加装防堵装置情况下秸秆扰动情况和出料口秸秆密度变化，阐释了解捆铺料作业过程中秸秆堵塞的形成机制。与未加装防堵装置的仿真结果相比，在刀齿线速度2.3 m/s、秸秆捆前进速度0.05 m/s下，加装防堵装置后出料口内侧秸秆平均密度降低了46%，出料区单位质量流率下的解捆阻力矩降低了28.1%，表明防堵装置可有效降低刀齿扰动区域和出料口秸秆密度，避免秸秆在下料口滞留和高压区形成，进而降低解捆阻力矩。以解捆铺料装置阻力矩标准差为指标开展正交试验，得到最佳工作参数为解捆铺料装置主动辊转速225 r/min、刮板主动辊转速5.0 r/min、弹齿间距100 mm。验证试验表明，与未加装防堵装置相比，185、225和265 r/min三个解捆铺料装置主动辊转速下（刮板主动辊转速和弹齿间距不变），解捆铺料装置阻力矩标准差降低率分别为29.5%、34.0%和30.7%，同时平均阻力矩和峰值阻力矩降低率分别为16.1%和28.5%，所设计的防...     

梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机研制

为了解决耕层残膜污染问题，该研究设计了一种梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机。该机主要由机架、梳齿、梳齿辊、重力沉降室、离心风机组成。梳齿辊是该回收机的核心机构，其辊筒上布置有多排梳齿，通过梳齿辊的旋转实现松土和残膜-土壤分离；利用EDEM离散元软件建立梳齿辊模型，仿真研究了梳齿排列方式和梳齿结构对梳齿辊入土过程中前进阻力和阻力矩的影响，确定了齿刀螺旋排列方式。吸膜机构的作用是实现残膜的连续回收及膜土分离。建立了残膜在吸膜区的运动学方程，通过对方程分析求解，探明了梳齿辊转速和吸膜口风速对残膜运动轨迹的影响，确定梳齿辊转速应小于120 r/min，吸膜口风速应大于15 m/s。为了获得回收机的最佳作业参数组合，进行了土槽响应曲面优化试验，得出最佳参数组合：吸膜口与竖直面之间的角度为-7°、机具前进速度为2 km/h、梳齿辊转速为100 r/min、吸膜口风速为22 m/s。田间试验结果表明：最佳参数组合作业时，残膜拾净率为55.04%，比预测值小1.63%，优化方法可靠。     

叶轮旋转式葡萄藤埋土单边清除机研制

针对目前春季中国北方葡萄种植主产区人工进行葡萄藤清土作业效率低、机械化程度低等问题,该文设计了一种适应于单边清土的叶轮旋转式葡萄藤清土机,主要由机架、刮土部件、叶轮部件和平土搅龙部件组成。刮土部件和叶轮部件能够分别将葡萄藤上方和侧面土壤清除,平土搅龙部件能够将清除的土壤进一步向行间输送并使其均匀地平铺在葡萄行正中间。以机器前进速度、叶轮转速和搅龙转速为因素,以清土中心距为指标,在离散元软件EDEM中对葡萄藤清土机作业进行仿真试验,得到最佳工作参数:前进速度1.2 m/s、叶轮转速420 r/min、搅龙转速300 r/min,此时清土中心距为44 mm。加工物理样机并进行田间试验,田间试验结果与仿真结果基本一致,两者清土中心距的相对误差约为15%,满足葡萄藤清土机单边清土的作业要求。该研究可为后续其他类型葡萄藤清土机的研制提供参考。     

荸荠收获机弹簧辊式泥果分离装置研制

针对荸荠收获泥果分离难、果实损伤率高的问题,根据旱地环境下荸荠采收作业需求,该研究提出一种由正反旋弹簧并排布置的荸荠收获机弹簧辊式泥果分离装置。通过对荸荠与弹簧辊的相对运动过程动力学分析,确定了影响荸荠收获泥果分离的关键因素为弹簧外径、螺距、相邻弹簧间距、高度差及弹簧转速、线径、作业速度。利用EDEM软件建立泥果混合物离散元模型,对弹簧辊结构参数与工作参数进行单因素试验,分析各因素对泥果分离效果的影响。以荸荠筛分率和土壤筛分率为指标进行二次回归正交试验,得到弹簧辊最佳参数组合为外径100 mm、螺距30 mm、间距9 mm、转速420 r/min,该参数组合下荸荠筛分率为80.00%,土壤筛分率为80.69%。进行仿真验证试验,对比试验结果与模型预测值,荸荠筛分率平均相对误差为2.09%,土壤筛分率平均相对误差为2.42%。以明果率、伤果率、破皮率、挖净率为指标开展模拟采挖试验,分析不同线径弹簧辊的泥果分离能力,确定12 mm线径弹簧兼具较好的振动筛分性能和较低的损伤率。通过实际收获试验测得作业速度0.21 m/s,作业效率0.19 m² /s,碎土率75.61%,明果率82.42%,伤果率14.73%,破皮率7.01%。研究结果可为荸荠收获机研制和优化改进提供参考。     

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.     

振动横挡阻隔式旋耕防粘结刀辊设计与试验

针对长江中下游水旱轮作区旋耕刀辊作业时土壤黏附严重,导致作业质量差、效率低的问题,该研究设计了一种能够实现刀辊内部固有部件防粘结与横挡部件脱附的振动横挡阻隔式旋耕防粘结刀辊。对振动横挡作用下土壤受力状态及激振装置结构进行分析,确定激振装置结构参数范围;通过对防粘结刀辊结构与旋耕刀抛土运动学与动力学分析,确定刀辊结构参数,得到土壤-旋耕刀分离运动学要求,明确影响刀辊脱附性能关键因素为旋耕切土节距、刀辊转速、横挡回转半径。结合离散元仿真,以单位时间内横挡与土壤颗粒的接触次数为评价指标进行Box-Behnken试验,确定最优参数组合为旋耕切土节距6.3 cm,刀辊转速260 r/min,横挡回转半径140 mm,此时单位时间内横挡与土壤颗粒的接触次数为127.89。在最优参数组合条件下对激振装置进行优化设计,通过MATLAB分析横挡在激振装置驱动下的运动特性确定激振装置结构参数。在最优参数组合下进行田间试验,试验结果表明：该刀辊适用于小麦机械化种床整备作业,所设计旋耕防粘结刀辊土壤黏附量远小于常用旋耕刀辊,耕深稳定性系数、厢面平整度、碎土率、土壤黏附量、轴向分布均匀度和秸秆埋覆率的均值分别为...     

刀齿排布旋向对免耕覆秸精播机清秸单体性能的影响

为探寻定轴钢齿种床整备装置作业执行部件清秸单体因刀齿排布旋向不同而对其作业性能及负载的影响,该文在介绍左、右螺旋清秸单体的机构组成及工作原理的基础上,理论分析确定其等距切土节距条件,依此确定了玉米大垄双行清秸单体参数,并进行运动学仿真,仿真验证了等距切土节距条件的正确,并对比分析总结两者打击规律:刀轴纵向前进,侧向旋转,刀齿按序号1~9次序依次与地面进行打击,左旋清秸单体刀齿沿作业方向打击位置排序为186429753,右旋清秸单为594837261,单头螺线刀齿打击方向,左旋清秸单体与作业方向相同,打击间距等于4个节距,整体采用反向插补式打击;右旋清秸单体与作业方向相反,打击间距等于2个节距,整体采用推进式打击,且两者具有相同的螺旋进距及切土节距。利用仿真模拟及田间试验的方法对两者的载荷状况及作业性能进行对比分析,左、右螺旋清秸单体仿真切土平均阻力及离散度分别0.0658 k N、66.2及0.062 k N、60.1;田间扭矩消耗均值、标准差及根茬清除率分别为64.6 N·m、7.2、93.8%及62.7 N·m、5.1、95.3%,右旋清秸单体所有评价指标除根茬清除率外皆小于左旋清秸单体,表明右旋清秸单体具有较小的载荷消耗、载荷波动及较佳的作业性能。该研究可为具有排布特性的土壤耕作机具研究提供参考。     

高茬秸秆还田耕整机功耗检测系统设计与试验

为检测高茬秸秆还田耕整机田间作业功耗,根据功耗检测原理,采用LabVIEW软件,并结合NI数据采集卡、动态扭矩传感器和电感式接近开关等组成的硬件平台,设计了功耗检测系统。标定试验表明,该系统所检测的0~2 000 N·m范围内扭矩:最大绝对误差为5.367 N·m,此时相对误差为0.27%;所检测的转速:最大绝对误差为0.261 r/min,此时相对误差为0.073%。以耕深、刀辊转速、机组前进速度为影响因子设计了田间正交试验,结果表明:影响高茬秸秆还田耕整机作业功率消耗的首要因素为耕深,其次为机组前进速度,刀辊转速对功率消耗的影响较小;在满足耕整质量的前提下,同时考虑耕整机作业效率,其较优作业参数为:刀辊转速330 r/min,耕深185 mm,机组前进速度3.36 km/h,其平均作业功耗为52.52 kW,秸秆埋覆率达到96.2%。研究结果为高茬秸秆还田耕整机的节能降耗、动力合理匹配和结构优化设计等工作提供参考依据。     

土壤水分平衡与作物生长模拟模型的开发与验证

基于模块化和面向对象化程序设计思想,根据土壤水分平衡过程和作物生长发育的特点,采用VisualBasic程序设计语言,实现了界面友好的土壤水分平衡与作物生长模拟模型。在土壤、作物和气象参数数据文件的支持下,对红壤性水稻土上的作物生长过程进行了模拟和验证,田间验证结果表明,冬小麦田间0～5,5～15,30～35cm三个土壤深度土壤含水量模拟值与实测值相对误差分别为7．0％、8．1％、4．5％。小麦、早稻、晚稻、玉米产量模拟值与实测值之间的相对误差分别为6．7％、2．4％、5．3％、1．9％。     

联合整地机匀土旋平刀辊设计与试验

为解决联合整地机破茬翻埋作业后地表平整度低、土壤分布不均匀的问题，该研究设计了分段反螺旋式匀土旋平刀辊，提出田口法结合离散元仿真的刀辊参数设计思路。首先定性分析并确定了影响刀辊轴向运土和抛土的关键因素及水平；然后以作业后地表平整度为优化目标，以沙壤土和黏壤土为噪声因子，利用田口法设计试验并进行离散元仿真，得出适应不同土壤类型的最优参数组合为：刀轴转速300 r/min、螺旋升角70°、旋耕刀型号IT245、刀轴直径80 mm、刀座间距62 mm、旋耕刀双螺旋排布，此时地表平整度仿真值为14.2 mm。以最优参数组合制造样机并进行田间验证试验，作业后地表平整度为11.6 mm、土壤分布均匀度为92.6%、耕深稳定性系数为93.2%、破土率为86.4%，优于小麦种植对耕整地的要求，所设计的刀辊有效。研究结果可为联合整地机刀辊设计提供参考。