胡麻茎秆离散元柔性模型建立与接触参数试验验证

针对胡麻联合收获过程中茎秆位姿变化与运动特性等关键环节离散元研究缺乏柔性模型和接触参数的问题,本文以胡麻根部茎秆、中部茎秆、颈部茎秆为研究对象,以其本征参数为研究基础,计算得胡麻茎秆各部建模参数,采用离散元法bonding模型构建胡麻茎秆柔性模型,并以胡麻茎秆各部本征参数、接触参数试验值为水平值,通过Plackett-Burman试验和Central-Composite试验确定胡麻茎秆之间、茎秆与收获装备之间的接触参数,通过胡麻茎秆剪切试验与堆积角试验验证模型可靠性。结果表明：胡麻植株离散元柔性模型参数中法向刚度Kn为1.13×109N/m3,切向刚度Ks为5.6×108N/m3,法向临界应力σ为6.67MPa,切向临界应力γ为8.5MPa,粘结半径Rj为0.25mm;胡麻茎秆-收获装备间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数最优值分别为0.33、0.28、0.14,胡麻茎秆-胡麻茎秆间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数最优值分别为0.3、0.508、0.033;剪切试验中胡麻茎秆根部、中部、颈部剪切最大载荷与仿真结果相对误差分别为1.67%、3.09%、5.44%,堆积角试验中胡麻茎秆平均堆积角与仿真结果相对误差为0.31%,误差较小。胡麻茎秆柔性模型与接触参数和实际情况较为相符,可表征胡麻茎秆物理特性,为胡麻茎秆离散元仿真提供参考。     

制种玉米与剥皮机构互作过程仿真与试验

针对制种玉米利用大田玉米剥皮机作业籽粒损失大等现象,本文对剥皮过程中制种玉米果穗与剥皮机构间的碰撞和摩擦进行理论分析,得到了影响剥皮效果的主要因素,建立了玉米果穗-剥皮机构系统的离散元与多体动力学柔性模型,利用DEM-MBD联合仿真技术对制种玉米与剥皮机构互作过程进行模拟研究,采用Box-Behnken试验设计原理,以压送器与剥皮辊间距、剥皮辊转速和剥皮辊间隙为试验因素,以果穗平均前进速度和最大受力为试验指标,进行三因素三水平试验,最后进行台架试验和田间试验。理论分析结果表明：玉米果穗沿剥皮辊轴线方向的前进速度和剥皮过程中所受的作用力能够分别表征苞叶剥净率与籽粒损失率;试验结果表明,制种玉米剥皮机构最佳工作参数组合：压送器与剥皮辊间距为32mm、剥皮辊转速为430r/min、剥皮辊间隙为-0.3mm,此时玉米果穗苞叶剥净率为93.33%,籽粒脱落率为1.802%,籽粒破损率为1.203%,机具田间试验与台架试验结果误差小于3%。试验所用剥皮辊满足制种玉米剥皮的性能要求,所用方法能够为制种玉米剥皮机构的改进提供参考。     

马铃薯收获与气力辅助残膜回收联合作业机设计与试验

针对大面积推广大垄双行覆膜马铃薯栽培模式所造成的田间残膜污染问题,设计了马铃薯收获与气力辅助残膜回收联合作业机,一次作业可同步实现薯块挖掘铺条与残膜回收。通过对样机关键作业部件进行设计选型,确定了阶梯挖掘铲、土薯抖动升运装置及浮动式气力卷膜装置结构及作业参数,分析了浮动式气力卷膜装置作业过程,得出确保该装置不产生残膜滞留堵塞、拉断及打滑现象的必要条件,对地轮田间行走产生不滑动的滚动条件进行了分析计算,并完成了样机相关作业性能试验。田间试验结果表明,当联合作业机作业速度为1.8~2.0 km/h时,残膜回收率为91.6%,明薯率为96.8%,伤薯率为2.3%,试验指标均达到了国家和行业标准要求,试验结果满足设计要求。     

电驱式玉米膜上直插穴播机前进速度补偿机构参数优化

为提高电驱式玉米膜上直插穴播机膜孔合格率和播种深度合格率,对前进速度补偿机构和限深机构进行了计算,应用Matlab仿真前进速度补偿机构各参数对穴播轨迹的影响,筛选出主曲柄角速度、中心距和副曲柄长度对膜下播种深度合格率和膜孔合格率影响较大;采用三因素三水平响应面法进行多因素方差分析,结果表明:影响播种深度合格率的因素主次顺序为:中心距、副曲柄长度和主曲柄角速度;影响播种深度合格率的因素主次顺序为:副曲柄长度、主曲柄角速度和中心距;以播种深度合格率为主,兼顾膜孔合格率最大为优化目标,优化结果为:当主曲柄角速度为89.10 rad/s、中心距为58.55 mm、副曲柄长为95.1 mm时,播种深度合格率和膜孔合格率的5次均值分别为94.89%、93.61%。试验表明前进速度补偿机构运行平稳可靠,试验效果满足玉米播种机相关标准要求及甘肃省玉米播种农艺要求。     

玉米直插穴播机强排-强启排种装置设计与试验

在玉米直插穴播机的基础上,针对被动鸭嘴开启过程播种性能受地面高低起伏影响较大的问题,设计了强排-强启排种装置,主要由共轭凸轮、强排-强启排种器等组成。对前进速度补偿机构进行了分析,确定了穴播过程关键时间点,重点对强排-强启排种器的取种轮取种和鸭嘴强制开启2个动作实现进行了位移计算,反求法计算确定共轭凸轮的主凸轮轮廓;取种轮匀速转动能提高取种率,通过计算确定了凸轮从动件运动规律。试验结果表明:该装置传动运行平稳,能完成取种和排种动作,鸭嘴无夹土、无提早排种现象;鸭嘴膜孔较小,鸭嘴播种期间无挑膜、撕膜等问题;玉米直插穴播机的空穴率为1.8%、穴粒数合格率为95.3%、膜下播种深度合格率为88.1%,设计的玉米直插穴播机强排-强启排种装置满足设计要求和玉米播种的农艺技术要求。     

帆布带式马铃薯挖掘-残膜回收联合作业机设计与试验

为解决西北旱区大面积推广马铃薯大垄双行覆膜栽培模式所造成的田间残膜污染问题,设计了帆布带式马铃薯挖掘-残膜回收联合作业机,实现了马铃薯挖掘收获与残膜回收的一体化作业。通过对样机防缠绕装置、帆布带式送膜装置及浮动卷膜装置关键工作参数进行计算分析,确定影响联合回收机残膜回收率的相关试验因素及其取值范围。依照Box-Behnken试验设计原理,采用四因素三水平响应面分析方法,建立了作业机前进速度、卷膜驱动辊转速、输膜轴转速和输膜板倾角与残膜回收率之间的数学模型,并对各因素及其交互作用进行分析。试验结果表明:4个因素对残膜回收率影响的主次顺序为:卷膜驱动辊转速、作业机前进速度、输膜轴转速和输膜板倾角;联合回收机最佳工作参数为:作业机前进速度0.72 m/s、卷膜驱动辊转速303 r/min、输膜轴转速499 r/min、输膜板倾角29°。验证试验表明,联合回收机残膜回收率均值为92.1%,较优化前有明显提升;同时在此工作参数条件下,作业机明薯率为96.6%、伤薯率为2.2%,各项作业指标均达到国家和行业标准要求。     

丘陵山地胡麻联合收获机复式清选系统仿真优化与试验

针对丘陵山地胡麻联合收获机空间布局有限,且收获后胡麻脱出物性状差异小、混杂程度大、清选困难等问题,为提高丘陵山地胡麻联合收获机清选效率,探究丘陵山地胡麻联合收获机复式清选系统工作机理,本文以丘陵山地胡麻联合收获机初选+精选复式清选系统工作模式为研究对象,分别建立初选系统、精选系统CFD模型和胡麻脱出物DEM模型,采用CFD-DEM联合仿真技术,研究丘陵山地胡麻联合收获机复式清选系统最佳工作参数和脱出物各组分运动轨迹及空间形态变化,得出丘陵山地胡麻联合收获机脱出物分离规律,并进行验证试验,校验仿真模型可靠性。CFD-DEM联合仿真结果表明,当初选系统入口风速为12.4m/s、精选系统离心风扇转速为1.154r/min时,机具清选效果最佳,其中初选系统胡麻籽粒损失率为0.3%,短茎秆排出率71.43%,颖壳排出率69.34%,轻杂排出率65.34%,含杂率39.01%;精选系统胡麻籽粒损失率为0,短茎秆排出率40%,颖壳排出率75%,轻杂排出率100%,含杂率2.56%;初选系统中脱出物进入气流场初始瞬时发生速度、位移变化依次为轻杂、颖壳、胡麻籽粒、短茎秆,精选系统中脱出物进入气流场初始瞬时发生速度、位移变化依次为颖壳、轻杂、短茎秆、胡麻籽粒。田间试验结果表明,当胡麻籽粒含水率为5.34%时,作业机具最佳作业状态下含杂率为3.61%、总损失率1.98%,作业期间整机运行平稳,作业指标符合胡麻机械化收获标准。试验结果与仿真结果高度吻合,验证了模型的可靠性。     

双风道风筛式胡麻脱粒物料分离清选机设计与试验

为进一步提升胡麻脱粒物料分离清选机械化作业水平,针对胡麻脱粒物料各组分类型,提出“先气流清、再风筛选”的作业模式,制订了胡麻脱粒物料分离清选作业工艺流程,设计了双风道风筛式胡麻脱粒物料分离清选机。对三级振动筛分装置、双风道杂余集料装置及吸杂除尘装置等关键作业部件进行设计选型与参数计算,获得不同组分的胡麻脱粒物料在三级筛面上不同运动状态下振动筛分装置曲柄连杆机构运动参数必须满足的条件。样机性能试验表明,当振动喂料系统电磁激振器振幅控制在14~18mm、前风道风量调节手柄在2~4挡位、后风道风量调节手柄在4~6挡位、三级振动筛分装置振动频率在2~6Hz时,双风道风筛式胡麻脱粒物料分离清选机的籽粒清洁率为97.16%、夹带总损失率为1.12%,试验结果满足设计要求,能够实现对胡麻收获期脱粒物料不同组分的分离清选作业。     

双风道风筛式胡麻脱粒物料分离清选机参数优化与试验

为进一步优化提升双风道风筛式胡麻脱粒物料分离清选机的工作性能,基于实际试验方法与离散元仿真分析对样机主要工作参数进行了单因素试验,以选取的筛箱振动频率、前风道风量调节挡位和后风道风量调节挡位为自变量,以籽粒含杂率和清选损失率为响应值,按照Box-Behnken试验设计原理,采用三因素三水平响应曲面分析方法分别建立了各试验因素与籽粒含杂率、清选损失率之间的数学模型,并对各因素及其交互作用进行分析。结果表明：选取的3个因素对籽粒含杂率、清选损失率影响的主次顺序均为筛箱振动频率、前风道风量调节挡位、后风道风量调节挡位,作业机最佳工作参数为筛箱振动频率2Hz、前风道风量调节挡位2、后风道风量调节挡位4.5。验证试验表明,籽粒含杂率均值为0.98%、清选损失率均值为2.66%,说明通过优化工作参数可降低胡麻脱粒物料在机械化分离清选过程中的含杂与损失,其作业效果较单一气流分离清选方式有显著改善。     

基于CFD-DEM的胡麻风筛式清选装置仿真分析与试验

为阐明胡麻脱粒物料在振动筛上实际的筛分效果,采用CFD-DEM耦合方法,对胡麻脱粒物料在胡麻联合收获机风筛式清选装置中的清选效果进行研究,探究鱼鳞筛开口角度、气流速度、清选筛振动频率以及清选筛振幅对清选效果的影响,并通过统计胡麻籽粒含杂率和清选损失率来衡量不同工作参数下分离清选装置的工作性能。仿真试验结果表明：鱼鳞筛开口角度最优为30°,鱼鳞筛透筛率为79.77%,茎秆透筛率为65.52%,籽粒透筛率为90.01%;振动筛振动幅度最优为15 mm,胡麻籽粒损失率为3.6%,籽粒含杂率为3.4%;振动筛振动频率最优为6 Hz,清选损失率为3.5%,籽粒含杂率为3.4%;风机风速最优为5.5 m·s^-1,籽粒含杂率为3.2%,清选损失率为3.0%。结合优化工作参数进行大田作业性能验证试验,通过对机收后的收集物料测定试验指标可知,总清选损失率为3.58%,籽粒含杂率为3.16%,大田试验结果与仿真模拟结果基本一致。机收后的胡麻籽粒外形完整,破损现象较少,含杂率与总损失率均达到相关试验标准要求,表明优化后的参数满足胡麻联合收获标准要求。