基于离散元的棉田仿生减阻犁体设计与试验

针对当前铧式犁在棉田土壤犁耕作业过程中易黏附、阻力大、能耗高等问题,立足两种典型棉田土壤,以犁体、棉田土壤和两者之间的相互作用为研究对象,提出犁体曲面模型优化和表面结构仿生相结合的方法。以穿山甲体表的鳞片三角圆弧状结构和蜣螂体表的凸包结构相结合作为仿生原型,研制一种棉田仿生脱附减阻犁体,分别对两种棉田土壤的物理和化学特性进行试验测定并建立离散元模型。进行传统犁体与仿生犁体的耕作过程仿真与试验,在1号土样中仿生犁体相对传统犁体减阻5.4%,土壤减粘性能提升44.15%;在2号土样中仿生犁体相对传统犁体减阻7.8%,土壤减粘性能提升45.49%,研究结果表明仿生犁体对棉田土壤减粘降阻效果明显。

基于离散元法的切振共作深松机作业性能仿真分析及试验

针对深松装备应用于西南丘陵紫色土时存在作业阻力大、松土质量差、功耗高的问题,该研究提出切振共作深松方式并设计了一种切振共作深松机。运用离散元软件对非振动深松机和切振共作深松机在相同参数下进行仿真。仿真结果显示,切振共作方式能够有效减少深松机的耕作阻力。通过单因素试验得到切振共作深松机的最佳作业速度区间为0.9~1.1 m/s,最佳振动频率区间为9~15 Hz;通过正交试验得出深松作业最佳参数为:作业速度0.96 m/s、耕作深度300.24 mm、振动频率11.43 Hz。为了测试切振共作深松机的实际减阻性能,结合仿真结果并参考深松作业最佳参数,设置拖拉机前进速度1.0 m/s,作业深度为300 mm,振动频率为9、12和15 Hz,进行田间试验。结果表明:在相同速度和耕深条件下,切振共作深松机相较于非振动深松机均有明显的减阻效果,耕作阻力降低15.43%~37.56%;功耗降低8.87%~32.32%,在振动频率为12 Hz时,减阻效果最佳,耕作阻力降低37.56%,功耗降低32.32%,土壤坚实度降低74.11%,土壤扰动系数为56.32%,深松深度为30.9 cm,深松深度稳定性系数为98.16%,深松深度及其稳定性符合行业标准。切振共作深松机减阻降耗效果明显,可为振动深松机的优化设计提供参考。

玉米秸秆高扰低阻深松铲设计与试验

东北垄作区玉米秸秆还田条件下,针对秸秆较多时易使深松铲和后续机具堵塞、耕作阻力增加等问题,基于深松切割根茬一侧时土壤、根茬状态对秸秆的作用进行深松铲优化,设计了一种可减小深松阻力、提高秸秆扰动的深松铲。根据离散元仿真深松作业中切割根茬一侧时秸秆力矩波动段峰值时刻的秸秆受力方向和秸秆位置,对深松铲刃口曲线进行设计和优化。选取深松铲平均耕作阻力、秸秆水平侧向扰动距离为试验指标,进行二因素五水平中心组合试验,并得到深松铲各参数最优组合,即深松铲入土角23.91°、深松铲刃角32.01°。由仿真验证试验可知:深松铲的平均耕作阻力和理论值相比增大0.65%,秸秆扰动距离和理论值相比减小2.95%,仿真试验值与理论值差异较小,验证了设计思路的可行性。在最优参数下,与圆弧深松铲、折线深松铲进行田间对比试验,结果表明:平均耕作阻力减小7.43%和29.36%,油耗减少16.19%和31.93%,秸秆水平侧向扰动距离分别增大65.42%和减小3%。所设计的深松铲平均耕作阻力和油耗小且对秸秆扰动大,可为深松铲设计与优化提供参考。

基于LS-DYNA的铧式犁结构优化设计及性能分析

基于LS-DYNA法建立犁体与土壤的耦合接触有限元模型,讨论不同犁体导曲线、铧刃角、安装角、端点角、耕作速度对耕作过程翻垡效果和犁体应力影响,并进行试验验证。结果表明:椭圆曲面比抛物线曲面耕作时阻力更小、土壤翻垡效果更好,阻力降低5.6%,翻垡距离提升14.8%;对犁体前进速度、铧刃角、安装角、端点角进行单因素分析,发现翻垡距离随着速度增加而增加,而随着铧刃角、安装角、端点角呈现出先增大后减小的趋势。因此,通过选取合适的速度与结构参数可以提升铧式犁的翻垡性能,减低犁体阻力。

农机装备电控液压提升系统变权重因子自适应控制研究

针对传统大马力拖拉机电液提升系统控制精度不足的问题,提出利用多个反馈参数进行综合调节的控制方案,通过对不同的反馈控制方式进行权重划分,可综合各反馈控制的优势以实现多性能平衡的目的。另外,考虑到常规控制的权重因子固定不可变的问题,提出权重因子基于反馈信号的自适应变化控制方案,利用3种反馈信号与设定值的偏差进行权重因子的增量调节,使得权重因子能更好地满足性能参数的变动,分别设计了3个权重因子的自适应控制规则和对应控制器的输入输出参数。选用犁耕深度、牵引力、滑转率作为控制性能的评价指标对无反馈控制、力位综合控制以及所提自适应控制进行对比,结果表明:所提控制方法的犁耕深度均匀性较高,牵引力和滑转率数值较小,且变化范围明显小于其他2种控制方式;在提高犁耕均匀性的同时也提高了燃油经济性,并降低了悬挂系统的冲击效应。

液压激振源自激振动深松机深松单体设计与试验

针对弹簧激振源的自激振动深松机在土壤阻力差异大的不同地块作业时存在适应性差、自激振动易失效的问题,该文提出了液压激振源的新型自激振动深松方法,设计了液压激振源深松单体。通过建立深松铲力学和运动学模型,确定了液压缸的关键结构参数;设计了压力调节系统,可实现液压缸压力快速调节;利用二次回归通用旋转组合试验方法,以耕深变异系数、牵引力为评价指标,探究了液压缸压力、前进速度、土壤坚实度对液压激振源深松单体作业效果的影响规律;获得了耕深变异系数、牵引力为响应值的回归模型,求解出耕深变异系数、牵引力同时较小时对应的参数组合为液压缸压力3.6 MPa、作业速度1.4 km/h、土壤坚实度1.18 MPa。利用求解出的参数组合对回归模型进行试验验证,获得的耕深变异系数为3.56%,牵引力为1 300.70 kN,优于二次回归通用旋转组合试验结果,证明了回归模型的可靠性。该研究可为自激振动深松机具的研究提供理论参考。

振动深松试验台作业参数减阻减振优化

振动深松具有降低耕阻的作业优势,但振动对驾驶员造成的负面影响是制约其推广使用的主要因素之一。该文采用二次回归通用旋转设计,考察深松铲振频、振幅、前进速度3个工作参数与耕阻、振动2个试验指标的关系,利用Design-Expert响应面分析法,得到2个指标的回归模型,并进行优化分析。综合分析得到一组减阻减振的优化解:振幅21 mm、振频4.2 Hz、前进速度3.4 km/h,在该组工作参数下,与非振动深松相比,振动深松的耕阻最大值变化较小,耕阻最小值、平均值分别减小46.2%、16.6%。

振动深松机多组振动深松铲自平衡性能及仿真分析

振动深松具有减阻的优势,但振动对拖拉机及驾驶员的不利影响制约其推广,该文对振动深松机多组振动深松铲进行自平衡性能分析。在优化试验中,多组深松铲振动作业时的剧烈振动易造成试验设备损坏,仿真试验可避免危险工作环境下的实车试验。对拖拉机-振动深松机系统进行受力分析,并基于ADAMS建立其仿真模型,建模过程包括导入三维模型、定义轮胎与地面之间接触力和摩擦力等。理论与仿真分析相互验证,得到拖拉机后轮所受支持力均值分别为27.8、26.4 kN,误差为1.4 kN,并且二者主振动曲线变化趋势一致。采用加权加速度均方根值评价振动对驾驶员的影响。通过MATLAB编程,利用功率谱密度函数,计算得到驾驶座质心总加权加速度均方根值。利用Design-Expert软件设计试验并优化得到6组振动影响较小的四组振动松土铲作业初始相位角组合,减振比率超过90%,实现了振动深松机作业时的自平衡。

土层置换犁消除豆田残留除草剂药害的效果

为探索消除豆田残留除草剂对后作药害的新途径,本研究采用生物鉴定的方法,以甜菜为指示植物查明了豆田残留除草剂主要分布在0～10cm土层中,向下层逐渐减少,20cm以下土层为安全土层。自主设计的土层置换犁实现了将0～20cm土层和20～40cm土层位置转换,即所谓的土层置换。应用该犁在有残留除草剂污染的豆茬上实施土层置换改土作业后,连续2年调查作物产量结果显示,土层置换区比对照区甜菜、马铃薯等作物长势好、杂草数量少;改土后种植甜菜,第1年、第2年分别比未改土的对照增产468.9%和805.7%;种植马铃薯分别增产177.1%和31.0%;种植玉米(第2年)增产2.0%。种植连作大豆(第2年)增产6.5%。同时在未受到残留除草剂污染的土壤上实施土层置换作业后,第1年种植马铃薯和甜菜分别比对照减产3.1%和5.6%、第2年种植马铃薯和玉米,分别增产27.0%和5.2%。研究结果可为修复残留除草剂污染土壤、消除作物连作障碍和促进种植业结构提供技术支撑。

犁体CAD通用数学模型的研究

通过对Ｂ样条理论的研究，创建了新的通用犁体曲面和样板曲线数学模型及其参数造型。该模型库自动化程度高，数据处理便捷，无需分片描述，曲线曲面（包括犁体曲面、样板曲线、翻土曲线）整体即可达到二阶参数（Ｃ２）连续，具有较高的光顺性。利用该模型库结合三维图形、实体造型和图像模拟技术开发的ＣＡＤ系统使犁体曲面的优化、设计过程自始至终都十分直观、透明和方便，有效提高了设计质量和效率。

单金属犁铧自磨刃形成机理探讨

通过犁铧刃口的受力分析，根据磨粒磨损的原理，探讨了单金属犁铧自磨刃形成的机理和条件。试验结果表明：在上开刃凿形犁铧的基础上，适当增加铧面角、减小犁铧刃口部分的硬度和厚度、合理设计犁铧的形状可以形成自磨锐铧刃。

基于离散元法的深松作业玉米秸秆运动规律

东北垄作区玉米秸秆还田条件下,针对垄台播种带秸秆残茬易导致深松铲以及后续机具缠草堵塞和阻力增加等问题,建立深松铲-土壤-秸秆-根茬的离散元模型,分析仿真因素秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角、根茬状态(根茬中间切割、根茬一侧切割、根茬挑起和无根茬)和秸秆之间相互影响对深松作业过程中秸秆拨离垄台的影响。进一步探究深松铲作用下垄上秸秆运动规律并分析其扰动比阻(秸秆扰动力矩与深松铲阻力之比)。仿真结果表明:秸秆距垄台中心距离对秸秆位移中的水平侧向运动的影响最大;秸秆水平侧向位移随着秸秆与机具前进方向夹角增大呈减小趋势;根茬状态影响秸秆位移的主次顺序依次为:根茬挑起、根茬一侧切割、无根茬、根茬中间切割;当秸秆距垄台中心距离为60 mm时,秸秆之间相互影响对秸秆位移中的前进方向运动的影响最大;当秸秆距垄台中心距离大于60 mm,秸秆前进方向位移呈增大趋势。秸秆运动的力矩变化趋势为平稳变化,后产生峰值,最后又趋于平稳;影响秸秆力矩的主次顺序依次为:根茬状态、秸秆之间相互影响、秸秆距垄台中心距离、秸秆与机具前进方向夹角。深松过程中,秸秆扰动比阻在切割根茬一侧时达到最大值0.152 mm。田间对比试验结果表明,仿真模型得到的秸秆总位移、水平侧向、前进方向和垂直方向位移与田间试验值的误差分别为0.36%~9.67%、0.16%~12.31%、0.56%~10.11%和0.43%~4.63%,秸秆力矩的误差为0.16%~11.06%。研究结果可为深松铲设计以及优化提供一定的理论依据。

滑切型自激振动减阻深松装置设计与试验

针对长江中下游地区黏重土壤深松作业阻力大的问题,基于滑切和自激振动减阻的原理,设计了滑切型自激振动深松装置。对滑切型铲柄的滑切角及刃口角进行了分析及参数设计,通过有限元分析,表明铲柄强度符合设计要求,自激振动弹簧采用内外双弹簧以减小自激振动装置的结构尺寸。土槽对比试验表明,固定连接方式滑切型深松铲在各速度下相对于传统弧形深松铲减阻7. 79%～8. 81%,自激振动连接方式滑切型深松铲在各速度下相对于传统弧形深松铲减阻15. 45%～20. 05%。田间性能试验表明,深松后各深度下土壤坚实度下降显著,0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm深度下土壤坚实度分别减小78. 18%、56. 08%和62. 72%;深松后各深度下土壤容重下降14. 66%～20. 81%,土壤含水率在0～10 cm略有下降,在10～20 cm和20～30 cm略有上升;土壤扰动系数均值为60. 8%,土壤蓬松度均值为11. 9%;深松深度及其稳定性系数符合行业标准,滑切型自激振动深松装置作业质量总体满足作业要求。

仿生非光滑水田犁壁的设计及田间应用试验

水田犁田间作业时土壤对犁壁的严重粘附，将导致犁耕阻力增加、油耗增大、耕作质量和生产效率降低。经过大量的试验研究，已发现典型土壤动物蜣螂体表的减粘降阻和脱附效应，并据此开发了仿生犁壁。在前期研究基础上，考察仿生非光滑水田犁壁面上几何非光滑结构单元的尺寸和分布对犁耕阻力的影响，进行了设计参数优化，研制出具有减粘降阻性能的仿生非光滑水田犁壁。田间对比测试表明：仿生非光滑水田犁壁与普通光滑水田犁壁相比，降低犁耕阻力15．9％-18．0％，减少油耗11．9％，提高生产率20．5％。该犁壁耕翻的碎垡率高，耕作质量良好，有较好的实际应用前景。

PA^4_（1010）和EP^1复合涂层及其表面改性犁壁的减粘降阻性能

试验研究了地面机械触土部件表面仿生改性涂层ＰＡ４１０１０（尼龙１０１０－Ａｌ２Ｏ３复合涂层）和ＥＰ１（环氧－Ａｌ２Ｏ３复合涂层）的减粘降阻性能，探讨了土壤含水量和推土板切削速度对其减粘降阻性能的影响。

采用改进的遗传算法求解高速犁体曲面的优化模型

针对高速犁体曲面的最优化问题 ,提出用一种新的鲁棒全局优化算法——改进的遗传算法 ,并采用该算法求解犁体曲面。通过 64 0 0个数值试验优选出遗传算子 ,用 Turbo C语言编制了相应的软件进行了仿真试验。试验结果表明 ,该方法能较成功地解决犁体曲面优化设计时高度非线性函数优化求解难的问题 ,求解时间是复合形法的 1/3 60。

Loop细分技术在犁体曲面造型中的应用

阐述了细分方法的基本思想以及基于三角网格的 L oop细分模式的原理和方法 ;提出了在相关几何造型、有限元分析和动态仿真软件配合下 ,基于 Open GL环境或 CAD二次开发环境的复杂犁体曲面造型的细分方案 ;对犁体曲面的控制网格生成、边界限定等关键技术进行了讨论。利用该方法可以有效缩短复杂犁体曲面的造型、计算和分析时间。

渗碳工艺对高速液压翻转犁犁尖部件耐磨性的影响

针对在犁尖部件的局部区域堆焊硬质合金层仍无法解决现有国产犁尖整体耐磨性不足的问题,该研究对高速液压翻转犁犁尖部件整体采用渗碳-淬火-回火处理,并探讨了该工艺对犁尖微观组织与耐磨性的影响机制。研究结果表明,经渗碳-淬火-回火(Carburizing-Quenching-Tempering,CQT)工艺处理后的犁尖(CQT态犁尖)近表层最大碳质量分数约为0.70%,渗层深度约为2.5 mm,其表层组织为针状马氏体(高硬度)+残余奥氏体+少量碳化物,芯部组织则以板条马氏体(高强韧性)为主,这与经淬火-回火(Quenching-Tempering,QT)工艺处理后的犁尖(QT态犁尖)中的板条马氏体+先共析铁素体组织明显不同,微观组织的改善使CQT态犁尖近表层的显微硬度较QT态犁尖提高56%。同时,与QT态犁尖相比,CQT态犁尖芯部的屈服强度和抗拉强度分别提升16%和20%。摩擦磨损试验及田间试验表明,CQT态犁尖的平均摩擦系数较QT态犁尖下降约22%,耕作120 hm2后的CQT态犁尖的磨损量较QT态犁尖降低37%,这主要归因于渗碳层中含有高硬度针状马氏体及残余奥氏体的应变诱导马氏体相变的综合强化作用。此外,与QT态犁尖相比,CQT态犁尖的耐磨性更高,从而具有更大的表面积,这有利于通过减小犁尖单位面积上的载荷和摩擦放热量来减轻待磨层材料蠕变软化的倾向,从而提高CQT态犁尖的耐磨性。上述研究结果可为改善农机触土部件的耐磨性提供可行的技术方案。

鱼粉品质检测电子鼻传感器阵列的多特征数据融合优化

为了提高基于仿生嗅觉的鱼粉品质检测装置的鉴别能力,该文利用自主设计的仿生嗅觉鱼粉品质检测装置,提取鱼粉样本的响应特征信息,对其传感器阵列进行多特征数据融合优化。依据各传感器对样本的响应曲线,提取传感器特征值(10×6个)构成原始特征矩阵,后对传感器阵列特征值进行归一化处理,以紧凑性作为评价特征选择方法合理性的标准,采用了3种单特征排序方法(MIC、χ^2、F-test),3种多特征排序方法(RF、LR、SVM),4种特征递减消除方法(RFRFE、SVMRFE、DTRFE、LRRFE)对不同品质的鱼粉进行分类准确率检验,得到基于随机森林的特征递减消除算法(RFRFE)的紧凑性最好,此时最佳的分类准确率为98.3%,特征数目为33个。优化后的传感器阵列特征发生了明显的变化,传感器阵列由原来的10个变为了8个,去掉了传感器TGS2620和传感器TGS2600,特征值也减少了45%。为了避免选择偏差,采用了10折交叉验证方法,再次得到了RFRFE算法具有更佳的紧凑性。该特征选择方法为利用仿生嗅觉技术鉴别其他动物源性原料样本的特征优化提供了新的方法和参考。

传统犁壁材料脱土性分析研究

分析了３种传统犁壁材料的脱土特性，研究了其化学成分、金相组织以及表面特性的差异，并进行了腐蚀性试验。研究结果表明，材料的成分及组织对其土壤粘附特性有一定影响。首次指出了犁壁材料耐蚀性与脱土性之间的联系，为研制金属基减粘功能材料提供了理论依据。