蔗蔸田超深旋耕作业刀具受力分析

针对目前蔗兜田超深旋耕刀具作业阻力大、功耗高等问题,首先借鉴新植蔗根土系统建模方法,采用FEM-SPH耦合方法,建立宿根蔗茎秆-蔗兜-土壤系统动力学仿真模型;然后利用模型并结合超深旋刀具-土壤系统的建模方法,建立蔗兜田超深旋刀具作业动力学仿真模型,并进行田间验证;最后,利用模型开展蔗兜田超深旋耕作业仿真,分析超深旋耕作业过程刀具的受力,揭示蔗兜田超深旋耕刀具作业时作业阻力大的原因,并提出刀具结构优化思路。结果表明:建立的宿根蔗茎秆-蔗兜-土壤系统和蔗兜田超深旋耕刀具作业仿真模型精度较高;刀具切割土壤力远远大于切割蔗蔸力,切割过程中刀具的合力、水平方向力、垂直方向力和前进方向力呈周期性变化,其最大值分别为12222.9、10365.5、2781.8、8573.5N。刀具阻力大的主要原因是由于刀片、螺旋叶片与土壤接触面积较大、刀片分布不合理及螺旋叶片底部厚钝,因此,可通过优化刀片结构和分布以及螺旋叶片结构来减小刀片受力。

收获期宿根蔗的基本参数试验研究

针对收获期宿根蔗不同部位的基本参数匮乏,无法建立高精度甘蔗仿真模型、甘蔗收获切割和蔗兜粉碎部件优化设计缺乏依据的问题,以广西有代表性的桂糖55甘蔗作为研究对象,采用物理试验、Duncan多重比较法及显著性分析方法,研究了收获期宿根蔗不同部位的基本参数,并进行了差异的显著性分析。结果表明:①茎节、节间长度在不同部位上有显著差异,顶部和底部的长度差异大,从上到下逐渐变小;节间、茎节直径有一定差异,但不显著;须根直径、数量、须根长度、生长角度在须根的3个部位有着显著差异,随着须根生长深度的增加,须根越往竖直方向生长,其密度也增大。②各部位茎节径向抗压强度、轴向抗压强度、径向压缩弹性模量、轴向压缩弹性模量变化范围为2.135~3.706MPa、6.735~8.988MPa、218.88~288.26MPa、1257.1~1946.5MPa,节间径向抗压强度、轴向抗压强度、径向压缩弹性模量、轴向压缩弹性模量变化范围为1.4379~2.1031MPa、6.135~6.889MPa、148.238~219.794MPa、886.815~1194.61MPa。蔗秆的平均弯曲强度和弹性模量分别为15.9、200.055MPa;不同层须根抗拉强度、弹性模量和抗剪强度的变化范围分别为24.95~28.213MPa、527.43~530.89MPa、16.574~23.037MPa。③为提高仿真精度,在建模时,茎秆和蔗兜秆、茎节和节间分开、须根分层进行建模,而在进行甘蔗收获和粉碎机械设计时,需考虑茎秆与蔗兜秆的力学特性差异,且优先考虑径向压缩破坏形式,对入土切割和蔗兜粉碎部件进行优化设计,以此来减少部件磨损、破坏和作业功耗。