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。

基于离散元法的凸圆刃式深松铲减阻效果仿真分析与试验

针对深松作业阻力大、能耗高等问题,该文在深松铲铲尖顶部设计了一种能有效减阻降耗的凸圆刃。以安装凸圆刃的凸圆刃式深松铲为研究对象,建立了土壤模型。为提高土壤模型的准确性,选用非线性粘结弹性塑形接触模型(edinburgh elasto-plastic adhesion model,EEPA),对凸圆刃式深松铲进行耕作阻力虚拟仿真。利用插件将颗粒与深松铲接触作用力导出,分析凸圆刃式深松铲应力和形变,校验其结构强度;采用EDEM软件分析不同耕深和速度对深松耕作阻力的影响,并以国标深松铲为比较对象,分析了凸圆刃式深松铲的减阻效果;通过田间试验验证了土壤模型和凸圆刃式深松铲设计的准确性和可行性。田间试验结果表明,与国标深松铲相比,凸圆刃式深松铲耕作阻力平均降低了10.24%。仿真结果与实测值较为接近,数值误差在3%～10%,证明土壤模型基本符合土壤的力学特性,能近似代替真实的土壤环境。该研究证明了采用离散元法分析深松耕作阻力可行性,可为进一步优化深松铲结构提供参考。

土壤深松技术研究进展

论述了深松机具的种类以及深松部件减阻节能的技术措施,分析了土壤-深松部件接触系统的相互 关系,提出了基于典型土壤动物的脱附减阻和深松碎土机理的仿生深松部件的设计思路。

基于离散元深松土壤模型的折线破土刃深松铲研究

针对目前华北平原壤土区应用的深松铲作业阻力大、能耗高、平整度差、深松后形成的缝隙过大不利于保墒等问题,基于耕作层、犁底层和心土层土层厚度及土壤物理性质不同,设计了一种有效减阻降耗的折线破土刃深松铲。运用离散元法建立深松土壤模型,设定土壤颗粒接触模型,测定耕作层、犁底层和心土层3层土壤颗粒虚拟仿真参数。应用EDEM软件进行深松铲性能虚拟仿真,检验了破土刃切削刃角θ与滑切角φ最优效果。相比圆弧形深松铲,折线破土刃深松铲对土壤颗粒冲击较小,降低了土层扰动量,降低了牵引阻力,地表平整度与沟槽宽度均明显优于圆弧形深松铲;田间试验结果表明,折线破土刃深松铲有效降低了犁底层的容重和紧实度,比圆弧形深松铲作业阻力减少了11.52%,作业稳定性、可靠性较好。田间试验与仿真试验对比结果证明离散元三层深松土壤模型基本满足深松铲性能试验。

湿粘水稻土深松过程离散元分析

湿粘水稻土的深耕松对作业机具设计与作业参数的要求不同于旱作制,为探究水稻土条件下土壤深松扰动过程及其内在相互作用机理,本文结合田间实测土壤物理参数,借助离散元EDEM软件,建立适用于粘性水稻土的深松耕作离散元模型。利用粘性水稻土模型对水稻土的机械深松耕作过程进行离散元模拟仿真,并结合田间试验结果对机具耕作阻力、土壤宏观扰动进行对比验证,进一步从仿真的角度揭示深松土壤扰动的微观过程、土壤失效破碎的微观机理。结果表明,该模型下深松耕作阻力平均误差为6.63%,土壤扰动的起垄宽度平均误差为4.39%,起垄高度平均误差为19.22%;DEM仿真对土壤的微观扰动过程分析进一步论证了宏观试验测试结果及假说的正确,并且能够从土颗粒接触力学层面表达土壤扰动的边界生成、土体内部破碎等过程;结合DEM仿真角度提出的反映土体破碎程度指标——断裂系数,与传统试验的指标参数碎土系数对比两者误差为3.46%,该指标更有利于对土壤破碎过程微观机理的表达。

立柱式深松铲受力数学模型及试验分析

为优化深松铲的结构参数,对立柱式深松铲进行受力分析,并建立工作状态的受力数学模型,通过改变参数研究其受力状况的变化,找出各个参数对工作阻力的影响程度,优化深松铲的设计参数。通过田间试验,对受力数学模型进行了验证,结果表明,影响其工作阻力的主要参数是耕作深度、深松铲起土角、铲柄工作宽度及前进速度。该数学模型与深松铲的受力状况基本相符。

楔形减阻旋耕刀设计与试验

为解决旋耕整地作业阻力大、能耗高等问题,该文基于旋耕刀理论受力模型设计了一种楔形减阻旋耕刀。采用Inventor和HyperMesh软件分别创建国标旋耕刀及楔形减阻旋耕刀的三维模型和切削土壤模型,分析了楔形减阻旋耕刀的应力强度,对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的切削阻力。通过田间试验对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的扭矩、功耗与碎土率。结果表明:楔形减阻旋耕刀所受最大应力为29.49 MPa,远小于材料的屈服强度430 MPa,在保证刀身强度的前提下,与国标旋耕刀相比,楔形减阻旋耕刀质量减轻8.3%;平均切削阻力较国标旋耕刀下降10.65%。在相同工况条件下,楔形减阻旋耕刀的平均扭矩为648.916 N·m,较国标旋耕刀下降11.35%;楔形减阻旋耕刀的平均功耗为67.3kW,较国标旋耕刀下降9.29%,碎土率提高4%,耐磨性能与国标旋耕刀持平,能够达到在降低作业功耗的同时,提高耕作质量并保证刀具使用寿命。

复合形态深松铲耕作阻力有限元分析与试验

以复合形态深松铲为研究对象,采用ANSYS/LS-DYNA分析了深松铲在土壤耕作过程中耕深与前进速度对深松耕作阻力的影响,并以圆弧形深松铲为比较对象,分析了复合形态深松铲的减阻效果。为了验证有限元分析方法的可行性,对复合形态深松铲和圆弧形深松铲进行了室内土槽的耕作阻力验证试验。研究结果表明,通过有限元法模拟出的深松铲耕作阻力与室内土槽试验所测定的结果具有相同的变化趋势,利用有限元法可以分析深松铲的工作性能。在深松铲前进速度为4～5 km/h范围内,相对于圆弧形深松铲,用有限元法模拟复合形态深松铲的耕作阻力在耕深为300、350和400 mm时,平均减阻分别为44.07%、43.71%和33.83%。

1SZ-460型杠杆式深松机设计与试验

深松作业可以打破犁底层,在不翻动土壤的前提下可有效改善土壤的透水、透气性能,为植物根系提供更大的伸展空间。本文针对普通深松机械作业中存在的牵引阻力大、土壤松碎效果差等问题,研制出一种基于杠杆原理的振动式深松机。深松铲形式为窄凿型,能最大限度地保护土壤、减少水分蒸发。样机在30 cm耕深时振动作业与无振动作业的牵引阻力对比试验表明,振动深松作业可有效降低机具牵引阻力,降阻幅度可达13%~18%。

草地振动松土机运动特性分析与振动频率优化

为了提升机具的作业性能,该文对振动松土工作单体的速度特性和轨迹特性进行研究,当机具的振动频率较低时,速度比λ<1,松土铲是持续切削的作业过程,增加振动频率使速度比λ>1时,松土铲的作业过程分为切削、后退和追赶3个连续的阶段,各个阶段的持续时间随λ的变化而变化。在前进速度为1km/h、振幅为12.7mm、振动角为28°条件下,对0～10Hz振动频率下的一组工作部件进行土槽试验,振动部件工作最佳的振动频率为4.4Hz,在此频率下,可以减小约40%的牵引阻力和11.7%～59%的功耗。

草地振动式间隔松土机设计与试验

针对我国草原长期过载放牧,造成土壤板结严重,导致草原退化的问题,设计了9ST-460型草地振动式间隔松土机。该机采用间隔配置的梯形框架式松土部件,利用曲轴连杆机构产生的向上激振力,对通过松土部件的土壤进行强制振动疏松,实现了在不破坏草原植被的条件下,对高坚实度草原土壤的松土作业。田间试验表明:机具在前进速度1 m/s、振动频率10.0 Hz情况下,作业稳定,松土效果明显。经检测,松土平均深度20.01 cm,松土比43.4%,植被破坏率1.6%,生产率0.85 hm2/h,达到了技术要求。作业后土壤容积密度和坚实度平均降低了30.0%和48.8%,可以获得适合牧草生长的虚实并存的耕作层,提高了土壤的蓄水保墒能力,天然草地和人工草地牧草产量分别增产73.99%和68.65%。

仿生减阻深松铲设计与试验

将小家鼠爪趾高效的土壤挖掘性能应用于深松铲减阻结构设计中,设计了铲柄破土刃口为指数函数曲线型减阻深松铲。为了对比耕作阻力,应用仿生减阻深松铲与传统深松铲进行了田间深松耕作试验。结果表明,耕深和前进速度对耕作阻力均有显著影响,且耕作阻力随着耕深和前进速度的增大而增大。在相同试验条件下,仿生减阻深松铲与传统深松铲相比,耕作阻力降低8.5%-39.5%,减阻效果明显。

自激式振动深松整地机设计与试验

为了减小深松耕作阻力、提高深松深度的稳定性,设计了一种入土角可控的自激式振动深松整地机。通过室内土槽对比试验优化了自激式振动深松装置的弹簧参数,验证了减阻效果,并对整机作业质量进行了田间测试。土槽试验表明:弹簧的性能参数对减阻效果有显著影响,当弹簧刚度为194 N/mm时,入土角可控自激振动深松可使牵引阻力下降29.8%,自激振动条件下入土角可控较不可控牵引阻力下降8.9%;田间试验结果表明:深松整地机作业后深松深度合格率达到100%,稳定性系数达到95.49%,土壤膨松度平均值为19.34%,土壤干扰系数为56.62%;机具作业后地表平整,碎土率平均值为76.4%,通过性能良好,较好地满足了我国北方一年两熟区深松整地技术的要求。

高效节能仿生深松部件的试验

借助田鼠爪趾弯曲轮廓形状的测定结果,设计、制作了一种仿生弯曲型深松部件,通过室内大型土槽试验测定了其耕作阻力,结果表明所设计的仿生深松部件减阻效果明显。通过本文的研究为弯曲型深松部件的高效节能改进设计提供了仿生研究的基础。

9ST-460型草地振动式间隔松土机改进设计与试验

针对原9ST-460型草地振动式间隔松土机在草原试验中出现的问题,对机具的传动系统、激振部件以及松土部件进行改进设计,并进行了草原试验。试验结果表明,改进的机具运行平稳可靠、草地作业效果好,能够满足退化草场改良的需要。作业后草地的土壤容积密度降低、含水率增加,作业后的草地3年内平均每公顷年增收155元。

基于DEM-MBD耦合算法的振动深松土壤扰动过程分析

为深入分析振动深松过程中耕层土壤扰动过程,该研究采用离散元法(Discrete Element Method,DEM)与多体动力学(Multi-Body Dynamics,MBD)耦合算法对振动深松作业过程进行仿真分析。采用MBD构建拖拉机-振动深松机-土壤系统仿真模型,利用DEM建立耕作土壤的离散元模型,考虑土壤颗粒的黏性、弹性和塑性,采用非线性粘结弹性塑形(Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion,EEPA)接触模型分析振动作用下全方位深松铲对土壤的扰动作用。仿真结果表明:作业过程中土壤扰动分界面与铲尖运动轨迹重合;在入土行程阶段铲尖对土壤扰动形成新月形扰动区域;在振动频率f为5 Hz且前进速度v为0.56 m/s条件下,振动作业阶段土壤颗粒速度呈现出低速0~0.1 m/s、中速0.1~0.3 m/s和高速0.3~0.5 m/s分布,依此将铲尖附近区域划分为过渡区、回填区和扰动区,各个区域随时间周期规律性变化和循环;深松铲在空间范围内对土壤的扰动主要聚集在铲体结构内部,扰动范围取决于全方位深松铲的最大横截面积,通过土槽试验验证了土壤扰动截面轮廓形状与仿真结果具有一致性。研究结果直观呈现了振动深松机对土壤的扰动过程及土壤颗粒的速度分布情况,可为定性解释全方位深松铲对土壤的扰动情况提供参考。

天然草场改良用振动式间隔松土机作业机理

为了提升草地振动式间隔松土机的作业性能,需要对机具的作业机理进行研究。通过对机具的工作单体进行运动仿真分析,探讨了松土部件在强迫振动作用下对草耕层土壤的破碎机理。通过分析得出松土部件的工作过程为切削土壤和抛起土壤两个交替作用的阶段,在松土作业过程中,松土部件既有挤压松土又有振动松土,土垡因受剪切、弯曲和拉伸等作用得到松碎,松土部件产生与松土铲切削方向呈一定角度的振动有利于土壤疏松和降低机具的牵引阻力。

1SZL-420型自激振动深松机的设计与试验

【目的】研制一种自激振动深松机.这种深松机在工作过程中,由于非线性土壤耕作阻力作用到振动深松铲上,压迫弹簧往复振动,从而减小机具的牵引阻力,降低功耗.【方法】通过性能试验和查询已经成熟的技术文献,设计深松铲的结构并优化.为了评估样机性能,进行田间试验.【结果】田间试验表明,从无弹簧到Ⅱ号弹簧,深松机可减阻17.76%,深松深度为386.61~406.23mm,稳定性系数为93.30%左右,土壤蓬松度为24.18%~28.65%,土壤扰动系数为53.55%~57.06%,深松效果良好.【结论】本自激振动深松机能够有效减小牵引阻力,降低机具功耗,各项工作参数达到评定指标.

自激振动深松机减阻试验研究

为了研究在土壤深松过程中深松机产生自激振动的原因及振动减阻机理 ,作者应用机械振动原理和信号测试技术 ,借助电测仪器与设备对由 1SQ- 12 7型全方位深松机所组成的自激振动式深松机系统进行了耕深、土壤阻力以及拖拉机牵引阻力等随机信号的测试及数据处理分析。系统地研究了“拖拉机 -深松机 -土壤”系统的动态特性 ,探讨深松机减阻节能的技术途径与方法。

手扶拖拉机专用深松机果园试验

设计了手扶拖拉机配套的专用深松机,并在苹果园进行了田间对比试验。试验结果表明,深松作业降低了苹果园土壤容积密度,改善了土壤孔隙状况,土壤贮水库容增加,深松两年后果园土壤0~1 m土层内贮水量较耕翻处理高24.8 mm。深松第3年土壤有机质、全氮含量分别较翻耕及旋耕高0.70 g/kg、0.18 mg/kg及0.43 g/kg、0.16 mg/kg。手扶拖拉机专用深松机作为一种果园土壤耕作机械在渭北地区有较好的推广前景。