离心式高速玉米精量排种器T形槽型孔设计与试验

针对离心式高速玉米精量排种器双粒种子并排填充导致重播严重的问题,该研究提出利用型孔槽对称凸台结构降低玉米种子并排填充概率的方法,设计了一种T形槽型孔。通过构建充种阶段玉米种子的力学模型,并结合玉米种子的形状特征确定了T形槽型孔基本结构参数。借助EDEM离散元仿真软件,以型孔槽前端长度、型孔槽后端面倾斜角以及型孔槽底部倾斜角为因素,以合格指数、重播指数与漏播指数为评价指标,设计二次正交旋转回归组合仿真试验。仿真试验结果表明:在作业速度18 km/h条件下,型孔槽前端长度为9.31 mm,型孔槽后端面倾斜角为43.37°与型孔槽底部倾斜角为70.5°时,排种质量最优,排种合格指数、重播指数与漏播指数分别为94.03%、1.72%与4.25%。台架验证试验结果表明:作业速度为15 km/h时,T形槽型孔的合格指数最高为95.16%,在此作业速度下,排种器的重播指数为1.42%,漏播指数为3.42%,满足高速精量播种要求;作业速度在12~21 km/h内时,T形槽型孔的平均合格指数为94.77%,相较于矩形槽型孔提升了3.13个百分点,相较于蹄型槽型孔提升了1.80个百分点,T形槽型孔的平均重播指数为2.06%,相较于矩形槽型孔降低了3.41个百分点,相较于蹄型槽型孔降低了2.49个百分点。该研究可为离心式高速玉米精量排种器优化提供参考。

茶园仿生往复式开沟松土机设计与试验

丘陵山区茶园土壤板结、石砾较多,使用传统旋转或移动式开沟机会出现打石跳刀、刀具无法入土、开沟不深、作业阻力大的问题。为此,依据人工铲土具有自发性以最低功耗完成最优作业路径的特点,设计仿人工铲土动作的曲柄摇杆式开沟装置,并研制小型茶园往复式开沟松土机。通过分析人工使用铁锹铲土的动作,建立入土、切土、抛土的运动模型,基于Matlab软件分析得到人工铲土时铁锹锹尖运动轨迹的拟合方程,以此方程为基准,建立曲柄连杆机构的目标函数,结合约束条件解出曲柄摇杆机构结构参数,同时对开沟铲进行开沟阻力分析,确定开沟铲的结构参数。建立Recurdyn和EDEM耦合的开沟铲-土壤互作仿真模型,并进行三因素三水平正交试验,对作业和结构参数进行优化,得到最优参数组合:机器前进速度v为0.06 m/s、曲柄转速n为42 r/min、入土倾角φ为80°。田间试验结果表明,茶园往复式开沟松土机作业平均开沟深度为211.5 mm,开沟功率为0.119 kW,沟深稳定性系数为90.9%,相较于传统旋转式开沟机,开沟功率降低6.3%,沟深稳定性系数提高3.1个百分点,整机作业质量满足茶园农艺要求。

水平圆盘式大豆单粒精密排种器的设计与试验

为了实现大豆单粒精密播种,设计了一种水平圆盘大豆单粒精密排种器,并对其工作原理进行了分析。依据大豆种子的物理参数,对排种盘的型孔尺寸、直径等参数进行了计算分析,确定型孔尺寸的长、宽和高分别为9、5、9mm。为了得到排种器的最佳性能,以排种器转速、大豆品种为试验因素,以排种合格指数、重播指数、漏播指数为试验指标,利用EDEM软件进行仿真试验,结果表明:当排种器最佳转速为40r/min时,排种合格率均大于96.4%,重播率小于2%,漏播率小于1.7%。在最佳参数下,进行台架试验验证,结果表明:当排种器转速为40r/min时,3个品种的大豆种子的排种合格率均大于96.5%,重播率小于2%,漏播率小于1.7%,能够满足大豆单粒精密播种的要求。

基于EDEM仿真的机械式辣椒精量排种装置设计与试验

针对辣椒漂浮育苗中,人工点播存在的劳动强度大、播种效率低和劳动成本高等问题,在磁力回位型排种器的基础上,提出一种适配辣椒漂浮育苗的机械式辣椒精量排种装置,使用SOLIDWORKS等软件对关键结构进行设计和运动分析,并利用EDEM仿真软件对排种装置进行仿真。选取曲柄电机转速、种量和曲柄直径为影响因子,单粒率、重播率和漏播率为评价指标,进行基于Box-Behnken设计的响应曲面法试验,并对试验结果进行分析,采用权重结合隶属度计算综合得分对排种装置的参数组合进行评价,得到排种装置的最优的参数组合为:曲柄电机工作转速260 r·min^(-1),种量4 000粒,曲柄直径28 mm。样机试验播种单粒率、重播率和漏播率分别为91.46%、7.29%和1.25%,满足辣椒漂浮育苗生产技术要求。

基于EDEM的砂卵石地层盾构刀具磨损特征研究

为揭示砂卵石地层土压平衡盾构典型刀具的磨损特征,指导该地层中盾构刀具的设计、布置等关键问题。采用室内三轴试验及数值离散元软件(EDEM)仿真分析,标定了颗粒-刀具磨损接触参数。依托北京新机场“磁各庄-1号风井”砂卵石盾构工程,构建了砂卵石地层EDEM数值盾构模型,可视化了砂卵石地层土压平衡盾构中典型刀具(楔犁刀、刮刀)的磨损特征,通过实际工程对模型进行了验证。研究表明:(1)以犁松原状砂卵石土为目的的楔犁刀具是掘进主切削刀具,表现为刀头合金表面以及刃角处连续的摩擦磨损形式,磨损量较大;(2)以剥落输排为目的刮刀主要表现为刀身迎土面以及刀头合金表面随机的点蚀磨损,磨损量较小;(3)刀盘径向刀具的磨损量随轨迹半径及刀体高度的增加而增大,同轨迹上高刀的磨损系数高于低刀,高刀对低刀的磨损有保护作用;刀盘径向刀具和环向刀具的“梯次化”布置可延长盾构单次连续掘进距离。

基于EDEM烟草营养土参数标定

为获得准确的烟草营养土离散元参数,采用仿真试验和台架试验相结合的方法,开展烟草营养土离散元仿真参数标定。以烟草营养土休止角为响应指标,采用Hertz-Mindli(no slip)离散元接触模型,设计Plackett-Burman试验,对烟草营养土离散元参数进行因素筛选,对烟草营养土休止角有显著性影响的因素分别为营养土间静摩擦系数、营养土间滚动摩擦系数和营养土—玻璃静摩擦系数;进行三因素三水平的Box-Behnken试验,获得各因素与烟草营养土休止角之间的回归方程。烟草营养土离散元模型参数标定结果为:静摩擦系数0.67、滚动摩擦系数0.35、营养土—玻璃静摩擦系数0.35。在标定所得的离散元模型下,仿真试验所得休止角与台架试验所得休止角值相对误差为2.59%。

勺轮式蚕豆排种器设计与排种性能研究

为提升蚕豆机械化播种率,提出一种结构简单的勺轮式蚕豆排种器,分析不同排种转速与种子类型对排种性能的影响。首先,介绍勺轮式排种器结构与工作原理,统计分析蚕豆种子外形尺寸并划分为三类(小粒、中粒、大粒),设计蚕豆种子排种勺结构,理论分析排种器取种过程、清种过程与传种过程;然后,利用EDEM软件仿真排种器工作性能,建立排种器与三类蚕豆种子的仿真模型;最后,以合格指数、重播指数、漏播指数为排种性能评价标准,开展台架试验,验证勺轮式蚕豆排种器的可行性。结果表明:仿真环境下,排种器内蚕豆种子实际充种线的水平倾角与排种转速呈正相关。排种器适宜排种转速为10 r/min,中粒种子排种性能指标最优,其播种合格指数为90.3%,重播指数为6.9%,漏播指数为2.8%。当排种转速为10 r/min时,仿真试验的综合排种性能为:合格指数89.5%,重播指数6.25%,漏播指数4.25%;台架试验的综合排种性能为:合格指数89.2%、重播指数7.1%、漏播指数3.7%,与仿真试验结果基本一致,满足蚕豆播种要求,验证勺轮式蚕豆排种器的可行性。

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。

基于EDEM的核桃壳仁混合物振动筛分级工艺优化

为提高核桃壳仁混合物的分级效果,对现有核桃壳仁混合物分级设备进行三维实体建模,利用EDEM软件模拟核桃壳仁混合物的分级过程,以筛面上物料的运动速度、质量以及各等级颗粒在统计区域的数量为指标,以振幅、振动频率、振动方向角、筛面倾角为考察因素,对振动筛分级工艺进行优化。结果表明:在振动频率12 Hz、振幅5 mm、振动方向角45°、筛面倾角4°的工艺参数组合下,各等级核桃壳仁的透筛率最高,分级效果最好。

装载机自动铲装作业试验与仿真分析

针对难以采集轮式装载机铲装作业过程中的阻力问题,以某型号轮式装载机为研究对象,建立装载机的铲装作业阻力测试系统,并对不同铲掘深度的轨迹进行自动铲装作业试验,获得了实际作业工况下铲装阶段的水平阻力等试验数据。运用EDEM对实际作业轨迹进行仿真,结果表明:仿真计算结果与试验测试结果在峰值和变化趋势方面都比较吻合,且作业阻力峰值误差为5.2%,说明EDEM仿真能够较为准确地模拟铲装作业过程。基于EDEM对规划轨迹进行优化,优化结果表明在插入阶段对铲斗提升75 mm时,满斗率达到了80.4%,且阻力峰值较规划轨迹减少达23.6%,达到了减阻铲装的目的。

名优茶连续式理条机参数优化设计与试验

针对传统茶叶理条做形装备主要依靠经验法设计,存在做形质量不佳的问题,该研究运用数值法对连续式茶叶理条机结构与作业参数进行优化,以改善连续式理条机的理条作业性能。通过对连续式理条机进行运动学分析,得到锅槽速度、加速度表达式,并探究锅槽运动与茶叶理条状态之间的关系;通过研究茶叶在连续式理条机锅槽内的运动规律和受力情况,建立茶叶-正U形槽动力学模型,分析了茶叶在锅槽运动周期内各阶段的受力特点及对茶叶成形的作用;运用EDEM软件建立茶叶理条仿真模型,对影响茶叶成形的曲柄转速、锅槽振幅、锅槽倾角、凸棱个数和凸棱高度等关键设计参数进行仿真模拟,得到上述因素作用下茶叶颗粒的平均速度、平均受力与做形时间的关系曲线,并以仿真结果为依据设计三因素三水平正交试验,以成条率、碎茶率为评价指标,利用Design-Expert软件进行数据处理与回归分析,并对优化结果进行验证试验。仿真结果表明:曲柄转速、锅槽振幅和凸棱个数等对理条质量影响较大,茶叶纵向占比率随理条时间增加而升高,促使茶叶主茎脉轴线方向受力形成条状外形;以曲柄转速为195 r/min、锅槽振幅为99 mm、凸棱个数为2的最优参数组合进行验证,成条率为87.39%,碎茶率为1.85%,与优化结果基本一致。研究结果可为连续式茶叶理条机优化设计提供理论参考。

卧式厨余垃圾搅拌器搅拌影响因素仿真分析

卧式厨余垃圾搅拌器的转速和填充率对其搅拌均匀性的影响较大,为了提高搅拌效率及搅拌均匀性,建立卧式搅拌器及物料固体参数化模型,颗粒接触模型采用JKR模型,运用EDEM(Engineering Discrete Element Method)模拟搅拌过程。采用控制变量法设置对比仿真实验,并采用标准偏差法处理实验数据,通过分别控制填充率、转速的改变,对比得出最合适的搅拌环境以及各因素对搅拌效率、搅拌均匀性的影响趋势。结果表明:60%的填充率时搅拌均匀性最好,较大的填充率可以获得更好的搅拌效率,但填充率过大搅拌均匀性会下降;在转速为(48~72)rpm的范围内,转速越大搅拌效率、搅拌均匀性越好,但转速在(60~72)rpm时搅拌均匀性提升不明显且颗粒发生离析,继续增加转速对搅拌无明显增益且增加功耗。研究成果对卧式搅拌器的设计与应用提供了一定的参考。

基于鸡粪养殖的黑水虻幼虫复合滚筒筛参数研究

【目的】解决鸡粪养殖黑水虻虫沙结块分离难、黑水虻幼虫损失率高及分离设备筛分效率低的问题,探究筛分参数对黑水虻幼虫复合滚筒筛筛分效果的影响。【方法】在借助离散元软件构建滚筒筛物料颗粒筛分过程仿真模型的基础上,以外层滚筒转速、抄板高度、内层滚筒转速和滚筒倾角为试验因素,进行了4因素3水平正交试验,分析得到筛分效率和黑水虻幼虫损失率的最优筛分参数组合。【结果】当外层滚筒转速36 r·min^(-1),抄板高度20 mm,内层滚筒转速-45 r·min^(-1),滚筒倾角8°时,滚筒筛性能最优,筛分效率为95.32%,损失率为4.85%;在最优筛分参数组合条件下,样机试验结果与仿真试验结果相对误差分别为4.19%和0.55%,仿真试验与样机试验结果吻合度较好。【结论】解决了黑水虻幼虫分离设备现存问题,获得了滚筒筛分的最佳筛分参数,为黑水虻幼虫筛分设备相关研究提供参考。

基于EDEM饵料投饲机关键结构参数特性分析

为分析水产养殖饵料投饲机设计中关键参数对输送量的影响,以某种投饲机为例,基于EDEM软件,建立投饲机螺旋输送器工作模型。选取螺旋输送器转速、螺距和叶片直径为主要参数,建立3因素3水平正交试验设计表,根据仿真后的结果,计算的输送量极差分别为8.5、9.4和2.5,得出三参数对输送量的影响大小,同时对下料口形状对输送均匀性影响进行分析。结果表明:螺旋输送器的叶片螺距对输送量的影响最大,下料口倾角要大于物料堆积角,有利于提高输送的均匀性。

育苗基质搅拌装置的设计与仿真分析

为提高育苗基质的搅拌效率,设计了一种新型育苗基质搅拌装置。确定了搅拌机的搅拌桶容量、搅拌器形状、附属装置及电机型号,利用EDEM颗粒有限元分析软件对比人工搅拌和搅拌机搅拌的搅拌效果。结果表明:搅拌机搅拌育苗基质的均匀程度更高,效果更好,搅拌时长到3 s时,搅拌机内的颗粒已经明显分散。

防风仿生挖掘铲的设计与试验

针对河北一年生栽种防风采收过程中挖掘装置挖掘阻力大、碎土能力差等问题,设计了一种防风仿生挖掘铲。结合仿生学原理,采用高精度三维扫描技术对鼹鼠前爪最长的第3趾进行仿生数据采集,运用Imageware逆向设计软件对第3趾点云数据进行处理,以获取轮廓曲线点云数据,并经MatLab软件进行数据拟合得到仿生铲结构曲线。根据根茎类中药材挖掘铲设计原则及栽种防风农艺要求,确定仿生铲关键性能参数,并建立三维模型。利用EDEM离散元仿真分析软件从减阻性能、碎土性能两方面对仿生铲和普通铲的挖掘性能进行对比分析,结果表明:同一仿真条件下,仿生铲减阻率为12.50%,碎土率提升2.92%。通过土槽试验验证仿生铲的挖掘性能及离散元仿真模型的准确性,结果表明:仿生铲减阻率为13.42%,实测值与仿真值相对误差为6.86%,仿生铲具有较好的减阻和碎土性能,所构建离散元仿真模型准确程度较高。

马铃薯切块薯种取种勺设计与仿真优化

马铃薯切块播种是节约用种成本、打破薯种休眠的有效途径,针对马铃薯播种机传统圆形取种勺对切块薯种适应性较差,导致漏播率高,播种合格率低的问题,对马铃薯播种机取种勺进行了设计与仿真优化。在测定薯种力学特性参数的基础上,利用EDEM软件,选取Hertz-Mindlin接触模型,构建了切块薯种离散元模型。通过对切块薯种取种充种状态进行分析,以传统圆形取种勺为基础,设计了一种切口式马铃薯播种机取种勺,并确定了影响取种效果的主要因素。以切口圆心角、切口深度和切口个数为试验因素,以取种成功率、重种率和空种率为评价指标,开展三因素三水平虚拟仿真正交试验。正交试验结果表明:切口式取种勺取种能力明显优于传统圆形取种勺,当切口圆心角为60°,切口深度为15 mm、切口数量为3个时,其取种效果最优。利用优化后的取种勺进行切块薯种播种验证试验,结果表明:播种取种成功率为82.2%,重种率为7.1%,空种率为10.7%,相比于传统圆形种勺,其重种率降低约12个百分点,取种成功率提升约12.5个百分点。

基于EDEM的茶叶平面圆筛机仿真模拟与参数优化

为解决茶叶的筛分精加工机械设备技术落后的问题,采用EDEM对茶叶平面圆筛机的筛分过程进行仿真模拟分析,以筛分效率和误筛率为评估指标,设计单因素试验验证仿真结果。采用筛分效率和误筛率为性能指标,设计正交试验得出其主要技术参数的回归方程,并利用MATLAB软件对筛网水平倾角、曲柄曲距和筛床转速等主要技术参数进行优化,最佳参数组合为筛网水平倾角5.9°,曲柄曲距37 mm,筛床转速195 r/min。试验结果表明:在最佳参数组合下,平面圆筛机的实际筛分效率和误筛率与仿真结果误差分别为1.89%和1.83%,说明仿真参数的可靠性。研究为提高茶叶平面圆筛机的筛分性能提供参考。

基于离散元法茶园微耕机旋耕刀结构参数优化设计

【目的】解决茶园微耕机旋耕刀切削土壤阻力导致的功耗大问题,提高茶叶生产机械化水平,降低茶叶生产成本。【方法】1)采用EDEM离散元法对旋耕刀进行切土仿真,建立旋耕刀-土壤离散元模型,分析不同旋耕刀的切土性能;2)以旋耕刀的弯折角β、弯折半径r和正切刃端面高度h三个参数为试验因子,以作业功耗为评价指标,采用正交试验方法对旋耕刀结构参数进行优化设计,并进行切削土壤仿真试验,仿真得到优化前旋耕刀平均峰值功耗为1.607 kW。【结果】正交试验结果表明,当弯折角β=114.9°、弯折半径r=29.6 mm、正切刃端面高度h=38.8 mm时,平均峰值功耗取得最小值1.381 kW,旋耕机切削功耗较优化前降低了14.06%,与计算得到的理论值1.370 kW的误差为0.8%。【结论】优化后旋耕刀切削土壤的功耗降低,验证了旋耕刀结构参数优化的合理性,可为茶园微耕机旋耕刀的改进设计提供研究基础。

跨行自走式除草机器人设计及仿真分析——基于EDEM

杂草去除是农业生产中不可避免的问题,因此设计了一种跨行自走式除草机器人,能够同时实现行间和株间除草,且行间除草的同时能够起到深松土壤的作用。通过曲柄摇杆机构实现除草刀的摆动,来避开农作物。利用EDEM软件对固定除草深度和速度下不同入土角度的除草过程进行仿真分析,结果表明:相同除草深度和速度下,除草刀具受力随着入土角度的增大而先减小后增大;行间除草刀具选取45°入土角为最优工作参数,株间除草刀具选取60°入土角为最优工作参数;通过仿真计算土壤蓬松度和土壤扰动系数,得到的结果是土壤蓬松度在10%~40%之间、土壤扰动系数大于50%,符合松土壤扰动效果的评价指标。