基于离散元法的立式旋耕刀结构参数对作业影响仿真分析

为探究立式旋耕刀的结构参数对其作业过程中自身受力及作业效果的影响,建立立式旋耕刀作业过程离散元模型,利用单因素试验方法,研究立式旋耕刀刀具外倾角、刀刃倾角、内折弯角对旋耕刀入土阻力、耕作阻力、扭矩、碎土率的影响,以及刀尖圆角半径对刀具入土阻力的影响。通过正交试验,研究并建立立式旋耕刀刀具外倾角、刀刃倾角和内折弯角对其所受阻力、扭矩及碎土率影响的预测模型。以减阻提效为目标,通过响应面分析和所构建的预测模型对上述3个角度参数进行优选和分析。结果表明,当刀具的外倾角为6.140°、刀刃倾角为5°、内折弯角为10.752°时,旋耕刀的耕作阻力为1 131.164 N、扭矩为307.758 N·m、碎土率为89.321%。

复式作业双轴旋耕机的刀轴设计与试验

针对秸秆还田存在耕深不足的问题,设计一种大耕深且稳定性高的旋耕机。通过分析旋耕刀运动时受到的土壤阻力和旋耕刀端点运动轨迹,采用双轴Z形阶梯状空间结构和双轴分层旋耕切土工艺,得到旋耕刀轴空间布局和旋耕刀排列,设计出双轴旋耕施肥播种复试作业机。通过田间试验验证,该机具能实现平均耕深大于22 cm的工作要求,耕深稳定性约为93%,实现了深耕碎土和施肥播种一次性作业,大大节省了耕作能耗和成本,可为今后双轴旋耕机的设计与研究提供参考。

正、反转旋耕刀性能分析及切土扭矩比较试验

通过建立适当的坐标系 ,把正、反转旋耕刀的运动统一起来 ,用同一个方程表示 ,二者只是在不同的切土范围内工作。用这种方法对正、反转旋耕刀的不同特性进行了分析比较 ,可知在同样结构参数和运动参数条件下 ,反转旋耕刀能以较低的转速获得较高的切削速度。对ⅠS2 2 5、ⅡS2 2 5和T140三种正、反转旋耕刀进行了单刀切土扭矩对比试验 ,结果表明 ,在旋耕速度比值较大、切土角变化的影响较小时 ,反转旋耕刀的切土扭矩小于正转旋耕刀 ;但切土角对旋耕刀切土扭矩的影响很大 。

旋耕埋草机螺旋横刀的数学建模与参数分析

为了研究水田高茬秸秆旋耕翻埋机理,该文对1GMC-70型船式旋耕埋草机刀辊的主要耕作部件—螺旋横刀建立了数学模型,推导了横刀棱边轮廓曲线的静态方程和动态方程,绘制了动态滑切角、动态切土角等主要耕作参数随刀辊位置角的变化规律曲线,对影响高茬秸秆旋耕翻埋效果的主要因素,例如压草角与抛土角等,进行了计算分析。结果发现,该机的良好作业效果,例如耕深稳定性达90.7%、秸秆埋覆率达94.6%、碎土率达90%、耕后地表平整度在20mm以内等,都与横刀设计理念有很大关系,横刀的主要功能不是土壤切削,而是秸秆翻埋。

大耕深旋耕刀的制造工艺及其耐磨性

针对大耕深(耕深大于20cm)旋耕刀表硬心韧的性能要求,提出对旋耕刀"表面渗铬—淬火—中温回火处理"的制造新工艺(简称渗铬热处理工艺),考察了采用该工艺所制旋耕刀的室温干摩擦磨损行为,并与传统制造工艺(整体淬火—低温回火)进行了对比.结果表明:采用渗铬热处理工艺制造的旋耕刀具有典型的表硬心韧组织结构,其表层为高硬度的渗铬层,心部为高抗弯强度和韧性的回火屈氏体;在相同实验条件下,经渗铬热处理后试样的摩擦系数降低,相对磨损率仅为经传统工艺处理后试样的0.408,可较好地满足稻麦两熟作业区大耕深旋耕作业要求.

斜置旋耕刀滑切角及其方程

分析了斜置旋耕刀滑切角并指出 :斜置时旋耕刀的静态滑切角与正置时相同 ;斜置旋耕刀侧切刃动态滑切角是速度矢量与刃口曲线法平面之间的夹角 ,侧切刃的动态和静态滑切角之间不存在相差Δτ的关系。推导了斜置旋耕刀滑切角方程 ,可知正置旋耕是斜置旋耕的特例。计算表明 :斜置旋耕刀正切刃的动态滑切角小于正置 ,侧切刃动态滑切角的大小介于正置之间、变化范围小于正置的 ;不论正切刃还是侧切刃 。

微耕机水田旋耕刀片切土作业过程动力学仿真

针对微耕机旋耕作业部件与水田土壤间的作用机理研究匮乏,作业过程出现碎土性能差、效率低、和功耗大等问题,以1WGQ4型微耕机为对象,采用有限元法(FEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)的耦合方法,构建土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型,在细观上对旋耕作业部件刀片与水田土壤间的作用过程进行动力学分析。结果表明:构建的土壤-旋耕作业部件系统的动力学仿真模型精度高;水田旋耕刀片向后抛起的土壤少,与挡板碰撞破碎的土壤少,水田微耕机采用前耕后驱设计方案有利于提高其碎土性能。

旋耕刀滑切角及滑切角方程的研究

详细论述了旋耕刀滑切角及各种滑切角之间的关系,推导了正刃动态滑切角方程,变换该方程的参数,可以得到其它滑切角方程,从而把各种滑切角统一在同一个方程中。

基于SPH算法的微耕机旋耕切土仿真研究

运用Pro/E和HYPERMESH软件,建立了旋耕刀辊的有限元模型。通过编辑K文件,建立了土壤SPH模型。应用光滑流体动力学理论,采用MAT147土壤材料,结合DYNA求解器,对微耕机旋耕切土进行了仿真研究。分析了旋耕刀辊切土过程,得到了旋耕刀辊切削力曲线和能量曲线,计算出微耕机在前进速度0.3m/s、旋转速度2.12r/s、耕深110mm、耕宽30mm参数条件下的切土功率为3.45kW,与实际微耕机的使用功率比较接近,验证了仿真的可靠性,可为微耕机整机及其零部件的优化设计提供理论依据。

斜置旋耕刀的研制

斜置旋耕是降低能耗、提高耕作质量的一种新型旋耕方式。斜置旋耕时 ,旋耕刀一边沿垂直于刀轴的方向滑切土壤 ,一边沿平行于刀轴方向撕裂土壤。土壤的破坏形式由正置旋耕时的单纯受压变为受压撕裂 ,并有效地降低了旋耕功耗。为了适应斜置旋耕的特点 ,笔者研制了刀面为弯曲面的斜置旋耕刀 ,并和具有同样回转半径和刃口曲线的国标旋耕刀进行了对比试验 ,结果表明 :采用斜置旋耕刀进行斜置耕作 ,其功耗可降低 8%左右。

保护性耕作双翼对称旋切式浅松刀设计与试验

在保护性耕作条件下,为了实现大量秸秆覆盖下表层土壤的松整和除草,减少土壤扰动量,设计了一种具有砍切和滑切功能的双翼对称旋切式浅松刀。通过理论分析确定了浅松刀的刃口曲线和结构参数,利用Solid Works和Abaqus软件进行了有限元静力分析和模态分析,设计的浅松刀结构满足强度要求,不会发生共振现象。玉米收获后进行了旋切式浅松刀与传统旋耕刀、浅松铲的田间对比试验,结果表明:在玉米秸秆全量粉碎还田条件下,旋切式浅松刀在机具通过性和碎土、除草效果上优于浅松铲,在作业后的地表平整度与秸秆覆盖情况上优于旋耕刀,其中旋切式浅松刀的碎土率为92.2%,地表平整度为0.6 cm,除草率为97.3%,作业后地表秸秆覆盖率为39.5%,满足保护性耕作条件下的浅松作业要求。

旋耕埋草机立刀设计功能实现程度的分析

以1GMC-70型船式旋耕埋草机立刀为研究对象,分析立刀设计功能,建立立刀刃口函数曲线,并利用Matlab软件进行立刀运动学分析。结果表明:立刀当前的结构参数不能很好地与其设计功能相匹配,立刀对螺旋横刀切土节距的增加量小于螺旋横刀切土节距的1/3,立刀自身的秸秆切断效应以及辅助螺旋横刀处理秸秆等效应都比较弱;立刀对未耕土壤有破茬作用,但破茬深度约为垡片最大厚度的1/3,破茬效应较小;立刀对刀辊后方已耕土壤几乎没有碎土效应;立刀没有将垡条切断,它只切割了垡条横截面积的40%左右;立刀的4-3-4-3-4焊接排布方式没有增加自身作业机会。田间作业试验表明,旋耕埋草机是否设置立刀对作业效果没有区别,故在当前结构参数下立刀没有实现其设计功能,建议重新设计立刀。

反旋灭茬施肥播种机刀具排列作业效果影响试验

为考察反转旋耕灭茬作业机械中刀具排列对作业效果的影响,设计了3种反转旋耕刀具排列为基本试验组,以刀具人字排列正转旋耕灭茬为对照组,进行了田间试验。试验结果显示:正转旋耕正人字排列组试验平均驱动功耗27.65k W,耕深稳定性94.6%,优于反转旋耕的3种方案结果;而从埋茬分布率和耕后地表平整度观察情况来看,反旋3种刀具排列方案均优于正转旋耕方案。其中,刀具人字形排列反转灭茬碎土率为89.1%,埋茬分布率为59.6%,高于其他3组。试验结果表明:反转旋耕灭茬整体作业效果优于正转作业,而刀具人字形排列方案为所有反转灭茬中效果最好的排列方案。

反转旋耕理论分析

由旋耕刀片的运动学分析得知,反转旋耕时,刀片的切土角变化较小、切土轨迹较长、切土速度高、垡片厚度和沟底不平度均较小。通过对刀片的受力分析,建立了计算旋耕阻力的数学模型,按此模型用计算机绘出的旋耕阻力的变化曲线与实测曲线基本吻合。反转旋耕具有一定的优点,可以在实际上应用。

旋耕刀研究的现状与展望

总结并比较了国内外旋耕刀研究方法，提出了以降低耕作功耗和提高抛土性能为目标的新型潜土逆转旋耕刀的研究方向．

潜土逆旋旋耕机刀片运动及功耗分析

针对目前我国耕地普遍存在的犁底层问题,推荐应用潜土逆旋旋耕机,以打破犁底层、加深耕作层。借助建立数学模型分析逆旋刀的运动情况,阐述其优势;借助半经验公式分析潜土逆旋的功率消耗,并对影响旋耕机功耗的因素进行说明,以期为设计合理的潜土逆旋旋耕机提供理论支持。

基于有限元法的微耕机旋耕刀辊切削土壤仿真

旋耕刀辊作为微耕机耕作部件,研究它与土壤相互作用关系,对于提高耕作效率有着重要意义。为此,运用LS-DYNA显式动力学软件,基于有限元方法对微耕机刀辊切削土壤进行了仿真,分析了土壤破碎情况、旋耕刀辊切削力及切削扭矩。结果表明:浅层土壤扰动位移最大、中层土壤次之、深层土壤最小,与实际耕作过程一致;切削过程中旋耕刀的最大切削力为195N,最大扭矩值为21.1N·m,与试验值相吻合,验证了仿真的有效性。研究可为有效揭示土壤耕作机理、优化旋耕刀辊结构及运动参数提供理论依据。

鼹鼠多趾结构特征仿生旋耕刀设计与试验

为减小旋耕刀切土扭矩来降低旋耕机功耗,同时提高旋耕机耕作质量,该文分析了鼹鼠前肢手掌多趾组合结构和趾尖轮廓曲线特征,利用二次高斯方程拟合五个趾尖轮廓曲线(R^2>0.95和SSE<0.05),并基于拟合曲线,设计了具有鼹鼠多趾结构特征的仿生旋耕刀。通过田间试验,分析传统型和仿生型旋耕刀在不同机组前进速度、转速和耕深条件下的整机功耗、土壤破碎率和沟底压实情况,得到仿生结构特征对整机田间耕作性能的影响。结果表明,当前进速度从1 km/h增加到5 km/h时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小16.88%;当转速从254 r/min增加到267 r/min时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小17.00%;当耕深从80 mm增加到160 mm时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小21.80%。传统型旋耕刀耕后的沟底有压实现象,且沟脊高而宽,耕作效果不佳;而仿生型旋耕刀可以显著地降低耕后沟底被压实的风险,沟底平整,可进一步减小耕作功耗。2种类型旋耕刀在不同耕作条件下的整机土壤破碎率耕深稳定性、耕宽稳定性、耕后地表植被覆盖率、耕后地表平整度和土壤蓬松度在数值上相差不大,且均满足国标要求。研究结果对实现旋耕刀减阻降耗和改善耕作质量具有一定的启发。

开沟旋耕机渐变螺旋升角轴向匀土刀辊设计与试验

针对长江中下游农业区开厢沟后旋耕作业地表平整度差、土壤轴向分布不均匀等问题,设计了一种渐变螺旋升角轴向匀土刀辊。分析了旋耕刀轴向运土力学条件,建立了匀土刀辊旋耕刀扰土体积参数方程和旋耕刀渐变螺旋升角排列螺旋线方程,并分析确定了影响匀土刀辊轴向匀土性能的关键因素为刀辊转速、旋耕切土节距、初始螺旋升角。运用离散元法模拟匀土刀辊作业过程,以耕后地表平整度为试验指标,以刀辊转速、旋耕切土节距、初始螺旋升角为试验因素,进行了正交试验,建立地表平整度回归方程。利用Design-Expert分析软件得到最优参数组合为:刀辊转速260 r/min、旋耕切土节距8.3 cm、初始螺旋升角71°,此时仿真地表平整度为17.35 mm。在最优参数组合下进行了田间试验,结果表明,匀土刀辊作业后,地表平整度、土壤轴向分布均匀度、耕深稳定性系数、碎土率的均值分别为14.5 mm、8.82%、92.34%、81.66%,整体耕整效果优于常用旋耕刀辊。

带状旋耕式小麦免耕播种机耕作部件作业机理研究

为明确带状旋耕式免耕播种机耕作过程中耕作机具与土壤间的相互作用机理,利用离散元仿真软件从微观层面对典型的且已广泛应用的IT225型旋耕刀、直刃旋耕刀和凿型旋耕刀进行仿真,研究发现旋耕刀具的抛土特性是影响土壤回填效果的关键因素。田间试验表明,土壤破碎体的回填率随刀轴转速的增加而下降。IT225型旋耕刀在高刀轴转速(>280 r/min)下侧向抛土现象最为明显,在超高刀轴转速(510 r/min)时创造的土壤侧抛率最高,达到了92%,因此产生回填效果最差,回填率仅为8%,无法满足播种时种—土接触的需要。凿型旋耕刀耕作过程中可以勾带起部分土壤破碎体向机具前进方向抛洒,在刀轴转速为510 r/min时土壤侧抛率为85%,能够产生接近36%的土壤回填效果。直刃旋耕刀的侧向抛土集中在刀轴两侧10 cm范围内,在刀轴转速为510 r/min时侧抛率只有70%,回填率高达60%显著高于其他两种刀具。鉴于土壤回填效果对种—土接触的重要性,直刃旋耕刀耕作过程中具有土壤扰动范围小、土壤破碎体侧抛率低、回填效果好等优点,本文推荐直刃旋耕刀作为带状旋耕播种机的耕作部件。