油菜高速直播机开畦沟装置刀组优化与试验

针对长江中下游现有油菜机驱动型开畦沟装置高速(≥10 km/h)作业存在功耗较大、沟形不稳定的现实问题,该研究设计了一种刀体低阻触土面近似为螺旋桨叶面的类螺桨式开畦沟装置。基于运动学、动力学设计了由4组刀盘组成的类螺桨式刀组,确定了影响其作业功耗、作业质量的关键参数范围。基于EDEM软件开展了刀片刃型、螺距角及弯折角的单因素试验,结果表明:后磨刃耕阻最小,螺距角增大使刀片耕阻先减小后增大、抛土性能下降,弯折角增大使整体耕阻减小、抛土性能下降;1~4号刀盘的刃角结构为后磨刃,螺距角分别为7°、5°、4°、3°,折弯角分别为120°、120°、90°、90°时阻力较小,抛土性能较好。以螺距角、作业速度和刀盘转速为因子的Box-Behnken仿真试验,采用遗传算法对功耗和抛土性能进行多目标优化,结果表明:作业速度、刀盘转速、螺距角增大均使功耗上升,其中作业速度影响最大;作业速度降低、刀盘转速增高均使抛土效率提高;优化后1~4号刀盘对应的的螺距角分别为6.7°、4.7°、3.5°、2.5°;作业速度6、9、12 km/h时刀盘较优转速分别为540、620、810 r/min,优化刀组作业功耗低于对照组和国际ⅠS225刀组,总功耗较对照组分别降低5.51、11.78、28.99 kW,且12 km/h时减阻率最高,约为41%。田间试验表明:作业速度6~12 km/h时优化后开畦沟装置的总功耗为15.1~41.8 kW,与仿真结果相对误差小于10%,沟宽、沟深稳定系数均达90%以上。研究结果可为长江中下游稻油轮作区油菜高速开畦沟装置的优化改进提供参考。

油菜高速免耕直播机驱动型开畦沟装置设计与试验

针对长江中下游稻油轮作区现有油菜直播开畦沟装置高速作业(≥10 km/h)时存在沟形稳定性较差、畦沟两侧厢面质量较差而导致油菜直播作业速度无法提高的问题,该研究研制了一种主动型开畦沟并同步厢面匀土的类螺桨高速开畦沟装置。基于运动学和动力学分析确定了影响减阻性能的关键因素及参数范围,并依此设计和确定了类螺桨低阻开畦沟刀片及其刀组排列方式;为降低阻力和保证抛土效率,开展了基于刀盘-土壤离散元模型的刀片旋切特性仿真试验,结果表明:随螺距角增大,阻力扭矩先减小后增加,且后磨刃的切削阻力小于前磨刃;最佳螺距角、刀刃结构参数组合下类螺桨刀组在作业速度12 km/h、刀盘转速810 r/min时,阻力扭矩较直勺刀组减小176.6 N·m,牵引阻力减小447.7 N。基于动力学分析确定了影响匀土板匀土性能的因素及其参数范围,匀土仿真试验结果表明:左、右匀土板拱度为0.19,下倾角分别为10°、7°时匀土性较好。田间试验结果表明,在作业速度9~12 km/h时,畦沟沟深169.1~188.6 mm,沟深稳定系数92.5%~95.6%、厢面平整度22.2~23.0 mm,两侧匀土变异系数分别为14.3%、17.2%,埋茬率81.96%~87.46%,碎土率93.26%~95.33%;作业速度12 km/h时的作业功耗为66.84 kW,满足油菜种植农艺要求。研究结果可为长江中下游稻油轮作区油菜高速免耕直播开畦沟及高质种床制备提供新方法。

油菜直播机铧式开畦沟前犁曲面分析与阻力特性试验

阐述了铧式开畦沟前犁装置的基本结构组成，比较分析了铧式开畦沟前犁装置翻土型犁体曲面和改进型碎土型犁体曲面特征，提出以犁体牵引阻力、犁耕比阻及功耗为主要评价指标，借助高速数字化土槽试验平台，开展了前进速度、沟深、沟宽、土壤坚实度等影响要素的试验研究。试验结果表明：沟深对牵引阻力、犁耕比阻影响最显著，前进速度、沟深对功耗影响最显著；改进型犁体装置牵引阻力、犁耕比阻、功耗都分别为原设计犁体的35％一50％。

基于微分几何与EDEM的船型开畦沟装置触土曲面优化

针对长江中下游地区油菜种植时土壤黏重板结、含水率波动大、播种作业需开畦沟避免渍害的农艺要求,考虑开沟犁体的触土曲面复杂、难以通过高速数字化土槽及田间试验方法寻求其减阻设计方法和理论依据的问题,采用微分几何理论并结合EDEM仿真方法,开展了驱动圆盘犁对置组合式耕整机开畦沟装置主要触土曲面结构优化研究。通过对主要触土曲面(开畦沟前犁犁体曲面、船式开沟犁整形曲面)牵引阻力分析和曲面参数分析,确定了触土曲面主要结构参数范围。根据微分几何理论,分别建立了能量化描述不同导曲线类型(直线、抛物线、指数曲线)犁体曲面形状变化差异的微分内蕴几何量E、L、M表达式。阻力特性仿真试验结果表明:在作业速度为0.9~1.5 m/s、曲面结构参数一定时,导曲线为抛物线型的开畦沟前犁和船式开沟犁具有较好的减阻特性,其平均牵引阻力相比直线型犁体分别低15.09%、16.92%,相比指数线型犁体分别低32.59%、31.58%。触土曲面的内蕴几何量E、L、M可分别反映犁体阻力随速度的增长速率、犁体牵引阻力大小、犁体阻力随速度的波动程度。当设计犁体的导曲线形状使曲面内蕴几何量E的变化率较小、L为单调减函数、M的波动较小时,犁体具有较好的减阻性能。参数优化仿真试验表明:在作业速度为1.2 m/s、抛物线型开畦沟前犁宽度为92 mm、船式开沟犁整形曲面最大元线角为66°时,开畦沟装置牵引阻力最小,为1 042.52 N。田间试验表明:经参数优化的组合式船型开畦沟装置在作业速度为0.9、1.2、1.5 m/s时测试的平均牵引阻力分别为956.77、1 101.33、1 564.85 N,与仿真试验结果误差在7%以内,作业效果满足油菜播种开畦沟的农艺要求。

油菜机械直播机开沟浅旋装置设计与试验

针对长江中下游稻油轮作区油菜轻简高效生产需求及目前机具作业易出现厢面不平、碎土质量不高及“晾种”,导致油菜出苗率低的问题,设计了一种油菜机械直播机开沟浅旋装置,实现中间开畦沟,畦沟土壤抛送覆盖两侧厢面,浅旋匀土部件匀土、细碎厢面土壤及埋覆土壤和秸秆功能;基于滑切减阻原理及挤压力学理论,确定了中间开畦沟部件、清沟整形部件及浅旋匀土部件结构参数,得出中间开畦沟刀盘安装弯刀数量为4,切土节距为60 mm,清沟整形部件整形面侧面倾角为67°,前面倾角为3°,浅旋弯刀侧切刃偏心圆半径为182 mm,滑切角为42.4°;运用EDEM软件开展正交旋转组合试验,确定了螺旋匀土叶片的最佳结构参数:螺旋半径为100 mm、螺距为350 mm、螺旋头数为1,并确定了浅旋弯刀及螺旋匀土叶片结构布局;田间试验表明,当机组前进速度为7 km/h时,安装有开沟浅旋装置的油菜直播机作业后厢面平整,畦沟沟型完好,秸秆埋覆率为84.38%,碎土率为86.41%,厢面平整度为30.18 mm,畦沟沟深及沟宽稳定性均大于85%,出苗率为75.47%,油菜生长状态良好,装置作业效果满足油菜直播作业要求。