超声波振动农业触土部件变幅杆性能分析与试验

针对超声波振动农业触土部件的结构要求,对比研究了指数型、悬链线型、圆锥型和阶梯型4种不同类型超声波变幅杆的谐振效应和聚能放大性能。利用变截面变幅杆的纵振波动方程求解得到4种变幅杆超声波激振下的轴向位移函数和应变分布函数,借助MatLab编程计算求得变幅杆轴向位移和应变分布和变幅杆的关键参数。结果表明:4种变幅杆的最大位移都发生在变幅杆的小端处,轴向应变曲线的最低点显示了易发生破坏失效变幅杆的极大应变点;相同条件下,4种变幅杆放大系数从大到小排列依次为阶梯型、悬链线型、指数型和圆锥型。阶梯型变幅杆虽然放大系数较大,但形状因数最小,过渡处易遭到破坏;圆锥型变幅杆的形状因数最大,其它两种居中。最后,分别通过有限元仿真分析和土槽试验的方法对计算结果进行验证,仿真与试验结果和理论计算结果保持较好的一致性。

基于土粒与含水率变化规律的触土部件黏附特性研究

为研究土壤干燥过程中触土部件与土壤之间的黏附特性变化,以16种不同颗粒直径与含水率的湿土壤为试验材料,先进行金属板(65Mn钢)斜坡滑落试验,测量土壤颗粒直径、含水率高低与金属触土部件之间的黏附力大小关系,然后利用显微镜装置观察土壤样品的微观结构以及干燥过程中土壤与金属板的黏附现象。结果显示,含水率为30%、40%的土壤在金属表面上滑落后产生的“痕迹”比含水率为10%、20%的土壤更为明显。其中,含水率30%、颗粒直径10~50μm的土壤具有最大黏附力,在土壤干燥前后,颗粒直径、俯视周长和俯视面积的差异随含水率和颗粒直径的增加而增大;干燥过程中,颗粒之间的间隙逐渐减小,某些颗粒出现“扩散”“收缩”等现象,部分颗粒会发生相对位移,其中30%含水率,颗粒直径为10~50μm的相对位移最大,为13.78μm。随含水率的增加,土壤黏附力先增大后减小;随着颗粒的减小,土壤黏附力逐渐增大,含水率在30%以下,干燥前后颗粒位移量越大,土壤黏附力越强。结果表明,含水率为30%、颗粒直径在10~50μm范围内的土壤表现出最强黏附力,并在干燥过程中呈现出颗粒相对位移最大的现象。

仿生布利冈结构农机耐磨触土部件设计与试验

针对农机触土部件易磨损失效这一难题,该研究设计了一种仿生布利冈结构件,并对其磨损特性进行评价,进一步探索耐磨机理。以布利冈结构的结构单元直径、层间螺旋角度、层间重叠间距3个因素设为自变量,以磨损量为响应值,在EDEM中进行仿真磨损试验,根据自变量与响应值之间的关系,优化布利冈结构的组成参数,得到最优的组成参数为:结构单元直径1.0mm、层间螺旋角度16°、层间重叠间距0.13mm,在此参数下经仿真磨损试验得到布利冈结构件的磨损量为2.13×10^(-6)g。对光滑件、单层棱纹件、布利冈结构件的耐磨效果,进行仿真磨损对比试验,结果表明,布利冈结构件较单层棱纹件磨损量减少了90.6%,较光滑件减少了92.2%。运用离散元法(digital elevation model,DEM)与有限单元法(finite element method,FEM)联合仿真,得到样件内部形变和应变,光滑件、单层棱纹件、布利冈结构件的平均变形量分别为1.62×10^(-9)、7.97×10^(-9)和1.82×10^(-8)mm;平均等效应力为1.16×10^(-6)、6.36×10^(-6)和1.01×10^(-5)MPa。布利冈结构件内部形变和所受应力较大,这一变化有助于吸收颗粒冲击能量,减小磨损。利用光固化打印技术加工样件,利用旋转式试验机和扫描电子显微镜分析3种样件的耐磨性能,结果表明,布利冈结构件的磨损量最小为0.12 g,且标准差最小,为0.012,耐磨性能较为稳定。研究结果可为农机具触土部件的耐磨增效提供设计依据和理论基础。

农业机械触土部件优化研究现状与展望

简述了农业机械触土部件的发展及现状,归纳了可提升触土部件减阻降耗、减粘脱附和耐磨延寿等性能的诸多优化设计方法,明确了土壤性状与触土部件结构或材料之间的互作关系,提出触土部件材料的优化制造工艺,分析了仿生等先进设计方法在触土部件上的应用前景,最后总结了触土部件设计、加工等方法对现代农业机械性能的保障性作用,并对未来触土部件的研究趋势和发展方向进行了展望。

地面机械触土部件仿生涂层的减粘降阻特性

对研制的11种地面机械触土部件仿生涂层的减粘降阻特性进行了试验研究,探讨了触土部件表面形态、仿生涂层的固有接触角、土壤含水量及推土板切削速度对减粘降阻特性的影响,并测试了部分典型涂层与土壤的滑动阻力,分析了仿生涂层固有接触角对滑动阻力的粘附分量及涂层与土壤摩擦角的影响。

仿生锥形触土部件水平阻力研究

为提高松软地面步行机构及农业机械的通过性能,以中华绒螯蟹步足的指节结构为生物原型,加工3种不同锥度的仿生锥形触土部件,并将圆柱触土部件作为对比试样。通过触土部件在干沙中的水平阻力测试,分析了速度、入土深度和锥角3种因素对触土部件土壤阻力的影响。研究发现,水平阻力随触土部件入土深度和锥角的增加而显著增大,呈2次方关系,水平阻力随锥角增大最多可提高167.57%;速度小幅线性增大时,速度的增加使水平阻力最多增大11.37%,仿生锥形试样比圆柱试样具有更高的推进效率。结合试验结果和ALBERT提出的圆柱杆土壤阻力估计式,建立了用于预测等截面触土部件与变截面触土部件土壤阻力的计算式,并将计算值与试验值进行对比分析。结果表明,二者残差低于3.62 N,平均相对误差小于22.77%,具有较高的准确性。

农业耕作机械触土部件土壤磨料磨损研究

农业耕作机械的关键触土部件磨损失效过快将导致农业生产成本的显著增加。传统的提高耕作部件耐磨性的方法主要采用耐磨材料,特殊的热处理工艺,表面技术以及涂层技术等。近几年随着仿生学的发展,将自然界中某些生物体所具有的优秀的耐磨特性应用于农机触土工作部件设计,已然成为提高其耐磨性能的重要手段。

耕地机械触土部件材料及其仿生研究

通过对传统材料和仿生材料及其脱土性能的综述,总结了触土部件土壤粘附系统仿生改性减粘降阻的基本规律,并对仿生改性研究进行了展望。

触土部件仿生优化设计应用研究

为了有效地降低工作装置的粘附积土量和工作阻力,拓展现代优化设计方法,针对工程机械的触土部件,基于仿生研究的基础理论和技术,提出了仿生优化设计的新思路,归纳总结了触土部件仿生设计材料脱土性的相关研究成果,以推土铲为仿生设计实例,分析了其仿生改形和改性设计的具体内容和参数,说明了其制作工艺过程和方法,为进一步试验研究和计算机仿真对比分析奠定了基础。

超声波振动下农机触土部件-土壤相互作用力学特性

为了揭示超声波高频振动条件下农机触土部件与土壤的相互作用力学特性,构建了该条件下农机触土部件运动理论模型,基于所建模型,分析了高频振动条件下触土部件与土壤间相互作用中的接触分离条件和冲击碎裂效应,理论上解析了超声波振动条件下触土部件碎土与降阻机理。设计建立了超声波振动触土部件土槽试验系统,试验研究了超声波高频振动条件下触土部件工作阻力和碎土特性。试验结果表明,超声波振动激励下,触土部件工作阻力比无振动状态明显降低,土壤硬度越大,其降阻率越高,当土壤硬度由1 MPa增加到4 MPa时,降阻率从22%上升到43%;在土壤含水率15%~30%范围内,含水率越低,降阻率越大,当含水率超过30%后,随含水率的增加,降阻率略有增大。由于超声波高频振动激励下工作的触土部件对土壤的冲击碎裂和能量传递作用,能够使其瞬时工作阻力的波动稳定性得到改善和获得更强的碎土作用。在土壤硬度为1 MPa时,工作阻力的波动稳定性改善不显著,随土壤硬度的增大,工作阻力波动度降低率明显增加,当土壤硬度为2.5和4 MPa时,对应工作阻力波动度降低率达37.1%和54.3%。该研究可为高频低幅振动农机触土部件应用方案的实施提供技术支撑。

基于亚塑性本构模型的土壤-触土部件SPH互作模型

触土部件是农机的主要组成部分,高精度的土壤-触土部件互作模型对农业耕作触土部件的节能优化设计具有重大意义。为提高土壤切削过程数值模拟的精确度,该研究基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)框架,从土壤亚塑性本构模型出发,结合土壤-触土部件接触模型,提出一种土壤-触土部件互作模型。通过砂土坍塌试验和土壤切削试验,对比分析了模拟仿真和物理试验中砂土自由表面演变、内部应力变化、土壤静止和运动分界面形态以及粒子位移。在此基础上对4种不同形状刀具的土壤切削过程进行模拟,以土壤切应力、位移分布表征刀具在切削过程中对土壤的破坏情况,讨论了大半径抛物线型刀具切削过程中的土壤粒子速度场,并得出不同形状刀具切削阻力的变化规律。结果表明,刀具水平切削阻力的模拟值和试验值平均相对误差为9.885%,说明所提模型对刀具水平切削阻力的预测精度较高。研究结果可为土壤-触土部件互作模型的建立提供新的思路,为触土部件的优化设计提供参考。

熔覆技术在农机触土部件上的应用现状与展望

农机触土部件的磨损严重缩短了其使用寿命,对农业生产成本产生了很大影响,制约了农业机械化的发展。熔覆技术以其优异的性能成为提高农机触土部件耐磨性的重要方法。本文简要分析了农机触土部件的磨损失效形式,熔覆技术的原理和特点及熔覆技术在农机触土部件上的应用现状,并提出相关展望。

基于DEM与MFBD双向耦合的农机触土部件疲劳分析

针对作业过程中农机触土部件出现断裂且实测载荷谱困难的问题,在额定工况下,对农机触土部件的疲劳强度进行了研究,提出了基于离散元法与多柔体动力学双向耦合的疲劳分析方法。以井窖制作机为例,采用非线性有限元柔性体建模法构建了其成穴钻头总成装置刚-柔耦合动力学模型,在此基础上与离散元仿真耦合,数值模拟成穴钻头-土壤相互作用过程,提取了成穴钻头的动态工作载荷谱;基于疲劳分析相关理论,利用疲劳仿真软件预测了成穴钻头的疲劳寿命。研究结果表明:触土部件成穴钻头的疲劳强度薄弱区域位于圆锥面靠小端,仿真预测的破坏区域与实际断裂位置基本吻合,证明了DEM与MFBD双向耦合的疲劳分析方法能够准确地预测成穴钻头的动态响应特性和疲劳寿命,为其疲劳强度设计提供具有价值的参考。

国外农机触土部件土壤磨损机理研究现状及启示

农机触土部件的磨损失效会带来农业生产上的多种问题,还会造成巨大的经济损失。为此,针对工作在土壤环境下的农机触土部件开展磨损理论研究,旨在为我国农机触土部件的耐磨延寿技术打下基础;同时,在分析国外近5年农机触土部件土壤磨损机理研究现状的基础上,总结相应的研究内容、方法和手段,为提高我国农机零部件的耐磨损性能提供参考。

植烟沙壤土与触土部件相互作用的离散元仿真参数标定

为获取南方地区植烟沙壤土离散元模型的精准接触参数,以福建植烟沙壤土为研究对象,构建准确的植烟沙壤土离散元模型。基于Hertz-Mindlin with JKR接触模型构建沙壤土堆积仿真试验,以堆积角为响应值,通过二水平因子试验、最陡爬坡试验和响应曲面试验,确定土壤基本接触参数。在此基础上通过土壤与触土部件相互作用的离散元仿真试验与土槽试验的对比分析,验证沙壤土仿真模型准确性。触土部件离散元仿真试验与土槽试验结果表明,触土部件所受扭矩仿真值与实测值曲线趋势大致相同,两者15个波峰平均值误差为9.45%,两者所受最大扭矩误差为11.48%,说明土壤模型准确可靠。构建准确的南方植烟沙壤土离散元模型,为该类型土壤与触土部件相互作用的动力学研究提供技术支持。

农机触土部件减粘脱附技术研究现状与展望

目前农机触土部件的减粘脱附问题仍困扰着国内外的专家学者,是一个亟待解决的技术难题。为给国内农机触土部件减粘脱附技术的发展提供参考,通过系统总结农业机械产生土壤粘附的原因,以及土壤粘附对农业机械作业时的影响情况下,着重从表面改形、表面改性、电渗减粘、机械减粘脱附与加热减粘脱附五个方面介绍目前国内外农业机械触土部件减粘脱附技术的研究现状,并将国内外研究现状进行对比,提出目前国内农机触土部件减粘脱附技术存在缺少综合性研究、对土壤粘附机理的研究以及高准确性的测试设备的问题。最后展望未来农机触土部件减粘脱附技术的发展方向在于加强学科交叉融合、加强土壤粘性消减技术研究以及加强多参数测试设备开发。

钎涂增材在农机触土部件上的应用及发展趋势

农机触土部件磨损失效快一直是亟待解决的行业难题,钎涂增材是增材制造的新方向、新突破,采用异质钎涂技术对触土部件进行增材优化,使其耐磨性大幅提高,对于农业机械提高工作能效、助力绿色化转型具有重要意义。简述堆焊、热喷涂、喷焊及熔覆等异质增材技术制备农机触土部件的应用现状及局限性,重点论述钎涂技术在增材耐磨触土部件上的应用优势,并探讨钎涂技术制备农机触土部件存在的问题及发展方向。

常用合金元素对农机触土部件性能影响研究

当前农业发展过程中,土壤保护至关重要,保护性耕作作为现代保护土壤的一种耕作方法,被广泛应用推广。在深耕土壤过程中,深松铲铲尖作为农机触土部件极易磨损,部件因磨损失效而导致其使用寿命缩短,大大增加了生产成本,降低农业生产效率以及深松铲的使用周期,造成材料浪费和经济效益的降低。文章主要讨论作为深松铲铲尖材料之一的球墨铸铁,探究几种常见的合金元素对球墨铸铁性能的影响。

农业机械中滚动触土部件的研究进展

农业机械中的滚动触土部件主要用于压实土壤,使土壤得到适宜的土壤容重。过度压实或压实太轻都不利于作物生长,只有适当的土壤容重才可以提高作物产量。因此,滚动触土部件对农田土壤的压实是影响作物产量的重要因素之一。本文对滚动触土部件的研究状况进行了介绍。

耕作机械触土部件土壤磨料磨碎研究

为实现良好农业耕作,需要严格控制机械部件,一旦出现部件磨损现象,农业将难以实现良好生产,成本难以控制。部件耐磨材料是一大关键。文章针对如何实现耕作部件良好耐磨性展开相应探讨。