基于3D打印关键技术的深松铲结构设计

以深松铲为研究对象,根据土壤耕作过程需求建立深松铲铲柄轮廓曲线,同时对深松铲结构进行详细设计,即铲尖厚度为6mm、铲尖宽度为35mm、铲尖入土角度为23°、柄厚度为25mm、宽度为55mm。对深松铲耕作过程阻力进行分析,建立松土阻力计算方程,同时采用3D打印技术对深松铲进行逆向工程快速成型。松土过程仿真分析结果表明:作业过程行进速度直接影响耕作过程中深松铲阻力,当行进速度为4、4.5、5km/h时,深松铲所受阻力均值分别为410、490、575N。

装载机自动铲掘轨迹及轨迹误差补偿研究

根据装载机工作装置各杆件几何关系和试验点位数据,计算出了试验自动铲掘轨迹。通过对不同铲掘深度下的轨迹误差计算分析,提出了一种通过修正初始规划轨迹的误差补偿方法,并使用插值法对误差补偿效果进行了初步验证。最后,通过试验对误差补偿前后的轨迹误差大小以及试验铲掘效果进行了对比分析。试验结果表明,补偿后的铲掘轨迹误差减小了51.39%,铲掘质量提高了10.55%,单位时间铲装量增大了3.33%。

基于DEM-MBD耦合的装载机减阻铲装策略仿真分析

装载机铲装物料过程中,往往受到较大的铲装阻力,使得其作业效率降低、能耗升高。针对此问题,对装载机减阻铲装策略进行研究。对装载机铲装物料过程中受到的铲装阻力进行分析,建立装载机各作业阶段铲装阻力的数学模型,提出装载机减阻铲装策略;利用ADAMS建立装载机虚拟样机模型,对它进行动态仿真,通过EDEM完成铲装物料颗粒模型的建立及相关参数的设置;基于DEM-MBD联合仿真,分别对装载机使用2种铲装物料策略进行铲装过程仿真;最后,获取2种铲装策略中物料运动速度矢量以及铲装阻力变化曲线,进行对比分析。结果表明:装载机使用减阻铲装策略铲装物料相比一次铲装法铲装物料受到的最大铲装阻力值减少11.3%,且使用减阻铲装策略所产生的铲装阻力大部分时间内整体小于一次铲装法所产生的铲装阻力,证明了减阻铲装策略的可行性和合理性。

深松铲对砖红壤扰动行为影响的仿真与试验

针对香蕉地深松作业相关研究较少,深松铲-土壤耦合机理尚未明确等问题,结合海南热区香蕉地砖红壤土的物理特性,利用离散元虚拟仿真试验,堆积生成了耕作层、犁底层和心土层3层土壤模型,建立了滑切深松铲-土壤耕作模型,并通过对比虚拟仿真试验,研究了滑式深松铲和国标深松铲对海南香蕉地土壤的扰动情况。结果表明:在相同的作业条件下,滑式深松铲作用下的土壤颗粒在x、y和z方向的最大运动速度均明显大于国标深松铲对土壤颗粒的作用,且滑式深松铲的扰动轮廓要明显大于国标深松铲作业的扰动轮廓,同时滑式深松铲作用下土壤蓬松度和土壤扰动系数均大于国标深松铲作用产生的深松效果,进一步验证了所设计的滑式深松铲更适用于海南香蕉地的深松作业。

压雪机雪铲运动仿真及分析

基于D-H矩阵原理建立压雪机雪铲运动轨迹的数学模型,文中分析了雪铲运动过程中雪铲齿尖的位移、速度、加速度与空间位置的运动关系;建立雪铲三维模型,然后将简化处理过的三维模型导入ADAMS仿真软件中,在ADAMS中增加约束和驱动等前处理工作;最后,进行运动仿真,得出雪铲齿尖的位移、速度、加速度动态曲线及雪铲轨迹图,并验证了雪铲运动学模型的正确性,对压雪机雪铲的设计和分析具有普遍适用的意义并提供了参考。

基于数值模拟的钛合金锥形件激光辅助铲旋成形研究

针对中部带法兰锥形件采用传统“锻造+机加工”制备时材料利用率低、强度及韧性不足的问题,提出采用激光辅助铲旋成形工艺来实现钛合金中部带法兰锥形件的完整近净成形。根据铲旋成形原理,选取合适的激光热源模型,并基于Simufact Forming软件平台建立激光辅助铲旋有限元模型,研究了铲旋成形过程中的中部法兰变形区温度、变形行为及等效塑性应力和等效塑性应变分布规律。结果表明,采用坯料整体预热+激光辅助补热的方式,可实现坯料基体表层温度高、内层温度低,既有利于表面金属材料铲旋成形出法兰,又可避免锥壁翘起;铲旋成形时变形区材料轴向流动较多,径向流动较少,法兰形状呈“倒水滴”状;旋轮接触区等效塑性应力值较大,但法兰主体部分等效塑性应力值较小且分布均匀;基体主要变形区等效塑性应变值最大,达9~11,沿厚度方向逐渐减小,具有局部大塑性变形且变形不均匀的特点。

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。

喷丝板自动化铲板的刮铲工艺参数设计与优化

针对喷丝板自动化铲板缺乏合理工艺指导的问题,研究铲板的工艺参数对刮铲效果和铲刀磨损程度的影响,并对主要工艺参数刮铲力和刮铲圈数进行优化设计。用喷丝板表面污染指数表征刮铲效果,建立铲刀磨损宽度与铲板工艺参数的数学关系式,定性分析铲刀磨损对刮铲效果的影响;通过多组自动化铲板试验拟合得到污染指数与刮铲力及刮铲圈数的数学关系式,将污染指数取值0.04%确定为刮铲效果的评价指标;在保证良好刮铲效果和较大修磨周期的前提下,以总刮铲次数为目标进行参数优化,利用MATLAB软件求得铲刀单次刮铲作业的局部最优参数(刮铲力为43.7 N、刮铲圈数为5),此时最大刮铲次数为440次。研究可为自动化铲板系统的工艺参数设定提供参考。

基于DHMM-ESUM的露天矿运输系统车铲比优化研究

在露天矿生产中,如何利用现有的资源条件对电铲与卡车进行合理配比,充分发挥设备的效率,是提高矿山企业生产效益的关键。以安家岭露天矿生产系统收集的数据为基础,首先运用排队理论构建以电铲为采掘中心,卡车为运输工具的闭合排队网络模型,将运输系统分为4个排队子系统,分析各项服务时间的概率分布;基于离散隐马尔可夫模型(discrete hidden Markov model,DHMM)与拓展求和(extended summation,ESUM)算法分析系统作业性能,获取电铲设备的运行状态和班次生产能力。然后,应用蒙特卡洛法建立随机动态规划模型,以产量期望值最大化为目标对露天矿的车铲比进行优化。最后,对生产系统进行仿真建模分析,结果验证了基于DHMM-ESUM对车铲比进行优化的有效性和准确性。

铲形断层:发展断层相关褶皱理论的“新引擎”

建立褶皱形态、断层结构和断层滑动之间的定量关系是当前地学研究国际前沿领域之一。Anderson断层理论和断层相关褶皱理论在该领域已经取得了瞩目的成果,二者都基于平面断层假设,但铲形断层及其上覆褶皱、地貌面弯曲变形在自然界中普遍存在,对上述理论形成了挑战。本研究利用前翼三角剪切和后翼简单剪切的综合模式,建立深部和地表耦合的铲形断层传播褶皱模型,用来解释上述构造变形机制问题。在此基础上,开展背斜区三维构造精细解析和铲形断层传播褶皱三维数值建模对比研究,实现构造变形从二维向真三维研究转换;准确限定孕震断层的铲形几何形态,为定量同震和震后变形提供直接的约束条件,为未来地震危险性评估提供科学数据支持;准确落实地下铲形断层和褶皱变形模型、裂缝发育区和构造型圈闭大小,服务于油气勘探开发。因此,铲形断层传播褶皱模型,一方面为完善和提升断层相关褶皱理论提供了新引擎,另一方面对区域构造变形分析、地貌演化重塑、地震危险性评价和油气资源前景评估有着重要的科学意义。

基于响应面法的马铃薯挖掘铲多目标优化设计

马铃薯挖掘铲是马铃薯收获机挖掘装置的重要组成部分,起到直接与土壤接触,并把马铃薯挖出的作用。在丘陵地区为了保证高效稳定的收获,马铃薯挖掘铲的综合性能对整个收获过程至关重要。使用ANSYS Workbench分析出挖掘铲的应力、应变、变形云图,通过参数化过程选择并验证特征尺寸。基于响应面法建立特征参数和结果的函数关系,通过多目标遗传算法得到候选解集,按照设计要求和优化目的综合考虑选择最优解。优化前后总变形降低了24.88%,总应力降低了21.40%,质量减少了4.58%,减少了质量的同时还明显地降低总变形和总应力,提升了马铃薯挖掘铲的综合性能,为后续实验和生产提供了理论依据。

皮肤疣体铲切针治疗皮肤疣验案三则

皮肤疣是由人乳头瘤病毒感染人类皮肤和黏膜,病毒感染基底细胞层后导致表皮增厚、角化过度,经数周或数月增生产生肉眼可见的疣体[1]。临床常采用外用药物、免疫治疗、物理治疗,但存在病程长、治疗过程痛苦、易感染、易复发等问题[2]。为更好地治疗皮肤疣,笔者取法古代九针及后世发展的燔针,结合现代小针刀,利用现代材料和工艺研发了皮肤疣铲切针,以《黄帝内经》中“浮络浅刺”理论为基础,采用皮肤疣体铲切针治疗各种皮肤疣病,现选取验案三则介绍如下。

一种田间深松铲的设计

深松铲结构会严重影响深松作业阻力的大小。针对目前深松作业普遍存在深松阻力大的问题,研制一种新型结构的深松铲,介绍深松铲的结构、工作原理及关键零部件设计,以此来提高深松机的整体性能、减小作业阻力及磨损,进而为保护性耕作技术的推广应用提供技术支撑。

铲齿-齿滚式花生捡拾装置捡拾动力学分析与试验

两段式收获是我国花生机械化收获的主要方式,捡拾装置是花生捡拾联合收获机核心部分之一。针对传统的弹齿滚筒凸轮滑道式捡拾装置存在的花生植株“壅堆”“冲击”和“抛起”而造成荚果损失问题,在花生植株条铺捡拾特性研究基础上,发明并研制了一种新型铲齿-齿滚式花生捡拾装置。通过捡拾性能试验表明:花生植株条铺地面捡拾作业时,铲齿划入地表将花生植株条铺从地面铲起,捡拾齿完成花生植株后续的捡拾作业,但不划入地表。通过对花生植株在铲拾、挑拾、推送阶段的运动状态与受力分析,获得了影响运动状态的主要参数,以此为依据设计了铲齿、捡拾齿、护板等关键捡拾元件的总体结构。在此基础上建立了捡拾齿运动的数学模型,确定了影响捡拾齿运动轨迹的关键参数,并结合ADAMS运动仿真分析获得了捡拾工作参数配比范围。根据设计结果制作样机并进行运转试验,花生捡拾性能试验结果表明:新型铲齿-齿滚式花生捡拾装置用于花生捡拾过程中,不存在植株“壅堆”与“抛起”问题;通过响应面分析法及样机试验,获得捡拾装置最优工作参数为:前进速度Vm为48.0 m·min^(-1),转速N为45.3 r·min^(-1),离地高度H为-18 mm。在花生植株含水率15%~17%的两段收获条件下,花生植株捡拾率为98.9%,掉果损失率为2.8%。根据试验观察,捡拾过程中花生植株主要呈现横向捡拾、倾斜捡拾、纵向捡拾3种捡拾状态,能够适应果朝一侧的整齐放铺与散乱放铺捡拾作业,为今后两段式花生捡拾收获机捡拾装置的设计提供技术支撑。

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。

开沟器铲尖表面等离子熔覆Mo_(2)FeB_(2)涂层制备及其磨损性能

为了解决开沟器铲尖耕作过程中耐磨性差、易失效的问题,利用等离子熔覆技术在开沟器铲尖表面制备Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷涂层,并对其微观组织结构、物相组成、显微硬度以及耐磨性能进行研究。通过正交试验得到熔覆层制备的最优工艺参数组合为:熔覆电流80 A,熔覆距离10 mm,熔覆速度20 cm/min,并以此来制备耐磨熔覆层。结果表明,熔覆层与基体呈现良好冶金结合,其组织主要由方形、蝶状、十字镖形、树形以及不规则长条状的硬质相、网状共晶组织和铁基粘结相组成,其主要物相组成为Mo_(2)FeB_(2)、M_(3)B_(2)(M:Mo,Fe,Cr)、(Cr,Fe)7C3、MoB、CrB、Fe2B以及Fe-Cr固溶体。熔覆层的平均显微硬度为9618 MPa,为开沟器铲尖基体的2.79倍。相同工况下的磨损试验表明熔覆层的平均磨损量(19.20 mg)和平均摩擦系数(0.294)与基体相比分别降低了52.9%和42.4%;不同载荷下的磨损试验表明,随着载荷的增加,熔覆层与基体的摩擦系数呈现逐渐减小的趋势,但熔覆层的整体摩擦系数均低于基体,且其磨损形貌较基体轻微。土槽试验结果表明,熔覆层开沟器铲尖的平均磨损量(4.60 g)比常规开沟器铲尖(15.54 g)降低了70.4%;田间试验结果表明,在实际土壤环境中,开沟器铲尖熔覆层的平均磨损量(34.34 g)仅为常规开沟器铲尖(79.06 g)的43.4%,通过对比磨损形貌发现,熔覆层的存在可以有效抵御土壤磨损,使开沟器铲尖在经过长时间的磨损后能最大程度的保持原貌,从而使其表现出优异的耐磨性能。该研究结果可为提高农机触土部件的耐磨性提供理论参考和可行技术方案。

滩涂土壤离散元接触模型优化与现场铲削试验

为解决现有离散元接触模型对滩涂土壤特性表征准确性差的问题,该研究基于离散元仿真软件EDEM的API二次开发功能,以Hertz-Mindlin接触模型为基础,通过增加塑性、粘附特征并更改切向滑动摩擦力,得到优化后的高湿黏弹塑性(moist elasto-plastic adhesion,MEPA)模型。通过模拟活塞拔出试验,结合Plackett-Burman试验筛选出影响标定指标的显著参数,完成接触模型参数标定。搭建了铲削试验平台进行现场铲削试验,对比分析了MEPA模型、JKR模型、EEPA模型以及Bonding模型的土壤特性表征效果。试验结果表明,在铲削阻力方面,MEPA模型较JKR模型、EEPA模型和Bonding模型的仿真精度分别提升约65.957%、74.206%和59.326%;相较于现场试验结果,MEPA模型的堆积厚度与侧边距相对误差分别为5.598%和6.362%,两者均保持在10%以内,能够较好地模拟滩涂土壤,对滩涂工作装置的工况模拟和优化设计具有重要意义。

基于MatDEM的易贡滑坡铲刮效应研究

以易贡滑坡—碎屑流为背景,针对滑坡—碎屑流形成过程复杂、铲刮作用机制难以分析等问题,基于MatDEM离散元软件,研究铲刮作用对易贡滑坡形成的影响。通过获取的高程数据,根据真实的地形地貌,利用MatDEM软件1:1构建易贡滑坡三维地质模型,并通过内置功能训练参数,实现了宏微观参数的转化。将易贡滑坡分为局部铲刮和全过程铲刮2种情况,设立对照组进行分别讨论,研究坡的不同区域发生铲刮和全过程发生铲刮对易贡滑坡形成的影响,取得以下认识:局部区域发生铲刮时,崩滑体对基层物质有抬升隆起作用,基层物质获得巨大动能,速度瞬间增大;在坡中下部发生铲刮,会增大滑体的速度,在坡前缘发生铲刮,会推挤着前缘物质向前运动称之为“犁耕”效应;滑坡发生铲刮作用,会显著增加滑体的速度,促进滑坡—碎屑流的形成,造成更大的危害。研究结果为滑坡—碎屑流的形成分析提供参考。

基于BP神经网络的装载机自动铲装作业油耗预测研究

针对装载机自动铲装过程中作业能耗大、难以优化以及测试繁琐的问题,运用BP神经网络对作业油耗进行了研究。首先装载机根据规划出的7条平行铲装轨迹进行自动铲装测试试验,通过传感器获取相关试验数据作为BP神经网络的训练和验证样本;然后建立BP神经网络预测模型,对该模型的误差进行了验证;最后对该模型预测出的非训练铲装轨迹的作业油耗与测试试验的作业油耗进行了对比,以此验证BP神经网络模型的准确性。研究结果表明:BP神经网络预测模型的预测值与与验证样本的试验值的平均偏差仅为6.05 mL,平均误差仅为5.46%;预测平行铲装深度为400、600 mm,这两条非训练铲装轨迹的作业油耗时,其预测值与试验值的误差分别为2.30%~8.36%、2.67%~8.18%;因此,建立的BP神经模型能够较为准确地预测装载机自动铲装油耗,为作业油耗的优化提供依据。

基于离散元法的胡萝卜挖掘铲优化设计

针对胡萝卜联合收获机工作过程中松土挖掘阻力大、胡萝卜漏拔率高等问题,对收获状态下三角翼形挖掘铲进行受力分析和计算,确定了铲面宽度和铲刃角的取值范围。根据胡萝卜种植模式,建立了挖掘铲-胡萝卜-土壤离散元仿真模型,以挖掘铲面长度、宽度及铲刃倾角为试验因素,以挖掘阻力、土壤破碎率为试验指标开展了胡萝卜挖掘仿真试验,仿真时间历程显示了土壤与胡萝卜随挖掘铲运动的变化过程。利用仿真试验数据拟合建立不同试验因素影响下挖掘铲阻力与土壤破碎率的二次多元回归方程,通过Design-Expert 10.0.7对数学模型进行分析求解,得出了最优参数组合为:铲面长度260mm,铲面宽度370mm,铲刃倾角57°。通过与凿型铲进行对比试验,结果表明:工作阻力降低了9.4%,土壤破碎率提高了2.8%,优化设计的三角翼形挖掘铲在工作阻力和土壤破碎率方面具有良好的松土性能,满足胡萝卜收获要求。研究可为胡萝卜挖掘装置试验研究和设计提供理论参考。