胡萝卜联合收获机单圆盘对顶切割装置设计与试验

针对胡萝卜联合收获过程中对顶切割装置作业后胡萝卜损伤率高、切净率低等问题,设计了一种单圆盘对顶切割装置,并阐述了其主要结构及工作原理。在统计分析胡萝卜基本物理特性的基础上,通过理论计算确定了斜拉式导向齐平对顶机构的两对齐基板间距、拉齐区长度和对齐基板斜边角度等主要结构参数,达到胡萝卜茎叶精准拉齐的目的。以螳螂前肢胫节曲线为原型,将拟合优化后的曲线形状应用至圆盘动割刀和直割刀刃口上,构建切割机构胡萝卜茎叶力学模型,分析其满足胡萝卜被高效切断的条件。对圆盘割刀进行运动学分析,建立圆盘割刀前进方向的运动学模型,确定影响装置工作性能的因素为胡萝卜输送速度和圆盘割刀转速。以胡萝卜收获机夹持输送皮带轮转速(胡萝卜输送速度)和圆盘割刀转速为试验因素,以胡萝卜根茎损伤率、茎叶切净率、切割平整度为试验指标,进行了二因素五水平二次正交旋转组合试验,通过对试验结果进行分析优化,确定最佳参数组合。结果表明,当胡萝卜收获机夹持输送皮带轮转速为113 r/min、圆盘割刀转速为156 r/min时,对顶切割装置性能最优,此时胡萝卜损伤率均值为0.53%、切净率均值为95.41%、平整度均值为94.10%。对优化结果进行田间试验验证,验证结果与优化结果基本一致,作业过程中装置工作平稳。

硬岩钻进用仿生PDC切削齿优化与破岩机理研究

为了提高聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿的破岩效率,将仿生非光滑理论应用到PDC切削齿的表面形态设计中,通过对波浪形、三角形和梯形金刚石层表面形态的仿真模拟,优选出三角形表面形态为最佳结构;以φ13.44 mm×8 mm的PDC切削齿为例,通过仿真模拟对三角形凹槽数量进行了分析,最终确定3个三角形凹槽为最佳;按照确定的优化设计方案,根据不同材料和工艺设计加工了4种大锯齿仿生PDC切削齿,通过微钻试验台进一步对比分析了仿生PDC切削齿与平面PDC切削齿的钻进效率。结果表明:大锯齿仿生PDC切削齿钻进效率明显优于普通平面片,但是破岩过程中容易出现"崩片"现象,为保证使用寿命,在材料和加工工艺方面应比普通平面片要求更高。

新型仿生PDC齿高效切削机理及试验研究

利用仿生耦合理论,根据贝壳和蝼蛄等动植物的非光滑形态结构研制了一种新型的仿生PDC齿,并利用有限元软件abaqus对单个齿磨损前后的运动过程进行分析,与普通PDC齿的应力分布状态进行对比,可以看出,在同等条件下,非光滑PDC切削齿的应力大小及分布情况要明显优于普通的PDC切削齿,具有良好的碎岩效果。此外还对这2种切削齿进行了磨耗比试验,试验结果进一步证明了仿生PDC齿具有一定的优越性。

绞吸式挖泥船仿生绞刀刀齿的蚁群优化

为了提高绞吸式挖泥船仿生绞刀减粘降阻的效果,获得更高的生产效率和经济效益,应用蚁群算法对仿生绞刀的凸包的几何尺寸及其分布进行优化,得到对于不同类型的土壤和在一定的压力范围内所需的凸包形仿生绞刀的结构尺寸。

仿生PDC齿旋转破岩时的温度场和破岩特性模拟研究

针对常规PDC钻头破岩效率低、钻头泥包和使用寿命短等问题,以穿山甲鳞片、蝼蛄爪趾、鲨鱼牙齿和扇贝壳作为仿生原型,从多个维度进行结构仿生,设计了一种新型耦合仿生PDC齿。采用有限元法、弹塑性力学等方法,建立了仿生PDC齿的破岩仿真模型,利用有限元软件ABAQUS的温度-位移耦合显式侵彻接触算法和显式动力学模块,研究了仿生PDC齿破岩过程中温度场的变化规律和破岩方式,并与常规PDC齿进行了模拟对比。模拟结果发现:仿生PDC齿与常规PDC齿在破岩时的温度传递过程存在较大差异;仿生PDC齿能够防止钻头泥包的产生,且能够减少摩擦热的集聚,避免高温热失效,延长其使用寿命;仿生PDC齿破岩速度更快,对岩石的破碎更加彻底。研究表明,仿生PDC钻头的现场适用性较好,具有较好的现场推广应用价值。

青贮玉米切叶蚁上颚仿生粉碎刀片设计与试验

针对青贮玉米收获机粉碎刀片锋利度差、滑切性能弱等问题,该研究以切叶蚁上颚为设计原型,采用逆向工程技术提取并拟合其上颚滑切曲线,并依据该曲线设计一种仿生刃口曲线。应用EDEM构建秸秆离散元模型进行仿真切割试验,对比仿生刀片、斜刃刀片、直刃刀片在横切角90°、切削角0°参数条件下对秸秆的切割力变化过程,并利用高速摄像机记录台架对比试验中秸秆切割变形过程,结果表明秸秆切割变形过程可分为3个阶段:挤压阶段、切割阶段及贯穿阶段。仿真试验中仿生刀片对秸秆的最大切割力相较斜刃刀片、直刃刀片分别降低4.05%、6.09%,台架对比试验中仿生刀片对秸秆的最大切割力相较斜刃刀片、直刃刀片分别降低10.53%、12.82%,仿生刀片在提高秸秆切面平整度和降低秸秆最大切割力方面均具有明显优势。以刀型、横切角、切削角为试验因素,以秸秆的最大切割力为试验指标开展秸秆切割台架正交试验。试验结果表明:刀型、横切角对秸秆的最大切割力有极显著影响(P<0.01),切削角对秸秆的最大切割力有显著影响(P<0.05)。使用较优参数组合进行验证试验的结果表明,横切角90°、切削角20°、仿生刀片对秸秆的最大切割力为623.3 N。研究结果可为青贮玉米收获机粉碎刀片设计提供理论参考。

仿生开沟机刀盘的设计

为解决坚硬、板结、沙质等土壤的开深沟问题,提出了用于开沟机的仿生开沟刀盘。根据动物挖土爪指的形状特点和优越性,结合机械运动特点,综合考虑机械强度和现有开沟刀盘的优缺点,设计了圆盘式仿生开沟刀盘。优化设计的仿生开沟刀具有高强度、切削省力、顺畅,其在刀座上交错布置,使刀前后左右分次错时交替切削,达到开深沟目的;利用圆盘式刀盘的低故障率,使其具有高可靠性;配以刀头、刀身的不同材质,使开沟刀具有适应硬质、沙质、板结红壤粘土等不同土质的优点,以满足日益发展壮大的大棚、果园经济作物开沟深施肥的需要。

仿生耦合PDC单齿的设计及其仿真

针对现有PDC钻头存在的工作效率低、金刚石与硬质合金易分层、由于岩石碎屑排出不及时所形成的泥包等问题,设计了一种破岩效率更高、更耐磨、切削平稳性更好的仿生耦合PDC切削齿。仿生耦合PDC切削齿通过改变刀具自身的结构和破岩方式,更容易破入地层,而且阶梯形的齿结构使岩石更容易剥离,大大提高了破岩效率。对仿生耦合PDC切削齿与常规PDC切削齿进行单齿仿真对比,仿真结果表明:在相同的吃深下,当切削角度在6°~26°范围变化时,仿生耦合PDC切削齿的破岩体积大于常规PDC切削齿,前者破岩效率高于后者,但两种切削齿的破岩效率总体上呈下降趋势;在相同切削角度18°下,随着仿真时间的延长,两种切削齿的破岩体积都增加,且仿生耦合PDC切削齿的破岩体积大于常规PDC切削齿,前者破岩效率高于后者,但两种切削齿的破岩效率都在逐渐下降;仿生耦合PDC切削齿最大剪应力的平均值和标准差均比常规PDC切削齿小。研究结果可为PDC钻头的优化设计提供一定的指导。

盘形插齿刀切削改进的研究

基于仿生学原理在传统盘形插齿刀的齿顶上设置分屑槽,以达到提高盘形插齿刀切削效率的目的。利用MATLAB的图像处理功能完成啄木鸟嘴壳图片的截面曲线点的提取和曲线的拟合,利用拟合后的曲线完成在传统盘形插齿刀的齿顶上分屑槽的设置,得到改进后插齿刀三维模型。通过DEFORM 3D软件的仿真加工功能对传统盘形插齿刀和改进后的盘形插齿刀的三维模型进行仿真加工分析,并利用ANSYS Workbench软件对两种盘形插齿刀的三维模型进行结构静强度的有限元分析,对比其分析结果并验证改进后的盘形插齿刀的优越性,进而验证仿生改进的可行性。