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1.
基于离散元法的旋耕过程土壤运动行为分析 总被引：22，自引：0，他引：22
土壤与耕作部件间的相互作用规律是设计和选用土壤耕作部件的基础。研究土壤和耕作部件间的相互作用规律就是要研究耕作部件对土壤产生的作用和它们之间的作用力,首先必须探讨耕作部件工作时土壤运动规律和施加于土壤的作用力。为此本文建立基于离散元方法的旋耕工作模型;对比分析实验与仿真的土壤位移:在土槽实验中采用示踪块方法测量土壤位移,仿真中通过追踪表层土壤颗粒的运动获得仿真位移;利用实验和仿真数据对土壤位移和运动机理进行分析。结果表明:土壤水平和侧向位移都随着转速增加呈现增加的趋势;土壤的水平运动位移总是大于同转速下的侧向位移。浅层土壤颗粒的运动位移最大,中层土壤次之,深层土壤最小。较深位置的土壤,距离旋转中心越近的土壤颗粒水平位移和侧向位移越大。在旋耕刀切土范围内的土壤,有向相反方向运动趋势的浅、中、深层颗粒比例分别为26.2%、72.1%、48.4%。在水平力作用下,大部分土壤颗粒随着旋耕刀切土有向后运动的行为;土壤在开始时刻的侧向受力和侧向运动方向,由颗粒的侧向位置是否偏离侧切刃轴线决定,位于侧切刃轴线左侧的颗粒,则其侧向力向左,反之亦然;土壤在垂直方向先随着刀具入土向下运动,然后滑出刀刃边界被抛起。本文建立的仿真模型得到的土壤水平位移和侧向位移与相应实验值的误差为24.9%和15.3%。本文运用离散元法进行旋耕过程中土壤宏观和细观运动行为的分析,有助于理解旋耕刀与土壤的相互作用机理,为旋耕机械的设计与优化提供理论依据。 相似文献
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《中国农机化学报》2021,(6)
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。 相似文献
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秸秆-土壤-旋耕刀系统中秸秆位移仿真分析 总被引：16，自引：0，他引：16
秸秆-土壤-旋耕刀之间的相互作用机理对于分析耕作过程有着重要作用。为研究秸秆-土壤-旋耕刀的宏观及微观相互作用,对系统中的秸秆位移进行了仿真分析。首先建立了秸秆-土壤-旋耕刀相互作用的三维离散元模型;其次,对仿真结果与室内土槽实验结果进行对比分析,在土槽实验中采用示踪器方法测量秸秆位移;仿真中导出每个时刻的秸秆位置用来描述秸秆仿真位移;最后,利用仿真数据对秸秆位移进行三维分析。实验和仿真都在恒定前进速度0.222 m/s和耕深100 mm及4种转速(77、100、123、146 r/min)下进行。实验与仿真结果皆显示秸秆位移随着转速增加呈现增加的趋势;秸秆的水平运动位移总是大于同转速下的侧向位移;高转速下的实验与仿真位移误差约为40%,低转速下为70%。利用拟合的误差方程和仿真值可以估算秸秆的水平和侧向位移值,估算值与实验值误差为8.7%和9.3%。通过追踪不同位置的秸秆颗粒发现:初始位置不同的秸秆颗粒具有不同的运动:位于正切刃内侧的秸秆在刀刃切开土壤时,沿正切刃边缘滑出;而位于侧切刃下方的秸秆在开始时被侧切刃挤压随刀刃一起运动,而后随土壤一起被抛起;远离旋耕刀工作范围的秸秆,则因受土壤扰动影响而仅有微小的位移。紧靠侧切刃及过渡刃周围的秸秆颗粒在考察时间段内被直接旋耕入土。可以利用秸秆的垂直方向受力情况,优化旋耕刀刃口曲线提高秸秆在旋耕过程中直接入土的比例;还可以整合秸秆水平和侧向位移及分布,寻找最优工作参数使秸秆在3个方向都能均匀分散,从而提高秸秆分布均匀度。 相似文献
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应绿色可持续农业的发展要求，带状免耕播种技术在我国南方稻麦种植区得到推广与应用。为简明耕作部件对带状旋耕耕作质量的影响，在280、380和510 r/min刀轴转速下对凿型旋耕刀、直刃旋耕刀和IT225型旋耕刀进行田间耕作试验。试验结果表明，影响耕作质量的主要因素是耕作部件形状和刀轴转速。在刀轴转速为510 r/min时，IT225型旋耕刀创造的土壤回填率只有7%，土壤回填效果明显低于具有较小正切刃的直刃旋耕刀和凿型旋耕刀。凿型旋耕刀能够创造出较好的回填和土壤破碎的效果，但由于其没有侧切刃无法创造出整齐的种床截面。在刀轴转速为180 r/min时，凿型旋耕刀造成的种床截面扰动率高达20%。直刃旋耕刀能够形成齐整的种床截面和高于50%的土壤回填率，但产生的土壤破碎体粒径过大，不能满足播种的需求。本研究为带状旋耕耕作部件优化指明方向，即兼顾直刃旋耕刀和凿型旋耕刀的特点，将两种或几种刀具进行有机结合，以满足不同土壤条件下带状旋耕播种的需求。 相似文献
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开沟旋耕机渐变螺旋升角轴向匀土刀辊设计与试验 总被引：4，自引：0，他引：4
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260r/min、旋耕切土节距8.3cm、初始螺旋升角71°,此时仿真地表平整度为17.35mm。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14.5mm、8.82%、92.34%、81.66%,整体耕整效果优于常用旋耕刀辊。 相似文献
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基于离散元法的立式旋耕刀耕整作业性能仿真研究 总被引：1，自引：0，他引：1
立式旋耕刀作为旋耕机的关键作业部件,其对土壤的作用效果与自身的功耗损失将直接影响旋耕机的作业质量与工作效率。为探究立式旋耕刀与土壤颗粒间的作用机理,获得刀具的最佳结构参数及作业参数,提高旋耕机的作业质量,达到满足耕整作业农艺要求的碎土整平效果,通过构建不同结构形式的旋耕刀三维模型,搭建旋耕刀-土壤间作用的离散元模型,对单把立式旋耕刀作业时的受力情况及土壤颗粒的破碎搅拌情况进行分析,并进行系列试验。同时,通过极差分析获得工作参数对旋耕刀作业的影响作用规律,并采用受力、扭矩以及抛土碎土效果等多项指标,对不同结构形式旋耕刀自身损耗及对土壤颗粒的影响规律进行深入分析,以期研究出能够适应不同土壤结构环境及农艺模式需要的最佳旋耕刀结构及相关参数,为后续研究与试验提供理论参考。 相似文献
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分析秸秆-土壤-机具之间的交互关系,明确秸秆运动规律及分布效果,对秸秆管理及耕作机械优化设计具有重要的作用。为探究秸秆-土壤-旋耕机交互下的关键作业参数对秸秆位移和埋覆效果的影响,利用Design-Expert软件,根据Box-Behnken试验原理进行了室内土槽试验。以旋耕埋草作业中的秸秆长度、耕作深度、刀轴转速为影响因素,以秸秆位移和埋覆率为指标进行三因素三水平的二次回归正交试验。通过建立响应面数学模型,分析了各因素对旋耕埋草效果的影响。试验结果表明：影响秸秆埋覆率和位移的主次顺序为耕作深度、秸秆长度、刀轴转速;秸秆长度与耕作深度交互作用对秸秆埋覆率和位移影响显著,其余参数交互作用不显著。多目标优化结果表明：当秸秆长度为5 cm、耕作深度为14.99 cm、刀轴转速为320 r/min时,埋草效果最优,其对应指标秸秆埋覆率与位移分别为95.5%和27.6 cm。利用优化后的参数进行试验验证,秸秆埋覆率与位移分别为93.3%和28.1 cm。研究结果可为旋耕埋草作业参数调整提供参考,为秸秆-土壤-机具交互机理研究提供理论支撑。 相似文献
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基于东方蝼蛄爪趾的仿生旋耕刀设计与试验 总被引：3，自引：0，他引：3
为了降低旋耕刀耕作时的能耗,本文基于东方蝼蛄前足爪趾轮廓拟合曲线的特征,利用逆向工程技术将东方蝼蛄前足爪趾1、2、3、4的轮廓曲线依次排列于IT245国标旋耕刀的正切刃与回转半径末端边缘,设计了仿生旋耕刀。建立南方粘湿土壤旋耕刀相互作用仿真模型,分析不同刀轴转速下国标旋耕刀、仿生旋耕刀扭矩和三向阻力的变化规律,结合室内土槽试验分析刀轴扭矩的变化趋势,验证离散元仿真模型的有效性。单刀受力仿真分析表明,仿生旋耕刀与国标旋耕刀的水平阻力、垂直阻力与侧向阻力均随着刀轴转速的增加而逐渐增大。在3种刀轴转速下,除侧向阻力以外,仿生旋耕刀受到的水平阻力与垂直阻力的最大值均比国标旋耕刀小。在刀轴转速150 r/min时,仿生旋耕刀较国标旋耕刀水平阻力与垂直阻力的最大值分别降低了9.91%与9.09%;在转速200 r/min时,分别降低了5.78%与9.74%;在转速250 r/min时,分别降低了4.95%与6.38%。土槽扭矩试验表明,仿生旋耕刀与国标旋耕刀的仿真值与试验值变化趋势相同,且随着刀轴转速的增加扭矩逐渐增大,最大相对误差为13.23%。在3种刀轴转速下,仿生旋耕刀较国标旋耕刀平均扭矩分别降低了10.53%、4.46%、3.49%。本研究可为旋耕刀减阻降耗和耕作能耗分析提供借鉴。 相似文献
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针对灭茬刀耕作阻力大、磨损严重等问题,优化设计了灭茬刀及刀辊。通过理论分析,得到影响灭茬刀耕作阻力和损伤情况的因素为灭茬刀正切刃滑切角、侧切刃滑切角和弯折角,并确定灭茬刀作业状态稳定时正切刃滑切角的取值范围为0°～16°,侧切刃滑切角的取值范围为47°～68°,弯折角的取值范围为90°～130°。在有限元软件ABAQUS中对土壤建立Drucker-Prager本构模型,并进行了灭茬刀切割土壤的运动学仿真试验,设计为三因素三水平正交试验。结果表明:影响灭茬刀作业过程中应力和应变变化的主次因素为侧切刃滑切角、弯折角、正切刃滑切角,当正切刃滑切角16°、侧切刃滑切角68°、弯折角110°时,灭茬刀的应力和应变较优,且方差分析得到各因素对应力和应变的影响均显著。田间试验结果表明:优化设计的灭茬刀较行业标准灭茬率提高9.57%,碎土率提高6.6%,灭茬深度稳定性系数提高4.2%,灭茬刀作业效果优良。 相似文献
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正反转旋耕后土壤和秸秆位移试验分析 总被引：2，自引：0，他引：2
土壤和秸秆在耕作后的位移变化是保护性耕作和秸秆还田重要组成部分。为分析和比较耕作后两者的位移变化,针对正、反转旋耕2种作业方式以及180、230、280 r/min 3种转速设置重复性试验。试验中按刀辊轴向布置标记铝块和横、纵向秸秆,运用示踪法(以点代面)思想,即根据标记的铝块和秸秆前后坐标变化值来代替机具在幅宽范围内土壤和纵、横向秸秆的位移变化。将得到的标记点位置进行标定,并在二维CAD中绘制出标记点在二维地表的形态,该形态与旋耕刀在刀轴上排列相似。2种耕作方式的地表形态和位移对比分析表明:正转旋耕的秸秆埋覆率要高于反旋,反转旋耕破碎率要优于正旋;土壤在耕作后分布较均匀,横、纵向秸秆在正反旋作业后均出现聚集现象,正旋作业更为明显;土壤以及地表秸秆位移反旋作业大于正旋作业,但随着机具转速增加,反旋作业位移呈递减,正旋作业位移呈递增。基于以上因素考虑,可以根据实际作业需要来改变耕作方式、转速以及刀具在刀辊上螺旋线形状来满足不同农艺要求。 相似文献
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斜置旋耕刀侧切刃曲线的理论研究 总被引：6，自引：0，他引：6
在对斜置旋耕动力学分析的基础上，推导出斜置旋耕刀侧切刃动态滑动条件，给出了侧切刃动态滑切角的定义和计算公式，以及计算实例。对比了国际耕刀正置和斜置时的动、静态滑动切角。把斜置旋耕刀的动态滑切角与侧切刃曲线统一于黎卡提（Riccati)微分方程中。该方程对斜置旋耕刀的计算机辅助设计有重要意义。 相似文献
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针对传统旋耕式耕整机在稻-油或稻-稻-油水旱轮作的油菜种植模式下进行耕整地作业易存在整机通过性、适应性差,旋耕装置作业碎土率低、刀辊易缠草、秸秆埋覆性能差等问题,设计了一种驱动圆盘犁与双刃型旋耕刀组合式耕整机。提出先主动犁耕后双刃旋耕、两侧开畦沟的工作方式,分析确定了驱动圆盘犁组主要结构参数以及驱动圆盘犁组-开畦沟前犁布局方式;分析确定了一种应用于驱动圆盘犁与双刃型旋耕刀组合式耕整机的双刃型旋耕装置关键结构参数。依据滑切原理确定了具有长刃部和短刃部的双刃型旋耕刀片关键结构参数;根据驱动圆盘犁组结构布局确定了双刃型旋耕装置为双头螺旋线排列方式。利用离散元仿真方法分析了整机的秸秆埋覆性能以及对土壤耕层交换的影响,结果表明整机作业平均秸秆埋覆率为94.69%,且整机作业后土壤耕层混合均匀。在秸秆留茬量不同的两种工况下进行田间性能试验,田间性能试验表明,驱动圆盘犁与双刃型旋耕刀组合式耕整机作业后平均秸秆埋覆率为96.45%,平均碎土率为95.30%,犁组不堵塞,刀辊不易缠草,机组通过性好;田间播种试验表明,整机播种后油菜出苗均匀,整机作业各项指标均满足稻茬地油菜直播种床整备要求。 相似文献
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在分析逆转旋耕工作的基础上,提出了不动形心线(Fixed Centroid Line-FCL)对逆转耕耘方式影响的思想。在旋耕刀片运动轨迹、逆转旋耕切削角度及逆转旋耕抛土后向性等方面,详细分析了FCL线的影响性质,建立了逆转旋耕被抛土垡瞬时初速度的方向模型,并对模型进行了仿真,为茶园耕作机械的设计提供了参考依据。主要结论:FCL线距刀辊轴的距离小于刀辊回转半径时,旋耕刀片才能够正常工作,且FCL线位于刀辊轴的上方为逆转耕耘方式,位于刀辊轴的下方为正转耕耘方式;在逆转旋耕方式下,当刀片运转到FCL线时,动态切土角最小;当FCL线位于刀辊轴之上,且同时又在地表之下时,逆转旋耕才具有抛土后向性。 相似文献
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针对现有深松旋耕联合作业机多为深松部件在前、旋耕部件在后的组合结构,较少考虑各工作部件作业时之间的相互影响,本文基于深松部件、旋耕部件作业之间的交互作用,设计一种用于深耕的反旋深松联合作业耕整机,通过旋耕、深松、镇压多工序实现表层土壤细碎、秸秆埋覆,深层土壤疏松目的。整机以提高作业质量、减少作业阻力为设计目标,运用离散元仿真与正交试验、有限元仿真结合进行整机参数优化。离散元仿真结果表明:机具作业速度v_m为1.8 km/h、刀轴转速n为350 r/min、旋耕刀类型X为IIT195弯刀时,机具作业壅土量为5 283个土壤颗粒,植被覆盖率为98.37%,此时综合作业质量较优;有限元仿真结果验证了深松铲设计强度满足作业要求。以较优参数组合为基础的田间试验结果表明:反旋深松联合作业耕整机旋耕深度、深松深度、地表平整度、土壤膨松度分别为182.8 mm、388.4 mm、18.3 mm、17.22%;旋耕深度稳定性、深松深度稳定性、植被覆盖率均在90%以上,完全满足深层土壤整地需求;与深松旋耕联合整地机相比,反旋深松联合作业耕整机在不影响作业效果前提下,提高了耕深稳定性、植被覆盖率,同时使牵引阻力降低了16.21%,作业稳定性、可靠性较好。 相似文献
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基于离散元法的油莎豆降阻挖掘装置设计与试验 总被引：1，自引：0，他引：1
目前油莎豆机械化收获方式以正旋旋耕挖掘为主,但工作过程中存在工作阻力大、碎土率低、埋果率高等问题,本文针对油莎豆旋耕挖掘方式进行反旋运动学分析,建立了旋耕刀与油莎豆团聚体离散元模型,结合EDEM进行挖掘过程离散元仿真试验,确定影响旋耕刀工作阻力和刀轴扭矩的结构参数和取值范围,利用Design-Expert进行试验优化与回归分析,确定旋耕刀的最佳结构参数为：弯折角130°、工作幅宽45mm,在相同参数设置下与正旋旋耕方式进行对比试验,工作阻力降低了8.6%,刀轴扭矩降低了5.9%,证明反旋挖掘具有降阻作用。为检验优化设计的旋耕刀作业性能,以埋果率和土壤破碎率作为试验指标进行对比试验,结果表明：反旋作业方式埋果率1.07%,土壤破碎率93.48%,与标准旋耕刀相比,新型旋耕刀油莎豆块茎埋果率减低了1.2个百分点,土壤破碎率提高了1.3个百分点。 相似文献
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自激振动旋耕刀设计与减扭降耗性能分析 总被引：1，自引：0，他引：1
为实现旋耕作业减扭降耗,在国标IT245旋耕刀基础上设计了一种自激振动旋耕刀装置,对其工作原理进行了阐述。通过运动受力分析,完成了其大弹簧参数选型与弹簧心轴腰型孔设计。基于DEM-MBD技术,建立土壤-旋耕刀相互作用仿真模型,分析5种刀轴转速下国标旋耕刀与自激振动旋耕刀所受三向阻力与扭矩变化规律。仿真试验中,刀轴转速为150、200r/min时,减阻降扭效果不明显;转速为250、300r/min时,自激振动旋耕刀相比国标旋耕刀的减阻降扭效果较好,垂向阻力分别降低6.96%、10.41%,且平均扭矩降低率较大,分别为9.80%和19.63%,而转速达到350r/min时,减阻降扭效果下降。通过对2种旋耕刀仿真与土槽试验的平均扭矩进行分析,得出了国标旋耕刀与自激振动旋耕刀平均扭矩变化曲线的相关系数,分别为0.997与0.998,基本验证了DEM-MBD耦合仿真模型的准确性。对土槽试验中采集的Y向（耕作时刀刃振动主要发生方向）振动加速度数据进行频域分析表明,随着刀轴转速的增加,Y向功率谱密度幅值总体呈上升趋势,转速达到300r/min时,激振频率达到装置Y向的固有频率附近,此时发生共振,Y向功率谱密度幅值达到最大值。即此时旋耕刀获得最大能量,扭矩降低幅度最大,减扭降耗的效果最佳。 相似文献