大豆收获机低损伤脱粒机构设计与试验

摘要

大豆收获作业是大豆生产过程关键环节之一，目前我国大部分地区都实现了机械化收获大豆，但大豆机收破损问题较为严重。加大对大豆机收破损机理的研究，设计出适合大豆收获的收割机，降低大豆机收的破损率，对推动我国大豆产业有重要意义。本文针对大豆机收破损问题，对大豆本身的物理特性以及大豆机收过程中引起破损的主要原因开展了研究。掌握了大豆的物理特性，建立了脱粒系统仿真模型，设计出了破损率满足作业质量评价标准的大豆联合收割机脱粒机构。
　　本文主要研究内容有:(1)对大豆的物理特性进行研究。收集了黄淮海地区五个大豆品种的完整植株，利用万能材料试验机对这五个品种的大豆、豆荚以及茎秆的物理特性进行了对比试验研究。对大豆、豆荚三个受力方向进行了压缩试验;对茎秆进行了弯曲试验和剪切试验。(2)对大豆机收全过程分析后找出影响破损最大的是脱粒过程，并从大豆的物理特性出发对稻麦联合收获机脱粒装置中的关键部件进行了重新设计:包括对滚筒钉齿的设计、对滚筒辐盘的设计、对凹板筛的设计、对影响滚筒转速的滚筒链轮的设计。(3)利用EDEM建立脱粒系统仿真模型，包括大豆颗粒的建模、茎秆的建模、脱粒机构的建模、颗粒工厂的建模等。并利用仿真模型进行了单因素四水平模拟仿真试验，初步研究了滚筒转速、钉齿角度、脱粒间隙对破损率的影响规律。(4)根据仿真分析结果缩小设计方案的范围，重新确定设计方案，并试制样机进行三因素三水平中心组合田间试验，处理分析田间试验结果，找出最优参数组合，并把田间试验得到的影响规律与仿真试验做对比分析。
　　本文主要研究成果有:(1)得到了大豆和豆荚三个受力方向的最大承受载荷，以及它们在三个受力方向承受最大压缩力时的破损形式;得到了大豆茎秆的最大弯曲力、剪切力、弹性模量等数据以及它们随茎秆高度变化的规律。试验样品包括黄淮海地区五个大豆品种，代表性较强。为进一步研究大豆、豆荚及茎秆与收割机各部件之间的作用力提供了理论参考依据，为模拟仿真试验提供了各物料的力学参数依据。(2)建立了脱粒系统仿真模型。经田间试验证明，该模型在分析滚筒转速和钉齿角度对破损率的影响时可靠性较高，在分析脱粒间隙对破损率的影响时有一定缺陷，且该缺陷主要是因为大豆豆荚建模的问题。在今后的研究中，完成大豆豆荚的建模后仿真可靠性会进一步提高。对该模型中的颗粒模型、机构模型、材料属性等做合理改动后，可用于小麦、水稻等作物的脱粒系统研究。(3)完成了破损率满足作业质量评价标准的大豆收割机的改进设计。经田间试验证明，当滚筒转速354 r/min、钉齿角度16°、脱粒间隙32mm、凹版筛孔间隙为15mm时，破损率为4.04％、含杂率为1.42％、损失率为1.67％，达到了破损率不大于5％、含杂率不大于5％、损失率不大于3％的大豆联合收割机作业质量评价标准。

目录

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摘要

第一章 引言

1．1 研究目的与意义

1．2 破损机理研究现状

1．2．1 物料力学性能的研究现状

1．2．2 物料与机收装置间作用力的研究

1．2．3 脱粒装置的研究

1．2．4 EDEM在颗粒物料分析上应用的研究

1．3 本章总结

第二章 大豆力学性能试验

2．1 试验材料

2．2 试验设备

2．3 大豆力学特性试验

2．3．1 试验方法

2．3．2 试验过程

2．3．3 试验数据分析

2．4 豆荚力学特性试验

2．4．1 试验方法

2．4．2 试验过程

2．4．3 试验数据分析

2．5 茎秆力学特性试验

2．5．1 试验方法

2．5．2 三点弯曲试验

2．5．3 剪切试验

2．6 本章小结

第三章 大豆收获机脱粒机构设计

3．1 大豆机收破损原因分析

3．2 脱粒系统的工作原理

3．3 确定设计方案

3．3．1 钉齿角度的设计

3．3．2 脱粒间隙的设计

3．3．3 凹版筛栅条间隙的设计

3．3．4 滚筒转速的设计

3．4 本章小结

第四章 基于EDEM的脱粒系统仿真分析

4．1 EDEM软件介绍

4．1．1 离散单元法

4．1．2 EDEM

4．1．3 黏结模型

4．2 脱粒系统模拟仿真试验

4．2．1 仿真试验安排

4．2．2 建立仿真机构模型

4．2．3 建立颗粒模型

4．2．4 脱粒系统仿真

4．2．5 仿真试验结果分析

4．3 本章小结

第五章 脱粒系统参数优化试验

5．1 试验前准备

5．1．1 确定机构设计方案

5．1．2 样机试制

5．2 试验材料

5．3 试验设备

5．4 试验因素及指标选取

5．4．1 试验因素的选取

5．4．2 评价指标的选取

5．5 试验方法

5．6 结果与分析

5．6．1 试验结果

5．6．2 回归模型建立与显著性检验

5．6．3 各因素对性能影响效应分析

5．6．4 试验参数的交互作用分析

5．7 参数优化与验证试验

5．7．1 参数优化

5．7．2 试验验证

5．8 田间试验与仿真试验对比分析

5．9 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简历