丘陵山区果园立式单轴开沟施肥机的研究

摘要

开沟施颗粒肥料是果园施肥的主要方式，是提高水果产量和质量的重要措施。目前这一工作在我国丘陵山区果园主要依靠人工完成，其机械化水平低已经成为制约我国水果产业发展的重要因素。
　　针对这一问题，本文研制了一款适合我国丘陵山区作业的果园开沟施肥机，主要研究内容如下：
　　从丘陵山区果园的作业环境和作业效率考虑，提出开沟施肥机采用井字形开沟，一次作业完成开沟、施肥两项工艺过程的作业方式。根据果园开沟施肥的农艺要求，提出果园开沟施肥机开沟深度大于250mm，宽度小于500mm等相关的设计参数并初步设计了立式单轴果园开沟施肥机，该机开沟部件采用刀片组合立式旋转刀具与清沟犁配合进行开沟作业，施肥装置采用ZGB37R小型电机驱动。为提高机具利用率，初步选择1WG6.3型微耕机作为开沟施肥机的动力机械。
　　在满足农艺要求的基础上，为降低机具作业功耗和提高机具研发效率，通过数学计算和理论分析建立了土壤质点在刀片上的运动学和动力学模型，运用FEM-SPH数值耦合方法对旋转刀具切削土壤的过程进行数值模拟，结果表明：在旋转刀具转速为26rad/s，刀片折弯角为22°的情况下旋转刀具切削土壤平均功耗为2.080kW；运用扭矩—转速测量平台对旋转刀具切削土壤进行试验，得到旋转刀具切削土壤平均功耗为2.172kW，与数值模拟结果的相对误差为4.42%。在误差允许范围内表明采用FEM-SPH数值耦合方法对旋转刀具切削土壤进行数值模拟是可行的，为旋转刀具的优化设计奠定了基础。
　　以对切削土壤功耗影响明显的旋转刀具转速和刀片的折弯角为试验因子，设计二元二次回归正交组合试验，运用FEM-SPH数值耦合方法对回归正交组合试验进行数值模拟研究，建立旋转刀具切削土壤功耗与旋转刀具转速和刀片折弯角的回归方程。运用MATLAB工具箱建立回归方程的数学优化模型并对旋转刀具转速和刀片折弯角进行优化。优化结果表明：在旋转刀具转速为20.3rad/s，刀片折弯角为20.7°时，旋转刀具切削土壤平均功耗最小为1.721kW。
　　运用FEM-SPH数值耦合方法对优化后的旋转刀具切削土壤进行数值模拟，结果表明：优化后的旋转刀具切削土壤平均功耗为1.684kW，与优化结果相对误差为2.15%。运用转速—扭矩测量平台对优化后的旋转刀具进行试验，结果表明：优化后的旋转刀具切削土壤平均功耗为1.831kW，与优化结果相对误差为6.39%。在误差允许范围内，数值模拟和试验结果均表明优化具有较高的准确性。根据优化结果完成对旋转刀具的优化设计，优化后的旋转刀具与初始设计相比切削土壤功耗降低15.70%，优化效果比较明显。
　　运用Ansys-Workbench对旋转刀具的立轴和刀片进行有限元静态分析，结果表明：立轴和刀片均能够满足设计和作业要求，可靠性好。
　　在以上基础上完成立式单轴果园开沟施肥机的设计与优化并完成样机的制作，以1WG6.3型微耕机作为动力机械进行田间试验。结果表明：该立式单轴果园开沟施肥机匹配1WG6.3型微耕机的田间作业性能满足设计要求和农艺要求；能够在丘陵山区果园的狭窄环境中正常作业，平均开沟深度在250mm以上，最大宽度不超过500mm；开沟抛土效果较好，沟底浮土较少，抛土距离小于700mm；每小时可完成开沟作业800m以上，并同时完成施肥工艺。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 国内外果园开沟施肥机械化发展与现状

1.2 国内外果园开沟施肥机研究现状

1.3 FEM和SPH算法在土壤切削问题中的发展与应用

第2章 绪 论

2.1 研究背景与意义

2.2 研究内容

2.3 技术路线

2.4 本章小结

第3章 立式单轴果园开沟施肥机的设计

3.1 基于农机与农艺结合的丘陵山区果园开沟施肥作业方式的研究

3.2 立式单轴果园开沟施肥机设计参数

3.3 开沟部件的设计

3.4 施肥装置的设计与优化

3.5 开沟施肥机传动装置的设计

3.6 立式单轴果园开沟施肥机整机结构与作业原理

3.7 旋转刀具开沟过程的运动学和动力学分析

3.8 本章小结

第4章 基于FEM-SPH的旋转刀具开沟过程的数值模拟研究

4.1 旋转刀具和土壤的本构模型及相关参数

4.2 旋转刀具切削土壤模型的建立

4.3 相关参数设置及其关键字

4.4 旋转刀具切削土壤数值模拟求解与分析

4.5 基于扭矩—转速测量平台的数值模拟结果的试验验证

4.6 本章小结

第5章 果园开沟施肥机旋转刀具的优化设计

5.1 二元二次回归正交组合虚拟试验与分析

5.2 基于MATLAB的最优组合求解

5.3 基于数值模拟与试验的优化结果验证分析

5.4 优化结果

5.5 本章小结

第6章 开沟施肥机关键部件的有限元静态分析

6.1 Ansys-Workbench静态分析简介

6.2 开沟施肥机立轴的静态分析

6.3 开沟施肥机旋转刀具刀片的静态分析

6.4 本章小结

第7章 开沟施肥机田间试验

7.1 立式单轴果园开沟施肥机样机的制作

7.2 立式单轴果园开沟施肥机样机田间试验方案

7.3 柑橘园试验

7.4 猕猴桃园试验

7.5 本章小结

第8章 总结与展望

8.1 总结

8.2 展望

参考文献

附录

致谢

发表论文与参与课题