基于离散元法的免耕播种开沟器的设计与试验

摘要

播种开沟器作为免耕播种机的核心工作部件之一，其性能好坏直接影响种沟的形成及种子入土的位置，对种子的发芽成长具有十分重要的影响。免耕播种要求尽量减少工作阻力、同时降低对土壤的扰动，防止破坏土壤结构。因此，对免耕播种开沟器工作时受到的工作阻力及其对土壤扰动情况进行深入研究具有十分重要的意义。
　　本文以免耕播种开沟器和耕层土壤为研究对象，测试分析了土壤的力学性能参数，设计了三种不同类型的开沟器，运用离散元法对开沟器工作时受到的工作阻力及其对土壤扰动情况进行了仿真分析，并将仿真结果与室内土槽试验结果进行了对比分析。具体研究内容如下:
　　(1)对土壤的物理力学性质进行测试，得到了土壤的物理力学参数，包括土壤含水率、密度、内摩擦系数等。
　　(2)对开沟器进行了设计。根据旗鱼头部的流线型曲线，采用曲线拟合原理设计了拟合曲线型开沟器，确定了开沟器的结构参数，其中入土角为30°，入土隙角为6°，又将拟合曲线简化为圆弧和斜线，设计出圆弧形开沟器和斜线型开沟器，并对三种类型开沟器进行了三维建模。
　　(3)对设计的三种类型开沟器进行离散元仿真分析。首先，建立了适合粘湿土壤颗粒的接触力学模型，对土壤颗粒参数进行了校准，包括颗粒形状大小、颗粒密度等;其次，确定了三种开沟器的仿真方案，并进行离散元仿真;最后，分析了三种开沟器受到的工作阻力及其对土壤颗粒的扰动情况。仿真结果表明:综合因素条件下，三种开沟器的工作阻力随土壤含水率的增加而增大，随着开沟深度增加而增大，开沟器的前进阻力在21～106N之间，垂直反力在10～35N之间，开沟器的扰动宽度在140～220mm之间，回土深度在17～80mm之间。
　　(4)进行了三种类型开沟器的土槽试验。测试了三种开沟器在不同土壤含水率和开沟深度下的工作阻力，以及各因素下开沟器对土壤的扰动宽度、回土深度等参数。试验结果表明:综合因素条件下，三种开沟器的工作阻力随土壤含水率的增加而增大，随着开沟深度增加而增大，三种开沟器的前进阻力在26～125N之间，垂直反力在13～42N之间，开沟器的扰动宽度在240～360mm之间，回土深度在13～79mm之间。
　　通过对试验结果与仿真结果进行对比分析，得出三种开沟器工作阻力的仿真结果与试验结果的变化趋势基本一致，证明了离散元法分析开沟器在土壤中工作过程的可行性，对比分析结果表明:土壤含水率为12％条件下，以开沟深度为影响因素，开沟深度为30mm时的开沟器工作阻力结果对比误差在20％～35％之间，开沟深度为60mm时的对比误差在14％～19％之间，开沟深度为90mm时的对比误差在8％～19％之间;同时对三种类型开沟器的工作阻力和土壤扰动情况进行对比分析，以开沟器类型为影响因素，得出拟合曲线型开沟器的工作阻力最小且其对土壤颗粒的扰动宽度最小，回土深度最好，说明拟合曲线型开沟器能够达到降低阻力和减轻对土壤扰动的效果。

目录

声明

1 引言

1．1 选题的背景与意义

1．2 播种开沟器的类型及国内外研究现状

1．2．1 播种开沟器的类型及其特点

1．2．2 播种开沟器的国外研究现状

1．2．3 播种开沟器的国内研究现状

1．3 离散元法及在土壤切削中的应用

1．3．1 离散元法简介

1．3．2 离散元软件EDEM

1．3．3 离散元法在土壤切削中的应用

1．4 本文的主要研究内容

1．5 技术路线

2 土壤参数测定及分析

2．1 土壤物理参数的测定

2．1．1 土壤粒径的测定

2．1．2 土壤含水率测定

2．1．3 土壤密度

2．2 土壤力学参数的测定

2．2．1 土壤内聚力和内摩擦系数的测定

2．2．2 土壤坚实度的测试

2．2．3 土壤剪切模量和泊松比的确定

2．3 本章小结

3 播种开沟器的设计

3．1 播种开沟器的设计原则

3．2 开沟器的设计

3．2．1 最小二乘法分段曲线拟合原理

3．2．2 拟合曲线数学模型的建立

3．3 开沟器的结构及基本参数的确定

3．4 本章小结

4 播种开沟器的离散元仿真分析

4．1 开沟器仿真试验方案的确定

4．2 离散元模型的建立及参数校准

4．2．1 土壤颗粒间接触模型的确定

4．2．2 离散元模型参数的校准

4．2．3 边界模型的建立

4．3 开沟器工作过程的仿真及结果分析

4．3．1 开沟深度对工作阻力的影响

4．3．2 土壤含水率对工作阻力的影响

4．3．3 开沟器类型对工作阻力的影响

4．3．4 开沟器对土壤扰动情况的影响

4．4 本章小结

5 播种开沟器的土槽试验

5．1 试验条件及装置

5．1．1 试验前准备

5．1．2 试验台车前进速度标定

5．1．3 连接测试系统

5．2 开沟器土槽试验

5．2．1 试验方案的制定

5．2．2 试验结果

5．2．3 开沟深度对工作阻力的影响

5．2．4 土壤含水率对工作阻力的影响

5．2．5 开沟器类型对工作阻力的影响

5．2．6 开沟器对土壤扰动情况的影响

5．3 试验结果与仿真结果对比分析

5．3．1 不同开沟深度的影响

5．3．2 不同土壤含水率的影响

5．3．3 土壤扰动情况的对比

5．4 本章小结

6 总结与讨论

6．1 总结

6．2 讨论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文