单行振动式马铃薯挖掘机关键部件的设计与试验研究

摘要

中国马铃薯种植区域比较广泛，不同区域的马铃薯收获时土壤条件、地块大小等条件不尽相同，与之相适应马铃薯收获机结构、所需动力和挖掘深度等参数不同;本课题针对丘陵山地马铃薯机械化地块小、坡度大等影响马铃薯收获的关键技术问题;采用建立、分析数学模型法、仿真试验、田间试验和方差分析等方法，推导出挖掘铲和振动筛的运动学方程，并对挖掘铲和振动筛等关键部件进行理论分析;对五杆机构及双四杆机构进行了仿真分析，确定了关键参数并对整机进行了结构设计;通过牵引阻力和田间试验证明了其性能参数的正确性;解决了丘陵山地马铃薯收获无法机械化的瓶颈问题，彻底解决丘陵山地马铃薯收获中农机农艺融合难题;为丘陵山地马铃薯机具的研究设计提供了理论参考和新思路。
　　主要研究内容如下:
　　(1)根据马铃薯收获的农艺要求，对关键部件（挖掘铲、分离筛等）进行了理论分析，确定了它们的关键技术参数，进而对关键部件进行了结构设计。在此基础上对传动系统、挖掘铲和分离筛等进行了运动分析，得出各关键部件的运动学解析式。
　　(2)在整机机构的五杆机构及双四杆机构理论分析的基础上，应用ADAMS进行了建模和虚拟仿真，验证了挖掘铲与分离筛同步异向运动抵消了部分惯性力。
　　(3)采用理论分析及试验相结合方法，进行了空载及加载情况下的田间牵引阻力试验，并采用方差分析法对试验数据进行分析，得到了回归方程，得到了理想的响应曲面，优化得到了最优参数组合，验证振动减阻原理正确可行。
　　(4)进行马铃薯收获机田间挖掘试验，采用方差分析法对实验数据进行分析得出回归方程，并进行优化处理，得出最优参数组合;同时进行性能测试，结果为此振动式马铃薯收获机完全满足丘陵山地小地块马铃薯收获作业田间生产要求且超出国家标准。
　　相关研究结果:
　　(1)通过理论计算确定挖掘铲和分离筛的主要结构参数:挖掘铲由平面铲和栅条构成，挖掘铲铲面长度为180mm、宽度为496mm、高度为273mm、倾角为21～25°，栅条长度为135mm、间距为30mm，栅条数量为22根。分离筛采用摆动式分离筛，分离筛由U型支架和栅条焊接组成，其主要结构参数分别为U型支架长度为35mm、宽度为580mm、高度为250mm，倾角为7～8°，栅条长度不等，栅条间距为30mm，栅条数量为23根。
　　(2)确定由偏心轮、连接衬套、铰接臂以及振动架构成的空间五杆RRRSR机构和挖掘铲、振动筛构成的双平面四杆机构结构参数，并运用封闭矢量三角形法分别构建了振动架、挖掘铲和分离筛运动学模型，得出了振动架、挖掘铲、分离筛的角位移、角速度与角加速度运动学解析式，得出挖掘铲上任一点与分离筛上任一点的位移、速度与加速度解析方程式，求出了挖掘铲和分离筛的质心在极限工作位置时相互抵消的惯性力在53.66～1117.291N之间。
　　(3)对整机进行Adams运动学建模与仿真，得到关键工作部件的角位移、角速度和角加速度的运动参数曲线图，通过分析挖掘铲和分离筛的运动参数曲线图，验证其运动特性满足了设计要求，实现了挖掘铲与分离筛的同步异向振动，相互抵消部分惯性力。
　　(4)进行了田间牵引阻力试验，验证了铲筛振动减阻效果显著。以挖掘深度、传动轴转速、牵引速率为试验因素，牵引阻力为试验指标，采用Box-Behnken响应曲面试验方法，运用Design-Expert8.0.6软件进行数据处理，通过方差分析和响应曲面分析，获得各因素对牵引力影响的主次顺序为挖掘深度、偏心轮转速、牵引速率。通过优化得最优参数组合为:挖掘深度为200mm，偏心轮转速为540r/min，牵引速率为0.57km/h，此条件下的牵引阻力为1076.34N，较机器无振动时降低30.5％。
　　(5)田间试验表明马铃薯挖掘机的各项作业性能指标满足了丘陵山地小地块马铃薯收获作业田间生产要求。以偏心轮转速、分离筛水平位置与分离筛角度位置为试验因素，明薯率和伤薯率为评价指标，采用Box-Behnken响应曲面试验方法，运用Design-Expert8.0.6软件进行数据处理，通过方差分析和响应曲面分析，确定各因素对各指标的影响主次顺序，其中偏心轮转速和分离筛角度位置对明薯率和伤薯率影响都较大，分离筛水平位置对指标影响都较小。通过优化得最优参数组合为:偏心轮转速为241.97 r/min、分离筛水平位置位于0.18标定位、分离筛角度为60°，此条件下进行性能试验获得马铃薯收获机的性能指标为:明薯率为97.43％、伤薯率为3.52％、损失率为3.18％、可靠度为97％、纯工作小时生产率为0.36hm2/h、单位燃油消耗量为6.73％，达到国家标准且满足田间作业要求。
　　本课题解决了丘陵山地马铃薯机械化收获的瓶颈问题，农机农艺融合为马铃薯收获机械的研究提供了新技术、新机具、新思路。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 国外研究现状及分析

1．2．2 国内研究现状及分析

1．3 研究的主要内容及技术路线

1．3．1 研究的主要内容

1．3．2 技术路线

2 马铃薯挖掘机关键部件的设计

2．1 马铃薯挖掘机的设计要求

2．1．1 马铃薯的种植模式

2．1．2 马铃薯挖掘机的农业技术要求

2．1．3 马铃薯挖掘机整体结构和工作原理

2．2 挖掘部件的设计

2．2．1 挖掘铲的设计原则

2．2．2 挖掘铲方案的选择

2．2．3 挖掘铲的结构设计及参数确定

2．3 分离部件的设计

2．3．1 分离部件的设计原则

2．3．2 分离部件方案的选择

2．3．3 分离筛的结构设计及参数确定

2．4 本章小结

3 马铃薯挖掘机的运动分析

3．1 传动系统的组成与分析

3．1．1 传动系统的组成结构和工作过程

3．1．2 传动系统的运动学分析

3．2 工作系统的组成与分析

3．2．1 工作系统的组成结构和工作过程

3．2．2 挖掘铲的运动学分析

3．2．3 分离筛的运动学分析

3．3 极限工作位置求解

3．4 本章小结

4 马铃薯挖掘机的虚拟仿真

4．1 虚拟样机技术简介

4．2 马铃薯挖掘机的建模与仿真

4．3 仿真结果

4．3．1 关键部件运动参数的仿真结果

4．3．2 挖掘铲和分离筛惯性力的仿真结果

4．4 结论

5 马铃薯挖掘机的试验研究

5．1 牵引阻力试验

5．1．1 试验目的

5．1．2 试验方法

5．1．3 试验设备

5．1．4 试验条件及田间调查

5．1．5 试验过程及结果分析

5．2 田间挖掘试验

5．2．1 试验目的

5．2．2 试验方法

5．2．3 试验设备

5．2．4 试验条件及田间调查

5．2．5 试验结果及分析

5．3 本章小结

6 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文