自激振动深松机关键部件的设计与试验研究

摘要

长期传统的浅层翻、旋耕作业和大型农业机械的应用，使土壤形成了一层又厚又硬的犁底层。深松可以改善土壤质量，但是深松机发展受到阻力大、能耗高的阻碍。自激振动理论应用于土壤耕作，成为深松机减阻降耗的新方法，本论文首先阐述了国类外深松机的发展现状，基于自激减阻原理设计自激振动深松机。本文采用Solidworks进行三维模型建模，并利用ANSYS软件对关键部件进行静力学分析，基于应用离散元法对“土壤-深松铲”模型进行研究，并实施样机田间试验，主要研究内容如下：
　　（1）借鉴国内外现有振动深松机机型，基于自激振动减阻机理设计自激振动深松机，并利用Solidworks软件进行三维模型建模；对关键部件：自激振动弹簧、深松机构和弹簧心轴固定销轴进行设计，确定试验所用三种自激振动弹簧尺寸与类型，深松铲和弹簧心轴固定销轴的等效应力、等效应变和总变形云图通过ANSYS软件静应力仿真得到，分析对主要受力与变形部位进行强化以保证关键受力部件的可靠性。利用Caxa绘制二维工程图，并加工制造自激振动深松机样机；
　　（2）基于离散元法，建立以不同直径球形土壤颗粒组合为基本单元的土壤颗粒模型区分表层与犁底层颗粒，并建立了土壤与深松铲接触模型，通过土壤筛分试验和直剪试验测定EDEM仿真下土壤参数，并分析不同耕速、耕深下深松铲所受牵引阻力规律，结果表明，随着耕速和耕深的增加，自激振动深松机所受牵引阻力增加。
　　（3）在不同耕深、耕速和弹簧型号下对自激振动深松机进行牵引阻力全组合田间试验，并以非振动组为对照组。试验表明：在不同的耕深和耕速下，弹簧振动深松牵引阻力比非振动时小，说明自激振动能减小深松牵引阻力。不同处理方式深松所受牵引阻力随着耕深和耕速的增加而增加。但当耕深较浅、耕速较小时，弹簧Ⅰ和弹簧Ⅱ的减阻效果比弹簧Ⅲ的减阻效果明显。当耕深为25cm，速度为2.5Km/h时，弹簧Ⅱ相较于非振动减阻达到47.79％；当耕深为25cm，速度为3Km/h时，弹簧Ⅰ相较于非振动减阻达到50.36%；当耕深为35cm，速度为3.5Km/h时，弹簧Ⅲ相较于非振动减阻达到65.44%，说明弹簧选型影响自激振动深松减阻效果。
　　（4）通过对土壤物理特性如土壤坚实度、土壤密度、土壤容重、土壤含水率、土壤蓬松度和扰动系数的测定综合分析深松效果，试验结果表明：耕作后无论非振动还是自激振动深松均能使耕层土壤坚实度、密度和容重下降。相较于非振动深松，弹簧Ⅲ耕作后>15-30cm耕层坚实度下降17.44%，0-15cm耕层坚实度下降20.17%，弹簧Ⅱ耕后0-15cm耕层坚实度下降23.24%，>15-30cm耕层坚实度下降10.09%；在0-15cm耕层，弹簧Ⅲ相较于非振动，土壤密度下降6.02%，在>15-30cm耕层为16.29%；弹簧Ⅲ相较于非振动情况，在0-15cm耕层和>15-30cm耕层，土壤容重下降依次为4.11%和13.73%；弹簧Ⅱ相较于非振动情况，在0-15cm耕层和>15-30cm耕层，土壤容重下降依次为2.05%和7.84%；弹簧Ⅰ与非振动对各耕层土壤容重相差不大，同时对于>30-45cm的深层土壤自激振动和非振动情况对于土壤密度减小效果相差不大，深层深松时，由于牵引阻力增加使弹簧被完全压缩，深松效果下降。相较于耕前，非振动、弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ和弹簧Ⅲ耕作方式下，0-15cm表层土的土壤含水率下降依次为4.04%、11.27%、9.25%和8.08%，因为土壤水分蒸发，导致耕后土壤含水率下降；3个行程的土壤蓬松度和土壤扰动系数依次为16.47%和55.49%，均满足试验指标，表明自激振动深松机深松效果良好。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 深松机械的国内外研究现状

1.3 离散元法在土壤机械中的研究进展

1.4 研究方法、内容及技术路线

1.5 本章小结

第二章 自激振动深松机及其关键部件设计与仿真

2.1 自激振动深松机结构与工作原理

2.2 自激振动深松机关键部件设计

2.3 自激振动深松机关键部件有限元仿真

2.4 本章小结

第三章 基于EDEM的自激振动深松机仿真分析

3.1 离散元土壤接触模型与算法

3.2 土壤参数的测定

3.3 EDEM模型的建立

3.4 深松过程EDEM仿真分析

3.5 本章小结

第四章 自激振动深松机的田间试验

4.1 试验时间、地点及设备

4.2 自激振动深松机牵引阻力的测定及分析

4.3 深松作业的效果分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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