微耕机刀辊的优化设计及切土性能研究

作     者：张引航 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨明金;杨玲

授予年度：2017年

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 

主      题：旋耕弯刀 旋耕刀辊 几何参数 切土性能 数值模拟 

摘      要：微耕机主要用于水、旱田耕整、田园管理和设施农业等耕耘作业,它可以直接用驱动轮轴驱动旋转工作部件,即刀辊。刀辊是微耕机的耕作部件,即微耕机的刀具。微耕机的作业质量、操作性、振动和噪音、能量消耗等在很大程度上取决于刀辊的设计制造及其与切土参数的匹配。刀辊由旋耕弯刀和刀轴组成,弯刀按一定排列方式安装在刀轴上。旋耕弯刀的正切部和侧切部担负切土工作,其几何参数直接影响刀辊及微耕机的工作性能。目前,微耕机刀辊的选型和设计主要基于对传统耕耘机刀辊几何和切土参数的借鉴和改进,依赖于经验和实际试验。各微耕机生产企业所配刀辊(主要是旋耕弯刀)的形状、结构和切土参数差异较大,整机性能匹配不尽合理,缺乏理论指导。针对微耕机刀辊选型和设计理论的不完善,以及旋耕弯刀参数设计和选择标准不完善等问题,本文对旋耕弯刀几何参数建模、背角建模和旋耕刀辊排列设计,以及旋耕弯刀和刀辊的动力学仿真切土试验等关键技术进行了研究,设计并优化了微耕机刀辊的形状、结构和切土参数,形成了微耕机最优刀具选型和设计方法。本研究能为微耕机刀辊设计和整机性能匹配提供理论依据。本文的主要研究结果包括:(1)建立了旋耕弯刀参数化模型和背角数学模型,在此基础上研究了正切刃包角与背角的关系,分析了旋耕弯刀弯折角与背角的关系。结果表明,包角和弯折角对背角的影响显著,都呈正相关,对研究旋耕弯刀切土性能有重要影响。(2)运用有限元分析软件ANSYS/Workbench对旋耕弯刀进行静力分析,得到旋耕弯刀受力时的等效应力应变及总变形分布情况,从理论上验证了基于旋耕弯刀参数模型优化设计的旋耕弯刀的合理性。(3)通过基于SPH算法的仿真切土方法,分析了文中旋耕弯刀的切土性能,以及对比分析了Alpha角对旋耕弯刀切土性能的影响,为研究旋耕弯刀几何参数与其切土功耗之间的影响关系提供了理论依据。(4)对旋耕刀辊进行优化设计,得到优化旋耕刀辊模型,并通过基于SPH算法的仿真切土方法,对比研究了优化旋耕刀辊与传统旋耕刀辊在切削土壤时动力学性能和能量消耗的差异。结果表明,相对于传统旋耕刀辊,优化旋耕刀辊的切土性能更优,其切削功率比传统旋耕刀辊减小10%。(5)对比分析了两组刀辊的仿真计算功率与估算功率。结果表明,两者之间的相对误差较小,说明基于SPH算法的切土仿真用于旋耕刀辊切土性能研究是可行的。