挖拔式木薯收获机挖掘装置的研究与性能分析

作     者：王涛 

作者单位：海南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：廖宇兰

授予年度：2016年

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 

主      题：挖拔式木薯收获机 挖掘装置 二阶曲面挖掘铲 振动铲 性能分析 有限元分析 

摘      要：木薯是一种大面积种植高产适用性广泛的经济作物,对民用、能源工业与国防技术等诸多领域具有影响,产业需求量巨大。木薯的收获尚未实现机械化收获,这制约着产业的发展,随着国家政策扶持和新型可再生能源的迫切需求。木薯产业的可持续快速发展亟待木薯实现机械化收获。本文以挖拔式木薯收获机为研究对象,针对现有挖掘装置存在的问题,通过结构设计、力学模型建立与分析、有限元分析等研究,对挖掘装置各部件进行研究分析,并进行了试制和田间试验。主要研究内容与结论如下:(1)调研木薯生物学特性以及种植方式。测量木薯块茎分布宽度,生长深度,最大直径与长度等基本形态物理特征,为挖掘装置结构设计提供基本要求参数。(2)针对项目挖掘铲的问题,参考其他块根作物挖掘装置结构,结合挖拔式的收获机理和土壤压缩破坏理论与粘附特性,研制了二阶曲面挖掘铲和振动铲组合的挖掘装置与限深机构。该挖掘装置具有良好的工作性能,限深机构使挖掘装置具有稳定的耕作深度,加强了机具的工作稳定性。(3)对二阶曲面挖掘铲的结构与参数进行设计。上下磨刃口的铲刃形式使铲的入土性能更优,二阶铲体结构让挖掘铲具备良好的入土和碎土性能,铲面凸起的设计减少了土壤粘附和阻力。为了简化二阶铲的力学特性分析引入了虚拟铲面,便于结构参数优化。(4)根据土壤动力学和物理参数,挖掘铲作业与土壤关系,建立挖掘铲与土壤的受力模型。分析土壤粘附力、内聚力以及摩擦力等因素建立铲的牵引阻力模型。(5)研究拖拉机连杆对挖掘铲倾角的影响,以及入土行程和入土角的关系,从而确定了入土角取值为10°最为适宜。分析铲面倾角与压缩土壤时间与压缩高度关系,表明铲面倾角为30°的碎土性能最佳。根据二阶曲面挖掘铲一阶高度与倾角组合对挖掘铲性能参数的影响,得出二阶曲面铲的结构参数α1=10°,α2=30°一阶铲面高度h1=5cm时性能最优。通过SolidWorks设计挖掘装置三维模型,采用ANSYS进行有限元分析表明,应力应变均在材料的许可范围内,结构安全可靠。(6)研究振动铲的工作原理,分析运动规律曲线,建立振动模型,对振动铲进行静力学校核和模态分析,获得振动铲的变形和应力分布,振动固有频率,为调节优化振动铲振动频率提供依据。(7)二阶曲面挖掘铲通过试制,进行了田间挖掘试验。试验表明,挖掘铲具很好的入土和碎土性能,能形成稳定的耕作深度,达到了木薯收获挖掘所需要求。