基于离散元法的菠菜收获机根切铲优化设计与试验

作     者：李金光 

作者单位：山东农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苑进;王连文

授予年度：2020年

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 

主      题：蔬菜收获 根土复合体 物理特性实验 离散元仿真 

摘      要：我国是绿叶蔬菜的种植大国,但收获方式较为落后,机械化程度较低,主要以人工采收为主,造成了人力资源的浪费,降低了经济效益。少有的绿叶菜收获机械也是以留茬切割的无序收获机械为主,此收获模式不仅有着损耗大、污染高等问题,而且不符合我国成捆销售的消费习惯,因此有必要研制符合我国国情的绿叶菜整株有序收获机械。破土铲根作为绿叶菜收获的重要环节,根切铲的研制便成为绿叶菜收获机设计的关键步骤,鉴于此,本文设计了一种新型根切铲,可以兼具切根与根系聚拢功能。本文以绿叶菜中常见的菠菜为研究对象,从根土复合体特性着手,利用EDEM仿真软件、Design-Expert分析软件等对根切铲进行仿真分析与优化,研究了土壤-植株-部件间的相互作用规律,并搭建试验台进行室内采收试验验证根切铲工作性能。本文的具体研究内容主要包括以下4部分。(1)对菠菜根系进行物理特性实验,研究其力学特性。通过相关仪器设备测定菠菜根的三维外观尺寸、含水率、摩擦系数等物理特性。借助万能试验机等设备测定菠菜根的生物力学特性,得到了菠菜根的峰值剪切力为31.2N、峰值压缩力为113.8N,为根土复合体的建模与理论分析等提供数据支持。(2)建立菠菜根柔性体模型,基于离散元法接触力学模型的本构方程,结合菠菜根的物理力学特性确定菠菜根的粘结参数为:法向刚度系数为5.7×10 N/m,切向刚度系数为3.6×10 N/m,临界法向应力为1.95MPa,临界切向应力为4.2MPa,粘结半径为0.8mm,由此结合土壤模型建立菠菜根根土复合体。之后利用仿真与实验相结合的方法,参考相关文献对根土复合体模型的各项参数进行标定,确定最终的仿真模型,为根切铲的结构设计、模拟仿真等提供必要的理论基础。(3)根据采收农艺与项目需求,创新设计了一种新型根切铲,可以减小铲切阻力并且聚拢根系。本研究建立了根切受力模型,对铲刀的关键参数进行了计算优化,确定了铲刀滑切角为60°,刃口角为45°。利用离散元法进行根土复合体铲切仿真,明晰新型根切铲的工作机理,确定影响根切铲工作性能的主要参数。结合响应面与正交仿真设计,对根切铲各项参数进行优化,确定根切铲的最优设计参数为:铲翼角度76°、铲翼长度占比为57%、铲槽面积占比为40%;最佳工作参数为:入土深度18mm,入土角度5°,铲切速度0.18m/s。(4)为验证仿真的准确性与根切铲的工作性能,根据菠菜种植农艺,结合拔取输送装置研制收获试验平台。以菠菜根切率与收获率为试验标准,进行了菠菜采收室内试验,最终得到根切合格率的平均值为93.3%,采收率的平均值为90%。本次研究可以为菠菜收获机的研制提供理论指导与支持。