基于SPH法的振动旋耕过程减阻机制和微耕机振动特性研究

作     者：王云霄 

作者单位：河南农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘晓潺;郝庆乐

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0828[工学-农业工程] 

主      题：微耕机 旋耕 SPH 有限元 

摘      要：微耕机在耕作过程中,存在严重的振动,降低了设备的可操作性和可靠性。微耕机刀辊的土壤切削过程,严重影响微耕机的动力学特性,将刀辊土壤切削过程耦合到微耕机的振动模型中,是微耕机振动模型建立的难点;振动旋耕是一种有效的降低土壤切削阻力的手段,但是振动旋耕对微耕机整机振动特性的影响尚未得到充分研究。针对以上问题,本文进行了以下研究,为振动式旋耕设备的研发奠定了基础。首先,基于SPH粒子法对旋耕刀切削土壤过程进行了仿真分析,将仿真得到的切削力与经验公式计算得到的切削力进行对比,误差为16%,验证了仿真模型的正确性。仿真分析结果表明:随着转速和耕深的增大,垂直方向切削力增大;随着转速增大,土壤粒子获得的动能增大,但所获动能百分比有所下降。而随着耕深增大,土壤所获动能与动能百分比均有所增加。表明单纯提高转速来改善土壤耕作效果的方法具有局限性,而增大耕深对优化土壤耕作效果有正向意义。其次,通过刀辊偏心的方式,实现了振动旋耕,基于SPH粒子法建立了振动旋耕过程的有限元模型,对不同偏心距作用下的振动旋耕过程进行了仿真分析,将分析结果与无振动旋耕过程进行对比,结果表明:振动旋耕作用下,土壤切削力显著减小,并在偏心距为0.05m时土壤切削阻力最小。振动旋耕是有效的减小土壤切削阻力的手段。对1WGQ4-70微耕机结构进行简化,并将基于SPH粒子法仿真得到的土壤切削力耦合到微耕机的振动模型中,建立了考虑刀具和土壤之间相互作用力的微耕机振动系统模型,对微耕机的振动特性进行了仿真分析。将仿真得到的微耕机发动机和刀辊振动的RMS值与振动测试得到的数值进行对比,误差分别为27.66%和13.08%,证明了微耕机振动模型的有效性。然后考虑振动旋耕过程刀辊的偏心激振力,建立了振动旋耕过程的微耕机振动模型,对不同偏心距作用下的微耕机振动模型进行了仿真分析。与无振动旋耕相比,微耕机各主要部件的RMS值有小幅增大;但是在0.040m到0.060m的偏心距范围内,当偏心距为0.050m时微耕机主要部件的RMS值最小。因此,在振动旋耕的过程中,为了取得最好的减阻和减振效果,应该合理选择偏心距的值。