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农业机械学报 2024年

作者：杨庆璐律政文闫银发杨硕李法德宋占华陈玉军山东农业大学机械与电子工程学院山东省设施园艺智慧生产技术装备重点实验室(筹) 农业装备智能化山东省工程研究中心农业生产机械装备国家工程研究中心江西省农业技术推广中心潍坊海林机械有限公司

桑园耕整地作业是提高桑叶产量的重要基础，根据桑园种植模式和耕整地作业要求，设计了一种适用于桑园的立式旋转动力耙。根据桑园种植模式和耕整地农艺要求确定了动力耙整机结构，通过对耙刀作业过程理论计算和运动学分析，确定耙刀结... 详细信息

桑园耕整地作业是提高桑叶产量的重要基础，根据桑园种植模式和耕整地作业要求，设计了一种适用于桑园的立式旋转动力耙。根据桑园种植模式和耕整地农艺要求确定了动力耙整机结构，通过对耙刀作业过程理论计算和运动学分析，确定耙刀结构参数。利用离散元法对动力耙作业过程进行仿真，分析不同外倾角对耙刀所受扭矩和作业质量的影响以及耙刀作业过程中所受扭矩的变化规律。选取转子转速、前进速度、耙深为试验因素，以碎土率、耙后地表平整度、土壤容重为试验指标，进行了三因素三水平正交旋转组合田间试验。试验结果表明：转子转速和前进速度对碎土率、耙后地表平整度和土壤容重的影响极显著；耕深仅对碎土率的影响显著，对耙后地表平整度和土壤容重均无显著影响。优化计算得到作业参数最优组合：转子转速为350 r/min、前进速度为0.7 m/s、耕深为20 cm，此时碎土率为97.89%，耙后地表平整度为11.04 mm，土壤容重为1.11 g/cm3。以优化得到的作业参数组合进行验证试验，得到碎土率为97.29%，耙后地表平整度为11.53 mm，土壤容重为1.07 g/cm3，与优化得到的结果一致，满足作业要求。

关键词：桑园耕整地动力耙离散元仿真优化设计

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桑园动力耙的优化设计与试验

桑园动力耙的优化设计与试验

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作者：杨硕山东农业大学

学位级别：硕士

蚕桑产业是我国历史悠久的传统产业,桑园管理机械化的实现对促进蚕桑产业的发展具有重要意义。桑树栽植作为蚕桑产业的关键环节,桑园耕作需耗费大量的体力劳动和时间。随着我国工业化、城市化的推进,桑园耕作机械化已势在必行。本文在... 详细信息

蚕桑产业是我国历史悠久的传统产业,桑园管理机械化的实现对促进蚕桑产业的发展具有重要意义。桑树栽植作为蚕桑产业的关键环节,桑园耕作需耗费大量的体力劳动和时间。随着我国工业化、城市化的推进,桑园耕作机械化已势在必行。本文在研究桑园种植模式及桑树树形养成的基础上,结合桑园耕作的要求,研制了一款适用于桑园耕作作业的动力耙,主要研究内容如下:(1)采用筛分法、烘干法、直剪试验等方法测定桑园土壤物理特性参数及力学参数。经测定,桑园土壤质地为砂壤土。并分别测定000 mm、10000 mm、20000 mm、30000 mm土层内土壤密度、含水率、休止角及滑动摩擦角。在000 mm、10000 mm土层内,内摩擦角分别为31.69°、32.33°,内聚力分别为1.54 kPa、5.4 kPa。(2)为建立离散元仿真模型,依据实测的土壤休止角、滑动摩擦角,采用中心组合试验设计方法,利用EDEM软件进行三因素五水平土壤离散元仿真接触参数标定试验,分别得到其回归方程。通过土壤休止角仿真试验,标定土壤-土壤间静摩擦系数、滚动摩擦系数、恢复系数分别为0.88、0.42、0.5时,仿真休止角为47.83°±0.66°,仿真值与试验值相对误差为1.08%;通过土壤-耙刀滑动摩擦角仿真试验,标定土壤-耙刀间静摩擦系数、滚动摩擦系数、恢复系数分别为0.87、0.3、0.32时,仿真滑动摩擦角为27°±0.75°,仿真值与试验值相对误差为2.88%。依据实测的土壤抗剪强度,采用试错法,标定Hertz-Mindlin with Bonding接触模型中的粘结参数。在粘结半径、法向粘结刚度、切向粘结刚度分别为5.6 mm、1×10 N/m、5×10 N/m的情况下,仿真得到临界法向应力为75000 Pa、临界切向应力为75000 Pa时,抗剪强度为67.1 kPa,仿真值与试验值相对误差为1.18%。(3)依据桑园耕整作业要求,确定动力耙的整机结构。通过对耙刀作业过程的运动学分析,确定耙刀结构尺寸与安装方式。并对动力耙齿轮箱体、限深镇压辊及侧边结构进行设计,利用SolidWorks软件绘制了动力耙三维模型。(4)利用EDEM软件建立仿真土槽模型,对动力耙作业过程进行仿真分析。仿真结果显示:随着作业速比λ的增大,土层间的土壤扰动程度加剧。动力耙转子转速、前进速度、耕深对耙后地表平整度、土壤容重均具有显著影响。对不同外倾角耙刀作业所受扭矩及作业效果进行了仿真分析,得到耙刀外倾角较优范围为10°0°。分析了耙刀作业过程中所受扭矩的变化规律,并由扭矩计算得到了耙刀的作业功耗,确定动力耙的配套动力为40 kW。(5)进行动力耙田间试验。以转子转速、前进速度、耙深为试验因素,进行三因素三水平正交回归试验。以碎土率、耙后地表平整度、土壤容重为试验指标,分析各因素对动力耙作业效果的影响。试验结果显示:转子转速、前进速度对碎土率、耙后地表平整度、土壤容重的影响是极显著的;耕深仅对碎土率的影响是显著的,对耙后地表平整度、土壤容重均无显著影响。利用响应面法优化出动力耙作业参数的最优组合是:转子转速为350 r/min,前进速度为0.7 m/s,耕深为20 cm时,碎土率为97.89%,耙后地表平整度为11.04 mm,土壤容重为1.11 g·cm。验证试验表明:转子转速为365 r/min,前进速度为0.7 m/s,耕深为20 cm时,碎土率为97.29%,耙后地表平整度为11.53 mm,土壤容重为1.07 g·cm。

关键词：桑园管理动力耙离散元仿真优化设计

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