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马铃薯联合收获薯土分离特性研究与机构优化

马铃薯联合收获薯土分离特性研究与机构优化

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作者：李聿尧中国农业科学院

学位级别：硕士

马铃薯作为我国第四大粮食作物,具有营养均衡、用途多样的特点。目前国内成熟的马铃薯联合收获装备仍较少,其薯土分离环节仍存在薯块容易受损、清土能力较低的情况。为了提高马铃薯联合收获薯土分离的作业效果,本文对带杆式薯土分离装... 详细信息

马铃薯作为我国第四大粮食作物,具有营养均衡、用途多样的特点。目前国内成熟的马铃薯联合收获装备仍较少,其薯土分离环节仍存在薯块容易受损、清土能力较低的情况。为了提高马铃薯联合收获薯土分离的作业效果,本文对带杆式薯土分离装置进行了一系列试验研究。以我国西北地区广泛种植的马铃薯品种作为研究对象,对收获期薯块和土壤的相关物理特性参数进行了探究。基于实际收获需求与田间情况确定了带杆式薯土分离机构的设计方案,对分离作业时机构、薯块、土壤三者的交互作用机理进行了研究分析;借助DEM-MBD耦合仿真手段探究了影响薯土分离效果的关键因素,确定了粗细间隔型分离带杆的工作参数与结构参数的最优组合。本研究能为高效低损的小型马铃薯联合收获装备的研制和优化提供一定的参考借鉴。本文所进行的主要研究内容与所得结论如下:(1)以我国西北地区广泛种植的“陇薯七号”作为研究对象,测量其含水率、密度、压缩特性和碰撞恢复系数,并探究了不同杀秧时间对各参数的影响显著性。对试验结果进行单因素ANOVA分析可得:不同杀秧时间对薯块的含水率、泊松比和密度的影响不显著;薯块的压缩破坏力、弹性模量和剪切模量则随着杀秧时间的增加而显著上升;薯块之间的碰撞恢复系数和薯块与钢板之间的碰撞恢复系数均随杀秧时间增加而显著减小。(2)以马铃薯收获期的田间土壤作为试验对象,通过圆桶提升法测得土壤堆积角的大小、通过万能试验机测得土块剪切最大破坏力。并以此为指标,分别建立相应的离散元仿真模型,对土壤颗粒的离散元参数进行标定。根据堆积角仿真试验确定了土壤的本征参数、土壤颗粒间的接触参数、土壤颗粒与钢(机构)之间的接触参数。根据土块剪切破碎仿真试验,确定土块破碎bond模型所需粘结参数。(3)基于收获要求与田间实际情况,对带杆式薯土分离机构及其在小型联合收获装备整机内的布局结构进行了分析与设计,初步设计了三种不同杆条形式的分离带杆。并对分离作业过程中杆条的运动变化、薯块运动特性、土壤筛分情况、土块破碎情况进行了理论分析,明确了影响薯土分离特性的关键因素。(4)基于实际试验测量的马铃薯块茎物理参数和仿真标定试验确定的土壤离散元参数,通过EDEM软件和Recur Dyn软件建立了DEM-MBD耦合的薯土分离作业仿真模型,分析了分离过程中土薯混合物内薯块和土壤颗粒的速度、位移变化情况以及大土块破碎的情况。通过单因素试验探究各因素对薯块损伤情况和土壤清除效果的影响规律,并通过对比三种不同杆条结构分离带杆的薯土分离效果完成杆条结构的选型,确定以粗细间隔型分离带杆为基础进行进一步的结构与工作参数优化。(5)基于Box-Behnken试验设计原理,以粗细杆直径之比、带杆角度、带杆线速度以及收获前进速度作为四个影响因素,以定义的薯块损伤系数和土壤清除率作为两个评价指标,在已搭建的仿真模型上开展参数优化试验。分别建立影响因素与评价指标间的回归模型并确定各因素对薯块损伤和清土效果影响的主次顺序。再进行多目标优化求解,确定粗细间隔型分离带杆的结构参数与工作参数的最优组合为:粗杆直径为16mm、细杆直径为10mm的分离带杆在作业角度为17.5°,带杆的线速度为1.20m/s,收获前进速度为0.80m/s进行薯土分离作业时效果最好。以此组参数进行仿真试验的结果为薯块受损系数401.00,土壤清除率98.61%;进行田间试验的结果为薯块破皮率0.53%,薯土质量比1.582,薯土分离效果有明显提升。

关键词：马铃薯联合收获薯土分离带杆式分离机构 DEM-MBD耦合仿真参数优化

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