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基于离散元法的立式旋耕作业分析与关键部件参数优化

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基于离散元法的立式旋耕作业分析与关键部件参数优化

作者：扈伟昊青岛理工大学

学位级别：硕士

我国耕地资源丰富,但人均耕地较少,属于人均耕地面积相对稀缺的国家。而长期高负荷的周年无间断耕种使耕地土壤的地力和肥力下降,加之连年的翻耕、浅旋作业造成耕层土壤变浅、犁底层上移,导致我国耕地资源质量形势严峻。基于以上分析,... 详细信息

我国耕地资源丰富,但人均耕地较少,属于人均耕地面积相对稀缺的国家。而长期高负荷的周年无间断耕种使耕地土壤的地力和肥力下降,加之连年的翻耕、浅旋作业造成耕层土壤变浅、犁底层上移,导致我国耕地资源质量形势严峻。基于以上分析,为改变我国耕地质量现状,除实施轮作休耕模式外,还须在耕整作业环节中增加耕层的深度,打破耕地的犁底层,以改善耕层环境。深耕深松作业能打破犁底层,疏松土壤,大幅增加耕作层深度,改善土壤团粒结构,增强保水保肥能力。立式旋耕作为一种深耕技术,不仅可以打破犁底层以增加耕层深度,还具有碎土效果好、耕作中无生土遗漏等特点,在不打乱耕地土层空间结构的同时,还可适应高速作业条件,在我国逐渐推进规模化种植和土壤质量改善的背景下具有良好的应用前景。然而立式旋耕技术在市场的应用过程中也存在着一些问题,如在刀具的设计环节,生产立式旋耕刀的厂家较多,但各厂家在设计刀具时没有统一的参考标准,一些厂家设计的刀具结构不合理,导致旋耕刀作业效果较差、寿命较短。另外,在刀具应用中,由于作业参数选择不当,造成立式旋耕作业效果质量较差,机具所受的阻力和阻力矩也很大,大幅增加机具的能耗和磨损。因此,明确立式旋耕作业过程中,旋耕刀与土壤间的相互作用机制,分析立式旋耕刀的结构设计参数对作业效果的影响,分析优化得到立式旋耕最佳作业参数用于指导实际生产,对立式旋耕作业技术的推广与应用具有重要意义。本文拟通过离散元仿真和田间对比试验对立式旋耕作业过程进行分析,并对立式旋耕的关键部件旋耕刀的结构参数和作业参数进行分析和优化。具体的研究内容如下:(1)测定土壤参数,建立离散元仿真模型。通过对试验所用的土壤进行参数标定试验,结合现有的研究基础获得仿真试验所需的耕层土壤和犁底层土壤的参数,确定土壤颗粒模型及材料间的接触模型,并通过Solid Works构建立式旋耕刀的三维边界模型,完成仿真的前置工作。(2)立式旋耕作业的离散元仿真及理论分析。完成初步的立式旋耕作业仿真,通过理论分析立式旋耕刀的运动及土壤颗粒的受力;通过仿真分析立式旋耕刀的空间三向阻力、扭矩及立式旋耕刀对土壤的宏观扰动和土壤的位移。(3)优化立式旋耕刀几何结构,并对优化后的旋耕刀进行力学分析,以验证刀具的强度刚度是否满足实际作业要求。初选刀具外倾角、内折弯角、刀刃倾角、γ角、刀尖圆角半径为目标参数,设计单因素实验分析上述参数对立式旋耕作业的影响。结合单因素实验结果进一步选择刀具外倾角、内折弯角、刀刃倾角三个参数作为正交试验的因素,以旋耕刀所受阻力、扭矩、碎土效果等为指标,分析各因素对不同指标的显著性。通过回归拟合、响应面分析等方法对上述三个参数作进一步的分析优化,获得较优的立式旋耕刀结构参数。建立结构优化后的立式旋耕刀模型,对其作静力学、动力学分析及预应力下的模态分析,验证刀具的强度和刚度可满足作业要求。(4)采用与立式旋耕刀结构优化相同的方法,对立式旋耕的主要作业参数:前进速度、刀具转速、耕深进行分析和优化,获得各参数对旋耕作业的指标:受力、扭矩、功率、碎土率的影响,并优化获得较优的作业参数组合。(5)基于上述研究结果,试制了结构优化后的立式旋耕刀,并装配在立式旋耕机上,在青岛平度市西寨农机合作社的协助下进行田间作业实验。测定了结构优化的立式旋耕刀的作业指标:耕深稳定性变异系数为0.32%、碎土率为96.10%、耕后地表平整度为0.79 cm,满足国家标准的同时,也优于目前市场常用的普通刀具。

关键词：立式旋耕离散元仿真力学分析响应面分析田间试验

立式旋耕方式下氮肥不同减施水平对小麦品质的影响

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农业资源与环境学报 2021年第3期38卷 442-447页

作者：聂胜委张巧萍何宁许纪东张玉亭张浩光河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所郑州450002 遂平县农业科学试验站河南遂平463100

为探究立式旋耕(30 cm±5 cm)下氮肥减施对小麦品质的影响,研究了2017—2018、2018—2019年两个小麦生长季立式旋耕下CK(300 kg N·hm^(-2))与减氮10%(RF10)、20%(RF20)、30%(RF30)处理小麦品质变化,测定项目包括籽粒品质和面粉流变特... 详细信息

为探究立式旋耕(30 cm±5 cm)下氮肥减施对小麦品质的影响,研究了2017—2018、2018—2019年两个小麦生长季立式旋耕下CK(300 kg N·hm^(-2))与减氮10%(RF10)、20%(RF20)、30%(RF30)处理小麦品质变化,测定项目包括籽粒品质和面粉流变特性、拉伸性能等。结果表明:与CK相比,RF10处理小麦籽粒蛋白质含量当季略增,连续减施第二季则显著下降12.2%;RF20、RF30两季均下降,且RF30当季显著下降11.6%,RF20第二季显著下降11.1%。RF10、RF20湿面筋含量与CK比,当季略升,第二季下降;RF30两季均下降,且当季与CK差异显著,降幅为10.8%。氮肥减施后面粉吸水量呈增加趋势,面团形成时间呈缩短趋势;面团稳定时间与CK比均缩短,RF20、RF30与CK差异显著。RF10、RF20面团弱化度较CK均升高,RF30当季显著升高,第二季下降。RF10、RF20面粉能量值当季升高,第二季下降;RF30两季均下降。氮肥减施对籽粒容重、出粉率、拉伸阻力及延伸性等影响规律性不明显。研究表明,减施10%、20%氮肥能实现减肥不降产,对当季小麦品质影响不大,连续减施则影响小麦品质;减施30%氮肥时小麦产量有降低趋势,且品质有所下降。

关键词：立式旋耕氮肥减施小麦品质籽粒面粉

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立式旋耕机的研究设计与试验

农机化研究 2017年第11期39卷 81-84页

作者：刘芳建米义廖娜狄明利刘赟东刘晗琨中国农业机械化科学研究院北京100083 现代农装科技股份公司北京100083

立式旋耕机刀片运动轨迹为余摆线,刀片若没有内折角的情况下,会出现"抗土"现象,其内折角的大小与刀片回转半径、刀片宽度、刀片转速、整机前进速度有关。刀组在装配时,其排列相位角应使刀片在切土范围内受力对称,以减少整机振动。

关键词：立式旋耕抗土刀片内折角排列相位角

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立式旋耕玉米移栽复式作业机的设计研究

立式旋耕玉米移栽复式作业机的设计研究

作者：曹丽芳河南农业大学

学位级别：硕士

立式旋耕玉米移栽复式作业机的设计与研究项目,是把局部深耕土壤和玉米苗自动移栽作业的功能结合到一起的研究项目。立式旋耕玉米移栽复式作业机主要包括旋耕和移栽两大部分。旋耕部分由悬挂机架、传动系统及旋耕刀作业系统等组成;移栽... 详细信息

立式旋耕玉米移栽复式作业机的设计与研究项目,是把局部深耕土壤和玉米苗自动移栽作业的功能结合到一起的研究项目。立式旋耕玉米移栽复式作业机主要包括旋耕和移栽两大部分。旋耕部分由悬挂机架、传动系统及旋耕刀作业系统等组成;移栽部分由多盘穴苗的立体储存及整盘苗的自动化输送系统、机械手穴盘苗抓放系统、苗盘收集系统、栽植和覆土系统等组成。立式旋耕部分将为玉米苗提供耕耘苗床,局部深耕土壤能提高土壤保水、保墒能力,促进玉米根系下扎,增加玉米根重和根长密度,进而使玉米吸收更多的水分和养分以达到增产增收的特点。玉米苗自动移栽部分将降低人工移栽劳动强度,提高生产效率,为实现玉米全程机械化作业打下基础。(1)立式旋耕机的设计借鉴项目组原先设计的Y型立式旋耕机,使原机具改为两行,并进行了传动系统的重新设计,使其更适合于自动移栽作业要求。(2)对全自动移栽机进行总体设计,并分别对多盘穴苗的立体储存及整盘苗的自动化输送系统、机械手穴盘苗自动抓放系统、栽植和覆土系统、苗盘收集系统等进行了三维建模设计,对主要过程进行了运动分析描述,对个别部件进行了仿真分析,并设计了PLC对整个移栽过程进行实时控制流程图。

关键词：复式作业机立式旋耕自动移栽 PLC控制

立式旋耕电驱动小麦宽窄行播种复式作业机的设计与研究

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立式旋耕电驱动小麦宽窄行播种复式作业机的设计与研究

作者：汤文博河南农业大学

学位级别：硕士

本文设计了一种立式旋耕电驱动小麦宽窄行播种复式作业机,通过增加深松铲的作业深度打破部分厚实的犁底层,通过立式旋耕在不打乱耕层结构的基础上增强土壤蓄水保墒的能力;采用宽窄行种植的方式满足苗床耕作需求,可以充分利用边际效应(... 详细信息

本文设计了一种立式旋耕电驱动小麦宽窄行播种复式作业机,通过增加深松铲的作业深度打破部分厚实的犁底层,通过立式旋耕在不打乱耕层结构的基础上增强土壤蓄水保墒的能力;采用宽窄行种植的方式满足苗床耕作需求,可以充分利用边际效应(又称边行优势)的通风透光性和土壤养分条件;采用步进电机为排种器提供动力,为精量播种提供了保证。通过对本课题所需深松铲的分析,选取25型凿形深松铲作为本课题的深松部件;设计出立式旋耕刀,并将研制的立式旋耕机进行田间试验,对耕深与稳定性、碎土率和试验前后的不同深度土层的土壤容重和含水率进行测量和统计,试验结果表明设计的旋耕机整地效果较好,满足国家标准。对平行四连杆仿形机构进行分析,根据本课题的设计要求,对仿形机构进行设计与计算;根据《农业机械设计手册》设计限深轮双圆盘开沟器,确定其圆盘直径、圆盘夹角和聚点m的位置;根据小麦宽窄行播种技术和单粒精播技术,设计宽窄行窝眼轮式小麦排种器,并利用仿真软件对排种器的相关结构参数进行优化。设计了电控排种系统,系统包括控制装置和检测装置,保证播种机的行进速度和排种轮转速的同步。根据本课题的设计要求,完成了该系统的硬件选型和软件设计,利用旋转编码器采集播种机的行进速度、利用电容式接近开关传感器检测种箱种子是否有余量,系统控制核心为欧姆龙CP1E型PLC,通过接收检测装置发出的信号,将信号进行内部程序化处理,控制步进电机驱动排种器工作。对装有电控排种系统的宽窄行窝眼轮式小麦排种器进行台架试验,试验的平均合格指数为88%,平均重播指数为5.3%,平均漏播指数为6.7%,试验结果满足国家标准,验证了电控排种系统较好的排种性能。

关键词：宽窄行播种技术限深轮双圆盘开沟器立式旋耕电控排种系统

基于LS-DYNA茶园立式旋耕刀具土壤切削过程模拟

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江苏农业科学 2015年第9期43卷 422-425页

作者：王敏李萍萍王纪章李坤肖宏儒江苏大学/现代农业装备与技术教育部重点实验室江苏镇江212013 南京林业大学生物与环境学院江苏南京210037 农业部南京农业机械化研究所江苏南京210014

为了降低耕作功耗,优化茶园管理机立式旋耕装置的结构与性能,根据立式旋耕刀具切削土壤的工作特点,利用ANSYS/LS-DYNA971显式动力分析软件对立式旋耕刀具土壤切削过程进行模拟,得出了立式旋耕刀具切削土壤的等效应力的变化规律、切削能... 详细信息

为了降低耕作功耗,优化茶园管理机立式旋耕装置的结构与性能,根据立式旋耕刀具切削土壤的工作特点,利用ANSYS/LS-DYNA971显式动力分析软件对立式旋耕刀具土壤切削过程进行模拟,得出了立式旋耕刀具切削土壤的等效应力的变化规律、切削能耗的大小以及切削功率消耗。数值模拟结果表明,刀具转速为300 r/min,机组行进速度为0.15 m/s,耕深为0.1 m时,立式旋耕刀切削土壤的平均功耗为2.78 k W,且土壤最大等效应力发生在刀刚入土时的刀刃处。通过与试验结果比较,发现模拟数值与试验值吻合良好,这表明该数值分析方法是有效的,可用来指导立式刀具切削土壤的进一步研究,并为茶园管理机旋耕装置优化设计提供可靠的依据。

关键词：立式旋耕显式动力分析土壤切削动力学分析仿真模拟

深松立式旋耕小麦宽窄行播种复式作业机的设计研究

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深松立式旋耕小麦宽窄行播种复式作业机的设计研究

作者：何超河南农业大学

学位级别：硕士

本文设计了一种深松立式旋耕小麦宽窄行播种复式作业机。深松可以打破坚硬的犁底层,立式旋耕能改善土壤团粒结构、保墒蓄水,宽窄行播种有利于小麦生长的通风透光、提高小麦产量。阐述了该复式作业机的总体结构、工作原理以及各部件的设... 详细信息

本文设计了一种深松立式旋耕小麦宽窄行播种复式作业机。深松可以打破坚硬的犁底层,立式旋耕能改善土壤团粒结构、保墒蓄水,宽窄行播种有利于小麦生长的通风透光、提高小麦产量。阐述了该复式作业机的总体结构、工作原理以及各部件的设计。根据各部件的尺寸和位置设计出悬挂机架。对深松铲进行参数设计和受力计算,选取凿形深松铲作为深松部件。设计出立式旋耕系统的传动系统、立式旋耕单元以及立式旋耕刀。根据宽窄行播种要求,设计出播种系统的传动系统、平行四连杆仿形机构、限深轮双圆盘开沟器、宽窄行窝眼轮式小麦排种器。运用ADAMS软件对立式旋耕刀进行运动学仿真分析,生成轨迹、位移、速度和加速度曲线图并分析其特性,仿真分析表明:通过增加立式旋耕单元转速或降低机具前进速度都可提高立式旋耕刀的作业质量。计算出单把立式旋耕刀受到的最大切向阻力为561N,单个立式旋耕单元受到的最大扭矩为157N·m。运用ANASYS Workbench软件对立式旋耕刀进行模态分析,得到立式旋耕刀的最小固有频率值为1576.2Hz,立式旋耕刀的刀尖底部最容易发生变形。通过静应力仿真分析得到立式旋耕刀工作时的最大形变量为5.19×10-4m,最大应力为57MPa,小于其许用应力和允许形变量,能满足作业时强度要求。设计了播种传动系统的无级变速,可满足播种作业时的排种轮转速要求。结合单粒精密播种技术,确定排种轮型孔的形状、尺寸和数量。运用EDEM软件进行播种仿真试验,仿真结果表明设计的排种轮较合适。试制出宽窄行窝眼轮式小麦排种器样机,在播种试验台上进行播种试验,统计五个播种性能指标的数据。根据试验结果分析排种轮转速、传送带速度和种箱内种层高度对播种性能指标的影响,对试验结果进行综合加权评分,得到排种器的综合播种性能最优时所对应的工作条件组合。播种试验表明,本课题所研制的宽窄行窝眼轮式小麦排种器基本能实现精密播种和宽窄行播种的要求。

关键词：深松立式旋耕宽窄行播种仿真分析播种试验

立式旋耕方式下氮肥不同减施量对小麦产量效应的影响

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山西农业科学 2020年第3期48卷 396-400页

作者：聂胜委张浩光许纪东张巧萍张玉亭河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所河南郑州450002 遂平县农业科学试验站河南遂平463100

连续2 a(2017—2018、2018—2019年)研究了立式旋耕方式下,氮肥不同减施量对小麦产量构成及养分利用率的影响,以期为实现小麦化肥减量施用提供参考。结果表明,在小麦季300 kg/hm^2氮肥投入水平下,减施10%(RF10)、20%(RF20)、30%(RF30)... 详细信息

连续2 a(2017—2018、2018—2019年)研究了立式旋耕方式下,氮肥不同减施量对小麦产量构成及养分利用率的影响,以期为实现小麦化肥减量施用提供参考。结果表明,在小麦季300 kg/hm^2氮肥投入水平下,减施10%(RF10)、20%(RF20)、30%(RF30)氮肥能增加小麦成熟期叶片干物质质量和千粒质量,降低根干物质质量。减施20%氮肥有利于提高小麦成熟期群体穗数,获得较高小麦产量;减施10%氮肥不会显著降低产量;减施30%氮肥则减产明显,与EF(CK)相比,2018年,RF10、RF30处理分别减产4.79%、15.65%,RF20处理则增产3.02%;2019年,RF10、RF20处理分别增产1.20%、2.17%,RF30处理则减产2.00%。减施20%氮肥能提高氮肥农学利用率,比常规施肥提高13.35%(2018年)、32.11%(2019年);减施10%~30%氮肥均能提高氮肥偏生产力,较CK提高5.81%~28.80%(2018年)、12.45%~40.05%(2019年)。

关键词：立式旋耕氮肥减施小麦产量效应

施肥和不施肥条件下耕作方式对小麦品质的影响

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河南农业科学 2022年第1期51卷 43-49页

作者：聂胜委张巧萍许纪东张玉亭郑念潘秀燕河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所河南郑州450002 遂平县农业科学试验站河南遂平463100

连续2季(2017—2018年、2018—2019年)研究施肥(F)、不施肥(F0)条件下立式旋耕[FL,(30±5)cm]和常规旋耕[XG,(12±5)cm]对小麦产量及籽粒品质、面团流变特性的影响,为实现小麦高质量绿色生产提供参考。结果表明,与XG处理相比,FL处理小... 详细信息

连续2季(2017—2018年、2018—2019年)研究施肥(F)、不施肥(F0)条件下立式旋耕[FL,(30±5)cm]和常规旋耕[XG,(12±5)cm]对小麦产量及籽粒品质、面团流变特性的影响,为实现小麦高质量绿色生产提供参考。结果表明,与XG处理相比,FL处理小麦产量提高2.35%~34.13%,小麦籽粒蛋白质含量和容重也均提高。其中,在不施肥条件下,2019年小麦籽粒蛋白质含量、容重达到显著水平,分别提高17.51%、0.87%。与XG处理相比,不施肥条件下,FL处理小麦籽粒含水量、湿面筋含量、面粉吸水量、面团稳定时间、能量、恒定变形拉伸阻力、延伸性、最大拉伸阻力均在2018年增加,2019年降低;面团弱化度在2018年降低,2019年显著增加;2 a出粉率分别显著降低1.52%、3.35%,面团形成时间缩短,2018年显著缩短17.86%。在施肥条件下,FL处理籽粒含水量、出粉率、面团稳定时间增加;面团弱化度降低或持平;湿面筋含量、面团延伸性在2018年降低,2019年增加;面粉吸水量、面团形成时间、能量、恒定变形拉伸阻力、最大拉伸阻力均降低。总之,立式旋耕较常规旋耕能提高籽粒的蛋白质含量和容重等,在第1季不施肥条件下可改善或提高面团的一些流变特性,施肥条件下对面团流变特性的影响没有明显的规律。

关键词：小麦施肥耕作方式立式旋耕常规旋耕籽粒品质面团流变特性

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