果园开沟部件运动参数及结构参数仿真与优化研究

发布时间：2018-09-12 16:38

【摘要】：果园开沟是果园施加颗粒肥料的一个重要工序,是提高果品质量和产量的重要手段。我国丘陵山区果园种植面积大且逐年上涨,但是丘陵山区果园开沟基本上是由人力操作,劳动强度很大,生产效率低且易耽误农时,急需一款适应我国丘陵山区果园开沟施肥的机器。果园开沟施肥机开沟过程中切削功耗很大,所以本文以自主研制的我国丘陵山区迫切需要的立式单轴旋转果园开沟施肥机的旋转开沟刀具为研究对象,对其结构参数和运动参数进行优化以提高作业效率和开沟质量,降低切削功耗。刀具的运动参数主要是前进速度(v)和角速度(ω),刀具结构参数主要是刀片折弯角(ε)。所以本文主要对刀具的前进速度和角速度,刀片的折弯角进行优化,建立旋转开沟刀具的切削功耗和刀具前进速度和角速度,刀片折弯角的数学模型,以达到对旋转开沟刀具的改进优化同时为其他耕作机具的优化设计提供理论依据。论文主要内容包括:根据旋转开沟刀具具体参数,运用三维建模软件Creo建立旋转开沟刀具三维实体模型。分析旋转开沟刀具切削土壤的过程,并对刀具切削土壤过程进行运动学和动力学分析,确定刀片折弯角的取值范围为8°到22°,为满足刀具切削土壤过程中土壤正常升运,确定刀具的临界角速度为14.94rad/s,最大角速度为31.05rad/s。运用数值模拟方法来模拟旋转开沟刀具切削土壤过程,为了避免切削过程中土壤的大变形情况同时可以看到土壤粒子的抛撒情况,使得刀具切削土壤模型更加符合实际情况。本文基于SPH法来进行旋转开沟刀具切削土壤的三维数值模拟。为满足农艺要求,仿真采用刀具前进速度为0.45m/s,角速度为28rad/s,开沟刀具刀片折弯角为22°进行刀具切削土壤过程仿真,随着刀具逐渐切入土壤,切削功耗逐渐增大,当刀具全部进入土壤时候切削功耗稳定于1.919kW。通过自主设计的、小型转速—扭矩测量平台测试旋转开沟刀具切削土壤时候的切削功耗,选取20组数据求取平均值得平均功耗为2.07kW,误差为3.86%,在允许范围内,说明数值模拟结果和试验结果相近,符合实际情况。开展旋转开沟刀具切削土壤的单因素虚拟试验研究和二次回归正交组合虚拟试验研究,同时建立切削功耗和三者之间的回归方程,经过验证,回归方程显著,且方程拟合性好,为开展旋转开沟刀具的优化提供目标函数。为优化旋转开沟刀具的前进速度、角速度和刀片折弯角,以回归方程为目标函数,以生产率、配套动力、临界角速度、排土临界转速和刀片结构参数为约束条件,建立旋转开沟刀具优化数学模型,调用Matlab中的fmincon函数,以旋转开沟刀具切削土壤功耗最小为目标开展优化,得到v、ω、ε的最优解,得出当v=0.222m/s,ω=24rad/s,ε=0.349rad,即前进速度为0.799km/h,转速为230r/min,刀片折弯角为20°时刀具切削土壤所耗功率最小为1.758kW。代入最优解进行旋转开沟刀具切削土壤仿真分析,得出刀具切削土壤功耗为1.727kW,与优化前相比,功耗降低了10%,所以优化效果显著。并且通过小型转速—扭矩测量平台测试优化后的旋转开沟刀具切削土壤时候的切削功耗,选取20组数据求取平均值得平均功耗为1.85kW,与优化后仿真切削功耗的误差为6.6%,在误差允许范围内,所以优化结果具有真实性。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S224.2

【参考文献】