基于离散元法的稻秆深埋还田刀辊总成优化设计与试验

发布时间：2020-07-22 03:21

【摘要】：近年,由于秸秆焚烧引发的雾霾等一系列环保问题,使秸秆资源合理利用得到国家和社会的极大重视。东北地区幅员辽阔,高收集成本限制了秸秆的多元化利用,秸秆机械化还田培肥地力成为秸秆利用的首选,综合分析各类机械化还田方式,秸秆深埋还田为一种耕深适宜且不影响后续插秧作业、可避免稻秆漂浮等问题的有效还田方式之一。本文针对目前反旋耕秸秆还田存在功耗较大和壅土等问题,在查阅大量相关文献,分析国内外研究现状的基础上,对稻秆深埋还田装置关键部件刀辊总成进行优化设计,在满足稻秆深埋还田农艺要求前提下,实现高效降耗,节本增收的目的。通过理论分析、结构设计、计算机数值模拟分析、台架试验和田间试验等方法与手段开展研究工作,主要研究内容如下:(1)稻秆深埋还田刀辊总成优化设计对稻秆深埋还田刀辊总成进行优化设计,依据稻秆深埋还田装置整体结构及工作原理,设计还田刀刃口曲线为多段曲线结合形式,通过解析还田刀与土壤之间受力作用机理,构建还田刀功耗的数学理论模型,得到影响还田刀功耗的主要几何因素为刀宽、弯折线角度和弯折角度,为还田刀优化设计提供理论依据。通过理论分析设计刀辊直径为240mm,解决秸秆缠绕难题,设计还田刀排列方式为螺旋线排列,降低机具振动和力不平衡。(2)还田刀数值模拟分析与试验为探究还田刀几何形状对功耗和抛土性能的影响,解析稻秆-土壤-机具耦合作用机理,探究多因素多目标之间的变化规律,获得低壅土与减功耗的最优参数,进行虚拟仿真试验,选取刀宽、弯折线角度和弯折角度为试验因素,前抛土壤颗粒数量、后抛土壤颗粒数量和功耗为评价指标开展优化试验,运用Design-Expert8.0.6软件对还田刀抛土性能和功耗进行优化,得到还田刀最佳几何参数组合。结果表明,当刀宽79mm,弯折线角度56°和弯折角度81°时还田刀性能最优,土壤前抛粒子数目2862粒,土壤后抛粒子数目2037粒,刀辊扭矩1.803N·m,优化后刀辊扭矩降低18.33%,验证设计的合理性。(3)刀辊滚筒振动模态测试以稻秆深埋还田刀辊滚筒为研究对象,进行有限元模态仿真分析,得到刀辊滚筒各阶振动频率和振型,搭建振动模态测试试验台,通过力锤锤击测试得到刀辊滚筒各阶实际振动频率与振型,并与有限元虚拟仿真结果对比,误差范围为:3.02%～11.58%,验证了各阶模态测试的准确性。外部各激振频率均低于自身各阶频率,不会发生共振现象,刀辊滚筒设计合理。(4)刀辊功耗测试台架试验运用传感技术构建扭矩测试系统,搭建刀辊功耗测试试验台,对刀辊扭矩进行测试,刀辊扭矩由优化前的708.4N·m下降到592N·m,扭矩降低了16.43%,与仿真试验结果基本一致,验证理论分析准确性与优化设计的合理性,为田间试验提供参考。(5)田间性能试验对优化设计的稻秆深埋还田刀辊总成进行集成装配并进行田间试验,以秸秆还田率、壅土量、地表平整度、碎土率、功耗为指标进行测试,对优化设计前后指标进行对比分析。结果表明,优化后机具前方壅土明显减少,秸秆还田率和耕深稳定性无明显差异,机具功耗降低了20.76%,检验了优化设计的科学性与合理性,验证了仿真试验与台架试验的准确性。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S224.29
【图文】：

刀轴,机具,刀辊,粉碎还田

东北农业大学工学硕士学位论文律，通过仿真试验对比分析，得到刀具受力随着刀辊转速和土壤含水率的增加而增大具所受应力随前进速度增加而减少的关系。2.2 国内秸秆还田机具研究现状与欧美国家相比，我国对秸秆还田技术的研究起步较晚，在二十世纪九十年代才开引进吸收再创新的方法进行研究，经过三十余年的努力，已经研发出多种不同形式的田机具。河北开元刀神 1GKF 系列反转旋耕机，如图 1-1 所示，该机具利用刀轴旋转前进的复合运动对耕地进行碎土作业，旋耕刀反转作业，埋茬效果好；采用通用刀轴无沟痕；机具后方配有镇压辊，在限制耕深的同时平整地表，一次完成秸秆埋茬、旋土作业。但作业时存在刀辊缠草现象，致使摩擦阻力增大，功耗增大，埋草性能降低。江苏沃得公司生产的 1JH 系列稻秆粉碎还田机，如图 1-2 所示，工作宽幅 1.6~2.2m动力 44.1~88.2kW，刀轴转速 2100r/min；其采用特制锯齿形定刀，对直立或者铺放在玉米、高粱、麦稻类软秆及杂草有良好的粉碎效果；工作效率较高，粉碎还田效果较作业深度较浅，秸秆还田率低，影响后续插秧工作。

旋耕机,河北

业无沟痕；机具后方配有镇压辊，在限制耕深的同时平整地表，一次完成秸秆埋茬覆土作业。但作业时存在刀辊缠草现象，致使摩擦阻力增大，功耗增大，埋草性能江苏沃得公司生产的 1JH 系列稻秆粉碎还田机，如图 1-2 所示，工作宽幅 1.6~套动力 44.1~88.2kW，刀轴转速 2100r/min；其采用特制锯齿形定刀，对直立或者铺的玉米、高粱、麦稻类软秆及杂草有良好的粉碎效果；工作效率较高，粉碎还田效但作业深度较浅，秸秆还田率低，影响后续插秧工作。图 1-1 1GKF 系列反转旋耕机Fig.1-1 1GKF series reverse rotary tiller图 1-2 沃得 1JH 系列稻秆粉碎还Fig.1-2 1JH series straw returning 河北仪兴达有限公司生产的 400 型旋耕机，如图 1-3 所示，采用中间传动方式衡性能较好，可配合不同刀具完成不同作业，如七字刀实现稻秆粉碎还田。可选配的镇压滚，增加碎土平地效果，但其还田效果较差，还田深度较浅，容易发生泡田浮的问题。

【相似文献】