微耕机用旋耕弯刀设计、优化及切土性能研究

发布时间：2020-04-06 05:00

【摘要】：微耕机具有体积小、移动方便和转弯灵活等优点,在丘陵、山地和高原地区得到了广泛应用。刀辊是微耕机的主要耕作部件,由多把旋耕弯刀组成,耕作时通过刀辊和土壤的相互作用,既实现切土、碎土、翻土、抛土和平土等功能,又由土壤反作用力使机器前进。耕作时,旋耕弯刀直接作用于土壤,其形状和设计参数直接影响微耕机的工作性能和功耗。本研究以刀盘式湿地弯刀为研究对象,根据旋耕弯刀设计参数之间的几何关系,建立了其数学模型,基于Visual Basic的AutoCAD二次开发得到了旋耕弯刀的CAD系统,并基于该CAD系统研究了部分参数特性。建立了基于SPH方法的旋耕弯刀切削土壤仿真模型,研究了旋耕弯刀切削土壤过程中土壤粒子的运动、土壤等效应力、土壤阻力和旋耕弯刀的功耗等。以弯折点包角(X_1)、阿尔法角(X_2)和弯折角(X_3)为控制因素,功耗(Y)为评价指标,通过田口玄一方法设计了旋耕弯刀参数优化试验方案;对试验结果进行了方差和回归分析,绘制了控制因素的响应面图,得到了优化后的旋耕弯刀设计参数;最后通过土槽试验对仿真结果的准确性进行了验证。主要研究结论如下:(1)基于旋耕弯刀设计参数之间的几何关系,建立了微耕机用旋耕弯刀数学模型,得到了相对应的CAD系统。基于该CAD系统,设计了3把具有不同最大回转半径和不同形状刃口曲线的旋耕弯刀,研究了CAD系统的准确性,并分析了刃口曲线滑切角、背角和工作耕宽的变化规律。结果表明:CAD系统输出值和计算值(Excel)的平均相对误差为0.41%;刃口曲线滑切角和背角在较佳取值范围;滑切角和背角随着包角的增大而增大,呈近似线性关系;在其他条件不变的情况下,工作耕宽随着阿尔法角和弯折角的增大而减小。(2)以3把不同参数组合的旋耕弯刀为研究对象,结合旋耕弯刀的工作特点,建立了基于SPH方法的旋耕弯刀切削土壤模型;数值研究了旋耕弯刀切削土壤过程中土壤粒子的运动规律、土壤等效应力、土壤阻力、切削土壤能耗和功耗等,结合旋耕弯刀切削土壤实际工况,验证了基于SPH方法土壤切削模型的合理性;3把旋耕弯刀切削土壤过程中的土壤阻力和功耗由大到小排序为:旋耕弯刀1、旋耕弯刀2和旋耕弯刀3,与基于CAD系统的切土性能分析结果相吻合。(3)基于X_1、X_2和X_1、X_3关于旋耕弯刀功耗的响应面图,并结合旋耕弯刀实际使用工况和加工时设计参数的圆整性,优化后的旋耕弯刀设计参数为:弯折点包角30°、阿尔法角52°和弯折角120°;优化后的旋耕弯刀利用SPH模型模拟土壤切削一个循环的功率为0.161kW,相比于利用回归方程得到的功率数值0.154kW相对误差为4.30%;通过具有代表性的4把旋耕弯刀土槽试验得到:利用土槽试验和基于SPH模型得到的功率数值之间平均相对误差为11.57%,表明通过SPH方法的土壤切削模型和田口玄一方法进行旋耕弯刀参数优化研究是合理的。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S222

【相似文献】