玉米垄作免耕播种机的动态模拟与关键部件的参数优化

发布时间：2020-11-17 02:01

　　 我国东北垄作区春季多风干旱、气温较低,经济作物主要是玉米。由于玉米是一年一作,生长周期长,秸秆、残茬粗壮,翌年在有作物残茬覆盖的未耕地上作业,对免耕播种机的性能提出了较高要求。免耕播种机作为保护性耕作的核心机具,对其关键部件进行理论分析、参数优化及性能试验研究,对改善其作业质量,全面推广保护性耕作技术,保证农业可持续发展具有重要的理论和现实意义。本文选题来源于国家自然科学基金面上项目(51275318)：“机械免耕播种切拨防堵装置的工作机理与参数优化研究”,通过对国、内外免耕播种机现状的分析、总结,对2BG-2型玉米垄作免耕播种机的纵向铅垂面稳定性进行了分析,对课题组研制的切拨防堵装置进行了改进优化设计,并对切拨防堵装置动态模型进行了研究分析,研制出一种加装弹簧与阻尼器复合体的新型仿形机构,并与加装原仿形加载机构的免耕播种单体进行了对比分析,得到如下结论：(1)通过对免耕播种单体的受力分析,建立了播种深度变化的数学模型,据此模型进行了计算机模拟,研究了影响免耕播种机播深稳定性的相关因素,为东北垄作区免耕播种机的改进、设计提供了参考。(2)改进设计了一种兼有无支撑和有支撑两种切割方式的切拨防堵装置,解决了田间作业时双盘堵塞的现象,避免了光面圆盘犁刀的滑移缺陷；对该装置进行了2因素3水平正交试验,研究了作业速度、配重对破茬深度和牵引阻力的影响,得出了破茬深度和牵引阻力随作业速度和配重的变化规律以及各因素对破茬深度和牵引阻力影响的主次顺序,得到了切拨防堵装置的最佳田间作业参数。(3)分析了现有免耕播种机仿形机构的形式,确定了符合仿形要求的机构类型及仿形机构的结构尺寸；在此基础上,在四连杆仿形机构上加装弹簧阻尼装置,并利用SolidWorks软件建立平行四杆仿形机构的三维实体模型。(4)建立了切拨防堵装置田间作业时,以牵引阻力为输入、切茬深度为输出的系统传递函数,并对输入、输出信号进行了时域分析和谱密度分析；根据免耕播种机田间实际工况,分析了免耕播种机的信息模型,建立了加装不同仿形加载机构的免耕播种单体系统的传递函数,并对其动态稳定性以及单位阶跃响应进行了研究。结果表明：加装新型与原仿形机构的免耕播种单体系统为欠阻尼衰减振动系统,且阻尼比分别为0.62、0.56,说明新型机构设计更加合理。对两个系统传递函数单位阶跃响应曲线的研究表明：加装新型与原仿形机构的免耕播种单体系统相比,系统上升时间与峰值时间略微增加,但是系统响应时间与最大超调量分别减少18%、32%,系统响应震荡弱,系统平稳性好。
【学位单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：S223.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究的目的及意义
    1.2 国内外农业机械特性的动态模拟研究现状
    1.3 国内外免耕播种机械仿形加载机构的研究现状
    1.4 本文主要研究内容
    1.5 研究方法和技术路线
第二章 2BG-2型玉米垄作免耕播种机播种深度模型的建立与数值模拟
    2.1 2BG-2型玉米垄作免耕播种机单体结构及受力分析
    2.2 免耕播种机播种深度变化数学模型的建立
    2.3 免耕播种机播种深度变化的计算机数值模拟研究
        2.3.1 系统不同质量m对牵引角的影响
0对牵引角的影响'>        2.3.2 系统不同转动惯量I₀对牵引角的影响
z和水平阻力R_x对牵引角的影响'>        2.3.3 土壤垂直阻力R_z和水平阻力R_x对牵引角的影响
        2.3.4 弹簧刚度系数k对牵引角的影响
c与牵引角的关系'>        2.3.5 弹簧压力F、弹簧力作用力臂L_c与牵引角的关系
    2.4 数学模型的试验验证
    2.5 本章小结
第三章 玉米垄作免耕播种机切拨防堵装置的优化与试验
    3.1 问题的提出
    3.2 新型切拨防堵装置结构与工作机理
    3.3 关键部件改进设计及破茬犁刀偏置原理
        3.3.1 破茬部件的改进设计
        3.3.2 清垄刀配置的设计
        3.3.3 锯齿圆盘破茬犁刀偏置角度的设计
    3.4 田间试验
        3.4.1 试验目的
        3.4.2 试验条件
        3.4.3 试验因素的选取
        3.4.4 试验方法及试验指标
        3.4.5 数据处理及分析
        3.4.6 验证试验
    3.5 本章小结
第四章 加装弹簧与阻尼器复合体的新型仿形机构的设计
    4.1 新型平行四杆仿形机构结构尺寸的设计
        4.1.1 平行四杆仿形机构牵引角的确定
        4.1.2 仿形机构长度的确定
        4.1.3 平行四杆仿形机构横向宽度的确定
    4.2 减振装置及弹簧刚度系数的标定
        4.2.1 减振装置
        4.2.2 弹簧刚度系数的测定
    4.3 加装新型四连杆仿形机构的免耕播种单体三维实体的建立
    4.4 本章小结
第五章 测试系统的建立与传感器的标定
    5.1 切拨防堵装置测试系统
        5.1.1 测试系统的组成
        5.1.2 测试装置
        5.1.3 测试元件（传感器）的选择与标定
            5.1.3.1 试验过程中选用的测试元件（传感器）
            5.1.3.2 测试传感器的标定
    5.2 免耕播种单体测试系统
        5.2.1 测试系统及试验装置
        5.2.2 试验过程中选用的传感器及标定
    5.3 数据采集与存储
    5.4 本章小结
第六章 切拨防堵装置和免耕播种单体动态响应特性试验与分析
    6.1 切茬深度对牵引阻力的动态响应试验分析
        6.1.1 时域分析
        6.1.2 功率谱密度分析
        6.1.3 切拨防堵装置传递函数分析
    6.2 两种不同仿形加载机构的田间试验研究
        6.2.1 两种不同仿形机构
        6.2.2 时域分析
        6.2.3 谱密度分析
        6.2.4 免耕播种单体传递函数的分析
        6.2.5 基于Matlab/Simulink的免耕播种单体系统单位阶跃响应分析
    6.3 本章小结
第七章 结论
    7.1 主要研究结论
    7.2 创新点
    7.3 存在问题与建议
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间参加的项目及所获成果

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本文编号：2886944