摆动分离筛薯土分离理论与试验研究

发布时间：2018-10-04 21:12

【摘要】：摆动分离筛作为杆链—摆动筛组合式马铃薯挖掘机中薯土分离的核心部件,其工作性能直接决定着马铃薯挖掘机整机的工作性能,对摆动分离筛薯土分离理论与试验进行研究是提高杆链—摆动筛组合式马铃薯挖掘机作业性能的关键。本文采用理论分析与试验研究相结合的方式,对马铃薯相对分离筛的运动过程、马铃薯碰撞损伤、马铃薯相对分离筛运动特性、摆动分离筛薯土分离机理、分离筛参数优化等方面进行了研究,主要研究内容如下:1.利用高速摄像机和加速度传感器同步采集了不同曲柄转速和筛面倾角时马铃薯相对分离筛运动影像和分离筛加速度数据,将分离筛加速度试验值与理论值对比得到二者之间的修正系数,结合修正系数建立了马铃薯相对分离筛运动速度的数学模型,并依据模型解析了马铃薯相对分离筛的运动过程,最后结合高速影像画面对解析结果进行了验证。结果表明,不同分离筛参数条件下,马铃薯相对分离筛具有3种不同的运动过程:(1)正向滑动和反向滑动的连续运动过程;(2)正向滑动、抛离筛面运动、正向滑动和反向滑动的运动过程;(3)正向滑动、抛离筛面运动和反向滑动的运动过程。3种运动过程中马铃薯正向运动距离均大于反向运动距离,满足向筛尾输送马铃薯的要求。高速影像分析结果与理论解析结果吻合。2.利用马铃薯碰撞测试装置和碰撞加速度测试系统,采集了不同初始高度、马铃薯质量、马铃薯内部温度和碰撞材料时马铃薯的碰撞加速度,并对加速度数据进行处理,获得了马铃薯碰撞位移—时间曲线;结合马铃薯粘弹性特征,建立了马铃薯与杆条碰撞的动力学模型,推导出马铃薯碰撞位移公式,由正弦曲线模型回归得到了无阻尼系统固有角频率、阻尼比等马铃薯碰撞位移模型参数;利用马铃薯碰撞位移模型预测出马铃薯碰撞损伤深度,预测值与试验值之间的相对误差在8.8%以内,说明马铃薯碰撞位移模型正确、有效;以马铃薯损伤深度为损伤评价指标,以马铃薯内部温度、初始高度、马铃薯质量和碰撞材料为试验因素进行正交试验,分析了影响马铃薯碰撞损伤因素的主次顺序,结合碰撞位移模型,分析了试验因素对碰撞损伤影响的原因;最后测试出了不同马铃薯质量、马铃薯内部温度和碰撞材料时的马铃薯碰撞损伤临界值。结果表明:影响马铃薯碰撞损伤因素的主次顺序依次为初始高度、马铃薯质量、马铃薯内部温度和碰撞材料,且4个因素对损伤深度的影响均为极显著。3.结合薯土混合物分布特点,将筛面长度600mm～1000mm范围内的筛面作为无土筛面、筛面长度100mm～600mm范围内的筛面作为有土筛面;以单颗马铃薯为研究对象,利用TEMA(Motion Analysis based on the Track Eye)动态图像处理软件对田间试验中马铃薯相对分离筛的运动影像进行了处理,得到了无土和有土筛面上马铃薯相对分离筛的位移、速度和抛离高度等运动学参数随曲柄转速、筛面倾角和机器前进速度的变化规律,并与理论分析结果进行了对比分析。结果表明:有土筛面上马铃薯相对分离筛正反向位移的波动程度较无土筛面上马铃薯正反向位移的波动程度剧烈,马铃薯相对分离筛正反向位移的波动程度随着土量的增多而增强;马铃薯绝对运动速度、相对分离筛最大抛离高度的理论值和试验值均随着曲柄转速和筛面倾角的增大而增大,随着机器前进速度的增大而减小。4.利用高速摄像机和数码相机,在分离筛侧面和分离筛上方实时拍摄了不同曲柄转速、筛面倾角和机器前进速度时摆动分离筛上薯土混合物的分布状况;依据高速影像获得分离筛上薯土混合物的分布厚度,利用Potoshop软件解译图片中薯土混合物区域和分离筛面区域中的像素数量,将图片中薯土混合物区域的像素数量除以分离筛面区域中的像素数量,获得分离筛上薯土混合物覆盖度;对数据进行分析得到了摆动分离筛上薯土混合物分布厚度和覆盖度随分离筛参数的变化规律及相关性,结果显示:曲柄转速、筛面倾角和机器前进速度与薯土混合物平均分布厚度的相关系数分别为-0.846、-0.98、0.988,与薯土混合物覆盖度平均值的相关系数分别为-0.993、-0.969、0.992;将明薯率和破皮率作为分离筛性能指标,得到了分离筛性能指标随分离筛参数的变化关系,结合马铃薯相对分离筛运动特性和薯土混合物分布厚度、覆盖度的变化规律,剖析了分离筛参数对分离筛性能产生影响的原因,指出曲柄转速为180r/min时破皮率较高的原因是马铃薯相对分离筛正反向位移波动程度较高所致,同时得到了分离筛参数优化试验中各因素的取值范围分别为:曲柄转速为180r/min～230r/min,筛面倾角为7.7 °～21.1 °,机器前进速度为1.69km/h～2.3 7km/h。5.以曲柄转速、筛面倾角和机器前进速度为试验因素,以明薯率和破皮率为评价指标,采用Box-Behnken响应面试验方法进行试验,建立了各指标与因素间的回归数学模型,并分析出显著因素及因素间的交互作用对评价指标的影响规律,对影响摆动分离筛性能的结构与工作参数进行了优化。结果表明:筛面倾角与机器前进速度的交互作用、曲柄转速对明薯率和破皮率的影响极显著,各因素对明薯率和破皮率影响的主次顺序均为:曲柄转速筛面倾角机器前进速度;摆动分离筛结构和工作参数的最优组合为:曲柄转速230r/min,筛面倾角21.1°,机器前进速度2.03km/h,优化后明薯率和破皮率分别为98.94%和0.21%,明薯率较优化前提高1.68%,破皮率较优化前降低9.6%,优化参数组合在粘土垄作水浇地和砂壤土垄作水浇地也具有较好的适用性。
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【学位授予单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S225.71

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