柠条联合收获机关键部件仿真研究

发布时间：2020-10-22 22:06

　　 柠条灌木具有显著的生态效益和防风固沙功能,又是优良的饲料与燃料转化利用的生物质资源,目前大面积种植于我国西部沙化地区及晋北黄土高原,其产业化开发及机械化生产近年来被广泛关注,但相关作业机械缺乏,急需创新研发满足柠条机械化生产的机具,为此我们在山西省科技攻关重大专项的支持下研制了一种新型的柠条平茬收获机,本文即针对该机型研发内容进行的关键部件仿真设计,基于柠条茎秆生物形态特性和力学性质及该机具的平茬机理与输送结构要求,设计了圆盘锯式切割机构与柔性铰链输送机构,并对其进行运动分析与田间试验。主要研究工作有：(1)研究了柠条茎秆的生物形态特性和生物力学性质。通过对柠条茎秆力学模型的简化,建立了柠条植株的悬臂梁力学模型,并推导出密度、含水率及摩擦系数等参数的表达式,经试验测定柠条的密度约为0.48g/cm3,柠条的含水率分布在30%～60%之间,柠条与金属材料间的摩擦系数为0.353022。柠条茎秆拉伸和剪切试验测得柠条茎秆材料的抗拉强度均值为138N/mm2,柠条茎秆材料的抗剪强度均值为35N/mm2,对其正交试验研究获得试验结论：柠条茎秆的拉伸断裂强度与取样位置和生长年龄都密切相关,且生长年龄对其试验指标的影响比取样位置对其的影响要大;柠条茎秆的抗剪强度与生长年龄相关,而与柠条的取样位置关系不大;为更好地完成平茬作业,应当首先考虑柠条的生长年龄,其次考虑平茬位置。(2)根据柠条的生物力学性质与柠条平茬茬口切割要求,研究了无支撑惯性力切割下的柠条平茬作业情况及其切割方式,选用圆盘锯作为柠条平茬收割的作业部件,并分析了圆盘锯的锯身、锯齿及其稳定性等参数,设计出圆盘锯式切割部件。分析表明：割刀平茬的位置越低,切割速度在限定安全速度范围以内越快,柠条茎秆的惯性力和柠条茎秆的作用反力越大,越容易达到平茬效果;圆盘锯式切割部件在平茬作业时,其转速应控制在临界转速范围内。(3)对柠条收割机圆盘锯式切割部件进行了仿真研究,取得如下结论：①对圆盘锯式切割部件上某一锯齿与其后一锯齿的运动轨迹进行运动学分析研究,得出圆盘式切割部件不漏割的条件,最大速比K与最大前进速度vm及锯齿刃数量成正比关系。在实际收获作业过程中,刀盘转速很高,收获过程中存在一定的多刀切割和重割现象。②对高速旋转工况下的圆盘锯式切割部件进行了有限元模态分析,通过仿真得出前6阶振动固有频率及振型,切割部件在实际工作中,刀盘转速为1500-1800r/min,工作频率为25-30Hz,避开了切割部件的第1阶固有频率0.015635Hz和第2阶固有频率371.85Hz,因此切割部件的模态结构合理。③对圆盘式切割部件进行了静力学分析,采用响应面设计分析圆盘锯的应力及应变情况,得到应力、应变的响应面拟合表达式,并通过岭脊分析得出当切割锯盘的厚度为6.5mm,切割锯盘的直径为450mm时,圆盘锯内部的应力应变为最小值。④对柠条与圆盘锯式切割机构进行了刚柔耦合动力学分析,在圆盘锯前进速度为420mm/s的情况下进行仿真试验,获得了接触点在各方向的力与力矩曲线。采用响应面设计方法对圆盘锯的转速、厚度和直径进行动力学分析,仿真结果表明,对切割力影响的因素主次顺序为圆盘锯的转速、厚度、直径,对功率影响的因素主次顺序为圆盘锯的直径、转速、厚度,且各因素效应检验均显著,经响应面岭脊分析得出,当圆盘锯式切割部件直径、厚度和转速分别取405.12mm、5.15mm、1533.01r/min时,圆盘锯式切割部件的平茬效果最优,其单组切割机构功耗预期为10-13.3kW。(4)借鉴其他收获机输送机构的工作原理,创新设计了适用于柠条输送的柔性铰链输送机构,并建立了仿真其实体模型。通过分析输送机构的输送速度与柠条联合收获机的前进速度间的速比关系,表明K取2-3时,即柔性铰链输送机构的输送速度为柠条联合收获机前进速度的2-3倍时,输送效率最优。(5)柠条收获机圆盘锯式切割机构的田间试验表明：柠条收割机中圆盘锯锯盘的转速、厚度和直径均对柠条平茬质量有影响,锯盘的转速对柠条平茬质量的影响最明显,锯盘厚度次之,因此,在样机结构设计过程中应首要考虑切割锯盘的转速和厚度。柠条平茬效率是衡量柠条收割机平茬作业的首要指标,本研究的样机在田间试验中,能够较好实现柠条的平茬作业要求,平茬效率达到88.7%,相比前几代样机各项性能稳定。
【学位单位】：山西农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S776
【文章目录】：
摘要
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 柠条收获装备的发展和研究现状
        1.2.1 国外柠条机械化收获技术装备研究进展
        1.2.2 国内柠条机械化作业装备相关研究进展
    1.3 虚拟设计与仿真技术
        1.3.1 虚拟设计与仿真技术简述
        1.3.2 虚拟设计仿真技术在农业装备设计中的应用
    1.4 研究内容
        1.4.1 研究内容与方法
        1.4.2 技术路线
        1.4.3 研究目标和拟解决的关键问题
    1.5 本章小结
2 柠条生物形态特性与力学性质
    2.1 柠条物性研究
        2.1.1 可供参考的茎秆类作物力学性质研究
        2.1.2 柠条的生物力学性质试验研究
        2.1.3 柠条的力学性质指标
        2.1.4 柠条的力学模型
    2.2 柠条力学性质试验
        2.2.1 试验材料准备
        2.2.2 试验仪器及方法
        2.2.3 试验结果与分析
        2.2.4 柠条茎秆力学性质测试正交试验
        2.2.5 柠条茎秆剪切性质试验及结果分析
    2.3 柠条茎秆虚拟模型建立
3 切割机构的设计
    3.1 柠条切割及切割机理分析
    3.2 切割部件选型
        3.2.1 切割方式的选择
        3.2.2 圆盘锯
            3.2.2.1 圆盘锯锯盘参数
            3.2.2.2 圆盘锯锯齿
        3.2.3 圆盘锯的动态稳定性
            3.2.3.1 圆盘锯的振动分析
            3.2.3.2 圆盘锯的稳定性
            3.2.3.3 圆盘锯的平面应力
    3.3 切割部件设计
        3.3.1 设计思路
        3.3.2 工作机构
        3.3.3 传动设计
        3.3.4 控制系统
    3.4 本章小结
4 柠条切割机构仿真与分析
    4.1 切割机构的运动学分析
        4.1.1 切割运动学模型
        4.1.2 切割运动学仿真
    4.2 切割机构有限元分析
        4.2.1 模态分析
        4.2.2 静力学分析
    4.3 切割机构动力学分析
        4.3.1 动力学分析原理
        4.3.2 动力学分析建模
        4.3.3 动力学仿真分析
        4.3.4 动力学响应面仿真试验
    4.4 本章小结
5 柠条收获机输送机构设计及仿真研究
    5.1 输送机构的设计方案
        5.1.1 输送机构的设计
        5.1.2 输送部件的指标参数
    5.2 输送机构建模与分析
    5.3 输送机构速比匹配分析
    5.4 输送机构部件应力应变分析
    5.5 本章小结
6 田间试验
    6.1 平茬试验准备
        6.1.1 试验条件
        6.1.2 测试指标
        6.1.3 试验方法
    6.2 田间性能试验
    6.3 试验结果与分析
        6.3.1 试验结果分析
        6.3.2 试验效果
    6.4 本章小结
7 结论与展望
    7.1 主要研究工作总结
    7.2 创新点
    7.3 研究展望
参考文献
Abstract
攻读博士学位期间发表的论文及取得的科研成果
致谢

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本文编号：2852147