立式螺旋開溝器土槽試驗裝置的試驗研究及其優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、開溝機(jī)是開挖農(nóng)田排灌溝渠、為農(nóng)作物生長營造良好環(huán)境的主要農(nóng)業(yè)機(jī)械種類之一。立式螺旋開溝機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡單、部件緊湊及工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛地運(yùn)用于開溝作業(yè)。其中，螺旋刀具是立式螺旋開溝機(jī)的主要工作部件，其功率消耗是開溝機(jī)設(shè)計時需要重點(diǎn)考察的參數(shù)。本文根據(jù)立式螺旋開溝機(jī)的工作特點(diǎn)，研制了一款立式螺旋開溝器土槽試驗裝置，并采用數(shù)值模擬以及試驗裝置開展了螺旋刀具的土壤切削試驗，并在此基礎(chǔ)上對螺旋刀具的螺旋升角、前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速、開溝角度以及

2、開溝深度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果包括以下3個方面:
　　1)立式螺旋開溝器土槽試驗裝置的設(shè)計。
　　自行研制了立式螺旋開溝器土槽試驗裝置，該裝置包括機(jī)械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)兩個部分。機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置有開溝裝置、升降裝置和角度調(diào)節(jié)裝置。試驗裝置能實(shí)現(xiàn)開溝器在前進(jìn)速度為0～36m/min，開溝轉(zhuǎn)速為0～470r/min，開溝傾角為0～30°，開溝深度為0～430mm范圍內(nèi)以任意組合進(jìn)行土壤切削試驗?；贚abVIEW

3、的測控軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)開溝電機(jī)和行走電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的高速采集、處理、實(shí)時顯示以及保存，具有良好的可操作性和人機(jī)互動界面。
　　2)螺旋刀具土壤切削的數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
　　基于LS-DYNA對螺旋刀具切削土壤過程進(jìn)行了顯示動力學(xué)分析，采用FE/SPH耦合算法模擬了螺旋刀具切削、升運(yùn)以及拋撒土壤的過程，并利用LS-PREPOST后處理器分析了螺旋刀具進(jìn)行土壤切削時的受力，得出了螺旋刀具的最大等效應(yīng)力一般出

4、現(xiàn)在螺旋葉片與螺旋刀具主軸的連接處以及螺旋葉片的底部的結(jié)論，分析了產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因并給出了相應(yīng)的緩解措施。從功耗最小的角度對螺旋升角進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合Matlab編程求出了螺旋升角的優(yōu)化值為30.1079°。為了方便后期的制造，最終確定螺旋升角值30°為優(yōu)選刀具的最終優(yōu)化螺旋升角，并得到相應(yīng)的優(yōu)化功耗為1.35kw;對優(yōu)化后的螺旋刀具開展數(shù)值模擬計算，得到相應(yīng)的優(yōu)化功耗為1.41kw，并將數(shù)值計算得到的功耗與理論計算功耗進(jìn)行了對比，兩者之

5、間的誤差為4.4％。
　　3)土壤切削試驗及優(yōu)化。
　　分析了對螺旋刀具功率消耗產(chǎn)生影響的工作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，并確定以前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速、開溝角度、開溝深度為試驗參數(shù);以螺旋升角值為30°的螺旋刀具開展了前進(jìn)速度為3m/min，轉(zhuǎn)速為250r/min，開溝角度為0°，開溝深度為25cm條件下的土壤切削試驗，并將試驗獲得的功耗與同等試驗條件下數(shù)值模擬計算功耗進(jìn)行對比，驗證了利用數(shù)值模擬研究螺旋刀具功率消耗的可行性，并對開溝質(zhì)量進(jìn)行

6、了直觀分析，證明該試驗裝置可以完成開溝作業(yè)要求。在前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速、開溝角度、開溝深度單因素試驗的基礎(chǔ)上，開展了正交試驗，采用極差和方差分析研究了各參數(shù)對作業(yè)功耗的影響，得出了影響作業(yè)功耗的主次因素順序為:開溝深度＞轉(zhuǎn)速＞開溝角度＞前進(jìn)速度，并且前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速和開溝角度之間不存在交互作用。利用正交試驗數(shù)據(jù)結(jié)合響應(yīng)面法建立了功耗關(guān)于前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速、開溝角度、開溝深度的優(yōu)化模型，并利用Matlab優(yōu)化工具箱中的fmincon函數(shù)求解了最