犁體結構與工作參數(shù)對流變型土壤耕作阻力的影響研究.pdf

1、耕作阻力大，能耗高是耕作的主要特征。提高耕作機械或土壤加工機械的能源利用效率或者說在滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對土壤加工要求的前提下，降低土壤耕作或土壤加工機械的能源消耗，是人們普遍關注的問題。對于占我國耕地面積比例很大的水田而言，由于尚缺乏水田土壤和機械相互作用規(guī)律的深刻認識，水田土壤耕作部件的設計很少有理論上的依據(jù)，這使得能源無法得到有效合理的利用。
　　 為了尋求水田土壤耕作部件設計理論的依據(jù)，探討水田土壤的流變性質(zhì)對耕作部件的影響，本

2、論文分析研究了耕作部件在不同土壤條件、工作參數(shù)及幾何結構參數(shù)下的耕作阻力。以耕作部件的耕作阻力最低作為研究目標，通過對影響耕作部件工作性能的因素進行深入研究，找出了其中的影響規(guī)律，為耕作部件的設計提供了理論依據(jù)。這對于降低我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能耗，節(jié)省生產(chǎn)資源，增加農(nóng)民收入，促進社會主義新農(nóng)村的建設均具有重要的實用價值。
　　 本課題以耕作機械中的重要部件犁體為研究對象，以犁體的工作功率最低為目標，借助運動學分析、數(shù)值模擬技術及優(yōu)化設計

3、方法，具體開展以下研究工作：
　　 1、對犁體與土壤相互作用進行分析。以二面楔和三面楔的工作原理為理論基礎，將其應用到犁體的受力分析，建立了犁體牽引阻力的數(shù)學模型。
　　 2、對犁體進行三維建模。利用三坐標測量機來采集現(xiàn)有犁體曲面上的點數(shù)據(jù)，采用逆向工程技術，在Pro/E中將點數(shù)據(jù)進行三維重構得到犁體曲面的計算機模型。并以此實物模型為樣本，對其進行了參數(shù)化設計。
　　 3、流變參數(shù)的轉(zhuǎn)換。對試驗土壤的機械參數(shù)進行

4、了測量，并將納入試驗因素研究的流變參數(shù)進行了Prony級數(shù)的轉(zhuǎn)化。
　　 4、建立犁體．土體有限元模型，并進行數(shù)值模擬分析。利用ANSYS軟件建立了犁體和土壤相接觸的有限元模型，并進行了三維動態(tài)模擬分析，獲得了整個切削過程中，犁體阻力的實時動態(tài)變化情況。通過模擬不同的切削速度分析了切削阻力變化規(guī)律，并與土槽試驗進行對比分析，其誤差控制在10％以內(nèi)，驗證了數(shù)值模擬的可行性。
　　 5、進行土槽試驗以分析不同耕作條件對比阻的

5、影響。借助土槽試驗，對犁體的模型、耕作速度、耕作深度以及土壤流變參數(shù)進行了四因素三水平的正交試驗，并對各試驗因素對試驗指標的影響進行了分析。同時，對試驗結果進行回歸分析得出耕作土壤時單位切削面積上的耕作阻力（即比阻）與犁體的模型、耕作速度、耕作深度和流變參數(shù)的相互影響關系。試驗證明，耕作深度、犁體模型以及耕作速度都對比阻有顯著影響，并得到了試驗因素的優(yōu)組合，此外，以犁體在同一耕作深度為前提，通過物理試驗分別應用雙目攝像機與壓力傳感器對土

6、壤表層的位移場與內(nèi)部的應力場進行了測試．
　　 6、通過數(shù)值模擬分析犁體不同結構參數(shù)對比阻的影響．利用數(shù)值模擬試驗，在犁體最優(yōu)組合的工作參數(shù)前提下，對犁體的推土角、起土角、覆土角以及犁體高度進行了四因素三水平的正交試驗，通過分析得到犁體覆土角對耕作比阻的影響較小，可忽略。故對比阻與推土角、起土角以及犁體高度進行回歸分析并得出回歸方程。
　　 7、對犁體的結構參數(shù)進行優(yōu)化設計．借助數(shù)值模擬研究，以比阻最低為目標函數(shù)，建立了

7、犁體主要結構參數(shù)的優(yōu)化設計數(shù)學模型；并運用MATLAB工具中的約束非線性fmincon函數(shù)開展了犁體比阻的優(yōu)化分析，得出了影響犁體比阻的三個主要的獨立可變參數(shù)推土角、起土角以及犁體高度的最佳匹配組合。試驗結果表明優(yōu)化設計后的犁體比阻較之前犁體最高減小26.60%，最低也減少了6.77%。
　　 8、對優(yōu)化犁體進行性能檢測。依據(jù)翻垡原理，在ANSYS數(shù)值模擬軟件中，對優(yōu)化后的犁體進行了翻垡性能檢測。檢測結果表明，優(yōu)化犁體的翻堡效果