犁體結(jié)構(gòu)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(jī)械或土壤加工機(jī)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(jī)械的能源消耗，是人們普遍關(guān)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(jī)械相互作用規(guī)律的深刻認(rèn)識，水田土壤耕作部件的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(biāo)，通過對影響耕作部件工作性能的因素進(jìn)行深入研究，找出了其中的影響規(guī)律，為耕作部件的設(shè)計(jì)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(jìn)社會主義新農(nóng)村的建設(shè)均具有重要的實(shí)用價值。
　　 本課題以耕作機(jī)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(biāo)，借助運(yùn)動學(xué)分析、數(shù)值模擬技術(shù)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(jìn)行分析。以二面楔和三面楔的工作原理為理論基礎(chǔ)，將其應(yīng)用到犁體的受力分析，建立了犁體牽引阻力的數(shù)學(xué)模型。
　　 2、對犁體進(jìn)行三維建模。利用三坐標(biāo)測量機(jī)來采集現(xiàn)有犁體曲面上的點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用逆向工程技術(shù)，在Pro/E中將點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)得到犁體曲面的計(jì)算機(jī)模型。并以此實(shí)物模型為樣本，對其進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)。
　　 3、流變參數(shù)的轉(zhuǎn)換。對試驗(yàn)土壤的機(jī)械參數(shù)進(jìn)行

4、了測量，并將納入試驗(yàn)因素研究的流變參數(shù)進(jìn)行了Prony級數(shù)的轉(zhuǎn)化。
　　 4、建立犁體．土體有限元模型，并進(jìn)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(jìn)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(shí)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(yàn)進(jìn)行對比分析，其誤差控制在10％以內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性。
　　 5、進(jìn)行土槽試驗(yàn)以分析不同耕作條件對比阻的

5、影響。借助土槽試驗(yàn)，對犁體的模型、耕作速度、耕作深度以及土壤流變參數(shù)進(jìn)行了四因素三水平的正交試驗(yàn)，并對各試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響進(jìn)行了分析。同時，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(guān)系。試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)分別應(yīng)用雙目攝像機(jī)與壓力傳感器對土

6、壤表層的位移場與內(nèi)部的應(yīng)力場進(jìn)行了測試．
　　 6、通過數(shù)值模擬分析犁體不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對比阻的影響．利用數(shù)值模擬試驗(yàn)，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(jìn)行了四因素三水平的正交試驗(yàn)，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(jìn)行回歸分析并得出回歸方程。
　　 7、對犁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)．借助數(shù)值模擬研究，以比阻最低為目標(biāo)函數(shù)，建立了

7、犁體主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型；并運(yùn)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(dú)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(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行了翻垡性能檢測。檢測結(jié)果表明，優(yōu)化犁體的翻堡效果