果園開溝部件運動參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真與優(yōu)化研究.pdf

1、果園開溝是果園施加顆粒肥料的一個重要工序，是提高果品質(zhì)量和產(chǎn)量的重要手段。我國丘陵山區(qū)果園種植面積大且逐年上漲，但是丘陵山區(qū)果園開溝基本上是由人力操作，勞動強(qiáng)度很大，生產(chǎn)效率低且易耽誤農(nóng)時，急需一款適應(yīng)我國丘陵山區(qū)果園開溝施肥的機(jī)器。果園開溝施肥機(jī)開溝過程中切削功耗很大，所以本文以自主研制的我國丘陵山區(qū)迫切需要的立式單軸旋轉(zhuǎn)果園開溝施肥機(jī)的旋轉(zhuǎn)開溝刀具為研究對象，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以提高作業(yè)效率和開溝質(zhì)量，降低切削功耗。

2、r>　　刀具的運動參數(shù)主要是前進(jìn)速度（v）和角速度（ω），刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是刀片折彎角（ε）。所以本文主要對刀具的前進(jìn)速度和角速度，刀片的折彎角進(jìn)行優(yōu)化，建立旋轉(zhuǎn)開溝刀具的切削功耗和刀具前進(jìn)速度和角速度，刀片折彎角的數(shù)學(xué)模型，以達(dá)到對旋轉(zhuǎn)開溝刀具的改進(jìn)優(yōu)化同時為其他耕作機(jī)具的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。論文主要內(nèi)容包括：
　　根據(jù)旋轉(zhuǎn)開溝刀具具體參數(shù)，運用三維建模軟件Creo建立旋轉(zhuǎn)開溝刀具三維實體模型。分析旋轉(zhuǎn)開溝刀具切削土壤的過程，

3、并對刀具切削土壤過程進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)分析，確定刀片折彎角的取值范圍為8°到22°，為滿足刀具切削土壤過程中土壤正常升運，確定刀具的臨界角速度為14.94rad/s，最大角速度為31.05rad/s。
　　運用數(shù)值模擬方法來模擬旋轉(zhuǎn)開溝刀具切削土壤過程，為了避免切削過程中土壤的大變形情況同時可以看到土壤粒子的拋撒情況，使得刀具切削土壤模型更加符合實際情況。本文基于SPH法來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開溝刀具切削土壤的三維數(shù)值模擬。為滿足農(nóng)藝要求，仿

4、真采用刀具前進(jìn)速度為0.45m/s，角速度為28rad/s，開溝刀具刀片折彎角為22°進(jìn)行刀具切削土壤過程仿真，隨著刀具逐漸切入土壤，切削功耗逐漸增大，當(dāng)?shù)毒呷窟M(jìn)入土壤時候切削功耗穩(wěn)定于1.919kW。通過自主設(shè)計的、小型轉(zhuǎn)速—扭矩測量平臺測試旋轉(zhuǎn)開溝刀具切削土壤時候的切削功耗，選取20組數(shù)據(jù)求取平均值得平均功耗為2.07kW，誤差為3.86%，在允許范圍內(nèi)，說明數(shù)值模擬結(jié)果和試驗結(jié)果相近，符合實際情況。
　　開展旋轉(zhuǎn)開溝刀具切

5、削土壤的單因素虛擬試驗研究和二次回歸正交組合虛擬試驗研究，同時建立切削功耗和三者之間的回歸方程，經(jīng)過驗證，回歸方程顯著，且方程擬合性好，為開展旋轉(zhuǎn)開溝刀具的優(yōu)化提供目標(biāo)函數(shù)。
　　為優(yōu)化旋轉(zhuǎn)開溝刀具的前進(jìn)速度、角速度和刀片折彎角，以回歸方程為目標(biāo)函數(shù)，以生產(chǎn)率、配套動力、臨界角速度、排土臨界轉(zhuǎn)速和刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)為約束條件，建立旋轉(zhuǎn)開溝刀具優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，調(diào)用Matlab中的fmincon函數(shù)，以旋轉(zhuǎn)開溝刀具切削土壤功耗最小為目標(biāo)開展優(yōu)

6、化，得到v、ω、ε的最優(yōu)解，得出當(dāng)v=0.222m/s，ω=24rad/s，ε=0.349rad，即前進(jìn)速度為0.799km/h，轉(zhuǎn)速為230r/min，刀片折彎角為20°時刀具切削土壤所耗功率最小為1.758kW。
　　代入最優(yōu)解進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開溝刀具切削土壤仿真分析，得出刀具切削土壤功耗為1.727kW，與優(yōu)化前相比，功耗降低了10%，所以優(yōu)化效果顯著。并且通過小型轉(zhuǎn)速—扭矩測量平臺測試優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)開溝刀具切削土壤時候的切削功耗，選