油菜直播機(jī)開溝旋耕降附減阻機(jī)理與仿真分析.pdf

1、油菜是我國重要的油料作物，其種植面積及總產(chǎn)量均居世界第一。油菜傳統(tǒng)種植過程中，生產(chǎn)用工量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高，因此推廣油菜機(jī)械化種植是油菜生產(chǎn)的必然趨勢。由于長江流域雨量較大，油菜種植需要開畦溝，且土壤粘重板結(jié)，地表前茬作物殘留秸稈量大，對油菜直播機(jī)開溝旋耕作業(yè)部件的作業(yè)性能和作業(yè)效率有著重要影響。本文開展油菜直播機(jī)開溝旋耕的降附減阻及仿真分析研究，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)分析了油菜直播機(jī)開溝旋耕作業(yè)條件，系統(tǒng)開展了土壤與水

2、稻秸稈物理機(jī)械特性參數(shù)測試與分析。試驗(yàn)得出了土壤容重、土壤含水率、土粒密度、土壤空隙率、土壤界限含水率（液限、朔限）、土壤顆粒、土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤粘結(jié)系數(shù)、土壤內(nèi)摩擦角等土壤物理機(jī)械參數(shù)值，及稻茬高度、秸稈量、秸稈含水率等稻茬物理機(jī)械特性參數(shù)值。明確了機(jī)具作業(yè)的土壤質(zhì)地為壤土偏砂性土壤，作業(yè)時(shí)的適宜土壤含水率應(yīng)在25％以下，且機(jī)具應(yīng)具有處理秸稈量大，秸稈韌性強(qiáng)的作業(yè)工況能力，為開溝旋耕部件的降附減阻及仿真分析研究提供依據(jù)。分析了影響開溝部

3、件作業(yè)阻力及作業(yè)功耗的影響因素，獲得了開溝部件作業(yè)阻力和作業(yè)功耗與土壤物理機(jī)械特性、犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)、犁體工作參數(shù)的定量關(guān)系;同時(shí)分析了影響旋耕部件作業(yè)功耗的影響因素，獲得了旋耕部件作業(yè)功耗與土壤物理機(jī)械特性、刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)、刀輥工作參數(shù)的定量關(guān)系。
　　(2)建立了土壤參數(shù)預(yù)測模型及對土壤參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測。以LS-Dyna顯示動(dòng)力學(xué)軟件為平臺，建立以Drucker-Prager為土壤屈服準(zhǔn)則，以Mohr-Coulomb為土壤失效準(zhǔn)側(cè)的土

4、壤本構(gòu)模型。通過模擬研究標(biāo)準(zhǔn)圓錐（ASABE標(biāo)準(zhǔn)）浸入土壤過程獲得圓錐阻力-位移曲線，并建立圓錐阻力-位移曲線在不同位移點(diǎn)時(shí)，圓錐阻力與土壤物理機(jī)械特性參數(shù)土壤空隙率e*、內(nèi)摩擦角φ、粘結(jié)系數(shù)c和硬化系數(shù)λ之間的回歸模型，得出土壤參數(shù)內(nèi)摩擦角φ、粘結(jié)系數(shù)c、硬化系數(shù)λ對圓錐阻力-位移曲線有顯著影響。運(yùn)用由拋物線(y=ax2)及直線（y=kx+m）組成的分段曲線擬合所有仿真獲得的圓錐阻力-位移曲線，結(jié)果顯示曲線擬合度值R2在0.99以上;

5、建立了擬合曲線系數(shù)a、k、m關(guān)于土壤物理機(jī)械特性參數(shù)內(nèi)摩擦角φ、粘結(jié)系數(shù)c、硬化系數(shù)λ的四階響應(yīng)曲面，結(jié)果.表明:對校正試驗(yàn)組及驗(yàn)證試驗(yàn)組獲得的圓錐阻力-位移曲線進(jìn)行曲線擬合所獲得的擬合曲線系數(shù)a、k、m的四階響應(yīng)曲面回歸方程決定系數(shù)R2值都在0.96以上;運(yùn)用窮舉搜索算法預(yù)測土壤參數(shù)粘結(jié)系數(shù)c及硬化系數(shù)λ值，對于校正試驗(yàn)組，粘結(jié)系數(shù)c決定系數(shù)R2值為0.85，均方根誤差RMSE值為17.96％，硬化系數(shù)λ決定系數(shù)R2值為0.78，均方

6、根誤差RMSE值為33.90％，對于驗(yàn)證試驗(yàn)組，粘結(jié)系數(shù)c決定系數(shù)R2值為0.89，均方根誤差RMSE值為18.03％，硬化系數(shù)λ決定系數(shù)R2值為0.76，均方根誤差RMSE值為22.31％。
　　(3)開展了油菜直播機(jī)開畦溝前犁曲面分析與阻力特性試驗(yàn)，設(shè)計(jì)一種鏵式開畦溝前犁裝置，并通過犁體曲面分析，明確了其導(dǎo)曲線和直元線變化規(guī)律、犁體曲面類型?；诟咚贁?shù)字化土槽試驗(yàn)，結(jié)果表明:改進(jìn)型犁體的牽引阻力、犁耕比阻、作業(yè)功耗為原設(shè)計(jì)的鏵

7、式開畦溝前犁裝置對應(yīng)指標(biāo)的35％～50％，減少50％以上;田間試驗(yàn)結(jié)果表明:改進(jìn)型鏵式開畦溝前犁裝置開出的畦溝溝型整齊，溝底和溝壁平整。
　　(4)開展了油菜直播機(jī)開畦溝部件前后犁作業(yè)阻力及功耗研究，以開畦溝部件耕深、前進(jìn)速度、土壤堅(jiān)實(shí)度為試驗(yàn)因素，開展高速數(shù)字化土槽試驗(yàn)，結(jié)果表明:前犁牽引阻力及作業(yè)功耗是后犁對應(yīng)指標(biāo)的2.3倍，占部件整體對應(yīng)指標(biāo)的70.3％;通過回歸模型分析表明耕深是影響部件整體牽引阻力的關(guān)鍵因素，其重要程度占

8、63.29％，耕深和前進(jìn)速度對部件整體功耗重要程度基本相同，其重要程度分別占44.73％、46.52％，耕深、前進(jìn)速度及土壤堅(jiān)實(shí)度與各試驗(yàn)指標(biāo)正相關(guān);田間作業(yè)對比試驗(yàn)結(jié)果表明，前后犁有效組合滿足油菜農(nóng)藝種植要求。
　　(5)開展了油菜直播機(jī)開畦溝犁體曲面優(yōu)化與EDEM仿真分析，通過建立EDEM離散元仿真模型，開展了開畦溝犁體曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)與作業(yè)速度的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明鏵刃起土角、導(dǎo)曲線開度、直元線起始角、直元線最大角試驗(yàn)因素對犁體牽

9、引阻力具有顯著影響，犁體低速作業(yè)階段，牽引阻力呈線性增長，犁體高速作業(yè)階段，牽引阻力呈自然指數(shù)增長;構(gòu)建了犁體曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，獲得了當(dāng)鏵刃起土角為15°，導(dǎo)曲線開度為190mm，直元線起始角為35°，直元線最大角為40°時(shí)，犁體牽引阻力最小;對優(yōu)化的前后犁體進(jìn)行3D打印及試制加工，并開展田間對比試驗(yàn)，結(jié)果表明優(yōu)化犁體作業(yè)出的畦溝溝底大塊土垡少，殘留土壤質(zhì)量減少62.87％，溝底干凈，T型溝較明顯。
　　(6)開展了油菜直

10、播開溝旋耕結(jié)構(gòu)改進(jìn)與田間試驗(yàn)，分析了在地表稻茬秸稈量大、土壤粘重的復(fù)雜作業(yè)工況下，油菜直播機(jī)開溝旋耕部件作業(yè)時(shí)，土壤流動(dòng)不通暢、易堵塞的主要部位為開畦溝前犁區(qū)域，后犁區(qū)域及旋耕部件中間區(qū)域;試驗(yàn)研究了油菜直播機(jī)開溝旋耕部件作業(yè)功耗，結(jié)果表明開畦溝部件作業(yè)功耗為旋耕部件作業(yè)功耗的24.13％～36.54％;同時(shí)開展了對作業(yè)易堵塞部位的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和對功率消耗最大部件旋耕部件刀輥刀片的優(yōu)化排列，旋耕部件設(shè)計(jì)為深淺旋組合式種床整備裝置，田間試驗(yàn)表

11、明:改進(jìn)后開溝旋耕部件易堵點(diǎn)消除，機(jī)組通過性好，深淺旋組合式種床整備裝置作業(yè)功耗減少14.13％～18.04％，改進(jìn)后的開溝旋耕部件作業(yè)質(zhì)量對油菜生長狀況無明顯影響。
　　創(chuàng)新點(diǎn)1:提出了一種切土滾垡與整形同步的犁體曲面，并基于EDEM離散元的仿真分析明確了油菜直播機(jī)開畦溝犁體作業(yè)阻力最小的曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　創(chuàng)新點(diǎn)2:運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)圓錐浸入土壤過程獲得其阻力-位移曲線，提出了一種基于響應(yīng)面技術(shù)的反演分析方法，可有效建立土壤物理機(jī)