立式螺旋開溝器土槽試驗裝置的試驗研究及其優(yōu)化設計.pdf

1、開溝機是開挖農(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)機械種類之一。立式螺旋開溝機具備結構簡單、部件緊湊及工作效率高等優(yōu)點，近年來被廣泛地運用于開溝作業(yè)。其中，螺旋刀具是立式螺旋開溝機的主要工作部件，其功率消耗是開溝機設計時需要重點考察的參數(shù)。本文根據(jù)立式螺旋開溝機的工作特點，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，并在此基礎上對螺旋刀具的螺旋升角、前進速度、轉速、開溝角度以及

2、開溝深度進行了優(yōu)化設計。本文的主要研究內容和結果包括以下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，該裝置包括機械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)兩個部分。機械系統(tǒng)的關鍵裝置有開溝裝置、升降裝置和角度調節(jié)裝置。試驗裝置能實現(xiàn)開溝器在前進速度為0～36m/min，開溝轉速為0～470r/min，開溝傾角為0～30°，開溝深度為0～430mm范圍內以任意組合進行土壤切削試驗?；贚abVIEW

3、的測控軟件系統(tǒng)能夠實現(xiàn)開溝電機和行走電機轉速、轉向的調節(jié)以及轉矩、轉速的高速采集、處理、實時顯示以及保存，具有良好的可操作性和人機互動界面。
　　2)螺旋刀具土壤切削的數(shù)值模擬及結構優(yōu)化。
　　基于LS-DYNA對螺旋刀具切削土壤過程進行了顯示動力學分析，采用FE/SPH耦合算法模擬了螺旋刀具切削、升運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行土壤切削時的受力，得出了螺旋刀具的最大等效應力一般出

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論，分析了產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因并給出了相應的緩解措施。從功耗最小的角度對螺旋升角進行了優(yōu)化，結合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)及結構參數(shù)，并確定以前進速度、轉速、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速度為3m/min，轉速為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，并對開溝質量進行

6、了直觀分析，證明該試驗裝置可以完成開溝作業(yè)要求。在前進速度、轉速、開溝角度、開溝深度單因素試驗的基礎上，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＞轉速＞開溝角度＞前進速度，并且前進速度和轉速、轉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)結合響應面法建立了功耗關于前進速度、轉速、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