果園開(kāi)溝部件運(yùn)動(dòng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真與優(yōu)化研究.pdf

1、果園開(kāi)溝是果園施加顆粒肥料的一個(gè)重要工序，是提高果品質(zhì)量和產(chǎn)量的重要手段。我國(guó)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(kāi)溝基本上是由人力操作，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，生產(chǎn)效率低且易耽誤農(nóng)時(shí)，急需一款適應(yīng)我國(guó)丘陵山區(qū)果園開(kāi)溝施肥的機(jī)器。果園開(kāi)溝施肥機(jī)開(kāi)溝過(guò)程中切削功耗很大，所以本文以自主研制的我國(guó)丘陵山區(qū)迫切需要的立式單軸旋轉(zhuǎn)果園開(kāi)溝施肥機(jī)的旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝刀具為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以提高作業(yè)效率和開(kāi)溝質(zhì)量，降低切削功耗。

2、r>　　刀具的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(kāi)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(duì)旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝刀具的改進(jìn)優(yōu)化同時(shí)為其他耕作機(jī)具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。論文主要內(nèi)容包括：
　　根據(jù)旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝刀具具體參數(shù)，運(yùn)用三維建模軟件Creo建立旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝刀具三維實(shí)體模型。分析旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝刀具切削土壤的過(guò)程，

3、并對(duì)刀具切削土壤過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(guò)程中土壤正常升運(yùn)，確定刀具的臨界角速度為14.94rad/s，最大角速度為31.05rad/s。
　　運(yùn)用數(shù)值模擬方法來(lái)模擬旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝刀具切削土壤過(guò)程，為了避免切削過(guò)程中土壤的大變形情況同時(shí)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(shí)際情況。本文基于SPH法來(lái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開(kāi)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(kāi)溝刀具刀片折彎角為22°進(jìn)行刀具切削土壤過(guò)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(shí)候切削功耗穩(wěn)定于1.919kW。通過(guò)自主設(shè)計(jì)的、小型轉(zhuǎn)速—扭矩測(cè)量平臺(tái)測(cè)試旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝刀具切削土壤時(shí)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(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相近，符合實(shí)際情況。
　　開(kāi)展旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝刀具切

5、削土壤的單因素虛擬試驗(yàn)研究和二次回歸正交組合虛擬試驗(yàn)研究，同時(shí)建立切削功耗和三者之間的回歸方程，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，回歸方程顯著，且方程擬合性好，為開(kāi)展旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝刀具的優(yōu)化提供目標(biāo)函數(shù)。
　　為優(yōu)化旋轉(zhuǎn)開(kāi)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(dòng)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(kāi)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(kāi)溝刀具切削土壤功耗最小為目標(biāo)開(kāi)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(shí)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(kāi)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(guò)小型轉(zhuǎn)速—扭矩測(cè)量平臺(tái)測(cè)試優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝刀具切削土壤時(shí)候的切削功耗，選