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基于离散元法的马铃薯挖掘铲工作阻力仿真与试验研究

赵吉喆  
【摘要】:挖掘部件作为马铃薯收获机的核心部件之一,是与马铃薯块茎根系及土壤直接作用的部件,其性能好坏直接影响整机性能。目前,挖掘铲与土壤之间的作用研究只局限于有限元静力学分析及基于连续体理论的动力学分析,但实际上受块茎和根系的影响,块茎、根系周边的土壤离散度相对较大,挖掘过程中土壤颗粒离散度更大。离散元法作为研究非连续介质问题的一种通用方法,更适合研究块茎类收获土壤力学问题。本论文依托国家自然科学基金项目"土壤-马铃薯块茎-根系团聚体动态破裂特性及其与挖掘铲耦合作用机理研究(51505305)",采用田间试验与离散元法仿真模拟相结合的方法,对比研究马铃薯挖掘铲工作过程及受力情况,一方面验证离散元模型的可行性,另一方面为后续挖掘部件的优化设计奠定基础。同时也能为其他块茎类作物的收获土壤动力学分析提供借鉴。主要研究内容为:(1)土壤离散特性的试验验证及参数测定。①在朝阳市建平县种植马铃薯试验田3亩,从结块茎到收获期每隔10天测试一次土壤坚实度,分析块茎膨大对土壤离散程度的影响。②通过试验测定收获期内马铃薯块茎周边土壤的基本物理特性参数,包括土壤质地、含水率、密度以及坚实度,为离散元仿真模型建立提供数据依据。(2)马铃薯挖掘铲工作过程及受力情况离散元仿真模拟。①建立与实际工况相对应的挖掘铲—土壤离散元模型,主要包括接触模型的选择(Hertz-Mindlin粘结接触模型)、马铃薯挖掘铲三维模型的建立(利用SolidWorks软件建立)、土壤颗粒工厂的生成(参数选择通过实验测定及后期反复调试确定)以及仿真边界的建立等。②利用离散元软件EDEM对建立的模型进行挖掘铲运动过程及受力情况的仿真模拟,得出挖掘铲工作过程中的受力情况。(3)田间试验。①田间试验测试系统的搭建,包括测试系统的整体设计与连接以及测力框架、拉力传感器以及角度传感器的选择与标定。②单因素田间试验,保证其他作业参数不变,只改变作业速度大小,得出马铃薯挖掘铲工作阻力的变化情况,分析作业速度对马铃薯收获机工作阻力的影响规律。(4)试验结果与仿真结果对比分析。仿真试验马铃薯挖掘铲所受水平合力与垂直合力随速度增加的变化趋势与田间试验变化趋势基本一致:马铃薯挖掘铲的水平阻力随着速度的增加而增大,在0.25m/s时最小;垂直阻力随着速度的增加先减小后增大,在工作速度为0.38m/s时最小,水平阻力始终大于垂直阻力。研究结果表明采用离散元法进行马铃薯挖掘铲工作阻力仿真模拟是可行的。


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