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基于离散元法的马铃薯挖掘机理研究及仿生铲设计

樊昱  
【摘要】:随着我国马铃薯主粮化战略的推进,其种植规模越来越大,但收获机械化水平相对较低,并且存在牵引阻力大、伤薯率高等问题。马铃薯收获机的挖掘铲作为直接与土壤、块茎及根系作用的关键部件,其设计缺乏精确、合理的理论支撑,仍然处于经验-半经验设计状态。本文结合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)”和高等学校博士学科点专项科研基金“基于野猪拱嘴的马铃薯仿生挖掘机理研究(20132103120016)”开展研究,综合考虑了马铃薯块茎、根系周边土壤不同区域形态及力学特性的差异,建立了土壤-块茎-根系团聚体离散元模型,运用数值模拟分析方法,研究了马铃薯收获过程中土壤-块茎-根系团聚体的动态破裂特性及其与挖掘铲的耦合作用,探讨了马铃薯挖掘机理及减阻节能途径;在此基础理论指导下,设计了基于野猪拱嘴结构特征的仿生挖掘铲,并通过仿真及田间试验验证了其具有较好的减阻效果,为高性能马铃薯收获机及其他块根系收获机械的研制提供理论基础。主要研究内容如下:(1)土壤-马铃薯块茎-根系团聚体参数的测量。以早熟品种早大白为研究实例,实地测量了马铃薯植株结薯个数、结薯深度和宽度;用筛分法测量了土壤的粒径大小和比例;采集靠近和远离马铃薯植株区域的土壤(分别与马铃薯植株中心相距100mm和300mm)的土样,对不同区域样本土壤的含水率、密度、坚实度、内聚力及内摩擦角等参数进行了测量,利用圆筒提升法测量了土壤的堆积角。研究了收获期马铃薯块茎的含水率、密度以及压缩力学特性;对挖掘后的根系进行了特征参数的测量,利用排水法测量马铃薯根系的密度;为建立离散元模型提供数据参考。(2)土壤-马铃薯块茎-根系团聚体离散元模型的构建。运用离散元软件EDEM建立了四种不同颗粒大小的土壤离散元模型;利用三维扫描技术和Creo2.0建模软件建立了块茎和根系的几何模型,并在EDEM软件环境中完成颗粒填充,得到了块茎、根系的离散元模型;通过Plackett-burman实验设计、最陡爬坡试验设计和响应曲面试验进行了土壤颗粒堆积角虚拟标定试验,得到了对土壤模型影响显著的三个因素的最优值;在EDEM软件中设置各颗粒之间的物理参数和接触模型,完成土壤-马铃薯块茎-根系系统离散元模型。通过相同工作参数下仿真试验和田间试验工作阻力的对比分析,验证了离散元仿真模型的有效性和可靠性。(3)基于离散元法的马铃薯挖掘过程仿真。利用已建立的离散元模型对马铃薯挖掘过程进行了仿真模拟分析,揭示了挖掘铲与土壤-块茎-根系团聚体的耦合作用机理,仿真分析了在挖掘铲作用下土壤-块茎-根系团聚体破裂-离散-崩塌-流动的动态运动过程。得到了挖掘铲扰动下土壤运动速度的变化规律以及力与时间的历程响应。仿真分析了不同土层(底层、中层和表层)和不同区域(靠近和远离马铃薯植株)土壤颗粒在挖掘铲作用下水平和竖直两个方向上的位移,发现其存在着一定的差异。通过对马铃薯块茎及根系进行单独标记,从位移和速度两个方面研究了其在挖掘铲作用下的运动变化规律。通过仿真试验研究了挖掘铲工作参数及形状对工作阻力的影响。对影响挖掘阻力的不同工作速度、挖掘深度和挖掘铲形进行了单因素试验分析,从细观角度研究了它们影响工作阻力的原因;进行了铲面形状的单因素试验,发现凸面铲在碎土能力和改善土壤流动性方面有独特的优势。(4)基于仿生技术的马铃薯挖掘铲设计。运用仿生学原理和逆向工程技术,完成了野猪触土部位-拱嘴的数据采集、曲面重构,提取了拱嘴部位的特征曲线,生成了曲线拟合方程。利用曲线方程建立了马铃薯仿生挖掘铲,在工作参数一致的条件下,通过仿真试验,对比分析了尺寸参数相同的仿生铲和平面铲性能,结果表明仿生挖掘铲工作阻力低,土壤颗粒破碎率高。为了探究仿生铲的最佳结构参数,以挖掘过程中的工作阻力和土壤颗粒破碎率为试验指标,以仿生铲单铲长度、单铲宽度和铲刃倾角为试验因素,采用Box-Behnken响应曲面试验方法进行多因素试验,建立了各项性能指标与试验参数之间的数学模型,应用Design-Expert软件对仿生挖掘铲的结构参数进行多目标优化。对优化设计后的马铃薯仿生挖掘铲进行了田间验证试验,并与平面铲进行对比分析,结果表明:该新型仿生挖掘铲田间工作挖掘阻力整体上小于平面铲,挖掘性能良好,可用于实际马铃薯收获作业。


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