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秸秆整秆有序集束打捆装置的研究

刘涛  
【摘要】:目前,我国适宜整秆有序集束打捆收获的作物主要有水稻、谷子、青稞、燕麦、高粱、芦苇,其种植面积高达33321khm2,并且秸秆的资源化综合利用迫切需要能够实现整秆打捆收获的相关技术,但国内外的打捆技术的相关研究主要集中于圆、方捆打捆成型方面,在整秆有序集束打捆成型方面缺少相关理论研究。本文对秸秆整秆有序集束打捆装置展开了相关研究,首先,通过试验分析了水稻、小麦等多种物料的物理特性,总结出了物料的物理特性规律;然后,利用仿生设计原理和虚拟仿真技术攻克了整秆有序集束打捆的核心技术,搭建了秸秆整秆有序集束打捆装置研究平台;再后,通过研究秸秆整秆有序集束打捆装置,总结出了该装置的相关机理;最后,通过虚拟试验、样机试验、田间试验验证了机理的准确性,为秸秆整秆有序集束打捆技术的研究提供了理论基础。本文在结合国内外打捆技术的基础上,采用理论研究、计算机仿真与试验分析相结合的方法展开研究工作,本文的研究工作主要包括以下几个方面的内容:1.在试验室内对物料的物理特性进行了试验分析,得到了物料重心位移特性:带果穗的秸秆类作物(如水稻、小麦)的重心位置相对偏高,并且重心位置随含水量的增加而升高;不带果穗的秸秆类作物(芦苇)的重心位置相对较低,并且重心位置随含水量的增加而降低;随着切割速度的不断增加,剪切秸秆所需的最大剪切力先增加后减少;不同类作物,在不同的切割速度下,剪切力-位移曲线虽然不完全相同,但基本变化规律相同;作物秸秆自下往上,强度不断降低,柔韧性不断增强,所承受的载荷越来越小,变形量却越来越大,上述物料的物理特性研究不仅为秸秆整秆有序集束打捆装置关键部件的结构优化提供了基础数据支撑,而且为秸秆类作物与机具之间的多体动力学作用机理的研究提供了基础数据。2.首先,对核心装置的设计原理进行了探索、分析、验证,并对各装置的结构参数进行了设计、计算,然后,建立了各装置的三维结构模型,并使用ADAMS等仿真分析软件进行了试验验证,最终,确定了秸秆整秆有序集束打捆装置的具体参数,设计了低损扶禾装置、高效切割装置、直立输送装置、旋转导向有序归集装置、精准送绳装置、整秆有序集束打捆装置、多路线动力传输时序相位控制装置,搭建了秸秆整秆有序集束打捆装置研究平台,为其机理研究提供了载体。3.在物料特性和成捆技术的研究基础上,依托秸秆整秆有序集束打捆装置研究平台,研究了秸秆整秆有序集束打捆装置的多体运动耦合机理,揭示了物料与机具的相互作用关系;研明了仿生打捆成型机理,确定了打结器初始安装角ε、打结器上喙部弯折弧度角δ以及主轴转速ω的作业参数对成捆率的影响规律;探究了多路线动力传输时序相位控制机理,绘制了时序相位控制图。该装置机理的研究不仅可以为提高秸秆完整性和打捆成捆率提供技术指导,而且为秸秆整秆有序集束打捆技术的相关研究提供基础理论。4.通过秸秆整秆有序集束打捆装置研究平台进行二次正交旋转组合试验,分别分析秸秆含水率、时序相位角、主轴转速对成捆率和秸秆完整率的影响效果,建立了回归方程模型。通过MATLAB软件绘制因素间两两相互作用对成捆率和秸秆完整率两个主要试验指标的影响规律趋势,并对各回归方程进行求解所得最优值如下:含水量25%、相位角为90°、主轴转速为900r/min,并验明了相关机理的准确性,为秸秆整秆有序集束打捆技术的相关研究提供基础理论。


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