油菜直播機開溝旋耕降附減阻機理與仿真分析.pdf

1、油菜是我國重要的油料作物，其種植面積及總產(chǎn)量均居世界第一。油菜傳統(tǒng)種植過程中，生產(chǎn)用工量大、勞動強度高，因此推廣油菜機械化種植是油菜生產(chǎn)的必然趨勢。由于長江流域雨量較大，油菜種植需要開畦溝，且土壤粘重板結(jié)，地表前茬作物殘留秸稈量大，對油菜直播機開溝旋耕作業(yè)部件的作業(yè)性能和作業(yè)效率有著重要影響。本文開展油菜直播機開溝旋耕的降附減阻及仿真分析研究，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)分析了油菜直播機開溝旋耕作業(yè)條件，系統(tǒng)開展了土壤與水

2、稻秸稈物理機械特性參數(shù)測試與分析。試驗得出了土壤容重、土壤含水率、土粒密度、土壤空隙率、土壤界限含水率（液限、朔限）、土壤顆粒、土壤堅實度、土壤粘結(jié)系數(shù)、土壤內(nèi)摩擦角等土壤物理機械參數(shù)值，及稻茬高度、秸稈量、秸稈含水率等稻茬物理機械特性參數(shù)值。明確了機具作業(yè)的土壤質(zhì)地為壤土偏砂性土壤，作業(yè)時的適宜土壤含水率應在25％以下，且機具應具有處理秸稈量大，秸稈韌性強的作業(yè)工況能力，為開溝旋耕部件的降附減阻及仿真分析研究提供依據(jù)。分析了影響開溝部

3、件作業(yè)阻力及作業(yè)功耗的影響因素，獲得了開溝部件作業(yè)阻力和作業(yè)功耗與土壤物理機械特性、犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)、犁體工作參數(shù)的定量關(guān)系;同時分析了影響旋耕部件作業(yè)功耗的影響因素，獲得了旋耕部件作業(yè)功耗與土壤物理機械特性、刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)、刀輥工作參數(shù)的定量關(guān)系。
　　(2)建立了土壤參數(shù)預測模型及對土壤參數(shù)進行了預測。以LS-Dyna顯示動力學軟件為平臺，建立以Drucker-Prager為土壤屈服準則，以Mohr-Coulomb為土壤失效準側(cè)的土

4、壤本構(gòu)模型。通過模擬研究標準圓錐（ASABE標準）浸入土壤過程獲得圓錐阻力-位移曲線，并建立圓錐阻力-位移曲線在不同位移點時，圓錐阻力與土壤物理機械特性參數(shù)土壤空隙率e*、內(nèi)摩擦角φ、粘結(jié)系數(shù)c和硬化系數(shù)λ之間的回歸模型，得出土壤參數(shù)內(nèi)摩擦角φ、粘結(jié)系數(shù)c、硬化系數(shù)λ對圓錐阻力-位移曲線有顯著影響。運用由拋物線(y=ax2)及直線（y=kx+m）組成的分段曲線擬合所有仿真獲得的圓錐阻力-位移曲線，結(jié)果顯示曲線擬合度值R2在0.99以上;

5、建立了擬合曲線系數(shù)a、k、m關(guān)于土壤物理機械特性參數(shù)內(nèi)摩擦角φ、粘結(jié)系數(shù)c、硬化系數(shù)λ的四階響應曲面，結(jié)果.表明:對校正試驗組及驗證試驗組獲得的圓錐阻力-位移曲線進行曲線擬合所獲得的擬合曲線系數(shù)a、k、m的四階響應曲面回歸方程決定系數(shù)R2值都在0.96以上;運用窮舉搜索算法預測土壤參數(shù)粘結(jié)系數(shù)c及硬化系數(shù)λ值，對于校正試驗組，粘結(jié)系數(shù)c決定系數(shù)R2值為0.85，均方根誤差RMSE值為17.96％，硬化系數(shù)λ決定系數(shù)R2值為0.78，均方

6、根誤差RMSE值為33.90％，對于驗證試驗組，粘結(jié)系數(shù)c決定系數(shù)R2值為0.89，均方根誤差RMSE值為18.03％，硬化系數(shù)λ決定系數(shù)R2值為0.76，均方根誤差RMSE值為22.31％。
　　(3)開展了油菜直播機開畦溝前犁曲面分析與阻力特性試驗，設(shè)計一種鏵式開畦溝前犁裝置，并通過犁體曲面分析，明確了其導曲線和直元線變化規(guī)律、犁體曲面類型?；诟咚贁?shù)字化土槽試驗，結(jié)果表明:改進型犁體的牽引阻力、犁耕比阻、作業(yè)功耗為原設(shè)計的鏵

7、式開畦溝前犁裝置對應指標的35％～50％，減少50％以上;田間試驗結(jié)果表明:改進型鏵式開畦溝前犁裝置開出的畦溝溝型整齊，溝底和溝壁平整。
　　(4)開展了油菜直播機開畦溝部件前后犁作業(yè)阻力及功耗研究，以開畦溝部件耕深、前進速度、土壤堅實度為試驗因素，開展高速數(shù)字化土槽試驗，結(jié)果表明:前犁牽引阻力及作業(yè)功耗是后犁對應指標的2.3倍，占部件整體對應指標的70.3％;通過回歸模型分析表明耕深是影響部件整體牽引阻力的關(guān)鍵因素，其重要程度占

8、63.29％，耕深和前進速度對部件整體功耗重要程度基本相同，其重要程度分別占44.73％、46.52％，耕深、前進速度及土壤堅實度與各試驗指標正相關(guān);田間作業(yè)對比試驗結(jié)果表明，前后犁有效組合滿足油菜農(nóng)藝種植要求。
　　(5)開展了油菜直播機開畦溝犁體曲面優(yōu)化與EDEM仿真分析，通過建立EDEM離散元仿真模型，開展了開畦溝犁體曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)與作業(yè)速度的試驗研究，結(jié)果表明鏵刃起土角、導曲線開度、直元線起始角、直元線最大角試驗因素對犁體牽

9、引阻力具有顯著影響，犁體低速作業(yè)階段，牽引阻力呈線性增長，犁體高速作業(yè)階段，牽引阻力呈自然指數(shù)增長;構(gòu)建了犁體曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化數(shù)學模型，獲得了當鏵刃起土角為15°，導曲線開度為190mm，直元線起始角為35°，直元線最大角為40°時，犁體牽引阻力最小;對優(yōu)化的前后犁體進行3D打印及試制加工，并開展田間對比試驗，結(jié)果表明優(yōu)化犁體作業(yè)出的畦溝溝底大塊土垡少，殘留土壤質(zhì)量減少62.87％，溝底干凈，T型溝較明顯。
　　(6)開展了油菜直

10、播開溝旋耕結(jié)構(gòu)改進與田間試驗，分析了在地表稻茬秸稈量大、土壤粘重的復雜作業(yè)工況下，油菜直播機開溝旋耕部件作業(yè)時，土壤流動不通暢、易堵塞的主要部位為開畦溝前犁區(qū)域，后犁區(qū)域及旋耕部件中間區(qū)域;試驗研究了油菜直播機開溝旋耕部件作業(yè)功耗，結(jié)果表明開畦溝部件作業(yè)功耗為旋耕部件作業(yè)功耗的24.13％～36.54％;同時開展了對作業(yè)易堵塞部位的結(jié)構(gòu)改進和對功率消耗最大部件旋耕部件刀輥刀片的優(yōu)化排列，旋耕部件設(shè)計為深淺旋組合式種床整備裝置，田間試驗表

11、明:改進后開溝旋耕部件易堵點消除，機組通過性好，深淺旋組合式種床整備裝置作業(yè)功耗減少14.13％～18.04％，改進后的開溝旋耕部件作業(yè)質(zhì)量對油菜生長狀況無明顯影響。
　　創(chuàng)新點1:提出了一種切土滾垡與整形同步的犁體曲面，并基于EDEM離散元的仿真分析明確了油菜直播機開畦溝犁體作業(yè)阻力最小的曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　創(chuàng)新點2:運用標準圓錐浸入土壤過程獲得其阻力-位移曲線，提出了一種基于響應面技術(shù)的反演分析方法，可有效建立土壤物理機