木薯莖稈切割力學(xué)特性與仿真分析.pdf

1、木薯、甘薯、馬鈴薯并稱為世界三大薯類(lèi)，在我國(guó)南亞熱帶亞熱帶地區(qū)，木薯是僅次于水稻、甘薯、甘蔗和玉米的第五大作物。木薯收獲機(jī)械化是木薯生產(chǎn)全程機(jī)械化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而木薯莖稈的切割是木薯機(jī)械化收獲的首要任務(wù)，木薯莖稈切割器也是木薯莖稈收獲機(jī)械的關(guān)鍵部件。研究木薯莖稈切割機(jī)理是開(kāi)展各種木薯聯(lián)合收獲機(jī)械及木薯莖稈粉碎還田機(jī)械設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)仿真、數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)，具有重要的理論和實(shí)際意義。本課題以木薯莖稈為研究對(duì)象，依托中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研

2、究所研制的多功能莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合，應(yīng)用有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)木薯莖稈切割過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，分析其切割過(guò)程中受力及功耗的變化情況，探討影響切割耗能因素，揭示木薯莖稈切割機(jī)理，從而為木薯莖稈收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論與技術(shù)支撐。主要研究結(jié)果包括以下內(nèi)容:
　　(1)以熱區(qū)主栽品種華南205木薯莖稈為研究對(duì)象，對(duì)影響切割受力的莖稈組分和顯微微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究:獲得了木薯莖稈化學(xué)組成成分;通過(guò)紅外光譜、X衍射、熱重-熱差

3、等不同角度探明木薯莖稈木質(zhì)層的結(jié)構(gòu);通過(guò)分析木薯莖稈韌皮層、木質(zhì)層、髓部的掃描電鏡圖像，明確其微觀構(gòu)造，從而為表征木薯莖稈物理機(jī)械特性及推導(dǎo)分析其材料屬性提供依據(jù)。
　　(2)以收獲期木薯莖稈根部為研究對(duì)象，試驗(yàn)測(cè)定并分析莖稈的生物學(xué)參數(shù)和物理機(jī)械特性:測(cè)定了莖稈直徑、韌皮層厚度、髓部直徑、含水率以及堆積密度等參數(shù);分析了沿莖稈方向的力學(xué)分布規(guī)律;通過(guò)試驗(yàn)獲得了木薯莖稈不同部位在軸向拉伸、軸向壓縮、徑向壓縮、軸向剪切、徑向剪切、徑

4、向彎曲下的破壞應(yīng)力和彈性模量。
　　(3)分析了木薯莖稈切割過(guò)程中重割、不漏割以及碰撞的條件;依托切割試驗(yàn)臺(tái)對(duì)收獲期的木薯莖稈進(jìn)行切割試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)分析了木薯莖稈在刀片刃角、切割角、刀盤(pán)傾角、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、機(jī)器前進(jìn)速度等因素不同水平下的最大切割力變化情況，經(jīng)優(yōu)化給出切割器參數(shù)的優(yōu)化組合為刀片刃角27.95°，切割角20.52°，刀盤(pán)傾角2.60°，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速500.11rpm，機(jī)器前進(jìn)速度0.59m/s時(shí)最大切割力最小。
　　(4

5、)運(yùn)用理論分析和有限元相結(jié)合的方法，分析了木薯莖稈的壓縮、彎曲破壞過(guò)程。結(jié)合木薯莖稈物理機(jī)械特性參數(shù)及試驗(yàn)過(guò)程，提出木薯莖稈所屬材料的假設(shè)，并通過(guò)對(duì)其木質(zhì)層試樣的試驗(yàn)結(jié)果分析推導(dǎo)，判定出木薯莖稈為橫觀各向同性材料。推導(dǎo)確定出木薯莖稈的彈性力學(xué)特性參數(shù)。建立了木薯莖稈數(shù)字化模型并模擬了木薯莖稈在軸向壓縮、橫向壓縮、徑向彎曲作用下的受力變形，獲得了木薯莖稈在失效極限狀態(tài)下的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、切應(yīng)力云圖。
　　(5)結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際切割木