基于有限元的茶園耕作部件作業(yè)性能仿真及試驗(yàn)研究.pdf

1、茶園耕作機(jī)械是在農(nóng)田耕作機(jī)械基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的專用于茶園中耕、除草、施肥等作業(yè)的一種機(jī)械。目前，茶園中耕所使用的機(jī)具主要有曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式三種機(jī)具，而刀具是機(jī)具的主要工作部件，所以對(duì)曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式刀具切削土壤的功率消耗是研究的重點(diǎn)。本文根據(jù)這三種機(jī)具的工作方式，研制了一款可以安裝這三種機(jī)具的通用試驗(yàn)臺(tái)，并采用有限元法以及試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展了曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式三種刀具的土

2、壤切削試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了不同茶園土壤、耕作速度條件下三種刀具的功耗比較，為茶園耕作方式的優(yōu)選提供了依據(jù)。論文的主要研究工作如下:
　　1.試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)以及刀具切削土壤的土槽試驗(yàn)及分析。設(shè)計(jì)了一套包括機(jī)械系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等部分的土槽通用試驗(yàn)裝置，該裝置的機(jī)械部分能夠較好的與曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式三種機(jī)具連接使用。對(duì)土槽土壤進(jìn)行處理，并測(cè)試出土壤的含水率、密度、堅(jiān)實(shí)度等物理特性。以切削功耗為指標(biāo)，使用該試驗(yàn)裝置

3、對(duì)三種刀具進(jìn)行了關(guān)于前進(jìn)速度、耕深、轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)以及正交試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差與方差分析，得出影響耕作作業(yè)功耗的主次因數(shù)順序?yàn)?耕深＞轉(zhuǎn)速＞前進(jìn)速度。就曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式三種機(jī)具在相同試驗(yàn)條件進(jìn)行了碎土率試驗(yàn)，得出碎土率分別為67.58％、87.43％、78.18％。
　　2.耕作刀具工作過(guò)程有限元仿真及結(jié)果分析。采用修正的Drucker-Prager模型為本文的土壤理論模型，建立了曲柄鋤齒挖掘式、水

4、平橫軸旋耕式、立軸旋耕式刀具以及土壤的有限元模型，并利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)這三種刀具切削土壤的過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真，分析了土壤等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置，并通過(guò)跟蹤土壤單元的速度、加速度、位移情況來(lái)分析土壤切削過(guò)程，與刀具切削土壤的實(shí)際情況基本吻合。模擬刀具在前進(jìn)速度為0.15m/s，耕深為0.1m，刀具旋轉(zhuǎn)速度為300r/min條件下的土壤切削試驗(yàn)，分別得出曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式刀具的土槽試驗(yàn)功耗與數(shù)值模擬計(jì)算所

5、得到的功耗的誤差為8.83％、7.6％、7.2％的結(jié)論，因此利用數(shù)值模擬的方法來(lái)研究這三種刀具的土壤切削問(wèn)題是合理可行的。
　　3.不同土壤條件下三種刀具的功耗比較。利用單軸壓縮試驗(yàn)來(lái)測(cè)定土槽土樣、丹陽(yáng)茶場(chǎng)土樣以及無(wú)錫茶葉研究所所屬茶園土樣的極限破壞應(yīng)力，為模擬不同土壤條件下土壤切削試驗(yàn)提供依據(jù)。在驗(yàn)證模型正確性的情況下，以功率消耗為指標(biāo)，模擬不同土壤條件以及前進(jìn)速度條件下的曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式刀具切削土壤的

6、過(guò)程，得出:同一種刀具隨著土壤堅(jiān)實(shí)度的增加，刀具切削土壤所用的功耗增大。以耕作效率為指標(biāo)得出選擇優(yōu)選方案為:當(dāng)前進(jìn)速度為0.5m/s時(shí)，在這三種土壤條件下選擇立軸式刀具進(jìn)行耕作作業(yè)效率最高;當(dāng)前進(jìn)速度為1.0m/s時(shí)，除了在土槽土壤中使用立軸式刀具效率高以外，在另外兩種類(lèi)型土壤中使用水平橫軸旋耕式刀具耕作效率最高;當(dāng)前進(jìn)速度為1.5m/s時(shí)，水平橫軸旋耕式刀具在這三種類(lèi)型的土壤中耕作效率最高。而曲柄鋤齒挖掘式刀具無(wú)論在能耗、作業(yè)效率還是