【摘要】：旋耕作業(yè)阻力大、能耗高是農(nóng)業(yè)土壤耕作中一個(gè)亟待解決的問題。旋耕刀是旋耕機(jī)的關(guān)鍵觸土部件,其工作性能對旋耕機(jī)工作質(zhì)量和功率消耗有直接影響。因此,為降低旋耕機(jī)作業(yè)功耗,對旋耕刀幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是必要的。仿生學(xué),是通過研究和模擬生物功能特性、結(jié)構(gòu)特征等來實(shí)現(xiàn)已有技術(shù)創(chuàng)新的一門科學(xué)。鼴鼠,是一種高效挖掘的土壤洞穴動(dòng)物,其前足爪趾是主要的挖掘器官。當(dāng)鼴鼠挖掘土壤時(shí),前足的五個(gè)爪趾張開并處于同一平面協(xié)同工作,從而實(shí)現(xiàn)高效切土,這種結(jié)構(gòu)被稱為多趾組合結(jié)構(gòu)。目前,已有文獻(xiàn)對鼴鼠前足爪趾的切土性能進(jìn)行了研究,但是對多趾組合結(jié)構(gòu)幾何特征和切土機(jī)理的研究尚少,特別是該結(jié)構(gòu)與土壤相互作用過程中的土壤阻力和土壤失效情況。多趾組合結(jié)構(gòu)圍繞鼴鼠肱骨長軸旋轉(zhuǎn)而切削入土,其工作原理與旋耕刀圍繞刀軸旋轉(zhuǎn)切土類似。相關(guān)文獻(xiàn)基于鼴鼠爪趾幾何特征設(shè)計(jì)了仿生旋耕-碎茬刀,試驗(yàn)表明仿生結(jié)構(gòu)特征提高了刃口入土性能和碎茬能力,然而,對刀片在切土過程中的土壤阻力形成和土壤失效方式研究較少。本文對鼴鼠前足多趾組合結(jié)構(gòu)的幾何特征和切土機(jī)理進(jìn)行深入研究,并基于多趾組合結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)仿生旋耕刀片,以期改變旋耕刀切土?xí)r的土壤失效特征參數(shù),減小旋耕扭矩,從而實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)減阻降耗的目的。本文首先對鼴鼠前足多趾組合結(jié)構(gòu)的幾何特征和切土性能進(jìn)行研究。通過測量和分析,得到多趾組合結(jié)構(gòu)在切土?xí)r是一種多窄齒組合結(jié)構(gòu),且建立了其數(shù)學(xué)模型。此外,基于離散元法和土槽試驗(yàn)分別對其切土性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明:在模擬過程中,多趾組合結(jié)構(gòu)的水平和豎直阻力均隨著工作傾角的增加而非線性變化,其中在工作傾角為30?時(shí),水平阻力和豎直阻力最小,切土和入土性能最佳;在土槽試驗(yàn)中,多趾組合結(jié)構(gòu)的平均水平阻力隨著工作傾角的增加而非線性變化,小于傳統(tǒng)模型的平均水平阻力。并且,模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)多趾組合結(jié)構(gòu)的土壤破裂半徑比m值比傳統(tǒng)型刀片的m值小19.6%;土槽試驗(yàn)結(jié)果表明多趾組合結(jié)構(gòu)在切土過程中不僅有較小的觸土面積,而且還形成了較小的土壤失效楔塊,從而使得切土阻力最小。可見,多趾組合結(jié)構(gòu)特征對切土性能具有顯著影響,這也是鼴鼠挖掘高效性的重要原因。本文基于經(jīng)典土力學(xué)理論建立了鼴鼠前足多趾組合結(jié)構(gòu)切土力學(xué)模型,并基于離散元法和土槽試驗(yàn)分別驗(yàn)證該力學(xué)模型。結(jié)果表明,土壤阻力的理論值隨著工作傾角的增加而增大,與模擬結(jié)果的變化趨勢相同,但水平阻力的理論值比模擬值小30.73%,豎直阻力的理論值與模擬值差異較大;此外,理論計(jì)算結(jié)果與土槽試驗(yàn)結(jié)果均隨著工作傾角的增加而非線性增大,但理論值比土槽試驗(yàn)值小12.84%,處于±20%范圍內(nèi)�？芍�,建立的力學(xué)模型能夠合理、準(zhǔn)確地預(yù)言多趾組合結(jié)構(gòu)在不同條件下的阻力變化情況。此力學(xué)模型,揭露了多趾組合結(jié)構(gòu)的土壤阻力是所有爪趾切土阻力的和再減去引起土壤擾動(dòng)疊加區(qū)域的力,也闡明了多趾組合結(jié)構(gòu)的土壤失效是多個(gè)新月形土壤失效的疊加。這為多趾組合結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)�；趯B鼠前足多趾組合結(jié)構(gòu)特征,設(shè)計(jì)了9組仿生旋耕刀片。在土槽試驗(yàn)中,通過3因素3水平正交試驗(yàn),得到優(yōu)化的仿生刀片(BB-2),其中n_(cl)=1.25、θ=60?,當(dāng)轉(zhuǎn)速n=240 rpm時(shí),BB-2有最小的扭矩17.11 Nm。將傳統(tǒng)刀片(CB)、已報(bào)道的仿生旋耕-碎茬刀(BB-1)與本文優(yōu)化得到的仿生旋耕刀片(BB-2),在土槽試驗(yàn)中進(jìn)行單刀切土試驗(yàn),結(jié)果表明BB-2的旋耕扭矩比CB的旋耕扭矩小13.99%,BB-1的旋耕扭矩比CB的旋耕扭矩小3.74%;并發(fā)現(xiàn)爪趾趾尖輪廓曲線特征提高了BB-2刀刃的入土能力和滑切性能;而且多趾組合結(jié)構(gòu)改變了BB-2的土壤失效方式,形成了較小的土壤楔,使得旋耕扭矩要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)旋耕刀。最后,通過田間試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了土槽試驗(yàn)結(jié)果,得到仿生旋耕刀在保證基本耕作質(zhì)量的前提下,可明顯降低耕作扭矩和功率消耗、提高土壤破碎率、降低溝底被涂抹的風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)減阻降耗的目的。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S222.3
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本文編號：2618891