【摘要】：鎮(zhèn)壓輪是農(nóng)業(yè)機械中典型的滾動觸土部件,其基本功能是對土壤進行合理壓實。傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輪輪體大都由鑄鐵或鋼材制成,這種宏觀上普通光滑的結(jié)構(gòu)使其在作業(yè)過程中極易黏附土壤,導(dǎo)致鎮(zhèn)壓力不足,鎮(zhèn)壓不均勻。此外,鎮(zhèn)壓輪在作業(yè)時會將一部分土壤推到前方,形成波浪狀隆起,導(dǎo)致壅土現(xiàn)象的產(chǎn)生,這不但使壓實效果不理想,還會產(chǎn)生較大的工作阻力,降低鎮(zhèn)壓輪的作業(yè)效率,甚至導(dǎo)致作物減產(chǎn)。因此,針對傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輪土壤黏附現(xiàn)象嚴重、工作阻力較大的問題,設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)減黏降阻的鎮(zhèn)壓輪對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分重要。受土壤動物體表非光滑結(jié)構(gòu)(凸包形、凹坑形、棱紋形、鱗片形等)具有減黏降阻性能的啟發(fā),又由于灰巴蝸牛殼體的外凸曲面形狀與凸包結(jié)構(gòu)的作用原理有一定的相似性,因此,本研究基于仿生學(xué)思想,以灰巴蝸牛殼體為仿生對象,采用理論分析與試驗研究相結(jié)合的方法,設(shè)計仿生凸包結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輪并對其進行探究。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)根據(jù)仿生學(xué)相關(guān)思想,通過改變鎮(zhèn)壓輪與土壤的接觸方式來設(shè)計仿生凸包結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輪。以灰巴蝸牛殼體為仿生研究對象,通過逆向工程技術(shù)、MATLAB曲線擬合等方法對蝸牛殼體外凸曲面特征參數(shù)進行提取。結(jié)合PLA材料的使用,運用3D打印技術(shù)對凸包結(jié)構(gòu)進行三維實體成型。新型材料PLA具有良好的抗沖擊、抗磨損、抗腐蝕、不易黏附、不易吸水、自潤滑等特點,這些特點使其能達到良好的減黏效果。而且PLA是環(huán)境友好型材料,不會造成污染。(2)在Creo Parametric軟件中構(gòu)建仿生凸包結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輪的三維模型,并通過EDEM軟件進行離散元仿真分析,模擬仿生鎮(zhèn)壓輪與土壤相互作用的動態(tài)過程,分析鎮(zhèn)壓輪所受工作阻力和土壤下陷量的變化規(guī)律。利用設(shè)計專家軟件Design-Expert 8.0.6進行三因素五水平的回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗,獲得仿生鎮(zhèn)壓輪的前進速度、配重和凸包高度與工作阻力、土壤下陷量之間的關(guān)系以及數(shù)學(xué)回歸模型。在此基礎(chǔ)上,對數(shù)學(xué)回歸模型進行多目標(biāo)優(yōu)化,最終獲得仿生鎮(zhèn)壓輪的最優(yōu)運動參數(shù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù):前進速度為4.8 km/h,配重為360 N,凸包高度為12 mm。(3)選取東北地區(qū)壟作常用的傳統(tǒng)圓柱鎮(zhèn)壓輪與仿生凸包結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輪進行土槽對比試驗,探究仿生鎮(zhèn)壓輪的減黏性能。利用EDEM試驗中獲得的最優(yōu)參數(shù)組合來安排對比試驗,考察兩種鎮(zhèn)壓輪在三種不同含水率下黏附土壤量以及土壤容重的情況。試驗結(jié)果表明,與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輪相比,仿生凸包結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輪的黏附土壤量較少,且減黏率隨土壤含水率的增加而增大。當(dāng)土壤含水率分別為20±1%、24±1%和28±1%時,仿生鎮(zhèn)壓輪的減黏率分別達到18.34%、20.50%和23.58%,說明含水率越大,仿生鎮(zhèn)壓輪的減黏效果越好。經(jīng)兩種鎮(zhèn)壓輪作業(yè)后的土壤容重范圍均在1.0~1.3 g·cm~(-3)之間,這樣的土壤容積密度能滿足作物的生長要求。(4)將傳統(tǒng)圓柱鎮(zhèn)壓輪與仿生凸包結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輪進行田間對比試驗,探究仿生鎮(zhèn)壓輪的減阻性能。沿用EDEM試驗中仿生鎮(zhèn)壓輪的最優(yōu)解來安排對比試驗,同時考察試驗指標(biāo)工作阻力、種子出苗率以及土壤容重的情況。試驗結(jié)果表明,仿生凸包結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輪在保證合理壓實的基礎(chǔ)上,能實現(xiàn)減小工作阻力的目的,且減阻率達到27.77%。試驗結(jié)果與仿真試驗相符,驗證了仿真試驗的合理性。同時,仿生鎮(zhèn)壓輪使玉米種子出苗率達到96.11%,與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輪相比,出苗率提高了6.69%。本文設(shè)計的仿生凸包結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輪,能夠有效降低作業(yè)過程中產(chǎn)生的工作阻力、黏附土壤量以及壅土現(xiàn)象,且進一步提高鎮(zhèn)壓作業(yè)質(zhì)量,這為鎮(zhèn)壓輪的設(shè)計提供了可借鑒的新思路。
【圖文】：

引 言3圖1-1 圓筒型鎮(zhèn)壓器Fig. 1-1 Cylindrical repression圖1-2 輥式型鎮(zhèn)壓器Fig. 1-2 Roller to repression圖1-3 v型鎮(zhèn)壓器Fig. 1-3 V repression圖1-4 網(wǎng)環(huán)型鎮(zhèn)壓器Fig. 1-4 Net ring repression（2）鎮(zhèn)壓輪除鎮(zhèn)壓器外，鎮(zhèn)壓部件還包括鎮(zhèn)壓輪或鎮(zhèn)壓輥，幾種常用的鎮(zhèn)壓輪有：圓柱鎮(zhèn)壓輪、寬（窄）型橡膠鎮(zhèn)壓輪、圓錐復(fù)合鎮(zhèn)壓輪、凹面（凸面）鎮(zhèn)壓輪、膠圈鎮(zhèn)壓輪、覆土鎮(zhèn)壓輪。圓柱鎮(zhèn)壓輪，如圖 1-5 所示，其工作部件由薄鋼板制成，主要分為普通圓面和網(wǎng)狀圓面兩種。由于圓柱鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)簡單，觸土工作部件面積較大，鎮(zhèn)壓力較均勻，因此在東北地區(qū)的使用較廣范。寬（窄）型橡膠鎮(zhèn)壓輪，如圖 1-6 所示，在鎮(zhèn)壓作業(yè)過程中，鎮(zhèn)壓輪輪體表面黏附的土壤量較少，鎮(zhèn)壓過后的地表土壤較平整。寬（窄）型橡膠鎮(zhèn)壓輪大多與精密播種機配套使用，也可在單組播種時為排種器提供驅(qū)動或兼作拋灑肥料的工作部件[16]。圓錐復(fù)合鎮(zhèn)壓輪

圖1-1 圓筒型鎮(zhèn)壓器Fig. 1-1 Cylindrical repression圖1-2 輥式型鎮(zhèn)壓器Fig. 1-2 Roller to repression圖1-3 v型鎮(zhèn)壓器Fig. 1-3 V repression圖1-4 網(wǎng)環(huán)型鎮(zhèn)壓器Fig. 1-4 Net ring repression（2）鎮(zhèn)壓輪除鎮(zhèn)壓器外，鎮(zhèn)壓部件還包括鎮(zhèn)壓輪或鎮(zhèn)壓輥，幾種常用的鎮(zhèn)壓輪有：圓柱鎮(zhèn)壓輪、寬（窄）型橡膠鎮(zhèn)壓輪、圓錐復(fù)合鎮(zhèn)壓輪、凹面（凸面）鎮(zhèn)壓輪、膠圈鎮(zhèn)壓輪、覆土鎮(zhèn)壓輪。圓柱鎮(zhèn)壓輪，如圖 1-5 所示，其工作部件由薄鋼板制成，，主要分為普通圓面和網(wǎng)狀圓面兩種。由于圓柱鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)簡單，觸土工作部件面積較大，鎮(zhèn)壓力較均勻，因此在東北地區(qū)的使用較廣范。寬（窄）型橡膠鎮(zhèn)壓輪，如圖 1-6 所示，在鎮(zhèn)壓作業(yè)過程中，鎮(zhèn)壓輪輪體表面黏附的土壤量較少，鎮(zhèn)壓過后的地表土壤較平整。寬（窄）型橡膠鎮(zhèn)壓輪大多與精密播種機配套使用，也可在單組播種時為排種器提供驅(qū)動或兼作拋灑肥料的工作部件[16]。圓錐復(fù)合鎮(zhèn)壓輪
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S220

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本文編號：2703302