發(fā)布時間：2020-10-15 08:05

　　 木薯、甘薯、馬鈴薯并稱為世界三大薯類,在我國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、動力學(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象,依托中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研制的多功能莖稈切割試驗(yàn)臺,通過理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合,應(yīng)用有限元數(shù)值模擬軟件對木薯莖稈切割過程進(jìn)行動態(tài)模擬仿真,分析其切割過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木薯莖稈為研究對象,對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;通過紅外光譜、X衍射、熱重-熱差等不同角度探明木薯莖稈木質(zhì)層的結(jié)構(gòu);通過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象,試驗(yàn)測定并分析莖稈的生物學(xué)參數(shù)和物理機(jī)械特性:測定了莖稈直徑、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程中重割、不漏割以及碰撞的條件;依托切割試驗(yàn)臺對收獲期的木薯莖稈進(jìn)行切割試驗(yàn)。通過試驗(yàn)分析了木薯莖稈在刀片刃角、切割角、刀盤傾角、刀盤轉(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°,刀盤傾角2.60°,刀盤轉(zhuǎn)速500.11rpm,機(jī)器前進(jìn)速度0.59m/s時最大切割力最小。(4)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、彎曲破壞過程。結(jié)合木薯莖稈物理機(jī)械特性參數(shù)及試驗(yàn)過程,提出木薯莖稈所屬材料的假設(shè),并通過對其木質(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)臺實(shí)際切割木薯莖桿的試驗(yàn)過程,進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募僭O(shè),確定了數(shù)值模擬的條件,基于ANSYS/LS-DYNA建立了木薯莖桿切割系統(tǒng)有限元模型;在引入沙漏粘性阻尼與人工體積粘性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對計算機(jī)仿真過程的有效控制,驗(yàn)證檢驗(yàn)仿真結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。利用建立的切割系統(tǒng)有限元模型完成了圓盤式切割器切割木薯莖桿的模擬仿真,并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析,分別通過改變刀片刃角、刀盤傾角、刀盤轉(zhuǎn)速、機(jī)器前進(jìn)速度分析了最大應(yīng)力、切割力及能量隨之變化規(guī)律。
【學(xué)位單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S225.71
【部分圖文】：

要耕作模式也將產(chǎn)生破壞性的沖擊。（３）近年熱區(qū)農(nóng)業(yè)勞動力的持續(xù)快速減少，??我國木薯產(chǎn)業(yè)己從農(nóng)戶分散種植逐步向?qū)I(yè)大戶、合作社聯(lián)營、加工企業(yè)自建基??地等形式轉(zhuǎn)變，種植規(guī)模也向集中連片發(fā)展，具備實(shí)施機(jī)械化作業(yè)的地塊條件。??但木薯收獲機(jī)械化相關(guān)研究尚在襁褓之中，均處于研宄階段，成型成熟技術(shù)缺乏，??不能為木薯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供機(jī)械化作業(yè)技術(shù)支撐（黃潔等，２００６）。??１．２研究目的及意義??１．２．１木薯的生物學(xué)特性??木薯莖直立，木質(zhì)，高２ｍ至５ｍ，單葉互生，披針形。單性花，頂生，雌雄??同序。木薯種植要求低，適應(yīng)性強(qiáng)，耐旱耐貧瘠。年均氣溫１８°Ｃ以上，無霜期達(dá)??８個月以上的山地、平原均可種植；降雨量在６００？６０００?ｍｍ，熱帶－亞熱帶海拔??２０００?ｍ以下，土壤ｐＨ值介于３．８？８．０的地方都可以生長，最適于在年均溫度２７°Ｃ??左右，日均溫差６？７°Ｃ，年降雨量１０００？２０００?ｍｍ分布均勻，陽光充足，土層深??

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)２０１８屆博士研宄生學(xué)位論文木薯的收獲機(jī)械化技術(shù)是制約全程機(jī)械化的一個重要瓶頸。據(jù)有關(guān)報道木薯化作業(yè)生產(chǎn)率可達(dá)０．５３－０．６７ｈｍ２／ｈ，應(yīng)用木薯收獲機(jī)以機(jī)械作業(yè)替代繁重的勞動，成本比人工收獲節(jié)約９００元／ｈｍ２，工作效率可提高２０倍以上（蔣志國等００８）〇???

將木薯莖桿樣品分別橫切、縱切成薄片，置于３％戊二醛固定液中，抽氣使??其下沉，然后放置于４°Ｃ冰箱中固定２４時后取出，用相同的緩沖液洗滌３次，再用??３０％、５０％、７０％、８０％、９０％、９５％系列乙醇逐級脫水，每級２０?ｍｉｎ至?１００％，??然后用叔丁醇置換３次后冷凍干燥，將干燥好的材料用導(dǎo)電膠帶粘在樣品臺上，??采用ＪＥＯＬ?ＪＦＣ－１６００離子濺射鍍膜儀噴鍍鉑金，噴鍍好的材料在ＪＥＯＬ?ＪＥＭ－６４９０??ＬＶ掃描電子顯微鏡下進(jìn)行形態(tài)觀察（王立新等，１９９０）。??２．３．２木薯莖軒宏觀結(jié)構(gòu)??木薯莖稈主要由芽眼、表皮，扨皮層、木質(zhì)層和髓組成。見圖２－１，表皮是??與外界環(huán)境接觸的最外層細(xì)胞皮層，具有吸收和保護(hù)功能（王健等，２００６）。軔??皮層主要用于有機(jī)物和礦物質(zhì)離子的運(yùn)輸，軔皮纖維層質(zhì)地堅(jiān)軔，抗撓曲能力較??強(qiáng)，為韌皮層中擔(dān)負(fù)機(jī)械支持功能的成分（趙科學(xué)，２０１０）。木質(zhì)層是木薯莖桿??中的主要營養(yǎng)運(yùn)輸組織，負(fù)責(zé)將根部吸收的水分及易溶解于水的離子向上運(yùn)輸，??供其它器官組織使用，另外還具有支持植物體的作用，木質(zhì)層可以分為初生和后??生木質(zhì)層兩部分，靠近韌皮層的是后生木質(zhì)層，靠近髓部的是初生木質(zhì)層。髓是??木薯莖稈最中心的部分，髓質(zhì)地疏松似海綿體。??
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本文編號：2841916