馬鈴薯現(xiàn)如今是中國(guó)的第四大主糧作物,其生產(chǎn)種植面積廣泛,產(chǎn)量居世界首位,但中國(guó)馬鈴薯的單產(chǎn)量卻相對(duì)較低,平均畝產(chǎn)量?jī)H為1噸左右。其中,機(jī)械化中耕作業(yè)是導(dǎo)致馬鈴薯單產(chǎn)偏低的重要原因之一。中耕作業(yè)主要功效為疏松土壤,消除雜草。其中,碎土效果是中耕作業(yè)較為關(guān)鍵的指標(biāo)。目前,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的大型中耕機(jī),作業(yè)效率雖然較高,但在粘重板結(jié)土壤的條件下碎土效果差的現(xiàn)象。所以如何解決馬鈴薯中耕作業(yè)時(shí)碎土率低、不傷苗、機(jī)具適用性強(qiáng)的問(wèn)題成為提高馬鈴薯中耕質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。因此,針對(duì)上述問(wèn)題,本研究對(duì)驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究,對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行了切削應(yīng)力的理論分析和碎土過(guò)程仿真分析,及部件參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)試驗(yàn)。主要內(nèi)容如下:(1)根據(jù)農(nóng)藝要求的馬鈴薯中耕機(jī)作業(yè)的碎土率不小于85%,耕深不小于150 mm,對(duì)比不同類型馬鈴薯中耕機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)馬鈴薯中耕機(jī)整體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)相應(yīng)的碎土裝置及馬鈴薯中耕機(jī)的合理布置,針對(duì)性解決上述問(wèn)題。(2)考慮機(jī)具的整體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),對(duì)碎土裝置中關(guān)鍵部件——碎土刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)和排布設(shè)計(jì),采用鑿形刀的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),使裝置滿足碎土效果好的同時(shí),又符合馬鈴薯中耕作業(yè)的農(nóng)藝要求。(3)通過(guò)對(duì)碎土部件進(jìn)行碎土性能分析,得出了影響碎土效果的結(jié)構(gòu)因素和運(yùn)動(dòng)參數(shù)因素,并運(yùn)用MATLAB軟件求解各個(gè)因素的合理范圍。應(yīng)用EDEM離散元軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的碎土部件進(jìn)行性能分析,得到碎土部件在仿真過(guò)程中碎土率大小,驗(yàn)證理論分析結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。(4)按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)方法進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)裝置,對(duì)碎土部件進(jìn)行碎土性能試驗(yàn)分析,以碎土率為試驗(yàn)指標(biāo),根據(jù)理論分析得到的影響碎土效果的試驗(yàn)因素,采用二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法,對(duì)碎土裝置在不同因素水平下的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析,從而對(duì)作業(yè)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到能夠滿足碎土效果的較合理的裝置結(jié)構(gòu)。并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)參數(shù)水平滿足中耕機(jī)作業(yè)的碎土要求,驗(yàn)證碎土效果的可行性。相關(guān)研究結(jié)果:(1)本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)碎土裝置結(jié)構(gòu)合理,確定了整體采用旋轉(zhuǎn)單體的設(shè)計(jì)形式,本設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)部件采用2個(gè)內(nèi)刀盤(pán)對(duì)稱安裝在傳動(dòng)軸內(nèi)側(cè),左刀盤(pán)與右刀盤(pán)對(duì)稱安裝在傳動(dòng)軸外側(cè),所有刀盤(pán)回轉(zhuǎn)半徑均為227 mm,刀棍直徑為70 mm,同一刀盤(pán)上相鄰2個(gè)碎土刀的橫向之間距離為12 mm。兩側(cè)刀盤(pán)對(duì)稱布置的方式;碎土刀采用鑿形直刀,使切削應(yīng)力更加集中,刀片厚度為10 mm,兩端側(cè)刃夾角為45°,刃口寬度為1.5 mm,側(cè)刃長(zhǎng)度11 mm,碎土刀折彎角為150°,刃口長(zhǎng)度為70 mm。(2)通過(guò)旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)分析和碎土刀的切削應(yīng)力分析,得出在旋轉(zhuǎn)部件作業(yè)時(shí),端點(diǎn)速度隨著碎土刀入土到切削過(guò)程結(jié)束而連續(xù)減小,隨著機(jī)具運(yùn)動(dòng)參數(shù)的增大而增加,旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速范圍選取為175~325 r/min;切削應(yīng)力隨著入土?xí)r間的增加而增大,碎土刀折彎角為150°時(shí),碎土片切削土壤應(yīng)力最大,刀刃刃口的長(zhǎng)度在0.05~0.11 m時(shí),其切削應(yīng)力均大于土壤的剪切強(qiáng)度,能夠使土壤切削破碎。得出在不易破碎的條件下,碎土刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范圍選取,均能使土壤破碎,運(yùn)用EDEM軟件,采用API函數(shù)替換的方式,將大粒徑土壤顆粒替換為小粒徑的顆粒團(tuán),進(jìn)行粘結(jié)顆粒的破碎仿真試驗(yàn),以模擬實(shí)際田間土壤的復(fù)雜情況,試驗(yàn)結(jié)果的碎土率為95.62%,滿足中耕機(jī)碎土作業(yè)要求,驗(yàn)證了理論分析的合理性,同時(shí)可對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的選取提供基礎(chǔ)。(3)通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)式中耕機(jī)關(guān)鍵部件的碎土性能,得出該驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì),可以提高中耕作業(yè)碎土效果。試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)確定了最佳的碎土刀結(jié)構(gòu)參數(shù),在土壤含水率為11.6%、堅(jiān)實(shí)度為94.3 KPa的條件下,刀軸轉(zhuǎn)速為275 r/min、前進(jìn)速度為0.75 m/s、耕深0.18 m、碎土刀折彎角150°、刃口長(zhǎng)度0.07 m時(shí),耕作后土壤碎土率為93.8%,滿足馬鈴薯中耕作業(yè)的工作要求。同時(shí)也驗(yàn)證了仿真模型及理論公式的合理性。本文的相關(guān)研究為馬鈴薯中耕機(jī)的設(shè)計(jì)與研究提供了新思路和新方法,為馬鈴薯中耕機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)與優(yōu)化提供了理論支撐和技術(shù)參考。
【學(xué)位單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S222
【部分圖文】：

的最佳參數(shù)結(jié)構(gòu)。本文基本解決了中耕過(guò)程中碎土率低、碎土后土壤粒徑較大等問(wèn)題，為馬鈴薯中耕機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)與優(yōu)化提供了重要的理論支撐和技術(shù)參考。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 馬鈴薯中耕機(jī)國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)于馬鈴薯中耕機(jī)的研究較早，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好，鋤鏟式中耕機(jī)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的中耕機(jī)，其工作部件主要為鋤鏟彈齒等被動(dòng)部件。馬斯奇奧公司生產(chǎn)的 TERREMOTO3型中耕機(jī)，如圖 1-1 所示，一次性作業(yè)可完成多項(xiàng)土壤耕作。尤其適用于粘土條件，彈尺深入土壤并將最大土塊翻到表層，磨損后可以調(diào)換，其鏟柄處安裝有安全裝置，中耕彈齒的橫向安裝距離一般在 60~80 mm 之間，。通過(guò)彈齒、翼鏟、合墑器對(duì)土壤破碎及平整，其作業(yè)效率較高。格里莫 GH 系列中耕機(jī)，由相對(duì)獨(dú)立的中耕單體組成。每個(gè)中耕單體上安裝葉片式彈簧犁鏵，對(duì)土壤進(jìn)行疏松，彈簧式培土器對(duì)破碎后的土壤進(jìn)行培土作業(yè)；S 形彈齒工作時(shí)能保證耕深均勻，耕作效果較好；在田間秧苗很高的情況下，仍可進(jìn)地作業(yè)，工作幅寬較大的中耕機(jī)可以分為三組或五組用液壓油缸折疊，以便于運(yùn)輸[8]。

的最佳參數(shù)結(jié)構(gòu)。本文基本解決了中耕過(guò)程中碎土率低、碎土后土壤粒徑較大等問(wèn)題，為馬鈴薯中耕機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)與優(yōu)化提供了重要的理論支撐和技術(shù)參考。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 馬鈴薯中耕機(jī)國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)于馬鈴薯中耕機(jī)的研究較早，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好，鋤鏟式中耕機(jī)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的中耕機(jī)，其工作部件主要為鋤鏟彈齒等被動(dòng)部件。馬斯奇奧公司生產(chǎn)的 TERREMOTO3型中耕機(jī)，如圖 1-1 所示，一次性作業(yè)可完成多項(xiàng)土壤耕作。尤其適用于粘土條件，彈尺深入土壤并將最大土塊翻到表層，磨損后可以調(diào)換，其鏟柄處安裝有安全裝置，中耕彈齒的橫向安裝距離一般在 60~80 mm 之間，。通過(guò)彈齒、翼鏟、合墑器對(duì)土壤破碎及平整，其作業(yè)效率較高。格里莫 GH 系列中耕機(jī)，由相對(duì)獨(dú)立的中耕單體組成。每個(gè)中耕單體上安裝葉片式彈簧犁鏵，對(duì)土壤進(jìn)行疏松，彈簧式培土器對(duì)破碎后的土壤進(jìn)行培土作業(yè)；S 形彈齒工作時(shí)能保證耕深均勻，耕作效果較好；在田間秧苗很高的情況下，仍可進(jìn)地作業(yè)，工作幅寬較大的中耕機(jī)可以分為三組或五組用液壓油缸折疊，以便于運(yùn)輸[8]。

圖 1-3 GF 400-75 型驅(qū)動(dòng)式馬鈴薯中耕機(jī)Fig.1-3 GF 400-75 driving-type potato cultivator圖 1-4 ZF 型驅(qū)動(dòng)式旋轉(zhuǎn)中耕機(jī)Fig.1-4 ZF driving-type potato cultivator1.地輪 2.主動(dòng)一級(jí)變速箱 3.機(jī)架 4.支架 5.二級(jí)變速箱 6.松土器圖 1-5 蘇聯(lián)旋轉(zhuǎn)中耕機(jī)Fig.1-5 Soviet Union rotational cultivator國(guó)外中耕作業(yè)機(jī)械化程度較高，在歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家大力發(fā)展大功率、高效率的中耕機(jī)具。
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