檸條灌木具有顯著的生態(tài)效益和防風固沙功能,又是優(yōu)良的飼料與燃料轉化利用的生物質資源,目前大面積種植于我國西部沙化地區(qū)及晉北黃土高原,其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)及機械化生產(chǎn)近年來被廣泛關注,但相關作業(yè)機械缺乏,急需創(chuàng)新研發(fā)滿足檸條機械化生產(chǎn)的機具,為此我們在山西省科技攻關重大專項的支持下研制了一種新型的檸條平茬收獲機,本文即針對該機型研發(fā)內容進行的關鍵部件仿真設計,基于檸條莖稈生物形態(tài)特性和力學性質及該機具的平茬機理與輸送結構要求,設計了圓盤鋸式切割機構與柔性鉸鏈輸送機構,并對其進行運動分析與田間試驗。主要研究工作有：(1)研究了檸條莖稈的生物形態(tài)特性和生物力學性質。通過對檸條莖稈力學模型的簡化,建立了檸條植株的懸臂梁力學模型,并推導出密度、含水率及摩擦系數(shù)等參數(shù)的表達式,經(jīng)試驗測定檸條的密度約為0.48g/cm3,檸條的含水率分布在30%～60%之間,檸條與金屬材料間的摩擦系數(shù)為0.353022。檸條莖稈拉伸和剪切試驗測得檸條莖稈材料的抗拉強度均值為138N/mm2,檸條莖稈材料的抗剪強度均值為35N/mm2,對其正交試驗研究獲得試驗結論：檸條莖稈的拉伸斷裂強度與取樣位置和生長年齡都密切相關,且生長年齡對其試驗指標的影響比取樣位置對其的影響要大;檸條莖稈的抗剪強度與生長年齡相關,而與檸條的取樣位置關系不大;為更好地完成平茬作業(yè),應當首先考慮檸條的生長年齡,其次考慮平茬位置。(2)根據(jù)檸條的生物力學性質與檸條平茬茬口切割要求,研究了無支撐慣性力切割下的檸條平茬作業(yè)情況及其切割方式,選用圓盤鋸作為檸條平茬收割的作業(yè)部件,并分析了圓盤鋸的鋸身、鋸齒及其穩(wěn)定性等參數(shù),設計出圓盤鋸式切割部件。分析表明：割刀平茬的位置越低,切割速度在限定安全速度范圍以內越快,檸條莖稈的慣性力和檸條莖稈的作用反力越大,越容易達到平茬效果;圓盤鋸式切割部件在平茬作業(yè)時,其轉速應控制在臨界轉速范圍內。(3)對檸條收割機圓盤鋸式切割部件進行了仿真研究,取得如下結論：①對圓盤鋸式切割部件上某一鋸齒與其后一鋸齒的運動軌跡進行運動學分析研究,得出圓盤式切割部件不漏割的條件,最大速比K與最大前進速度vm及鋸齒刃數(shù)量成正比關系。在實際收獲作業(yè)過程中,刀盤轉速很高,收獲過程中存在一定的多刀切割和重割現(xiàn)象。②對高速旋轉工況下的圓盤鋸式切割部件進行了有限元模態(tài)分析,通過仿真得出前6階振動固有頻率及振型,切割部件在實際工作中,刀盤轉速為1500-1800r/min,工作頻率為25-30Hz,避開了切割部件的第1階固有頻率0.015635Hz和第2階固有頻率371.85Hz,因此切割部件的模態(tài)結構合理。③對圓盤式切割部件進行了靜力學分析,采用響應面設計分析圓盤鋸的應力及應變情況,得到應力、應變的響應面擬合表達式,并通過嶺脊分析得出當切割鋸盤的厚度為6.5mm,切割鋸盤的直徑為450mm時,圓盤鋸內部的應力應變?yōu)樽钚≈�。④對檸條與圓盤鋸式切割機構進行了剛柔耦合動力學分析,在圓盤鋸前進速度為420mm/s的情況下進行仿真試驗,獲得了接觸點在各方向的力與力矩曲線。采用響應面設計方法對圓盤鋸的轉速、厚度和直徑進行動力學分析,仿真結果表明,對切割力影響的因素主次順序為圓盤鋸的轉速、厚度、直徑,對功率影響的因素主次順序為圓盤鋸的直徑、轉速、厚度,且各因素效應檢驗均顯著,經(jīng)響應面嶺脊分析得出,當圓盤鋸式切割部件直徑、厚度和轉速分別取405.12mm、5.15mm、1533.01r/min時,圓盤鋸式切割部件的平茬效果最優(yōu),其單組切割機構功耗預期為10-13.3kW。(4)借鑒其他收獲機輸送機構的工作原理,創(chuàng)新設計了適用于檸條輸送的柔性鉸鏈輸送機構,并建立了仿真其實體模型。通過分析輸送機構的輸送速度與檸條聯(lián)合收獲機的前進速度間的速比關系,表明K取2-3時,即柔性鉸鏈輸送機構的輸送速度為檸條聯(lián)合收獲機前進速度的2-3倍時,輸送效率最優(yōu)。(5)檸條收獲機圓盤鋸式切割機構的田間試驗表明：檸條收割機中圓盤鋸鋸盤的轉速、厚度和直徑均對檸條平茬質量有影響,鋸盤的轉速對檸條平茬質量的影響最明顯,鋸盤厚度次之,因此,在樣機結構設計過程中應首要考慮切割鋸盤的轉速和厚度。檸條平茬效率是衡量檸條收割機平茬作業(yè)的首要指標,本研究的樣機在田間試驗中,能夠較好實現(xiàn)檸條的平茬作業(yè)要求,平茬效率達到88.7%,相比前幾代樣機各項性能穩(wěn)定。
【學位單位】：山西農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：S776
【文章目錄】：
摘要
1 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 檸條收獲裝備的發(fā)展和研究現(xiàn)狀
        1.2.1 國外檸條機械化收獲技術裝備研究進展
        1.2.2 國內檸條機械化作業(yè)裝備相關研究進展
    1.3 虛擬設計與仿真技術
        1.3.1 虛擬設計與仿真技術簡述
        1.3.2 虛擬設計仿真技術在農(nóng)業(yè)裝備設計中的應用
    1.4 研究內容
        1.4.1 研究內容與方法
        1.4.2 技術路線
        1.4.3 研究目標和擬解決的關鍵問題
    1.5 本章小結
2 檸條生物形態(tài)特性與力學性質
    2.1 檸條物性研究
        2.1.1 可供參考的莖稈類作物力學性質研究
        2.1.2 檸條的生物力學性質試驗研究
        2.1.3 檸條的力學性質指標
        2.1.4 檸條的力學模型
    2.2 檸條力學性質試驗
        2.2.1 試驗材料準備
        2.2.2 試驗儀器及方法
        2.2.3 試驗結果與分析
        2.2.4 檸條莖稈力學性質測試正交試驗
        2.2.5 檸條莖稈剪切性質試驗及結果分析
    2.3 檸條莖稈虛擬模型建立
3 切割機構的設計
    3.1 檸條切割及切割機理分析
    3.2 切割部件選型
        3.2.1 切割方式的選擇
        3.2.2 圓盤鋸
            3.2.2.1 圓盤鋸鋸盤參數(shù)
            3.2.2.2 圓盤鋸鋸齒
        3.2.3 圓盤鋸的動態(tài)穩(wěn)定性
            3.2.3.1 圓盤鋸的振動分析
            3.2.3.2 圓盤鋸的穩(wěn)定性
            3.2.3.3 圓盤鋸的平面應力
    3.3 切割部件設計
        3.3.1 設計思路
        3.3.2 工作機構
        3.3.3 傳動設計
        3.3.4 控制系統(tǒng)
    3.4 本章小結
4 檸條切割機構仿真與分析
    4.1 切割機構的運動學分析
        4.1.1 切割運動學模型
        4.1.2 切割運動學仿真
    4.2 切割機構有限元分析
        4.2.1 模態(tài)分析
        4.2.2 靜力學分析
    4.3 切割機構動力學分析
        4.3.1 動力學分析原理
        4.3.2 動力學分析建模
        4.3.3 動力學仿真分析
        4.3.4 動力學響應面仿真試驗
    4.4 本章小結
5 檸條收獲機輸送機構設計及仿真研究
    5.1 輸送機構的設計方案
        5.1.1 輸送機構的設計
        5.1.2 輸送部件的指標參數(shù)
    5.2 輸送機構建模與分析
    5.3 輸送機構速比匹配分析
    5.4 輸送機構部件應力應變分析
    5.5 本章小結
6 田間試驗
    6.1 平茬試驗準備
        6.1.1 試驗條件
        6.1.2 測試指標
        6.1.3 試驗方法
    6.2 田間性能試驗
    6.3 試驗結果與分析
        6.3.1 試驗結果分析
        6.3.2 試驗效果
    6.4 本章小結
7 結論與展望
    7.1 主要研究工作總結
    7.2 創(chuàng)新點
    7.3 研究展望
參考文獻
Abstract
攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及取得的科研成果
致謝

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本文編號：2852147