【摘要】：挖掘部件作為馬鈴薯收獲機的核心部件之一,是與馬鈴薯塊莖根系及土壤直接作用的部件,其性能好壞直接影響整機性能。目前,挖掘鏟與土壤之間的作用研究只局限于有限元靜力學分析及基于連續(xù)體理論的動力學分析,但實際上受塊莖和根系的影響,塊莖、根系周邊的土壤離散度相對較大,挖掘過程中土壤顆粒離散度更大。離散元法作為研究非連續(xù)介質問題的一種通用方法,更適合研究塊莖類收獲土壤力學問題。本論文依托國家自然科學基金項目"土壤-馬鈴薯塊莖-根系團聚體動態(tài)破裂特性及其與挖掘鏟耦合作用機理研究(51505305)",采用田間試驗與離散元法仿真模擬相結合的方法,對比研究馬鈴薯挖掘鏟工作過程及受力情況,一方面驗證離散元模型的可行性,另一方面為后續(xù)挖掘部件的優(yōu)化設計奠定基礎。同時也能為其他塊莖類作物的收獲土壤動力學分析提供借鑒。主要研究內容為:(1)土壤離散特性的試驗驗證及參數測定。①在朝陽市建平縣種植馬鈴薯試驗田3畝,從結塊莖到收獲期每隔10天測試一次土壤堅實度,分析塊莖膨大對土壤離散程度的影響。②通過試驗測定收獲期內馬鈴薯塊莖周邊土壤的基本物理特性參數,包括土壤質地、含水率、密度以及堅實度,為離散元仿真模型建立提供數據依據。(2)馬鈴薯挖掘鏟工作過程及受力情況離散元仿真模擬。①建立與實際工況相對應的挖掘鏟—土壤離散元模型,主要包括接觸模型的選擇(Hertz-Mindlin粘結接觸模型)、馬鈴薯挖掘鏟三維模型的建立(利用SolidWorks軟件建立)、土壤顆粒工廠的生成(參數選擇通過實驗測定及后期反復調試確定)以及仿真邊界的建立等。②利用離散元軟件EDEM對建立的模型進行挖掘鏟運動過程及受力情況的仿真模擬,得出挖掘鏟工作過程中的受力情況。(3)田間試驗。①田間試驗測試系統的搭建,包括測試系統的整體設計與連接以及測力框架、拉力傳感器以及角度傳感器的選擇與標定。②單因素田間試驗,保證其他作業(yè)參數不變,只改變作業(yè)速度大小,得出馬鈴薯挖掘鏟工作阻力的變化情況,分析作業(yè)速度對馬鈴薯收獲機工作阻力的影響規(guī)律。(4)試驗結果與仿真結果對比分析。仿真試驗馬鈴薯挖掘鏟所受水平合力與垂直合力隨速度增加的變化趨勢與田間試驗變化趨勢基本一致:馬鈴薯挖掘鏟的水平阻力隨著速度的增加而增大,在0.25m/s時最小;垂直阻力隨著速度的增加先減小后增大,在工作速度為0.38m/s時最小,水平阻力始終大于垂直阻力。研究結果表明采用離散元法進行馬鈴薯挖掘鏟工作阻力仿真模擬是可行的。
[Abstract]:As one of the core parts of potato harvester, excavating part is the component directly acting on potato tuber root system and soil, and its performance directly affects the performance of the whole machine. At present, the research on the interaction between excavating shovel and soil is limited to finite element statics analysis and dynamics analysis based on continuum theory, but in fact, the soil dispersion of tuber and root is relatively large, because of the influence of tuber and root system. The dispersion of soil particles is larger during excavation. As a general method for studying discontinuous media, the discrete element method is more suitable for studying the mechanics of tuber harvesting soil. In this paper, based on the project of National Natural Science Foundation, "dynamic rupture characteristics of soil-potato tuber root aggregates and their coupling mechanism with excavating shovel (51505305)", the field experiment and discrete element method were used to simulate the dynamic rupture characteristics of soil-potato tuber root aggregates. The working process and stress of potato excavating shovel are compared to verify the feasibility of discrete element model on the one hand and lay the foundation for optimization design of subsequent excavated parts on the other hand. At the same time, it can also provide reference for soil dynamics analysis of other tuber crops. The main contents of the study are as follows: (1) Experimental verification of soil dispersion and determination of soil parameters. 1 soil solidity was tested every 10 days from tuber formation to harvest period in potato experimental field in Jianping County, Chaoyang City. The effects of tuber enlargement on soil dispersion were analyzed. 2 basic physical parameters of soil around potato tuber during harvest period were determined, including soil texture, moisture content, density and firmness. It provides data basis for establishing discrete element simulation model. (2) discrete element simulation of potato excavating shovel working process and force. 1 the excavating shovel-soil discrete element model corresponding to actual working condition is established. It mainly includes the selection of contact model (Hertz-Mindlin bond contact model), the establishment of three-dimensional model of potato digging shovel (using SolidWorks software), The generation of soil particle factory (parameter selection is determined by experiment and repeated debugging in the later period) and the establishment of simulation boundary etc. 2 the simulation of the excavating shovel motion process and force condition is carried out by using the discrete element software EDEM. (3) Field experiment. 1 the construction of field test system, including the whole design and connection of test system and the frame of force measurement. The selection and calibration of pull force sensor and angle sensor. 2 single factor field experiment to ensure that the other operation parameters remain unchanged, only change the working speed, and get the change of the resistance of potato digging shovel. The effect of working speed on working resistance of potato harvester was analyzed. (4) the results of test and simulation were compared and analyzed. The variation trend of horizontal force and vertical force along with the speed of potato excavating shovel was basically the same as that of field experiment: the horizontal resistance of potato excavating shovel increased with the increase of speed, and the minimum at 0.25m/s; The vertical resistance decreases first and then increases with the increase of velocity, and the horizontal resistance is always greater than the vertical resistance when the working speed is 0.38m/s. The results show that it is feasible to simulate the resistance of potato excavating shovel by discrete element method.
【學位授予單位】：沈陽農業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S225.71

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