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滑刀式缺口圆盘开沟器的设计与试验研究

作　者: 狄英凯
导　师: 贾洪雷; 庄健
学　校: 吉林大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 开沟器 缺口圆盘 滑刀式 免耕播种机
分类号: S222.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


为实现农业持续稳定发展、确保农产品长期有效供给，应在东北黑土区实施保护性耕作，从而避免资源流失。保护性耕作的核心是免耕和少耕，因此推行保护性耕作的首要任务是研制配套的免耕播种机。目前国内设计的播种机结构尺寸小，重量轻，且大部分不配备独立的破茬机构。大量的残茬覆盖导致施肥开沟器无法切断秸秆、切开土壤进行施肥作业，机器通过性差。因此设计具有良好的切断残茬能力的施肥开沟器是免耕播种机研制的重点。本文设计了一种适用于免耕条件下的滑刀式缺口圆盘开沟器。通过对圆盘刀切断秸秆过程的受力分析，得到圆盘刀直径应不小于420mm。分析圆盘刀在工作过程中刀刃切割弧长的变化关系，得出最大切割弧长为0.1m，并以此为依据设计了圆盘缺口数量为13个。分析了滑刀式刃口的切削性能以及在切削过程中的受力情况，在圆盘刃口的设计中采用滑刀式刃口和圆弧式刃口两段组成，圆弧刃曲线方程为y=-0.1489x2+4.164x-22.552，式中x的取值范围满足13.18≤x≤19.4，单位：mm；滑刀刃曲线方程为y=4E-05x6-0.0014x5+0.0188x4-0.1042x3+0.2669x2-0.0864x+0.0072，x的取值范围满足0≤x≤13.18，单位：mm。利用立体空间三维坐标变换的知识建立了单圆盘开沟器沟形断面模型：cos2α0（2hsinα0cosγ0-b）2＋4sin2γ0（h－R）＝4cos2α0sinγ0R2建立起工作半径R、工作倾角α0、工作偏角γ0、沟形横断面的沟深h和沟宽b之间的联系，实现了通过单圆盘的工作倾角α0、工作偏角γ0、工作半径R直接对沟形断面形状的考察。通过对施肥臂，施肥调节库，护沟刀，弹簧臂的设计完成了滑刀式缺口圆盘开沟器机构的总体设计。采用ANSYS/LSDYNA的显式动力分析模块对滑刀式缺口圆盘刀切削土壤的过程进行了仿真分析，得出了开沟模型三向应力分布图，发现滑刀式缺口圆盘刀片在三个方向上均未出现应力集中点，这表明了刀片的参数设计合理。开沟模型中三向最大应力和最大形变均出现在土壤模型中，X向最大应力为334.8N，最大形变量为42.01mm；Y方向最大应力为467N，最大形变量65.89mm；Z方向的最大应力为454.2N，最大形变量为57.74mm。根据三向形变量的分析得出了仿真模型中沟深h在97.7mm98.7mm之间，沟宽b为68mm。采用滑刀式缺口圆盘开沟器代替锄铲式开沟器，进行免耕窄行播种机二轮试制，并进行田间试验，结果表明滑刀式缺口圆盘开沟器具有良好的切断残茬的能力，入土性能好，大大提升了整机通过性。通过对滑刀式缺口圆盘开沟刀工作参数的双因素试验，获得了较优工作参数，其中工作倾角α0=6°，工作偏角γ0=10°。对改进后免耕窄行播种机进行整机性能测试，结果表明：重播率为10.5%（≤20%）；粒距合格率为91%（≥75%）；漏播率为1.79%（≤10%），播种性能指标均达到了国家相关标准的要求。免耕窄行播种机施肥深度和播种深度均达到标准且比较稳定，平均种肥距离为3.27cm，满足作业要求，各行不一致性变异系数和各行排量不稳定性变异系数分别为0.82％和11.9％，达到了标准的要求。本论文的研究结果对今后免耕播种机开沟器的进一步研究，以及开沟过程土壤变形量的仿真分析和开沟沟形断面模型的建立都具有一定的参考价值。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-13
第1章 绪论  13-21
  1.1 研究的目的和意义  13-14
  1.2 开沟器的研究现状  14-17
    1.2.1 常用开沟器的类型及特点  14-15
    1.2.2 新结构开沟器的开发  15-16
    1.2.3 开沟器的工作影响因素  16-17
  1.3 有限元分析土壤切削问题  17-19
    1.3.1 国外研究现状  17-18
    1.3.2 国内研究现状  18-19
  1.4 本课题来源和主要研究内容  19-21
第2章 滑刀式缺口圆盘刀的分析和设计  21-41
  2.1 圆盘刀作业条件  21
  2.2 圆盘刀直径的确定  21-23
  2.3 圆盘刀刀刃工作弧长分析  23-28
  2.4 滑刀式缺口圆盘刀刃口设计  28-34
    2.4.1 缺口个数的确定  28
    2.4.2 缺口形状的确定  28-31
      2.4.2.1 滑刀式作用机理  29-30
      2.4.2.2 滑刀式刃口受力分析  30-31
    2.4.3 缺口刃口曲线设计  31-34
  2.5 开沟器断面模型的建立  34-40
    2.5.1 三维图形坐标变换  35-37
    2.5.2 沟形横断面模型建立  37-39
    2.5.3 模型用途  39-40
  2.6 本章小结  40-41
第3章 滑刀式缺口圆盘刀的仿真分析  41-57
  3.1 CATIA 静力分析  41-43
  3.2 ANSYS 动态仿真  43-54
    3.2.1 LS-DYNA 模块简介  43-44
    3.2.2 有限元模型的导入  44-45
    3.2.3 单元类型及材料属性  45-46
      3.2.3.1 土壤单元类型及参数输入  45
      3.2.3.2 滑刀式缺口圆盘刀类型及参数输入  45-46
    3.2.4 切削土壤过程模拟  46-48
      3.2.4.1 仿真模型网格划分  46-47
      3.2.4.2 接触类型  47-48
    3.2.5 设定初始条件并求解  48-50
      3.2.5.1 设定初始条件  48-50
      3.2.5.2 施加边界约束  50
      3.2.5.3 进行求解  50
    3.2.6 结果分析  50-54
      3.2.6.1 开沟过程分析  50-51
      3.2.6.2 模型三向应力  51-53
      3.2.6.3 土壤三向变形量查看  53-54
  3.3 本章小结  54-57
第4章 滑刀式缺口圆盘开沟器机构设计  57-65
  4.1 整体布置  57-58
  4.2 施肥臂设计  58-59
  4.3 施肥调节库的设计  59-60
  4.4 工作倾角垫片的设计  60-61
  4.5 护沟刀的设计  61-62
  4.6 弹簧臂设计  62-64
  4.7 本章小结  64-65
第5章 滑刀式缺口圆盘开沟器试验研究  65-81
  5.1 试验的目的  65
  5.2 试验机具的改进  65-67
    5.2.1 第一轮样机试验问题  65-66
    5.2.2 对播种机结构的改进  66-67
  5.3 试验内容  67-68
  5.4 试验准备  68-72
    5.4.1 试验地概况  68-69
    5.4.2 土壤含水率和坚实度的测定  69-70
    5.4.3 根茬含水率的测定  70-71
    5.4.4 地表秸秆覆盖率的测定  71
    5.4.5 地表秸秆覆盖量的测定  71-72
  5.5 试验仪器与设备  72-73
    5.5.1 试验设备  72
    5.5.2 2BMZ-2 型免耕窄行播种机  72-73
  5.6 滑刀式缺口圆盘刀参数双因素试验  73-76
    5.6.1 试验方案设计  73
    5.6.2 试验结果分析  73-76
  5.7 整机性能测试  76-79
    5.7.1 整机通过性  76-77
    5.7.2 排种、排肥性能  77-79
  5.8 本章小结  79-81
第6章 结论与展望  81-83
  6.1 结论  81-82
  6.2 展望  82-83
参考文献  83-89
导师及作者简介  89-95
致谢  95

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中图分类: > 农业科学 > 农业工程 > 农业机械及农具 > 耕耘机具 > 农田基本建设机具 > 开沟（渠）机
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