水稻整株秸秆还田关键部件模糊可靠性设计及试验研究

论文摘要

作物秸秆是一种重要的生物资源,其利用涉及到整个农业系统的土壤肥力及水土保持,也涉及到环境安全以及可再生资源的有效利用等可持续发展问题。秸秆还田是增加土壤有机质、培肥地力、改善土壤结构、增强保水保肥能力、防止地表板结、增强农业后劲的实用技术措施,不但解决了目前化肥施用过多带来的后果,也解决了因秸秆“过剩”而堆集、焚烧造成环境污染的问题。农作物秸秆通过机械方式直接还田对合理利用自然资源、改善农业生态环境和生态效益有重要意义,符合农业部“秸秆还田工程”要求。目前,我国研制的秸秆还田机机型少,应用不普遍,且秸秆还田率低。针对以上存在的问题,本文在1ZT-210型整株秸秆还田机的基础上,对关键部件进行了静态仿真及模糊可靠性优化设计,提高了机器的可靠性,使机具结构更加合理,具有一定的经济性和实用性。主要研究工作为:（1）采用ABAQUS软件对埋草刀轴进行静力仿真,以便得到刀轴薄弱部位。（2）通过刀轴瞬态动力学分析结果,得出刀轴在不同的埋草刀入土时,刀轴中部的具体应力值。（3）利用传感器技术及DH5937测试系统,对刀轴和刀片进行弯、扭矩数据的采集,编制刀轴的综合载荷谱。（4）利用综合载荷谱,结合材料的疲劳曲线及Miner线性累积损伤理论,估算刀轴的寿命等主要参数。（5）建立部件的力学模型,将可靠度作为约束条件之一,利用MATLAB软件对刀轴和弯刀进行模糊可靠性优化设计。（6）对刀轴进行模糊综合评判,确定刀轴的最佳厚度;利用可靠性灵敏度分析的数值方法,有效地反映影响刀轴功能的各随机变量对其失效的影响程度。本文通过上述的仿真、设计及试验,得到刀轴的薄弱部位为其中部;编制了刀轴的弯扭矩载荷谱,估计出了刀轴的寿命为2113h:对刀轴和弯刀进行了模糊可靠性优化设计,得到了最佳参数组合并提高了可靠性。结果为提高机器的可靠性、优化机具结构、提高机具寿命及进一步研究提供了重要的理论依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 引言
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 水稻秸秆还田机的研究现状
• 1.2.1 国外秸秆还田机研究现状及趋势
• 1.2.2 国内秸秆还田机研究现状及趋势
• 1.2.3 我国秸秆还田的发展前景及建议
• 1.3 国内外农业机械对模糊可靠性技术的应用
• 1.3.1 机械工程领域应用模糊技术的必然性
• 1.3.2 模糊可靠性优化设计的发展
• 1.3.3 国外农业机械对模糊可靠性技术的应用
• 1.3.4 国内农业机械对模糊可靠性技术的应用
• 1.4 可靠性技术在农业机械中的应用前景
• 1.5 研究的主要内容和技术路线
• 2 水稻整株秸秆还田机关键部件力学模型
• 2.1 机器的结构及特点
• 2.2 机器工作原理
• 2.3 关键部件的受力分析
• 2.3.1 埋草弯刀的受力分析
• 2.3.2 刀轴的受力分析
• 3 关键部件应力仿真及可靠性试验
• 3.1 有限元及仿真软件（ABAQUS）简介
• 3.2 刀轴的应力仿真
• 3.2.1 刀轴的静力仿真
• 3.2.2 刀轴瞬态结构动力仿真
• 3.3 刀轴载荷仿真验证试验
• 3.3.1 试验地点和设备
• 3.3.2 扭矩传感器
• 3.3.3 信号输出装置
• 3.3.4 扭矩传感器的标定及数据处理
• 3.3.5 刀轴扭矩测量试验设计
• 3.4 扭矩载荷谱的编制
• 3.4.1 雨流计数法（RF法）
• 3.4.2 刀轴扭矩载荷谱
• 3.5 埋草弯刀的载荷验证试验
• 3.5.1 埋草弯刀弯矩测试方法设计
• 3.5.2 弯刀的静态标定
• 3.6 弯矩载荷谱的编制
• 4 刀轴的疲劳寿命估算
• 4.1 构件承受载荷与构件寿命的关系
• 4.1.1 迈内尔（Miner）线性累积损伤理论
• 4.1.2 当量载荷的建立
• 4.2 复合应力状态下刀轴的疲劳寿命估算
• 5 关键部件的模糊可靠性优化设计
• 5.1 可靠性设计的指标
• 5.2 模糊可靠性理论
• 5.2.1 模糊集合
• 5.2.2 模糊可靠性优化设计
• 5.3 刀轴的模糊可靠性优化设计
• 5.3.1 刀轴的模糊可靠度函数
• 5.3.2 刀轴模糊可靠性优化设计的数学模型
• 5.3.3 刀轴优化结果
• 5.4 刀轴的模糊综合评判
• 5.4.1 建立因素集
• 5.4.2 建立因素权重集
• 5.4.3 建立备择集
• 5.4.4 模糊综合评判
• 5.5 刀轴可靠性灵敏度分析
• 5.6 埋草弯刀的模糊可靠性优化设计
• 5.6.1 MATLAB中遗传算法工具箱步骤
• 5.6.2 刀片建模
• 5.6.3 优化结果
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 改进措施及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文