链式开沟机设计研究及其CAA

论文摘要

开沟机在国外已广泛应用,我国除极少数引进国外的连续式开沟机外,国产开沟机投入使用的较少。近年来,我国开沟施工工程的规模越来越大,如基础建设施工开沟、光缆、电缆、管道铺设等方面都面临着巨大的开沟工作量。特别是在农业工程领域,果树施肥、农田开沟、蔬菜园开沟,都是用工量很大的作业,我国几乎都用人工完成。果园、农田、蔬菜园等作业对象体现出地表不平整、有杂草、树枝及石块、地下有树根等特点,开沟条件比较恶劣,一般开沟机难以适应。因此研制适合我国土壤情况的开沟机,对提高开沟的效率、减少人力和物力资源的浪费、提高劳动生产率有重要意义。开沟机的开沟装置是其关键部件,而刀片是影响开沟质量、功耗和振动等的重要因素,因此有必要对开沟装置及刀片结构进行深入的研究分析。本文以开沟装置为研究对象,以功耗低、适应性强和可操作性好为目标,研究了一种适用于果园、农田、蔬菜园等环境、满足农艺要求的链式开沟机。论文主要工作包括:1.系统分析了国内外开沟机的发展现状、CAA在农业机械等领域的应用和链式开沟机的研究现状基础上,确定了开沟机为回转链式开沟机。根据工作环境、农艺要求以及动力学分析结果,确定了沟宽、沟深、整机前进速度、链速、生产率、切土阻力、切削功耗、总功耗、比功、切削厚度等基本参数和整机的总体方案。2.开展了链式开沟机结构设计和试制。该机由挂接机构、传动机构和开沟装置等主要部件组成,同时,开展了链式开沟机的功能性试验。3.系统开展了链式开沟机的运动学与动力学分析,得出了刀片的运动轨迹,分析确定了影响开沟机刀片的切削阻力和切土功耗的要素,包括该机前进速度、链速、开沟装置与水平面之间的夹角、刀片结构形式等因素。构建了含运动参数和刀片结构参数的开沟装置切土功率的数学优化模型;同时,使用MATLAB软件的fmincon函数对其进行求解,得到最优的设计参数:链条线速度vl=1.7m/s,刀片厚度t=0.005m,刀片后角γ2=8°,此时功率p取得最小值,为1.26kw。4.应用光滑质点流体动力学（SPH）以及有限单元理论开展了链式开沟机刀片切削过程的虚拟仿真和试验研究,结合PRO/E、ANSYS等相关软件,建立了刀片与土壤SPH粒子相互作用的虚拟仿真模型。研究了土壤粒子在刀片作用下飞行、抛撒的运动状态,探讨了刀片切削土壤的动态过程,得出了切削过程中刀片与土壤的等效应力与应变规律。通过虚拟正交试验建立了刀片厚度、后角以及绝对速度（链条线速度）等要素的回归方程,得出刀片厚度、后角和绝对速度都对切土功率有显著影响、刀片绝对速度是影响功耗的主要因素的结论。研究结果对揭示土壤-机器系统的作用机理、实现对切土功耗指标进行预测和控制、优化开沟装置和刀片相关参数以及减小阻力、降低功耗有重要的理论和实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 国内外开沟机的研究和发展概况
• 1.3 CAA在农业机械等领域的应用现状
• 1.4 链式开沟机的研究现状
• 1.5 课题研究的基本思路、方法和内容
• 1.5.1 课题的基本思路和方法
• 1.5.2 课题的研究内容
• 2 链式开沟机的总体设计
• 2.1 链式开沟机的基本结构与工作原理
• 2.2 链式开沟机基本参数
• 2.3 链式开沟机的运动学分析
• 2.4 链式开沟机的动力学分析
• 2.4.1 切土阻力
• 2.4.2 开沟机功耗计算
• 2.5 链式开沟机总体参数的确定
• 2.6 本章小结
• 3 链式开沟机关键部件的设计研究
• 3.1 挂接机构及传动机构设计
• 3.2 开沟装置的设计分析
• 3.2.1 链刀组合的设计计算
• 3.2.2 主轴组合设计
• 3.2.3 机架组合设计
• 3.2.4 升降-张紧组合的设计
• 3.3 链式开沟机的改进设计
• 3.4 本章小结
• 4 链式开沟机的工作机理研究
• 4.1 链式开沟机刀片的运动轨迹分析
• 4.2 链式开沟机开沟装置水平倾角分析
• 4.3 链式开沟机刀片切土功率的数学模型
• 4.3.1 切削刃上的土壤阻力
• 4.3.2 刀片结构参数
• 1'>4.3.3 侧切刃的切土阻力F₁
• 2'>4.3.4 正切刃的阻力F₂
• 3'>4.3.5 刀片抛土阻力F₃
• 4.3.6 切土总阻力与功率
• 4.4 本章小结
• 5 链式开沟机的CAA
• 5.1 刀片-土壤虚拟仿真模型的基本组成
• 5.2 基于有限元法的刀片-土壤虚拟仿真分析
• 5.2.1 刀片、土壤的三维参数化建模
• 5.2.2 刀片、土壤模型的有限元预处理
• 5.2.3 切削模型K文件输出与关键字修改
• 5.2.4 刀片-土壤虚拟仿真分析
• 5.3 基于光滑质点流体动力学理论的虚拟仿真分析和试验研究
• 5.3.1 无网格法以及SPH理论
• 5.3.2 刀片-土壤的虚拟仿真模型
• 5.3.3 刀片切土过程的虚拟仿真分析
• 5.3.4 刀片切土过程功耗的虚拟试验研究
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1:功率优化数学模型的MATLABM文件编程代码
• 附录2:攻读硕士学位期间的主要研究工作