發(fā)布時(shí)間：2020-10-22 22:06

　　 檸條灌木具有顯著的生態(tài)效益和防風(fēng)固沙功能,又是優(yōu)良的飼料與燃料轉(zhuǎn)化利用的生物質(zhì)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(jī)械化生產(chǎn)近年來被廣泛關(guān)注,但相關(guān)作業(yè)機(jī)械缺乏,急需創(chuàng)新研發(fā)滿足檸條機(jī)械化生產(chǎn)的機(jī)具,為此我們在山西省科技攻關(guān)重大專項(xiàng)的支持下研制了一種新型的檸條平茬收獲機(jī),本文即針對該機(jī)型研發(fā)內(nèi)容進(jìn)行的關(guān)鍵部件仿真設(shè)計(jì),基于檸條莖稈生物形態(tài)特性和力學(xué)性質(zhì)及該機(jī)具的平茬機(jī)理與輸送結(jié)構(gòu)要求,設(shè)計(jì)了圓盤鋸式切割機(jī)構(gòu)與柔性鉸鏈輸送機(jī)構(gòu),并對其進(jìn)行運(yùn)動分析與田間試驗(yàn)。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(xué)性質(zhì)。通過對檸條莖稈力學(xué)模型的簡化,建立了檸條植株的懸臂梁力學(xué)模型,并推導(dǎo)出密度、含水率及摩擦系數(shù)等參數(shù)的表達(dá)式,經(jīng)試驗(yàn)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(yàn)測得檸條莖稈材料的抗拉強(qiáng)度均值為138N/mm2,檸條莖稈材料的抗剪強(qiáng)度均值為35N/mm2,對其正交試驗(yàn)研究獲得試驗(yàn)結(jié)論：檸條莖稈的拉伸斷裂強(qiáng)度與取樣位置和生長年齡都密切相關(guān),且生長年齡對其試驗(yàn)指標(biāo)的影響比取樣位置對其的影響要大;檸條莖稈的抗剪強(qiáng)度與生長年齡相關(guān),而與檸條的取樣位置關(guān)系不大;為更好地完成平茬作業(yè),應(yīng)當(dāng)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(xué)性質(zhì)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(shè)計(jì)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(nèi)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(dá)到平茬效果;圓盤鋸式切割部件在平茬作業(yè)時(shí),其轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。(3)對檸條收割機(jī)圓盤鋸式切割部件進(jìn)行了仿真研究,取得如下結(jié)論：①對圓盤鋸式切割部件上某一鋸齒與其后一鋸齒的運(yùn)動軌跡進(jìn)行運(yùn)動學(xué)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(jìn)速度vm及鋸齒刃數(shù)量成正比關(guān)系。在實(shí)際收獲作業(yè)過程中,刀盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)工況下的圓盤鋸式切割部件進(jìn)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(shí)際工作中,刀盤轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)合理。③對圓盤式切割部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析,采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)分析圓盤鋸的應(yīng)力及應(yīng)變情況,得到應(yīng)力、應(yīng)變的響應(yīng)面擬合表達(dá)式,并通過嶺脊分析得出當(dāng)切割鋸盤的厚度為6.5mm,切割鋸盤的直徑為450mm時(shí),圓盤鋸內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)樽钚≈怠＂軐�檸條與圓盤鋸式切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿恿�學(xué)分析,在圓盤鋸前進(jìn)速度為420mm/s的情況下進(jìn)行仿真試驗(yàn),獲得了接觸點(diǎn)在各方向的力與力矩曲線。采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)方法對圓盤鋸的轉(zhuǎn)速、厚度和直徑進(jìn)行動力學(xué)分析,仿真結(jié)果表明,對切割力影響的因素主次順序?yàn)閳A盤鋸的轉(zhuǎn)速、厚度、直徑,對功率影響的因素主次順序?yàn)閳A盤鋸的直徑、轉(zhuǎn)速、厚度,且各因素效應(yīng)檢驗(yàn)均顯著,經(jīng)響應(yīng)面嶺脊分析得出,當(dāng)圓盤鋸式切割部件直徑、厚度和轉(zhuǎn)速分別取405.12mm、5.15mm、1533.01r/min時(shí),圓盤鋸式切割部件的平茬效果最優(yōu),其單組切割機(jī)構(gòu)功耗預(yù)期為10-13.3kW。(4)借鑒其他收獲機(jī)輸送機(jī)構(gòu)的工作原理,創(chuàng)新設(shè)計(jì)了適用于檸條輸送的柔性鉸鏈輸送機(jī)構(gòu),并建立了仿真其實(shí)體模型。通過分析輸送機(jī)構(gòu)的輸送速度與檸條聯(lián)合收獲機(jī)的前進(jìn)速度間的速比關(guān)系,表明K取2-3時(shí),即柔性鉸鏈輸送機(jī)構(gòu)的輸送速度為檸條聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度的2-3倍時(shí),輸送效率最優(yōu)。(5)檸條收獲機(jī)圓盤鋸式切割機(jī)構(gòu)的田間試驗(yàn)表明：檸條收割機(jī)中圓盤鋸鋸盤的轉(zhuǎn)速、厚度和直徑均對檸條平茬質(zhì)量有影響,鋸盤的轉(zhuǎn)速對檸條平茬質(zhì)量的影響最明顯,鋸盤厚度次之,因此,在樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)首要考慮切割鋸盤的轉(zhuǎn)速和厚度。檸條平茬效率是衡量檸條收割機(jī)平茬作業(yè)的首要指標(biāo),本研究的樣機(jī)在田間試驗(yàn)中,能夠較好實(shí)現(xiàn)檸條的平茬作業(yè)要求,平茬效率達(dá)到88.7%,相比前幾代樣機(jī)各項(xiàng)性能穩(wěn)定。
【學(xué)位單位】：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(jī)械化收獲技術(shù)裝備研究進(jìn)展
        1.2.2 國內(nèi)檸條機(jī)械化作業(yè)裝備相關(guān)研究進(jìn)展
    1.3 虛擬設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)
        1.3.1 虛擬設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)簡述
        1.3.2 虛擬設(shè)計(jì)仿真技術(shù)在農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
    1.4 研究內(nèi)容
        1.4.1 研究內(nèi)容與方法
        1.4.2 技術(shù)路線
        1.4.3 研究目標(biāo)和擬解決的關(guān)鍵問題
    1.5 本章小結(jié)
2 檸條生物形態(tài)特性與力學(xué)性質(zhì)
    2.1 檸條物性研究
        2.1.1 可供參考的莖稈類作物力學(xué)性質(zhì)研究
        2.1.2 檸條的生物力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究
        2.1.3 檸條的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
        2.1.4 檸條的力學(xué)模型
    2.2 檸條力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)
        2.2.1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備
        2.2.2 試驗(yàn)儀器及方法
        2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
        2.2.4 檸條莖稈力學(xué)性質(zhì)測試正交試驗(yàn)
        2.2.5 檸條莖稈剪切性質(zhì)試驗(yàn)及結(jié)果分析
    2.3 檸條莖稈虛擬模型建立
3 切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
    3.1 檸條切割及切割機(jī)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(yīng)力
    3.3 切割部件設(shè)計(jì)
        3.3.1 設(shè)計(jì)思路
        3.3.2 工作機(jī)構(gòu)
        3.3.3 傳動設(shè)計(jì)
        3.3.4 控制系統(tǒng)
    3.4 本章小結(jié)
4 檸條切割機(jī)構(gòu)仿真與分析
    4.1 切割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析
        4.1.1 切割運(yùn)動學(xué)模型
        4.1.2 切割運(yùn)動學(xué)仿真
    4.2 切割機(jī)構(gòu)有限元分析
        4.2.1 模態(tài)分析
        4.2.2 靜力學(xué)分析
    4.3 切割機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析
        4.3.1 動力學(xué)分析原理
        4.3.2 動力學(xué)分析建模
        4.3.3 動力學(xué)仿真分析
        4.3.4 動力學(xué)響應(yīng)面仿真試驗(yàn)
    4.4 本章小結(jié)
5 檸條收獲機(jī)輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真研究
    5.1 輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案
        5.1.1 輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
        5.1.2 輸送部件的指標(biāo)參數(shù)
    5.2 輸送機(jī)構(gòu)建模與分析
    5.3 輸送機(jī)構(gòu)速比匹配分析
    5.4 輸送機(jī)構(gòu)部件應(yīng)力應(yīng)變分析
    5.5 本章小結(jié)
6 田間試驗(yàn)
    6.1 平茬試驗(yàn)準(zhǔn)備
        6.1.1 試驗(yàn)條件
        6.1.2 測試指標(biāo)
        6.1.3 試驗(yàn)方法
    6.2 田間性能試驗(yàn)
    6.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
        6.3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析
        6.3.2 試驗(yàn)效果
    6.4 本章小結(jié)
7 結(jié)論與展望
    7.1 主要研究工作總結(jié)
    7.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 研究展望
參考文獻(xiàn)
Abstract
攻讀博士學(xué)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