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(guó)西部沙化地區(qū)及晉北黃土高原,其產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)及機(jī)械化生產(chǎn)近年來(lái)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(mǎn)足檸條機(jī)械化生產(chǎn)的機(jī)具,為此我們?cè)谏轿魇】萍脊リP(guān)重大專(zhuān)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(duì)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(pán)鋸式切割機(jī)構(gòu)與柔性鉸鏈輸送機(jī)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(guò)對(duì)檸條莖稈力學(xué)模型的簡(jiǎn)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(cè)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(cè)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(duì)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(zhǎng)年齡都密切相關(guān),且生長(zhǎng)年齡對(duì)其試驗(yàn)指標(biāo)的影響比取樣位置對(duì)其的影響要大;檸條莖稈的抗剪強(qiáng)度與生長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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(pán)鋸作為檸條平茬收割的作業(yè)部件,并分析了圓盤(pán)鋸的鋸身、鋸齒及其穩(wěn)定性等參數(shù),設(shè)計(jì)出圓盤(pán)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?xún)?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(pán)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(duì)檸條收割機(jī)圓盤(pán)鋸式切割部件進(jìn)行了仿真研究,取得如下結(jié)論：①對(duì)圓盤(pán)鋸式切割部件上某一鋸齒與其后一鋸齒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析研究,得出圓盤(pán)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(guò)程中,刀盤(pán)轉(zhuǎn)速很高,收獲過(guò)程中存在一定的多刀切割和重割現(xiàn)象。②對(duì)高速旋轉(zhuǎn)工況下的圓盤(pán)鋸式切割部件進(jìn)行了有限元模態(tài)分析,通過(guò)仿真得出前6階振動(dòng)固有頻率及振型,切割部件在實(shí)際工作中,刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1500-1800r/min,工作頻率為25-30Hz,避開(kāi)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(duì)圓盤(pán)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(pán)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(guò)嶺脊分析得出當(dāng)切割鋸盤(pán)的厚度為6.5mm,切割鋸盤(pán)的直徑為450mm時(shí),圓盤(pán)鋸內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)樽钚≈�。④�?duì)檸條與圓盤(pán)鋸式切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析,在圓盤(pán)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(duì)圓盤(pán)鋸的轉(zhuǎn)速、厚度和直徑進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,仿真結(jié)果表明,對(duì)切割力影響的因素主次順序?yàn)閳A盤(pán)鋸的轉(zhuǎn)速、厚度、直徑,對(duì)功率影響的因素主次順序?yàn)閳A盤(pán)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(pán)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(pán)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(guò)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(pán)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(pán)鋸鋸盤(pán)的轉(zhuǎn)速、厚度和直徑均對(duì)檸條平茬質(zhì)量有影響,鋸盤(pán)的轉(zhuǎn)速對(duì)檸條平茬質(zhì)量的影響最明顯,鋸盤(pán)厚度次之,因此,在樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)首要考慮切割鋸盤(pán)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(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：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(guó)外檸條機(jī)械化收獲技術(shù)裝備研究進(jìn)展
        1.2.2 國(guó)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(jiǎn)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?jī)?nèi)容
        1.4.1 研究?jī)?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(wèn)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(lèi)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(cè)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(pán)鋸
            3.2.2.1 圓盤(pán)鋸鋸盤(pán)參數(shù)
            3.2.2.2 圓盤(pán)鋸鋸齒
        3.2.3 圓盤(pán)鋸的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性
            3.2.3.1 圓盤(pán)鋸的振動(dòng)分析
            3.2.3.2 圓盤(pán)鋸的穩(wěn)定性
            3.2.3.3 圓盤(pán)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(dòng)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(dòng)學(xué)分析
        4.1.1 切割運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
        4.1.2 切割運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)分析
        4.3.1 動(dòng)力學(xué)分析原理
        4.3.2 動(dòng)力學(xué)分析建模
        4.3.3 動(dòng)力學(xué)仿真分析
        4.3.4 動(dòng)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(cè)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(hào)：2852147