仿生凸包结构镇压轮的设计与试验

发布时间：2020-06-08 15:50

【摘要】：镇压轮是农业机械中典型的滚动触土部件,其基本功能是对土壤进行合理压实。传统镇压轮轮体大都由铸铁或钢材制成,这种宏观上普通光滑的结构使其在作业过程中极易黏附土壤,导致镇压力不足,镇压不均匀。此外,镇压轮在作业时会将一部分土壤推到前方,形成波浪状隆起,导致壅土现象的产生,这不但使压实效果不理想,还会产生较大的工作阻力,降低镇压轮的作业效率,甚至导致作物减产。因此,针对传统镇压轮土壤黏附现象严重、工作阻力较大的问题,设计一种能够实现减黏降阻的镇压轮对农业生产十分重要。受土壤动物体表非光滑结构(凸包形、凹坑形、棱纹形、鳞片形等)具有减黏降阻性能的启发,又由于灰巴蜗牛壳体的外凸曲面形状与凸包结构的作用原理有一定的相似性,因此,本研究基于仿生学思想,以灰巴蜗牛壳体为仿生对象,采用理论分析与试验研究相结合的方法,设计仿生凸包结构镇压轮并对其进行探究。本文的主要研究内容如下:(1)根据仿生学相关思想,通过改变镇压轮与土壤的接触方式来设计仿生凸包结构镇压轮。以灰巴蜗牛壳体为仿生研究对象,通过逆向工程技术、MATLAB曲线拟合等方法对蜗牛壳体外凸曲面特征参数进行提取。结合PLA材料的使用,运用3D打印技术对凸包结构进行三维实体成型。新型材料PLA具有良好的抗冲击、抗磨损、抗腐蚀、不易黏附、不易吸水、自润滑等特点,这些特点使其能达到良好的减黏效果。而且PLA是环境友好型材料,不会造成污染。(2)在Creo Parametric软件中构建仿生凸包结构镇压轮的三维模型,并通过EDEM软件进行离散元仿真分析,模拟仿生镇压轮与土壤相互作用的动态过程,分析镇压轮所受工作阻力和土壤下陷量的变化规律。利用设计专家软件Design-Expert 8.0.6进行三因素五水平的回归正交旋转组合试验,获得仿生镇压轮的前进速度、配重和凸包高度与工作阻力、土壤下陷量之间的关系以及数学回归模型。在此基础上,对数学回归模型进行多目标优化,最终获得仿生镇压轮的最优运动参数以及结构参数:前进速度为4.8 km/h,配重为360 N,凸包高度为12 mm。(3)选取东北地区垄作常用的传统圆柱镇压轮与仿生凸包结构镇压轮进行土槽对比试验,探究仿生镇压轮的减黏性能。利用EDEM试验中获得的最优参数组合来安排对比试验,考察两种镇压轮在三种不同含水率下黏附土壤量以及土壤容重的情况。试验结果表明,与传统镇压轮相比,仿生凸包结构镇压轮的黏附土壤量较少,且减黏率随土壤含水率的增加而增大。当土壤含水率分别为20±1%、24±1%和28±1%时,仿生镇压轮的减黏率分别达到18.34%、20.50%和23.58%,说明含水率越大,仿生镇压轮的减黏效果越好。经两种镇压轮作业后的土壤容重范围均在1.0~1.3 g·cm~(-3)之间,这样的土壤容积密度能满足作物的生长要求。(4)将传统圆柱镇压轮与仿生凸包结构镇压轮进行田间对比试验,探究仿生镇压轮的减阻性能。沿用EDEM试验中仿生镇压轮的最优解来安排对比试验,同时考察试验指标工作阻力、种子出苗率以及土壤容重的情况。试验结果表明,仿生凸包结构镇压轮在保证合理压实的基础上,能实现减小工作阻力的目的,且减阻率达到27.77%。试验结果与仿真试验相符,验证了仿真试验的合理性。同时,仿生镇压轮使玉米种子出苗率达到96.11%,与传统镇压轮相比,出苗率提高了6.69%。本文设计的仿生凸包结构镇压轮,能够有效降低作业过程中产生的工作阻力、黏附土壤量以及壅土现象,且进一步提高镇压作业质量,这为镇压轮的设计提供了可借鉴的新思路。
【图文】：

引 言3图1-1 圆筒型镇压器Fig. 1-1 Cylindrical repression图1-2 辊式型镇压器Fig. 1-2 Roller to repression图1-3 v型镇压器Fig. 1-3 V repression图1-4 网环型镇压器Fig. 1-4 Net ring repression（2）镇压轮除镇压器外，镇压部件还包括镇压轮或镇压辊，几种常用的镇压轮有：圆柱镇压轮、宽（窄）型橡胶镇压轮、圆锥复合镇压轮、凹面（凸面）镇压轮、胶圈镇压轮、覆土镇压轮。圆柱镇压轮，如图 1-5 所示，其工作部件由薄钢板制成，主要分为普通圆面和网状圆面两种。由于圆柱镇压轮结构简单，触土工作部件面积较大，镇压力较均匀，因此在东北地区的使用较广范。宽（窄）型橡胶镇压轮，如图 1-6 所示，在镇压作业过程中，镇压轮轮体表面黏附的土壤量较少，镇压过后的地表土壤较平整。宽（窄）型橡胶镇压轮大多与精密播种机配套使用，也可在单组播种时为排种器提供驱动或兼作抛洒肥料的工作部件[16]。圆锥复合镇压轮

图1-1 圆筒型镇压器Fig. 1-1 Cylindrical repression图1-2 辊式型镇压器Fig. 1-2 Roller to repression图1-3 v型镇压器Fig. 1-3 V repression图1-4 网环型镇压器Fig. 1-4 Net ring repression（2）镇压轮除镇压器外，镇压部件还包括镇压轮或镇压辊，几种常用的镇压轮有：圆柱镇压轮、宽（窄）型橡胶镇压轮、圆锥复合镇压轮、凹面（凸面）镇压轮、胶圈镇压轮、覆土镇压轮。圆柱镇压轮，如图 1-5 所示，其工作部件由薄钢板制成，，主要分为普通圆面和网状圆面两种。由于圆柱镇压轮结构简单，触土工作部件面积较大，镇压力较均匀，因此在东北地区的使用较广范。宽（窄）型橡胶镇压轮，如图 1-6 所示，在镇压作业过程中，镇压轮轮体表面黏附的土壤量较少，镇压过后的地表土壤较平整。宽（窄）型橡胶镇压轮大多与精密播种机配套使用，也可在单组播种时为排种器提供驱动或兼作抛洒肥料的工作部件[16]。圆锥复合镇压轮
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S220

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本文编号：2703302