基于有限元的茶園耕作部件作業(yè)性能仿真及試驗研究.pdf

1、茶園耕作機械是在農(nóng)田耕作機械基礎(chǔ)上發(fā)展起來的專用于茶園中耕、除草、施肥等作業(yè)的一種機械。目前，茶園中耕所使用的機具主要有曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式三種機具，而刀具是機具的主要工作部件，所以對曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式刀具切削土壤的功率消耗是研究的重點。本文根據(jù)這三種機具的工作方式，研制了一款可以安裝這三種機具的通用試驗臺，并采用有限元法以及試驗臺開展了曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式三種刀具的土

2、壤切削試驗，并在此基礎(chǔ)上開展了不同茶園土壤、耕作速度條件下三種刀具的功耗比較，為茶園耕作方式的優(yōu)選提供了依據(jù)。論文的主要研究工作如下:
　　1.試驗臺的設(shè)計以及刀具切削土壤的土槽試驗及分析。設(shè)計了一套包括機械系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等部分的土槽通用試驗裝置，該裝置的機械部分能夠較好的與曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式三種機具連接使用。對土槽土壤進行處理，并測試出土壤的含水率、密度、堅實度等物理特性。以切削功耗為指標，使用該試驗裝置

3、對三種刀具進行了關(guān)于前進速度、耕深、轉(zhuǎn)速的單因素試驗以及正交試驗，對試驗結(jié)果進行極差與方差分析，得出影響耕作作業(yè)功耗的主次因數(shù)順序為:耕深＞轉(zhuǎn)速＞前進速度。就曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式三種機具在相同試驗條件進行了碎土率試驗，得出碎土率分別為67.58％、87.43％、78.18％。
　　2.耕作刀具工作過程有限元仿真及結(jié)果分析。采用修正的Drucker-Prager模型為本文的土壤理論模型，建立了曲柄鋤齒挖掘式、水

4、平橫軸旋耕式、立軸旋耕式刀具以及土壤的有限元模型，并利用ANSYS/LS-DYNA對這三種刀具切削土壤的過程進行了有限元仿真，分析了土壤等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置，并通過跟蹤土壤單元的速度、加速度、位移情況來分析土壤切削過程，與刀具切削土壤的實際情況基本吻合。模擬刀具在前進速度為0.15m/s，耕深為0.1m，刀具旋轉(zhuǎn)速度為300r/min條件下的土壤切削試驗，分別得出曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式刀具的土槽試驗功耗與數(shù)值模擬計算所

5、得到的功耗的誤差為8.83％、7.6％、7.2％的結(jié)論，因此利用數(shù)值模擬的方法來研究這三種刀具的土壤切削問題是合理可行的。
　　3.不同土壤條件下三種刀具的功耗比較。利用單軸壓縮試驗來測定土槽土樣、丹陽茶場土樣以及無錫茶葉研究所所屬茶園土樣的極限破壞應(yīng)力，為模擬不同土壤條件下土壤切削試驗提供依據(jù)。在驗證模型正確性的情況下，以功率消耗為指標，模擬不同土壤條件以及前進速度條件下的曲柄鋤齒挖掘式、水平橫軸旋耕式和立軸旋耕式刀具切削土壤的

6、過程，得出:同一種刀具隨著土壤堅實度的增加，刀具切削土壤所用的功耗增大。以耕作效率為指標得出選擇優(yōu)選方案為:當前進速度為0.5m/s時，在這三種土壤條件下選擇立軸式刀具進行耕作作業(yè)效率最高;當前進速度為1.0m/s時，除了在土槽土壤中使用立軸式刀具效率高以外，在另外兩種類型土壤中使用水平橫軸旋耕式刀具耕作效率最高;當前進速度為1.5m/s時，水平橫軸旋耕式刀具在這三種類型的土壤中耕作效率最高。而曲柄鋤齒挖掘式刀具無論在能耗、作業(yè)效率還是