Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 基于动态仿生的破茬深松联合作业机设计及关键技术研究 | |
| 郭明卓 | |
| 出版年 | 2019 |
| 学位类型 | 博士 |
| 学位授予单位 | 吉林大学 |
| 中文摘要 | 中国东北黑土区是世界三大黑土区之一,是我国最重要的商品粮基地和玉米主产区。传统耕作频繁耕翻、地表裸露、土壤退化加剧,同时秸秆焚烧等不合理的处理方式,导致雾霾加重,严重危害了国家粮食安全和农业可持续发展。推行以秸秆根茬还田、少免耕播种、深松整地为核心的保护性耕作技术可有效保护土壤、恢复地力。但东北黑土区冷凉低温、耕地干旱板结严重、秸秆残茬粗壮量大不易腐烂,传统保护性耕作模式难以全面适用。针对以上问题,东北地区采用了以传统垄作和保护性耕作相结合的新型农艺技术,通过垄作模式提高地温,减少种植带压实,同时结合秸秆残茬管理、深松整地等技术,实现高效节水、保护土壤、增产增收的目的。在垄作保护性耕作技术模式下,秋季玉米收获后会在垄上种植区域残留大量根茬,若翌年选择原垄种植,未腐烂的根茬会干扰正常播种,同时东北黑土区属高寒易旱区,土壤强度大,常需要通过深松作业改善土壤环境,残茬还会影响深松铲的通过性能,导致深松作业阻力增大。因此本文针对根茬破除与高效深松联合作业的农艺需求,结合破茬与深松减阻设计,设计了适合垄作保护性耕作技术模式的破茬深松联合作业机,主要研究成果如下:(1)基于动态仿生原理的破茬装置设计。根据东亚飞蝗口器对植物纤维具有高效切割功能的特点,在结构形态仿生耦元的基础上,加入运动方式仿生耦元,设计出一种可实现双破茬刀异向等速旋转切割作业的动态仿生破茬装置,其可同时模拟出蝗虫口器结构形态与切割植物纤维时的运动方式,实现耦合仿生设计;明确正、反转破茬刀运动关系,得出正转与反转破茬刀片最佳切割单体数量分别为6个和12个;设计了行星齿轮变速机构,最终确定齿轮模数为3 mm,太阳轮齿数为29,行星轮齿数为13,内齿圈齿数为55,与两破茬刀连接后,可以实现同轴异向旋转切割方式;基于Arduino平台设计了转速控制系统,使机具在制动和加速过程中,破茬刀仍能够以恒定速度进行根茬切割;并根据作业特点,通过理论分析、试验验证等方法,明确该装置结构和作业参数对残茬切割性能的影响规律,从而实现了提高机具通过性、高效破碎根茬的目的。(2)基于深松深度控制系统的仿生振动深松装置设计。通过对深松铲减阻特性研究,设计一种集成仿生结构减阻、自激振动减阻、深松深度控制的深松装置。分析深松铲破土过程,以穴兔爪趾为仿生原型,提取爪趾高效破土曲线,并将其应用于铲柄刃口结构,实现深松铲柄刃口的仿生减阻结构设计;设计了一种基于扭簧振动的自激式振动深松机构,并对其关键部件进行理论分析设计,确定扭簧、定位盘的相关参数,使深松铲实现了自激振动减阻;分析仿生振动深松铲的运动过程,对深松深度进行判断,得到结果为在深松阻力较大的环境下,仿生振动深松铲容易出现深松深度不稳定的现象;利用模糊控制技术实现智能算法,设计了一套深松深度控制系统,通过对深松铲施加推力,提高铲体的松土性能,稳定深松铲作业状态;通过试验验证了整个深松装置的减阻性能,最高降低阻力25.3%。(3)动态仿生破茬深松联合作业机的设计。具体包括对机架、动态仿生破茬装置、凹面圆盘清茬装置、齿轮箱、仿生振动深松装置等主要工作部件的设计,其中机架采用了纵向连接的布置方式,并对其进行了模态分析;根据整机结构特点,设计了多级减速换向传动方案,确定动态仿生破茬装置由拖拉机输出轴传动,并对关键链传动进行参数设计;变速箱采用了对称齿轮传动方案,对齿轮参数进行设计,同时对箱体和齿轮轴进行有限元分析校核;分析凹面圆盘清茬装置工作原理,优化仿形机构与清茬圆盘的结构参数;改进深松装置的自激振动方案,并对关键弹簧进行理论设计。(4)田间试验验证。破茬深松联合作业机分别与1GH-130垄作灭茬机和1SZL-7深松机进行对比,其中破茬装置的根茬粉碎率、切割扭矩、刀片磨损量等性能均优于采用了L型刀片的1GH-130垄作灭茬机;深松装置的深松阻力与深松深度稳定性也优于采用了凿型深松铲的1SZL-7深松机。综上试验结果表明,整机的破茬装置能够较好地完成垄上根茬粉碎作业,最低根茬粉碎率为94.1%,切割扭矩相比L型刀片降低了19.1%~21.6%,其作业性能优于传统L型刀片的1GH-130垄作灭茬机;整机的深松装置的深松阻力相比凿型深松铲降低了14.3%~19.5%,在同种作业条件下,其深松深度稳定性也显著优于传统凿型深松铲的1SZL-7深松机。 |
| 中文关键词 | 动态仿生 ; 破茬 ; 深松 ; 联合作业 ; 减阻 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | S222.4 |
| 来源机构 | 吉林大学 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/337427 |
| 作者单位 | 吉林大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郭明卓. 基于动态仿生的破茬深松联合作业机设计及关键技术研究[D]. 吉林大学,2019. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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