果园开沟是施加肥料、改良果品品质的重要工序,一般在果园果树的两侧开挖宽和深在0.3至0.4m的矩形沟。目前,我国还没有适应果园特定作业环境的开沟机,主要仍以人工实施开沟作业,其劳动强度大,生产效率低。本课题结合果园生产实际的要求,研究了一种适应果园开沟作业的立柱形变螺距螺旋式果园开沟机,并借助显式动力学的方法开展数值模拟试验研究及其优化设计。论文主要工作包括:
（1）设计了一种立柱形变螺距螺旋式果园开沟机及土槽试验装置。针对果园开沟的生产要求,提出了立柱形变螺距螺旋式果园开沟机的工作原理和主要结构,其结构主要由东风12型手扶拖拉机、螺旋轴组合、立柱式双头变螺距螺旋叶片、挡板组合、双输出减速器和主机架等组成;分析确定了该机的主要结构参数和性能参数:该机以小型农用拖拉机为动力,纯小时生产效率不低于80m/h,沟型为深度0.3m、宽度0.3m的矩形;同时,研制了一种专门用于土槽功能性试验的装置。
（2）螺旋式开沟器力学特性分析及土槽功能性试验。主要包含:1)分析确定了该开沟器核心部件——螺旋刀具螺旋面的成型及其展开算法;2)在理想化假设的条件下,建立了切削过程中土壤质点和螺旋刀具的运动学和动力学模型,开展了土壤质点的各向速度分解与各平面受力情况分析,并提出了其临界转速;3)分析研究了螺旋式果园开沟刀具几何参数和运动参数的匹配关系;4)开展了试验装置的高速数字化土槽试验平台的功能性试验,试验得出:选择前进速度为0.0278m/s,旋转速度为240r/min的工况时,立柱形螺旋式开沟器可开挖出宽为0.3m,深为0.10-0.35m的矩形沟渠,且沟壁和沟底较其它开沟器平整,沟内回土少。
（3）开展了基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋式开沟器切削土壤的数值模拟。主要包含:1)分析确定了适应土壤切削模拟的MAT147（MATFHWASOIL）材料的本构模型及参数取值;2)建立了螺旋刀具切削土壤的有限元模型,并得出以下结论:基于ANSYS/LS-DYNA构建的螺旋刀具切削土壤的三维动力学仿真模型,能有效地揭示螺旋刀具切削土壤的工作过程;采用修正的DruckerPrager塑性模型作为土壤的有限元模型,适合于土体切削的显式动力学分析;通过对开沟过程中切削能耗的分析计算得到切削的最大功率为3.7KW,该有限元模型可用于估算切削功耗值,以指导开沟机动力选型;同时,通过分析切削过程中螺旋叶片Von Mises stress变化规律及其力学特性,为螺旋刀具结构参数的确定提供依据。
（4）开展了螺旋刀具切削土壤的模拟试验研究及参数优化。结合正交试验设计,并应用SAS软件,开展了前进速度v、旋转速度ω以及螺旋叶片的参数e等主要参数的回归分析及其回归方程的建立,并得出v和ω对功耗的影响是显著的,e对功耗的影响是极显著的。同时,为优化螺旋刀具的各项参数,以回归方程为目标函数,以最低生产率、最大功耗、临界转速、抛土距离等方面的要求为约束,建立了主要参数的优化数学模型。利用MATLAB工具包针对设计实例开展了优化,得出当v=0.0278m/s,k0=1.2286圈,tgα0=0.1763,ω=13.9671 rad/s时,达到最低的切削功耗为2.3836Kw。
