基于离散元法的芯铧式开沟器优化设计与试验研究

开沟器是播种机械的重要工作部件，其性能好坏直接影响种沟的形成及种子入土的位置，对种子的发芽成长具有十分重要的影响。芯铧式开沟器结构简单、沟底平整、入土性能较好，且对播种前整地要求不高，特别是在东北垄作地区，仍被广泛使用。但该开沟器在玉米穴播及大豆条播作业过程中，其开沟宽度大，保墒效果差且对土壤的侧向推移较大，不适合高速播种。优化和改善芯铧式开沟器的结构参数可以使之更加符合农艺要求，让种子均匀分布在种沟内且落在湿土上。开沟器的工作过程是工作部件与土壤间的相互运动，过程十分复杂，但最终都可以归结为土壤颗粒的流动过程。因此，用离散元法仿真土壤与开沟器间的相互作用是一种比较接近实际情况的方法。 本文以开沟器与土壤为研究对象，通过土壤三轴仪、直剪仪、土壤筛、烘箱、电子天平、土壤硬度仪等设备对耕层土壤颗粒的物理力学特性参数进行了测定，探索了基于土壤离散元模型参数的确定方法及耕层土壤颗粒的离散元模型的研究；通过对比传统的芯铧式开沟器离散元仿真与土槽实验的结果，修正了土壤颗粒离散元模型。基于此土壤颗粒离散元仿真模型对芯铧式开沟器结构参数进行了优化设计，并得到了芯铧式开沟器的最优的参数组合。在仿真结果的基础上，基于均匀设计方法设计了一系列芯铧式开沟器，并通过土槽及田间试验对新的芯铧式开沟器进行结构参数的优化，得到了适合吉林省中部地区土壤的芯铧式开沟器的结构参数，为芯铧式开沟器的优化设计提供了依据。具体研究内容如下： 1、探讨了利用离散元法进行土壤耕作部件研究的可行性，对土壤颗粒离散元模型参数的确定方法及土壤颗粒接触模型进行了研究。测定了耕层土壤颗粒的物理力学性能参数，它包括土壤的质地、土壤颗粒形状、土壤含水率、土壤密度、摩擦系数、刚度系数、剪切模量、泊松比等。为建立了土壤颗粒的离散元模型及开沟器的离散元仿真分析参数的选择提供依据。 2、确定了芯铧式开沟器仿真分析的试验方案，并对传统的开沟器离散元仿真分析，得到了开沟器工作阻力及与土壤间相互运动情况。 3、制作了小型玻璃土槽，结合高速摄像技术对芯铧式开沟器的工作过程进行了台架实验研究。对开沟器的工作阻力及开沟器与土壤颗粒间的相互运动情况进行测定与记录。通过实验与仿真数据的对比，修正了土壤颗粒的离散元仿真模型。 4、通过对传统芯铧式开沟器的结构参数分析，确定了优化方案，并建立一系列新型芯铧式开沟器模型。利用修正后的土壤离散元仿真模型进行了开沟器仿真分析，得出新型芯铧式开沟器的最优结构参数组合。 5、以仿真结果最优的开沟器结构参数组合为基础，按照均匀设计的试验方案选取参数，设计一组新型的开沟器。通过分析土槽和田间实验的结果，验证仿真分析的准确性，为开沟器的设计提供了一种新的数字化设计方法。