链式开沟机刀具优化设计及其切削过程的数值模拟

我国果园的种植面积约1.5亿亩,年产量约占全球总量的17%,开沟作业是果园种植的一项必备的环节。目前,我国果园开沟几乎都用人工完成,劳动强度大,开沟质量不稳定。现有各种形式的开沟机因果园特殊的工作环境均不适应果园的开沟作业。对开沟机而言,在满足农艺种植对沟型要求的前提下,如何合理匹配其结构参数和运行参数的最佳组合,低功耗作业并充分发挥开沟机的性能,是开沟机设计研究的关键。 本课题以自行研制的链式开沟机为研究对象,以链式开沟机工作时消耗功率最低为目标,借助运动学分析、数值模拟技术及优化设计方法,开展以下研究工作: 1.系统开展了链式开沟机的运动学和动力学分析。根据运动学和动力学的基本原理,结合开沟机的矢量图与受力分析图,对开沟机的工作机理进行了研究,建立了开沟机总切削阻力以及总功率的数学计算模型,分析得出影响功耗的参数主要有开沟机水平移动的工作速度ve,开沟机链刀的绝对运动速度va和链刀相对开沟机的运动速度vγ。 2.利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了杯形刀片和土壤相互作用的动态模型,运用显示动力学分析刀片切削过程,获得了整个切削过程中单个刀片的应力、应变和阻力的实时动态变化情况,并通过模拟不同的切削速度分析了切削阻力和切削功率的变化规律。 3.在静力学分析的基础之上根据刀片的结构形式,选取圆弧半径r、刀片高度H和厚度d作为设计变量,选择板内最大的节点等效应力作为状态变量,提取刀具的体积作为目标函数,应用ANSYS的Design Opt模块进行优化设计,在不影响性能的基础上,分析得出圆弧半径r、刀片高度H和厚度d的最佳组合为:r=75.116,H=127.826,d=6.5。 4.借助运动学分析和数值模拟研究,以功耗最低为目标函数,建立了链式开沟机主要结构与运动参数的优化设计数学模型;并运用MATLAB工具中的约束非线性fmincon函数开展了开沟机功耗的优化分析。得出了影响开沟机功耗的3个主要的独立可变参数开沟机水平移动速度ve、链条运动速度vr和链条水平倾角a的最佳匹配组合。实证表明优化设计后的开沟机功耗较初始理论设计下降了11.71%。 5.借助土槽试验,对杯型刀具的切削速度、切削角度以及切削深度进行了三因素二水平的正交试验,对试验结果进行回归分析,得出切削土壤时的单位切削面积上切削阻力与切削速度、切削深度和切削角度的相互作用关系式。实证证明,切削深度、切削角度以及链刀的运行速度都对切土阻力有显著影响。