基于离散元法的秸秆还田机仿真优化与试验研究

中国是一个农业大国,农业是国民经济的基础,农业和农村经济的发展状况直接影响到整个国民经济的持续发展和社会稳定。近年来,由于人民生活水平的提高,农民很少用秸秆作为燃料,畜牧业农场逐渐取代了家庭养殖的模式,农民对秸秆的需求量逐渐减少,再加上秸秆回收成本过高,每年在庄稼收获的季节,农民为了抢种和处理方便就将收获后遗留在田间的秸秆就地焚烧,不但造成了大量的资源浪费,而且造成了环境的污染。本文针对目前农田秸秆还田机存在刀具磨损严重、能耗大、作业质量差等问题,设计了一种节能型秸秆还田机,对关键零部件进行了设计,基于离散元法进行了秸秆-土壤-旋耕刀辊相互作用仿真分析,并开展了机具田间试验。本文主要开展了以下内容研究:(1)在秸秆还田机结构设计上采用中间传动方式,对旋耕机的关键部件做了详细设计。采用六区段双螺旋排列方式,设计了一种轻量化带孔型旋耕刀片,在旋耕刀刃口采用堆焊处理,大大延长了旋耕刀寿命。在刀柄与侧切面之间设计了加强肋,使得旋刀强度更高,有效地解决了旋耕刀侧切面容易折断的现象。(2)基于EDEM软件的离散元法建立了秸秆-土壤-旋耕刀辊相互作用仿真模型,并从土壤和桔杆运动及旋耕刀受力角度对秸杆、土壤和刀具的相互作用进行了分析,得到土壤平整度、秸秆埋覆率和作业能耗。以前进速度、刀辊转速和旋耕深度为因素,开展三因素三水平的响应面试验研究,采Design Expert-Version软件,对试验数据进行处理与分析,并根据二次回归拟合模型分别绘出功耗、秸秆埋覆率的响应面分析图,获得旋耕刀辊的最优工作参数,并验证刀辊设计的合理性。(3)测定了试验地秸秆量、含水率,根据响应面分析得到的最优参数组合,进行秸秆还田机田间试验,验证了仿真合理性,并与传统秸秆还田机进行对比。结果表明,设计的秸秆还田机作业宽幅、耕深稳定性、秸秆埋覆率、碎土率以及土壤平整度均符合国家标准,达到了设计要求;比传统秸秆还田机的土壤破碎度高、作业效果好、效率高,功耗小。