基于DEM-MBD耦合技术的马铃薯大垄双行垄体构建仿真研究

由于垄体作物种植较平作效益高,甘肃省大部分地区垄体种植较广泛。起垄作业广泛用于蔬菜类、大豆类及薯类等种植田间耕作,尤其薯类种植中起垄是最关键的一道工序。目前,甘肃大多数地区依然人工起垄,效率低下,还费时费力,尤其在播种期。现有的起垄机多数作业效果差,具体为:垄型变异系数率较高、机具不可靠等问题。近年来,薯类种植面积逐年增大,虽然科研人员对起垄机进行了改进,依然不能满足种植需求。借鉴国外农机发展思路,其农机正向产业化、智能化、系统化、集群化种植模式发展。为了设计马铃薯大垄双行起垄机,本文主要从以下几个方面进行研究:首先,查阅文献,结合甘肃省马铃薯大垄双行种植农艺特点,研制出一次性集翻耕土壤、细碎土壤、向两侧起垄和整压垄型的简易式起垄机,主要包括起垄犁、起垄压板、整型板以及整压辊等部件。通过Solidworks simulation对选定的起垄犁犁体曲面进行有限元分析,从而实现对设计的起垄犁结构进行优化设计。为了满足垄型的垄宽宽度及垄高高度等参数符合农艺的要求,分别对机架,起垄犁,整型板以及整压辊等部件进行了计算设计。其次,借助离散元法Discrete Element Method(DEM)仿真软件EDEM和多体动力学MBD(Multi Body Dynamics)所用多体动力学软件RecurDyn耦合模拟仿真起垄机起垄过程,并对起垄性能进行研究。仿真过程中发现起垄犁铲起、向内侧翻转、细碎土壤;起垄压板将垄型压制使其形成基垄;垄侧整型板侧面刮平;整压辊将垄顶压平,使其满足垄体形状和尺寸要求。仿真结果表明,起垄犁、整型板和整压辊对土壤的起垄、整型和整压效果良好,起垄机对土壤的影响重要程度依次为:起垄犁>整型板>整压辊,证明起垄犁在起垄效果中发挥了重要作用。最后,以牵引速度、整压辊直径、起垄犁入土安装角度、整型板的倾斜角度为试验因素,以垄宽变异系数和垄高高度变异系数为试验指标,进行单因素试验研究与分析。此基础上为优化起垄机起垄犁结构参数采用二次正交旋转回归试验建立了影响因素与性能指标的数学回归模型,研究了起垄犁入土安装角度、整型板的倾斜角度、整压辊直径对垄宽变异系数及垄高变异系数的影响,优化结果为:起垄犁入土安装角度为11.59°,整型板的倾斜角度为45°,整压辊直径为7cm。田间试验验证优化结果为:垄宽变异系数为4.51%,垄高变异系数为7.52%。