马铃薯力学特性与挖掘铲减阻机理研究

目前，马铃薯是一种高产、经济效益高、营养全面、适应性强、可加工种类丰富、用途广泛的粮食作物，也是四大粮食作物的后补作物。马铃薯被称为新世纪最有发展前途的农作物。然而随需求量的增长、马铃薯生产作业落后的局面已制约了马铃薯产业健康稳定的发展，制约条件中首先急需解决的是马铃薯收获机械化机具的研发与推广。鉴于此，加快发展现代化的马铃薯收获机械已迫在眉睫。在21世纪科学技术迅猛发展浪潮的带动下马铃薯收获机械的设计正朝功率消耗小、损伤率低、进地次数少、联合作业等方向发展。然而，就目前的研究条件来说，要充分解决马铃薯收获机械高效率作业与马铃薯块茎和土壤充分分离之间的矛盾，及马铃薯收获时产生的机械损伤，及块茎、石头、土块与土壤的分离、分级之间的矛盾，在对未杀秧的马铃薯进行收获时缠茎等矛盾还有很长的路要走。基于此，本文研究有两个侧重点，为减少马铃薯收获机械对马铃薯损伤率，对马铃薯力学特性进行研究；为了降低现有马铃薯收获机械功耗过大的问题，设计和研究两种减阻挖掘铲。具体研究内容如下： （1）通过电子万能试验机对甘肃含水率56.8%的2个品种在5种不同加载速率下3个方向马铃薯进行压缩试验研究。通过压缩试验特性曲线的回归分析，获得物料的破裂力、变形量等压缩力学特性参数。分析加载速率、马铃薯品种等因素对马铃薯压缩力学参数的影响，分析马铃薯压缩力学参数间的相关性，为马铃薯收获机械低损失机具的研制提供理论参考。。 （2）近年来，国内外学者对玉米、小麦、杏等的力学特性进行了大量的研究。但这些文献里的有限元模型都是理想化的球体或者椭圆体。理想化的模型对研究这些农业物料在收获、储存、运输过程中的损伤有一定的理论指导意义，但离真实模型还是有一定的差距。应用切片图像处理技术获取农业物资的多层外形轮廓，通过三维造型软件放样造型农业物料的实体模型，再对其进行有限元应力分析。该技术为农业物料在收获、存储、运输过程中对其施力大小与施力部位的研究提供较较真实的理论依据，并为农业物料收获部件的设计提供一定的参考。 （3）本文对马铃薯应力松弛的研究建立在压缩力学特性试验研究的基础上，首先对所获取的压缩力学特性压缩力—变形量曲线进行回归曲线拟合，获取马铃薯弹性模量、粘性系数等参数，应用ADAMS虚拟样机软件结合流变学理论建立马铃薯压缩及应力松弛仿真模型。对模型进行仿真后，对比了压缩力-变形量曲线仿真数据和试验数据，并利用ADAMS/Post Processor模块对比分析仿真曲线与试验曲线的重合度，验证基于ADAMS的马铃薯压缩力学与应力松弛特性虚拟样机研究的可行性和指导性。 （4）据蝼蛄前爪胫节爪趾第1趾的体视显微镜照片设计了马铃薯挖掘机挖掘铲铲片，为马铃薯挖掘机提供一种减阻效率较高的挖掘铲。应用AutoCAD软件获取爪趾外侧曲线和内侧曲线的轮廓点，并将点坐标值数据使用LIST命令导出，借助Excel软件多项式拟合法对爪趾的侧面轮廓线进行拟合，利用拟合方程在Solidworks软件中建立了仿生挖掘铲片，最后应用LS-DYNA软件仿真模拟仿生与普通挖掘铲片挖削土壤的过程，并测定两种铲片的土壤阻力。仿真结果表明，仿生铲片较普通铲片土壤阻力减小了61%。所设计的仿生挖掘铲片为马铃薯挖掘机挖掘铲减阻技术要求提供了一种解决思路，且结构新颖。 （5）目前，马铃薯收获机具大多采用固定式挖掘铲，导致牵引阻力和牵引功耗过大，而中小型收获机作业时通常表现出牵引力和牵引功率不足的问题。为了对振动减阻机理进行深入研究，应用Adams和LS-DYNA相结合的方式对由甘肃农业大学工学院研制的小型振筛式马铃薯挖掘机的振动挖掘铲挖削土壤过程进行三维数值模拟，分析不同牵引速率、振型、振幅、频率等因素对挖掘机挖掘效率和牵引阻力的影响，据Box-Behnken试验设计原理，以挖掘铲牵引速率、振型、频率和振幅为自变量，牵引阻力为响应值，采用4因素3水平响应面分析方法，并利用Design-Expert软件建立数学模型，对各因素及其交互作用进行分析。建立了各因素与牵引阻力之间的数学模型，并对四个因素进行了优化。 开展马铃薯收获机械的减阻降耗等相关研究，对提高马铃薯挖掘机的综合性能和马铃薯挖掘机技术的发展、减少作业成本、减轻农民的劳动强度、增加农民收入有着重要的现实意义。