基于双作用多维振动切削的高效节能型马铃薯振动挖掘机理研究

The advantaged natural conditions are very suitable for potato planting in Xinjiang. The planting scale of potato expands unceasingly, the mechanized harvesting has become an inevitable trend. The project in view of the existing large mining resistance, high power consumption in the process of potato harvest mechanization in Xinjiang. The mechanism of action is studied between the soil and the double-acting vibration mining components of Xinjiang potato, based on the analysis of the basic mechanical properties and structure of the soil of potato planting, around the key link for mining operation. The double-acting drag reduction mining device using hydraulic vibration excitation source is developed. Through the research of this project, looking forward to clarify the dynamic behavior from the microscopic view and the law of mechanical characterization of the Xinjiang potato planting soil under the mechanical action, to rich model building method of finite element method and discrete element method in the study of a soil-mechanical system mechanics, to clarify the failure mechanism of the soil under the action of double-acting multidimensional vibration compound mining machinery, and to reveal the mechanism of drag reduction and consumption reduction in the dual role of the soil under the action of mechanical vibration. The project research can provide scientific basis for the Xinjiang potatoes and other root crops harvest machinery design, it is great significance for resolving large power consumption and low reliability of the potato harvest mechanization.

新疆得天独厚的自然条件非常适于马铃薯的种植，马铃薯种植规模不断扩大，机械化收获已成为必然趋势。本项目针对新疆马铃薯机械化收获过程中存在的挖掘阻力大、动力消耗高等问题，在分析新疆马铃薯种植土壤基本力学性质与结构的基础上，围绕挖掘作业关键环节，研究新疆马铃薯双作用多维振动挖掘部件与土壤间的作用机理，研制采用液压式振动激励源的双作用振动减阻挖掘装置。通过该项目的研究，以期阐明新疆马铃薯种植土壤在机械作用下的细观动态行为与力学表征规律，丰富有限元方法与离散元方法在机械---土壤系统力学研究中的模型构建方法，阐明土壤在双作用振动挖掘复合机械作用下的破坏机理，揭示土壤在双作用振动机械作用下的减阻降耗机理。项目的研究可为新疆马铃薯及其他根茎类作物收获机械的设计提供科学依据，对于解决新疆马铃薯机械化收获动力消耗大、可靠性低等难题具有重要意义。

项目针对新疆马铃薯机械化收获过程中存在的挖掘阻力大、动力消耗高等问题，调研了新疆马铃薯种植模式，对垄距、株距等参数进行了测定，分析测定了马铃薯种植土壤基本性质，获取了土壤含水率以及土壤硬度等参数。在对振动挖掘方式、土壤的破碎方式以及振动减阻原理进行分析的基础上，确定了一种基于五杆机构的马铃薯振动挖掘装置总体方案，设计了振动发生器、振动式挖掘铲等关键零部件，理论分析了固定式挖掘过程和振动挖掘过程的土垡受力情况，获取了挖掘铲轨迹方程、速度方程以及加速度方程，并分别对装置进行了有限元和离散元模拟。其中离散元模拟方面主要采用EDEM，数值模拟了振动挖掘铲挖掘土壤过程和固定式土壤挖掘过程，对比分析了土壤运动速度变化，通过仿真试验获取了各因素对功耗的影响次序，建立了功耗模型，并利用土槽试验对模型进行修正。针对有限元仿真方面，首先对马铃薯振动挖掘装置进行三维建模，利用ADAMS对机构进行了运动学数值模拟，得到了马铃薯振动挖掘铲在水平和垂直方向上分别以20mm和8mm为振幅进行振动时的振动位移，结果显示振动挖掘铲运行平稳，不存在轨迹突变现象。通过对不同参数下的挖掘功耗进行分析，获取了牵引速度、入土角度、振动频率和振幅等因素对挖掘阻力的影响以及变化趋势，以输送速度、入土角、振幅及振动频率为试验因素，以机组功耗为评价指标进行二次正交旋转试验设计，建立了牵引速度、振幅、入土角、振动频率与功耗间的数学模型，得出各影响因素对功耗的影响次序为牵引速度>入土角>振幅>振动频率，获得最佳影响因素参数组合为牵引速度0.53 m/s、振幅12.63 mm、入土角10.14°、振动频率11.73 Hz，此时，理论作业功耗12.22kW，试验获取实际功耗12.536 kW，与理论值间误差2.6%，模型可靠。项目的研究可为新疆马铃薯及其他根茎类作物收获机械的设计提供一定的参考。结合以上研究内容，撰写论文6篇，已发表论文5篇（EI检索2篇），获批专利5项，发布软件著作权4项，培养研究生1人，指导学生参加比赛获奖11项，参加学术报告并做大会报告2次。