基于立式铣削的小型深耕机作业机理及减阻优化研究

Currently rotary tiller is the main plowing machine in hilly regions, which actual tillage depth is only 10-15cm. Hallow plowing for a long time has brought some serious problems such as plough pan thickening, soil hardening, soil fertility keeping ability reducing, the capacity of water retention gradually weakening and the pests increasing. So farmers urgent need small deep-tillage-machine which is suitable for hilly regions. Based on summarizing the experience of previous two horizontal axis small deep-tillage-machine, the project team put forward a new model to solve the deep plowing problem, which is using a double vertical shaft and vertical milling operations for cultivating the upper soil and loosening the subsoil. Based on the pattern of cultivating the upper soil and loosening the subsoil, this project aims to study the interaction mechanism of vertical cutting parts with soil and the optimization of drag reduction. Through the numerical simulation analysis of contact press of vertical milling cutter with soil, this project study to reveal the mechanism of vertical milling process of soil and the interaction mechanism of vertical cutting parts with soil. Through the multi-objective and multi-constraint optimization modeling and simulating, this project research the drag reduction measures for vertical deep tillage system. Also this project will make some vertical milling cutter prototypes to test torque and analysis particle movement through high-speed photograph in the soil box and make a small deep plough machine to test its tillage performance in the field, and then provide theoretical support for engineering design of vertical shaft small deep tillage machine.

目前丘陵山地主要使用微耕机进行田块耕作，其实际耕深只有10～15cm，长期浅耕已经带来了犁底层加厚、土壤板结、土壤保肥保熵能力下降、蓄水保水能力逐年弱化及病虫害增加等严重问题，农户亟需丘陵山地适用的小型深耕机。项目组在总结前期研究的两款水平轴小型深耕机的经验的基础上，提出上耕下松立式铣削作业模式是解决丘陵山地深耕问题的有效途径。本项目以基于上耕下松立式铣削作业模式的小型深耕机的作业机理和减阻优化为研究对象，通过立式铣削刀具与土壤接触系统的自适应有限元仿真分析，揭示上耕下松立式刀具铣削土壤的动态过程以及作业部件与土壤相互作用的机理；通过土壤与作业部件耦合系统的多目标、多约束优化建模与仿真分析，寻求立式铣削深耕的系统减阻措施；制作样机进行立式铣削刀具的土槽扭矩、作业质量及土粒运动规律高速摄像分析实验，以及田间耕作性能测试，为工程化的立轴式小型深耕机械设计提供理论支撑。

丘陵山地普遍使用微耕机进行耕地作业，但大部分微耕机实际耕深只有10～15 cm，长期浅耕带来了土壤板结、蓄水保墒能力下降等问题，亟需适应丘陵山地地形的小型深耕机进行深耕作业。为降低深耕作业中刀具的功率消耗，本项目对基于立式铣削的小型深耕机作业部件与土壤的相互作用机理以及减阻优化进行了深入研究。提出了丘陵山地上翻下松的深耕作业模式，以减少深耕作业中的水土流失。以典型黄壤土为对象，建立了基于光滑粒子流（SPH）方法的土壤本构模型，通过旋耕刀具作业过程的仿真分析与实际测试的对比，验证了采用SPH方法进行深耕刀具与土壤相互作用机理分析的有效性。在分析现有旋耕刀具的基础上，基于立式铣削原理，设计了立式螺旋、非连续分段螺旋等4种深耕作业刀具，对其作业过程的运动学、动力学特征进行了分析。采用SPH数值仿真分析方法，对螺旋刀具及非连续分段螺旋深耕刀具作业过程中土壤破坏状况、土粒运动态势、切削阻力与功率消耗等参数间的关系和规律进行了详细分析；根据基于立式铣削的土壤—作业部件相互作用机理，建立了多约束的刀具减阻优化模型，采用虚拟正交试验设计以及优化方法，进行了旋耕弯刀、螺旋刀具及非连续分段螺旋深耕刀具的优化分析，得到了刀具结构及运行参数的最优解。搭建了立式耕作刀具测试以及旋耕刀具测试2个测试平台，分别进行了SPH仿真方法验证，旋耕刀具、立式螺旋刀具、非连续分段螺旋刀具作业效果、功率消耗的实际测试。测试表明非连续分段螺旋深耕刀具具有明显的上翻下松作业效果，耕深稳定达到30cm，功率消耗低，综合性能最优，确定非连续分段螺旋深耕刀具进行工程化开发。选择丘陵山地实用的小型动力平台，对其传动系统进行了改进，设计了立轴传动系统，试制出立式小型深耕机样机进行了实际耕作测试。项目研究成果为工程化的立轴式小型深耕机械开发提供理论支撑。