自激振动深松部件碎土机理与减阻优化

项目针对深松机耕作过程中土壤阻力大、能耗高、机具部件磨损严重等问题，拟开展土壤动力学特性分析、深松部件结构优化、振动深松机系统建模和自激振动式深松机研制等研究工作。（1）通过土壤理化分析和工程力学测试，构建土壤本构关系、土壤-深松部件-机器系统非线性模型，结合土壤失效准则和切削裂纹，分析振动深松时土壤高速切削、碎土过程，探讨自激振动深松机减阻节能机理。（2）结合数值仿真与田间试验，构建自激振动频率、振幅、切削速度与深松机牵引阻力和功耗的数学模型，分析土壤-深松部件-机器系统诸因素相互作用，揭示深松机系统结构参数、振动参数及运动参数对牵引阻力的影响规律。 .（3）应用系统仿真与优化设计方法，构建深松部件设计和土壤深松作业的多约束、多目标模型，优化深松机系统结构参数和振动参数，探究深松机系统自激振动与土壤物理特性、机械特性之间的相互关系，为自激振动式深松机的研制与开发提供理论依据。

土壤深松是获取农作物高产和实施农业保护性耕作的重要技术措施。由于深松土壤阻力大、耗能高、机具磨损严重等问题，制约着这一类机械在生产中的广泛应用，国内外对这类问题的研究工作很重视。我们针对这些问题进行了深入研究。首先，我们研究了深松部件对压实土壤高速切削非线性问题及深松机振动系统动态响应特性；其次通过田间试验，研究土壤-深松部件-机器系统诸因素相互作用及深松机系统参数对牵引阻力影响，获得一系列研究成果。利用这些研究成果，提出了深松部件自激振动高速碎土理论和方法，为自激振动减阻节能理论研究及相关产品开发奠定了基础。.深松部件切削土壤的数值模拟分析结果表明，振动系统参数对系统位移响应产生影响，在振频相同条件下，系统的位移曲线变化相似；在振幅相同条件下，当振频为12Hz时，振动铲的提升位移有突变，振动铲的振动幅度变化较大；当振频为其他参数时，位移变化较为平稳；研究自激振动频率、振幅、切削速度与深松机牵引阻力和功耗的研究结果表明:当振频较大时，松土部件的切削过程与提升过程的过渡时间较短，不利于土壤的深松；拖拉机速度较大时，松土部件对土壤的切削效果不好，不利于土壤的深松。.深松机系统固有频率与土壤固有频率之间的相关性研究取得成果。当深松机子系统振动固有频率 和土壤负载子系统固有频率 满足倍频关系时，系统将发生内共振，系统振幅都将大幅度增加，这将有助于机组振动减阻性能和土壤作业质量提高。这一研究结论表明：调整机组子系统的固有频率，使其与土壤负载子系统达到最佳耦合，最大限度地吸收土壤子系统的能量转化为有用功。.以深根茎类作物收获机为例，试验研究了深松机系统结构参数、振动参数及运动参数对牵引阻力影响，获得研究成果。建立了牛蒡收获机牵引阻力指标与机具振动频率、机组前进速度、振幅因素之间的数学模型，分析振动收获机系统参数对牵引阻力的影响关系。试验结果表明：影响牛蒡收获机牵引阻力因素主次为：普通铲面：振幅＞振动频率＞入土角度；仿生铲面：振幅＞入土角度＞振动频率；当选入土角度、振幅、振动频率分别为20°、9mm、7Hz时，普通铲面阻力最小；当入土角度、振幅、振动频率分别为19°、7mm、9Hz时，仿生铲作业阻力最小；有限元分析与模态试验分析结果表明，牛蒡收获机的主阵型集中在150Hz～160Hz，为深松机系统结构振动特性的描述及整机作业性能的优化提供依据。