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近年来,生物质能源技术已经取得较大的发展,使得生物质能成为当前运用最广泛的可再生能源,使用量仅次于煤、石油、天然气三大石化能源。其中,玉米根茬具有产量可观、密度大、热值高等优异的生物质特征,是一种优质高产的生物质能源。此外,田间玉米根茬的处理一直是农业生产中的一大难题,亟需一种有效的处理方式。因此,玉米根茬收获机械的研究具有十分重要的实践意义与生态意义。根据国家农转资金项目“玉米根茬收集机中试推广”课题相关内容,本项研究是在4GS-2型玉米根茬收集机的基础上对其进行结构分析、功能完善和优化设计,以期得到成本较低、结构紧凑、工作稳定并适宜于推广的玉米根茬收获机。研究工作首先分析了玉米根茬的基本物理特性,确定了玉米根茬的切挖深度和最佳收获时间;通过对现有玉米根茬收获机具的挖掘方法和脱土方法进行研究,确定了偏置式的根茬挖掘装置,以及多级抛扔机构和仿生碾辊栅板机构相结合的根茬脱土方式;在4GS-2型玉米根茬收获机现有结构的基础上,在收获机前端添加了玉米根茬的挖掘装置,以减少根茬收获的作业环节;其次,设计了一套适用于本机的玉米根茬自动卸料装置,提高本机的作业效率;制定了玉米根茬的挖掘、捡拾、脱土、输送、收集和堆放的收获工艺,并运用Pro/E软件完成了整机虚拟样机的搭建,然后进行了机构的运动仿真,结果表明,整机运转良好,无干涉现象。最后对玉米根茬收获机的通过性能进行了分析计算。对玉米根茬收获机进行有限元分析,在ANSYS中建立玉米根茬收获机机架结构的有限元模型,对机架在水平弯曲工况和极限弯扭工况下进行静力学分析,得到了机架在两种典型工况下的应力分布和位移分布,为后续机架的轻量化研究奠定了基础;此外,在ANSYS Workbench中分别建立了挖茬装置、拾茬器、拨茬器、脱土碾辊以及机架的有限元模型,并对其进行约束模态分析,获得了各部件的前六阶固有频率以及相关的振型特征,进而分析了各部件的振动薄弱位置,以及玉米根茬收获机在内外激励下可能引起的共振情况。研究工作还在有限元静力分析和模态分析的基础上,结合样机前期的田间试验情况,分别对机架的结构改进和各部位梁的材料尺寸进行优化。以提高机架结构的低阶模态频率为目标,对机架两根加强梁的位置进行优化,优化后机架的前三阶模态均有所提高;以机架的轻量化为目标,对机架各部位梁的材料尺寸进行优化;分析了机架底梁、上梁、前梁、后梁、加强梁五个部位对机架应力和变形的影响,确定了最终的机架优化方案。优化后机架的质量169.23kg,较优化前减少了12.44%,优化效果明显。