【摘 要】
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旋耕机是应用广泛的耕整地机械。目前旋耕作业普遍存在耕作深度浅（8～15cm）、秸秆混埋效果差（秸秆覆盖率低、秸秆混埋深度低）、功耗大等问题。现有单纯增加旋耕刀回转半径的方法造成旋耕机机构庞大,性能不稳定,由于缺少对深旋作业土壤、秸秆和旋耕部件的相互作用规律的深入研究,深旋机具设计缺少理论依据,因此本文以土壤——秸秆——旋耕部件为研究对象,建立了土壤——秸秆——旋耕部件离散元仿真模型,对正转深旋作业
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旋耕机是应用广泛的耕整地机械。目前旋耕作业普遍存在耕作深度浅（8～15cm）、秸秆混埋效果差（秸秆覆盖率低、秸秆混埋深度低）、功耗大等问题。现有单纯增加旋耕刀回转半径的方法造成旋耕机机构庞大,性能不稳定,由于缺少对深旋作业土壤、秸秆和旋耕部件的相互作用规律的深入研究,深旋机具设计缺少理论依据,因此本文以土壤——秸秆——旋耕部件为研究对象,建立了土壤——秸秆——旋耕部件离散元仿真模型,对正转深旋作业过程进行了仿真分析,研究不同因素对深旋作业功耗、作业效果的影响,明确了正转深旋作业土壤、秸秆和旋耕部件的相互作用规律,并通过田间试验对仿真模型进行了验证,为深旋节能作业机具的设计和优化提供研究思路和研究方法。主要研究工作如下:1.采用文献综述与实地调研相结合的方法,确定了重点研究内容与主要研究方法。对国内外关于正转深旋节能技术研究进展进行了阐述,得到影响正转深旋作业功耗、作业性能的主要因素——旋耕刀形状、结构参数、旋耕刀的排列方式、机具作业参数等,将深旋作业土壤、秸秆和旋耕部件相互作用规律作为研究重点。2.利用EDEM仿真平台,结合土壤、秸秆特性,建立了完整的旋耕部件——土壤——秸秆离散元模型,研究正转深旋作业土壤、秸秆和旋耕部件的相互作用规律。在耕深20cm,刀轴转速为240 r/min,作业速度2 km/h的条件下,通过仿真试验研究旋耕单刀不同回转半径、工作幅宽、正切面弯折角等参数对功耗、作业性能的影响,最终选定旋耕刀结构参数为195mm-50mm-55mm-45°-125°（回转半径-工作幅宽-正切面端面高-侧切刃终点半径与弯折线之夹角-正切面弯折角）,优化后的旋耕单刀比传统增加回转半径的旋耕刀功耗降低了55%;选用优化后的旋耕刀,对同一切削面不同装刀数、切削面间距进行了试验,确定了每个平面装4把刀,间距为70mm;对整机作业参数（作业速度、刀轴转速、相邻切削面刀片夹角）进行分析,在满足作业要求的前提下,选定转速300r/min,作业速度2km/h,相邻切削面刀片夹角50°。将优化后的正转深旋节能旋耕机与传统增加回转半径旋耕机进行对比试验,结果表明,优化设计后的深旋机具功耗为46.68k W,比传统旋耕机功耗降低21.1%,碎土率为96.37%,提高了4.3%,秸秆覆盖率为95.81%,提高了11.9%,秸秆覆盖深度为11.3cm,提高了29.9%。在土壤耕层混合方面,优化后的旋耕机在土壤耕层垂直位移方面有着更好的表现,同时,减少了土壤在纵向的位移。3.采用田间试验的方法对仿真模型进行验证。试验结果表明,在作业速度为2 km/h,转速为300 r/min时,优化后的深旋机具功耗为50.83k W,比传统增加旋耕半径增加耕深的旋耕机功耗降低12.2%,碎土率为93.4%,提高了9.5%,秸秆覆盖率为92.3%,提高了14.5%;在耕层土壤位移方面,优化后的深旋机具在垂直位移平均提高165.25%,在纵向位移上平均降低29%;在耕层秸秆垂直分布方面,优化后的旋耕机0～5cm的秸秆占比8.6%,传统旋耕机为17.2%,在10～25cm耕层范围内,平均增加17%。通过仿真试验与田间试验结果对比。功耗、碎土率和秸秆覆盖率的误差分别为8.2%、3.5%和4.2%,土壤垂直位移平均误差15.2%,纵向位移误差16.9%,耕层秸秆垂直分布平均误差在15.7%。验证了仿真模型的正确性。
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