基于虚拟样机技术的芦蒿收获机设计

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江苏省作为芦蒿种植产业发源地,芦蒿种植面积广阔,市场巨大。芦蒿产业相关的农业机械化程度决定了本省芦蒿种植业能否在新时代继续高速、稳定发展。芦蒿生长环境与品种特性决定了芦蒿收获过程中会产生收获效率低、成本高、工序复杂等难题。市面上成熟的芦蒿收获机械较少,一般的叶菜类蔬菜收获机难以高效完成芦蒿的收获作业。目前采用机械化收获作业很难做到有序、低损收获,收获作业时需要克服田间芦蒿杂乱无序、彼此缠绕,克服坑洼地面对切割装置行进间切割的影响,克服夹持输送装置易损伤娇嫩的芦蒿茎秆等问题。为了克服上述困难,提高芦蒿生产全程机械化水平,需要设计出一种芦蒿收获机,该机可在小型履带式动力机械的牵引下完成机械化收获作业,满足收获机械化作业要求。本文在分析现有机型优缺点的基础上,进行了相应的优化设计、结构改进,设计和开发制造了一种能够实现有序收获、土下切割、低损输送以及兼具除叶功能的芦蒿收获机。该机可以提高芦蒿收获效率,实现机械化收获,降低农民劳动强度,节约生产成本。具体研究内容如下:(1)芦蒿茎秆力学特性测试与分析。由于芦蒿茎秆力学特性与常用蔬菜不相同,因此对其进行研究是芦蒿收获机各个关键部件设计和整机设计的研究前提。试验得到了芦蒿茎秆抗剪切强度、压缩强度和弹性模量等力学性能,为切割装置和夹持输送装置的设计提供了理论依据。(2)芦蒿收获机整体方案设计。明确芦蒿收获作业要求与机器设计要求,对比分析多种芦蒿收获机关键装置的设计方案,了解各个方案的优劣,提出能够克服芦蒿收获过程中实际难题的设计方案。收获机械需要完成切割、输送、割茬高度调节、除叶等作业任务。设计方案中,切割装置采用往复式切割装置,输送装置采用柔性带式输送装置,割茬高度调节装置采用螺杆螺母式装置。对机组功率消耗进行分析计算,确定各个组成装置的功率大小,选择合适的电机型号。(3)芦蒿收获机关键部件的设计。根据整机设计方案,确定了各关键装置的主要参数,对切割、夹持输送、除叶等装置的主要部件进行相应的参数计算,并进行相应的强度刚度校核分析,验证关键部件设计的合理性。根据各个装置的相对位置,合理设计整机机架。利用三维建模软件UG对关键装置和整机机架进行建模工作,最后完成整机三维模型的建立并进行虚拟样机装配。(4)芦蒿收获机关键部件的有限元仿真分析。利用ANSYS-Workbench对收获机的整机机架进行结构静力学分析,得出位移和应力云图,结果表明整机机架和关键部件在工作时,材料的应力和变形都符合材料的许用范围;利用ANSYS-Workbench软件对整机机架进行模态分析,得到6阶振型,根据前6阶振型与电机输出频率,分析可知所选取电机在工作时,不会引发机架共振现象;对芦蒿茎秆切割模型进行显式动力学分析,通过仿真分析结果得到最佳割刀往复速度,实现割刀能够一次性完成对芦蒿茎秆的切断,且切割效果理想。(5)芦蒿收获机的样机试制与试验结果分析。进行芦蒿收获机样机的试制,根据试验规范进行田间试验。检查收获机能够有效完成有序切割、低损输送和除叶等要求,分析样机的作业效果,验证收获机的性能达到设计要求。本课题设计的芦蒿收获机可以一次性完成芦蒿的切割、输送、除叶等工作,有效解决芦蒿收获中存在的主要问题,提高芦蒿机械化收获的作业质量和效率,大大降低了劳动强度,节约了生产成本。
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