檸條灌木具有顯著的生態(tài)效益和防風(fēng)固沙功能,又是優(yōu)良的飼料與燃料轉(zhuǎn)化利用的生物質(zhì)資源,目前大面積種植于我國(guó)西部沙化地區(qū)及晉北黃土高原,其產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)及機(jī)械化生產(chǎn)近年來(lái)被廣泛關(guān)注,但相關(guān)作業(yè)機(jī)械缺乏,急需創(chuàng)新研發(fā)滿足檸條機(jī)械化生產(chǎn)的機(jī)具,為此我們?cè)谏轿魇】萍脊リP(guān)重大專項(xiàng)的支持下研制了一種新型的檸條平茬收獲機(jī),本文即針對(duì)該機(jī)型研發(fā)內(nèi)容進(jìn)行的關(guān)鍵部件仿真設(shè)計(jì),基于檸條莖稈生物形態(tài)特性和力學(xué)性質(zhì)及該機(jī)具的平茬機(jī)理與輸送結(jié)構(gòu)要求,設(shè)計(jì)了圓盤(pán)鋸式切割機(jī)構(gòu)與柔性鉸鏈輸送機(jī)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析與田間試驗(yàn).主要研究工作有:(1)研究了檸條莖稈的生物形態(tài)特性和生物力學(xué)性質(zhì).通過(guò)對(duì)檸條莖稈力學(xué)模型的簡(jiǎn)化,建立了檸條植株的懸臂梁力學(xué)模型,并推導(dǎo)出密度,含水率及摩擦系數(shù)等參數(shù)的表達(dá)式,經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定檸條的密度約為0.48g/cm3,檸條的含水率分布在30%～60%之間,檸條與金屬材料間的摩擦系數(shù)為0.353022.檸條莖稈拉伸和剪切試驗(yàn)測(cè)得檸條莖稈材料的抗拉強(qiáng)度均值為138N/mm2,檸條莖稈材料的抗剪強(qiáng)度均值為35N/mm2,對(duì)其正交試驗(yàn)研究獲得試驗(yàn)結(jié)論:檸條莖稈的拉伸斷裂強(qiáng)度與取樣位置和生長(zhǎng)年齡都密切相關(guān),且生長(zhǎng)年齡對(duì)其試驗(yàn)指標(biāo)的影響比取樣位置對(duì)其的影響要大;檸條莖稈的抗剪強(qiáng)度與生長(zhǎng)年齡相關(guān),而與檸條的取樣位置關(guān)系不大;為更好地完成平茬作業(yè),應(yīng)當(dāng)考慮檸條的生長(zhǎng)年齡,其次考慮平茬位置.(2)根據(jù)檸條的生物力學(xué)性質(zhì)與檸條平茬茬口切割要求,研究了無(wú)支撐慣性力切割下的檸條平茬作業(yè)情況及其切割方式,選用圓盤(pán)鋸作為檸條平茬收割的作業(yè)部件,并分析了圓盤(pán)鋸的鋸身,鋸齒及其穩(wěn)定性等參數(shù),設(shè)計(jì)出圓盤(pán)鋸式切割部件.分析表明:割刀平茬的位置越低,切割速度在限定安全速度范圍以內(nèi)越快,檸條莖稈的慣性力和檸條莖稈的作用反力越大,越容易達(dá)到平茬效果;圓盤(pán)鋸式切割部件在平茬作業(yè)時(shí),其轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi).(3)對(duì)檸條收割機(jī)圓盤(pán)鋸式切割部件進(jìn)行了仿真研究,取得如下結(jié)論:①對(duì)圓盤(pán)鋸式切割部件上某一鋸齒與其后一鋸齒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析研究,得出圓盤(pán)式切割部件不漏割的條件,大速比K與大前進(jìn)速度vm及鋸齒刃數(shù)量成正比關(guān)系.在實(shí)際收獲作業(yè)過(guò)程中,刀盤(pán)轉(zhuǎn)速很高,收獲過(guò)程中存在一定的多刀切割和重割現(xiàn)象.②對(duì)高速旋轉(zhuǎn)工況下的圓盤(pán)鋸式切割部件進(jìn)行了有限元模態(tài)分析,通過(guò)仿真得出前6階振動(dòng)固有頻率及振型,切割部件在實(shí)際工作中,刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1500-1800r/min,工作頻率為25-30Hz,避開(kāi)了切割部件的第1階固有頻率0.015635Hz和第2階固有頻率371.85Hz,因此切割部件的模態(tài)結(jié)構(gòu)合理.③對(duì)圓盤(pán)式切割部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析,采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)分析圓盤(pán)鋸的應(yīng)力及應(yīng)變情況,得到應(yīng)力,應(yīng)變的響應(yīng)面擬合表達(dá)式,并通過(guò)嶺脊分析得出當(dāng)切割鋸盤(pán)的厚度為6.5mm,切割鋸盤(pán)的直徑為450mm時(shí),圓盤(pán)鋸內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)樾≈?④對(duì)檸條與圓盤(pán)鋸式切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析,在圓盤(pán)鋸前進(jìn)速度為420mm/s的情況下進(jìn)行仿真試驗(yàn),獲得了接觸點(diǎn)在各方向的力與力矩曲線.采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)方法對(duì)圓盤(pán)鋸的轉(zhuǎn)速,厚度和直徑進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,仿真結(jié)果表明,對(duì)切割力影響的因素主次順序?yàn)閳A盤(pán)鋸的轉(zhuǎn)速,厚度,直徑,對(duì)功率影響的因素主次順序?yàn)閳A盤(pán)鋸的直徑,轉(zhuǎn)速,厚度,且各因素效應(yīng)檢驗(yàn)均顯著,經(jīng)響應(yīng)面嶺脊分析得出,當(dāng)圓盤(pán)鋸式切割部件直徑,厚度和轉(zhuǎn)速分別取405.12mm,5.15mm,1533.01r/min時(shí),圓盤(pán)鋸式切割部件的平茬效果優(yōu),其單組切割機(jī)構(gòu)功耗預(yù)期為10-13.3kW.(4)借鑒其他收獲機(jī)輸送機(jī)構(gòu)的工作原理,創(chuàng)新設(shè)計(jì)了適用于檸條輸送的柔性鉸鏈輸送機(jī)構(gòu),并建立了仿真其實(shí)體模型.通過(guò)分析輸送機(jī)構(gòu)的輸送速度與檸條聯(lián)合收獲機(jī)的前進(jìn)速度間的速比關(guān)系,表明K取2-3時(shí),即柔性鉸鏈輸送機(jī)構(gòu)的輸送速度為檸條聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度的2-3倍時(shí),輸送效率優(yōu).(5)檸條收獲機(jī)圓盤(pán)鋸式切割機(jī)構(gòu)的田間試驗(yàn)表明:檸條收割機(jī)中圓盤(pán)鋸鋸盤(pán)的轉(zhuǎn)速,厚度和直徑均對(duì)檸條平茬質(zhì)量有影響,鋸盤(pán)的轉(zhuǎn)速對(duì)檸條平茬質(zhì)量的影響明顯,鋸盤(pán)厚度次之,因此,在樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)首要考慮切割鋸盤(pán)的轉(zhuǎn)速和厚度.檸條平茬效率是衡量檸條收割機(jī)平茬作業(yè)的首要指標(biāo),本研究的樣機(jī)在田間試驗(yàn)中,能夠較好實(shí)現(xiàn)檸條的平茬作業(yè)要求,平茬效率達(dá)到88.7%,相比前幾代樣機(jī)各項(xiàng)性能穩(wěn)定.

針對(duì)我國(guó)西部地區(qū)沙生灌木撿拾和壓捆難,勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低等問(wèn)題,以及為荒漠化防治實(shí)現(xiàn)機(jī)械化技術(shù),設(shè)計(jì)了具有掛車機(jī)構(gòu)的自走式多功能沙生灌木集運(yùn)裝 備,采用了特的正牽引式總體布局,把撿拾壓捆裝置(即夾爪)布置在動(dòng)力機(jī)械前端正下方.與側(cè)向布置撿拾壓捆裝置機(jī)型相比,不僅簡(jiǎn)化了機(jī)具總體結(jié)構(gòu),縮減 了機(jī)具寬度方向的總體尺寸,而且可顯著增加撿拾幅寬和撿拾能力,有利于提高生產(chǎn)能力.在本論文中著重分析夾爪設(shè)計(jì)參數(shù)的確定.

針對(duì)我國(guó)西部地區(qū)沙生灌木撿拾和壓捆難,勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低等問(wèn)題,以及為荒漠化防治實(shí)現(xiàn)機(jī)械化技術(shù),設(shè)計(jì)了具有掛車機(jī)構(gòu)的自走式多功能沙生灌木集運(yùn)裝備,可顯著增加撿拾能力,在本論文中著重分析液壓系統(tǒng)方案和主要參數(shù)的確定.

沙生灌木主要分布在我國(guó)西部,其自然生長(zhǎng)環(huán)境惡劣.常年的風(fēng)沙作用下, 灌木簇生的根部隆起沙包,周圍地面凹凸不平,沙地表面承載能力低,對(duì)收割平茬的技術(shù)與設(shè)備的驅(qū)動(dòng)性,仿形性以及切割能力要求較高.我國(guó)對(duì)沙生灌木的平茬收割機(jī)械研制及應(yīng)用已有四十多年的歷史,按照配備動(dòng)力大小,切割部件的形狀和運(yùn)動(dòng)方式等分成許多種類.自走式多功能灌木平茬收割機(jī)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,為我國(guó)沙生灌木的平茬,收割提供了適用機(jī)具.

筆者對(duì)內(nèi)蒙古西部地區(qū)沙柳材的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析和測(cè)定,為研究沙柳材切削加工性能提供了理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)為制定"藤灌木材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法"國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供了理論依據(jù).

蒙古西部地區(qū)有著豐富的沙生灌木資源,尤以沙柳為常見(jiàn).利用沙柳材生產(chǎn)人造板也已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收的重要渠道.目前使用的沙生灌木削片設(shè)備絕大部分為國(guó)產(chǎn)鼓式削片機(jī),在削片過(guò)程中存在著進(jìn)料機(jī)構(gòu)壓不緊,嫩稍部分切斷困難,生產(chǎn)效率低,大馬拉小車等問(wèn)題.為此,課題組結(jié)合沙生灌木的特點(diǎn)自行設(shè)計(jì)并制造了帶浮動(dòng)式輥筒進(jìn)料機(jī)構(gòu)的BX215S沙柳試驗(yàn)削片機(jī),用于沙生灌木木片加工生產(chǎn),很大程度上提高了鼓式削片機(jī)的生產(chǎn)效率和木片質(zhì)量.但其功耗大,振動(dòng)噪音大,沖擊力強(qiáng),因而研究其主要工作部件的切削性能和振動(dòng)特性就顯得特別重要.本文就沙柳削片機(jī)切削參數(shù)的變化對(duì)切削性能及削片機(jī)振動(dòng)的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究,運(yùn)用響應(yīng)曲面法分析了切削參數(shù)的變化對(duì)削片機(jī)的切削力及削片成片率的影響;同時(shí)研究了切削參數(shù)對(duì)削片機(jī)振動(dòng)的影響;并將切削機(jī)構(gòu)在ANSYS Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,得出如下結(jié)論:1,利用Design Expert設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),根據(jù)各因素的影響因子,分別建立了主切削力F_z,法向切削力F_y,軸向切削力F_x及削片成片率Q的回歸方程,通過(guò)方差分析確定回歸方程的可靠性,用響應(yīng)曲面法論證了切削參數(shù)間的相互作用對(duì)切削力及成片率的影響,即對(duì)主切削力F_z而言,影響顯著的是含水率,順序?yàn)楹噬沉睆脚c含水率的交互作用喂入量沙柳直徑喂入量×含水率,其余均為不顯著項(xiàng);對(duì)法向切削力F_y而言,影響顯著的項(xiàng)依次為:喂入量喂入量×含水率沙柳直徑×含水率含水率喂入量×沙柳直徑;對(duì)軸向切削力F_x來(lái)講,影響的顯著項(xiàng)的順序?yàn)?刀輥轉(zhuǎn)速沙柳直徑喂料輥轉(zhuǎn)速×含水率沙柳直徑×含水率;沙柳成片率的影響因素依次為:刀輥轉(zhuǎn)速喂料輥轉(zhuǎn)速刀輥轉(zhuǎn)速×喂料輥轉(zhuǎn)速含水率.2,切削力測(cè)試分析研究發(fā)現(xiàn),軸向切削力存在,與法向切削力大小相近.軸向切削力的產(chǎn)生有兩個(gè)原因:一是沙柳材在切削的過(guò)程中由于相互擠壓發(fā)生相對(duì)移動(dòng)而與定刀表面的摩擦力形成的;二是由于刀輥的不平衡振動(dòng)產(chǎn)生的.3,通過(guò)振動(dòng)測(cè)試分析對(duì)比了空載和負(fù)載情況下的削片機(jī)的振動(dòng)狀態(tài),并對(duì)加速度圖和自功率譜密度圖進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)負(fù)載情況下的進(jìn)給機(jī)構(gòu)和切削機(jī)構(gòu)的振動(dòng)都比空載情況下大,刀輥轉(zhuǎn)速的變化對(duì)振動(dòng)影響很大,建議生產(chǎn)時(shí)刀輥轉(zhuǎn)速為900r/min,喂料輥轉(zhuǎn)速的變化對(duì)振動(dòng)也有較大影響,當(dāng)喂料輥轉(zhuǎn)速為80r/min時(shí)振動(dòng)尤為劇烈.4,利用Solid Works生成切削機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體圖,導(dǎo)入ANSYS Workbench中分別對(duì)切削結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)高轉(zhuǎn)為1320r/min,設(shè)計(jì)大切削力21.6KN及實(shí)測(cè)高轉(zhuǎn)速1000r/min,實(shí)測(cè)大切削力15.8KN兩種工況下進(jìn)行靜力學(xué)和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析.靜力學(xué)分析結(jié)果表明整個(gè)機(jī)構(gòu)在兩種工況下應(yīng)力和應(yīng)變集中的地方均在刀輥與軸的連接處及飛刀的刃口部位;通過(guò)對(duì)切削機(jī)構(gòu)階預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)處于低頻工作時(shí),大變形量集中在刀刃和刀輥的外緣,隨著頻率升高切削機(jī)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變?cè)黾?二階,三階模態(tài)時(shí)切削機(jī)構(gòu)沿軸的徑向做上下和左右擺動(dòng),到七階,八階時(shí)切削機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)變形.兩種工況下切削機(jī)構(gòu)的模態(tài)振型相似,實(shí)際工作狀況的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值均低于設(shè)計(jì)大工作狀態(tài),結(jié)構(gòu)整體處于穩(wěn)定狀態(tài).