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玉米根茬鏟切刀具的滑切刃曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)

時(shí)間:2024-09-16 00:18:29 其他畢業(yè)論文 我要投稿
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玉米根茬鏟切刀具的滑切刃曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)

  摘要:為獲得具有優(yōu)良切割性能的刀具刃口曲線,采用理論建模和鏟切試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了玉米根茬鏟切的過程。通過建立玉米根茬切割過程的動(dòng)力學(xué)模型及能耗模型,揭示了最優(yōu)滑切角與物料摩擦角之間的函數(shù)關(guān)系;根據(jù)玉米根體的結(jié)構(gòu)特征將其劃分為5區(qū)段,并由各區(qū)段物料的摩擦系數(shù)獲取相應(yīng)理論最優(yōu)滑切角;根據(jù)切割刃與根茬切割位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系,設(shè)計(jì)出具有多級(jí)滑切角的刃口形式,并與具有固定滑切角的刃口實(shí)施了對(duì)比鏟切試驗(yàn)。試驗(yàn)表明:多級(jí)滑切刃刀具的鏟切性能最佳,鏟切功耗為14.2 J。

玉米根茬鏟切刀具的滑切刃曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)

  關(guān)鍵詞:切割設(shè)備,設(shè)計(jì),優(yōu)化,玉米根茬,滑切角,切割刃口

  0引言

  隨著石油、煤炭等不可再生資源的日益枯竭,生物質(zhì)資源的開發(fā)和利用日益受到關(guān)注,據(jù)研究表明玉米根茬占玉米秸稈總量的12~15%,中國年玉米秸稈的產(chǎn)量近2.5億t,以此推算每年將產(chǎn)生多達(dá)0.375億t玉米根茬,這座巨大的可再生的生物礦藏埋藏于地下,經(jīng)常被人們所忽視[2],多采用滅茬還田等低效處理方式加以應(yīng)用,若能有效采收玉米根茬,將有助于緩解環(huán)境破壞和資源浪費(fèi)的雙重問題。

  一般來講,鏟切是收獲土下作物的第一步,觸土部件在土下推進(jìn)鏟挖,將承受著巨大的土壤阻力,是主要的功能消耗部件,因此鏟具切割性能的優(yōu)劣也將直接影響著機(jī)具的作業(yè)效率[3-8]。為減小耕作阻力,降低作業(yè)功耗,農(nóng)業(yè)機(jī)械中諸多切割部件的優(yōu)化設(shè)計(jì),都運(yùn)用了滑切原理[4-13](如式犁,星形耙片,旋耕刀等),滑動(dòng)切割可以促進(jìn)在微觀狀態(tài)下呈鋸齒狀的刀刃的鋸斷作用,降低物料張緊拉斷和剪切破壞的極限應(yīng)力,對(duì)于纖維及質(zhì)地不均勻物料的切割效果尤為顯著[9]。材料的摩擦屬性等多種因素影響著滑切過程的力學(xué)行為[10],文中擬揭示二者之間的關(guān)系,并以此為依據(jù),設(shè)計(jì)并優(yōu)化出具有變滑切角的鏟具刃口,用以應(yīng)對(duì)根土復(fù)合體的不同區(qū)段,有望減小切割阻力,降低機(jī)具作業(yè)功耗。

  1、滑動(dòng)鏟切的理論模型

  通過建立玉米根茬的切割動(dòng)力學(xué)建模,確定發(fā)生滑切的理論臨界條件,分析影響鏟切性能的核心因素,并建立數(shù)學(xué)模型,為優(yōu)化鏟具刃口提供參考。

  1.1滑動(dòng)鏟切臨界條件的確定

  玉米根茬側(cè)根系發(fā)達(dá)粗壯而強(qiáng)韌,向四周生長(zhǎng),與土壤緊密結(jié)合,在土壤中形成了網(wǎng)狀須根結(jié)構(gòu)的根系土壤復(fù)合體。由于表層土壤干燥板結(jié),內(nèi)層土壤濕潤(rùn)粘附,外側(cè)根系粗大,內(nèi)側(cè)根系細(xì)碎等諸多復(fù)雜因素,使得同一株根體的不同部位,也呈現(xiàn)出復(fù)雜各異的力學(xué)屬性。

  為不失一般性,取根體內(nèi)一質(zhì)點(diǎn)M為研究對(duì)象,置于xoy平面內(nèi),并與刀具斜刃AB相接處,該刀具固定安裝于收獲系統(tǒng)上,在動(dòng)力機(jī)具的牽引下,隨同機(jī)車沿y軸方向平行推移(如圖1所示),對(duì)根茬實(shí)施滑動(dòng)鏟切的過程中,質(zhì)點(diǎn)M沿著τ方向(斜刃切線方向)及n(斜刃法線方向)方向的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)微分方程可描述為cos cossin(sin)yN s eys s r eF F maF F τm a aθθθθ???=????=?(1)式中,m為根茬質(zhì)點(diǎn)M的質(zhì)量,kg;θ為斜刃的滑切角[9-11],°;NF為質(zhì)點(diǎn)受到斜刃的法向壓力,N;sFτ為沿τ方向的摩擦力,N;ysF為沿y方向的摩擦力,N;ea為質(zhì)點(diǎn)的牽連加速度,m/s2;ra為質(zhì)點(diǎn)相對(duì)斜刃的加速度,m/s2。r質(zhì)點(diǎn)M在斜刃AB的推動(dòng)下具有沿y方向移動(dòng)趨勢(shì),周圍土壤顆粒會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一個(gè)反向摩擦力ysF(圖2),若質(zhì)點(diǎn)M相對(duì)于斜刃產(chǎn)生滑移時(shí),則會(huì)受到沿著τ方向(圖1)的滑動(dòng)摩擦力tans NF τ=F?(2)式中,?為質(zhì)點(diǎn)與刃口之間的摩擦角,°;將式(2)帶入式(1)可得(tan tan)N rF θ??=ma(3)由式(3)易知,在0NF>的情況下,只有當(dāng)θ>?時(shí),才有0ra>,質(zhì)點(diǎn)M與刀刃之間方可自靜止發(fā)生相對(duì)移動(dòng),即產(chǎn)生滑切動(dòng)作[9-11]。2.2滑動(dòng)鏟切功耗模型的建立理想鏟切情況為“原地切割”,即斜刃對(duì)根茬實(shí)施切割過程中,根茬的位置固定不動(dòng),刃口相對(duì)于根茬沿τ方向發(fā)生滑移,并沿y方向切出一根茬厚度[9]。如圖2所示,若以一圓形代表根茬的切割斷面,m和n點(diǎn)分別代表滑切過程的初始接觸點(diǎn)和終結(jié)分離點(diǎn),m′表示滑切終結(jié)時(shí)初始接觸點(diǎn)m的位置,則理想滑切所產(chǎn)生的各距離之間的幾何關(guān)系可表示為cosDyθΔ=,brs =Dtgθ(4)式中,Δy為沿y方向的鏟切距離,m;D為根須斷面直徑,m;brS為沿τ方向發(fā)生的相對(duì)滑移距離,m?紤]到機(jī)車在田間勻速行進(jìn),單個(gè)根茬與刀刃自接觸至被切斷,所消耗的平均時(shí)間可表示為ceytvΔ=(5)式中,ev為機(jī)車勻速行駛的速度(m/s)。另外,若假設(shè)根茬質(zhì)點(diǎn)周圍的物理環(huán)境均一,則在滑切過程中質(zhì)點(diǎn)所受到的法向反力NF為定值,由式(3)易知ra也為定值,那么二者自相對(duì)靜止至滑切結(jié)束,所發(fā)生的相對(duì)滑切距離為212cr r cs =a t(6)式中,crs為相對(duì)滑切距離,m;ct為相對(duì)滑切的耗時(shí),s。

  一般來講,滑切角θ越大,切割阻力NF會(huì)隨之減小,但在滑切過程中根茬相對(duì)于刃口滑過的路徑也會(huì)隨之增大,當(dāng)滑切角過大時(shí),能量不僅用于切斷物料,物料與切割刀刃之間的摩擦力也會(huì)增大,雖然切,割阻力會(huì)下降,但總功耗仍可能增加[10],因此需全面分析滑切過程中,滑切功耗同滑切角的函數(shù)關(guān)系,建立單株根茬的滑切的近似功耗方程yN s br sW =F D +F τs +F Δy(7)式中,W為滑切的近似功耗,J;若鏟切過程被理想成為“原地切割”,則物料相對(duì)于斜刃的加速移動(dòng),將主要發(fā)生在τ方向,在n方向主要表現(xiàn)為機(jī)車的勻速行進(jìn),因此在該方向近似靜止cosy NsFFθ≈(8)聯(lián)立求解2~8式有2 2sin 2(1 tg tg sec)(tg tg)emv DWθθ?θθ?++=?(9),隨著滑切角θ的增大,參與切割的刃口長(zhǎng)度也會(huì)隨之變長(zhǎng),同時(shí)被切割的根茬數(shù)量也會(huì)增多,假設(shè)根茬均勻、等密度排列(圖2),則每次被切割的根根須的數(shù)量可表示為cosBnDθ=(10)式中,B為刀具的寬度,m。

  則斜刃滑切多株根茬的功耗數(shù)學(xué)模型可表示為W? =nW(11)即2 2sin 2(1 tg tg sec)?(tg tg)coseBmvWθθ?θθ?θ++=?式中,W?為多根須切割功耗,J。由上式可知,當(dāng)機(jī)車的行進(jìn)速度,鏟具的結(jié)構(gòu)尺寸以及根茬的摩擦系數(shù)確定的情況下,滑切角θ成為影響切割功耗的主要因素,為求解最小滑切功耗對(duì)應(yīng)的滑切角,令d0dWθ=(12)整理可得由摩擦角?及滑切角θ構(gòu)建的函數(shù)2 3 2 4 252 tg tg 4 tg tg 4 tg tg 4 tg tg4 tg 24 tg 0?θ?θ?θ?θ?θ++++?=(13)若給定一個(gè)摩擦角?,便可確定一最優(yōu)滑切角θ*,即θ*與摩擦角?之間必存在特定函數(shù)關(guān)系θ=θ(?)(14)然而,通過常規(guī)代數(shù)方法,難以確定式(14)中兩變量的關(guān)系,因此可借助數(shù)值解析方法,依次求解各摩擦角?對(duì)應(yīng)的最優(yōu)滑切角θ*,并繪制曲線關(guān)系,如圖3所示。最優(yōu)滑切角θ*可由物料的摩擦系數(shù)確定,因此獲得玉米根體鏟切點(diǎn)處的摩擦系數(shù),是確定特定鏟切點(diǎn)處鏟刃最優(yōu)滑切角的前提。

  2、根土結(jié)合體的鏟切試驗(yàn)

  2.1根體內(nèi)部摩擦系數(shù)的測(cè)定玉米根體屬根、土裹夾的混合體,整個(gè)根體呈仿錐形態(tài),在根系相對(duì)密集部位將其截?cái)嗫傻酶w斷面(圖4),大致呈現(xiàn)出5個(gè)區(qū)域:A區(qū)為裹夾于根系中央的細(xì)濕土區(qū)域;B區(qū)為須根與細(xì)濕土的混合區(qū)域;C區(qū)為內(nèi)側(cè)須根系區(qū)域;D區(qū)為相對(duì)粗大的外側(cè)直根系區(qū)域;E區(qū)為包裹于根體外側(cè)的粗土區(qū),各區(qū)域的平均結(jié)構(gòu)直徑尺寸見表1。由于各區(qū)域的組分及物理?xiàng)l件差異較大,導(dǎo)致各區(qū)域的摩擦系數(shù)也各不相同,甚至在同一區(qū)域內(nèi)部,由于水分、密度等因素,也會(huì)影響摩擦系數(shù)的大小[10]。采用傳統(tǒng)的具有固定滑切角的斜刃進(jìn)行鏟切,只能保證個(gè)別區(qū)段的最優(yōu)滑切,無法適應(yīng)根體內(nèi)部摩擦系數(shù)多變的實(shí)際情況,若能根據(jù)各區(qū)段物料摩擦特性,有針對(duì)性地制定相應(yīng)區(qū)段最優(yōu)滑切角,將有效提升刀具的整體鏟切性能,因此確定根系內(nèi)部各處摩擦特性的變化規(guī)律,是優(yōu)化刀具刃口結(jié)構(gòu)的前提。試驗(yàn)樣品取自于秋季吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田,將根茬連同裹夾于內(nèi)部的土壤整株挖出,并切取根體相應(yīng)區(qū)段的物料作為試驗(yàn)樣品,利用摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)取各樣本與16Mn鋼材之間的摩擦系數(shù),采樣過程在田間隨機(jī)選取了15個(gè)點(diǎn),每株根茬制備3~5個(gè)試驗(yàn)樣本,每個(gè)樣本測(cè)試3次,最后通過錯(cuò)點(diǎn)剔除及平均值計(jì)算法,獲得各區(qū)段物料的平均摩擦系數(shù),數(shù)據(jù)見表1。以各區(qū)段摩擦系數(shù)為基本數(shù)據(jù),按照所確定的摩擦角與最優(yōu)滑切角之間的曲線關(guān)系,通過線性插值算法,獲得各區(qū)段理論最優(yōu)滑切角,2.2鏟切功耗的試驗(yàn)研究采用鏟切試驗(yàn)的方法[12~15],驗(yàn)證各區(qū)段不同摩擦系數(shù)物料同最優(yōu)滑切角之間的關(guān)系。將若干把具有固定滑切角的刀具,分別裝卡于萬能試驗(yàn)機(jī)的卡頭上并與力傳感器串接刀具可隨試驗(yàn)機(jī)的卡頭沿豎直方向上下往復(fù)移動(dòng),在刃口下方放置一個(gè)鐵皮箱體用于盛放試驗(yàn)物料(土壤、根茬等),當(dāng)?shù)毒咝比星懈钕潴w中的物料時(shí),計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄力和位移數(shù)據(jù)。為真實(shí)模擬田間鏟切過程,預(yù)先填放一定量的田間黑土,在此基礎(chǔ)上挖取一截面直徑為25 mm的半圓柱體空腔,試驗(yàn)之前腔體內(nèi)不填埋任何物料,記錄各刀具對(duì)田間黑土的切割功耗,然后再將各區(qū)段的物料分別埋于此空腔中,實(shí)施鏟切試驗(yàn)。將各區(qū)段具有不同摩擦角的物料填埋于b中的空腔內(nèi),保證刀具刃口全部浸沒于物料之中,令刀具以100 mm/s的速度下行鏟切[12],鏟至斜刃末端到達(dá)圖5b中的終結(jié)位置,同時(shí)記載鏟切過程中力與位移數(shù)據(jù),除去空腔鏟切過程的功耗損失,即為留空腔內(nèi)物料的切割功耗0(()())desM EW =∫F s ?F s s(15)式中,W為根茬物料的切割功耗,J;MF為腔內(nèi)物料及田間黑土鏟切力,N;EF為田間黑土鏟切力,N;es為刀具下行距離,m。采用6把不同滑切角的刀具,切割各區(qū)段的物料,并由式(15)計(jì)算切割功耗,每組試驗(yàn)重復(fù)實(shí)施3~5次,通過錯(cuò)點(diǎn)剔除、平均值計(jì)算等統(tǒng)計(jì)方法,獲得不同滑切角與各區(qū)段物料鏟切功耗之間的關(guān)系,當(dāng)采用滑切角小于45°的刀具鏟切各區(qū)段物料時(shí),均呈現(xiàn)出切割功耗隨滑切角增大而顯著減小的變化規(guī)律,且在各理論臨界滑切角附近,滑切功耗顯著降低;由A區(qū)段鏟切功耗變化曲線可知,物料的最小切割功耗出現(xiàn)在滑切角為65°處,并且存在繼續(xù)小幅減小趨勢(shì);而B、C區(qū)段曲線的最小切割功耗值出現(xiàn)在55°處;D、E區(qū)段曲線的最小鏟切功耗出現(xiàn)在45°~55°之間。通過試驗(yàn)獲得了各區(qū)段物料的切割功耗隨滑切角的變化規(guī)律,并確定了最低切割功耗對(duì)應(yīng)的最優(yōu)滑切角的大致范圍,該范圍中的理論最優(yōu)滑切角相符,因此可作為優(yōu)化滑切刃口的參考依據(jù)。2.3鏟切刃口的優(yōu)化設(shè)計(jì)由圖2中的幾何關(guān)系可知,刃口切割點(diǎn)的切線τ方向,與x軸的夾角恰為滑切角θ,滑切刃的斜率即為滑切角的正切值,那么由表1中的各區(qū)段物料最優(yōu)滑切角的正切值,則為該段滑切刃的斜率。如圖7所示,將此組多級(jí)最優(yōu)滑切角的組合刃口制成刀具,與傳統(tǒng)固定滑切刃刀具實(shí)施對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表3)表明多級(jí)滑切刃刀具的鏟切功耗最小。3結(jié)論1)由鏟切試驗(yàn)表明,所建立的切割動(dòng)力學(xué)模型及能耗模型,能夠比較客觀地描述玉米根茬的鏟切過程;物料摩擦角與最優(yōu)滑切角之間的關(guān)系,可作為優(yōu)化滑切刃曲線的理論依據(jù);由對(duì)比試驗(yàn)可知,多級(jí)變滑切刃的鏟切功耗最小。

  2)為了突出主體變化規(guī)律,便于實(shí)施理論分析,在建模過程中,對(duì)一些復(fù)雜多變的力學(xué)過程進(jìn)行了適當(dāng)?shù)睦硐牖僭O(shè),可能會(huì)在一定程度上影響優(yōu)化精度,因此可通過進(jìn)一步的工程實(shí)踐,對(duì)該模型實(shí)施修正。

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