河南制作灌木平茬机,灌木收割机

柠条灌木具有显著的生态效益和防风固沙功能,又是优良的饲料与燃料转化利用的生物质资源,目前大面积种植于我国西部沙化地区及晋北黄土高原,其产业化开发及机械化生产近年来被广泛关注,但相关作业机械缺乏,急需创新研发满足柠条机械化生产的机具,为此我们在山西省科技攻关重大专项的支持下研制了一种新型的柠条平茬收获机,本文即针对该机型研发内容进行的关键部件仿真设计,基于柠条茎秆生物形态特性和力学性质及该机具的平茬机理与输送结构要求,设计了圆盘锯式切割机构与柔性铰链输送机构,并对其进行运动分析与田间试验.主要研究工作有:(1)研究了柠条茎秆的生物形态特性和生物力学性质.通过对柠条茎秆力学模型的简化,建立了柠条植株的悬臂梁力学模型,并推导出密度,含水率及摩擦系数等参数的表达式,经试验测定柠条的密度约为0.48g/cm3,柠条的含水率分布在30%～60%之间,柠条与金属材料间的摩擦系数为0.353022.柠条茎秆拉伸和剪切试验测得柠条茎秆材料的抗拉强度均值为138N/mm2,柠条茎秆材料的抗剪强度均值为35N/mm2,对其正交试验研究获得试验结论:柠条茎秆的拉伸断裂强度与取样位置和生长年龄都密切相关,且生长年龄对其试验指标的影响比取样位置对其的影响要大;柠条茎秆的抗剪强度与生长年龄相关,而与柠条的取样位置关系不大;为更好地完成平茬作业,应当考虑柠条的生长年龄,其次考虑平茬位置.(2)根据柠条的生物力学性质与柠条平茬茬口切割要求,研究了无支撑惯性力切割下的柠条平茬作业情况及其切割方式,选用圆盘锯作为柠条平茬收割的作业部件,并分析了圆盘锯的锯身,锯齿及其稳定性等参数,设计出圆盘锯式切割部件.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围以内越快,柠条茎秆的惯性力和柠条茎秆的作用反力越大,越容易达到平茬效果;圆盘锯式切割部件在平茬作业时,其转速应控制在临界转速范围内.(3)对柠条收割机圆盘锯式切割部件进行了仿真研究,取得如下结论:①对圆盘锯式切割部件上某一锯齿与其后一锯齿的运动轨迹进行运动学分析研究,得出圆盘式切割部件不漏割的条件,大速比K与大前进速度vm及锯齿刃数量成正比关系.在实际收获作业过程中,刀盘转速很高,收获过程中存在一定的多刀切割和重割现象.②对高速旋转工况下的圆盘锯式切割部件进行了有限元模态分析,通过仿真得出前6阶振动固有频率及振型,切割部件在实际工作中,刀盘转速为1500-1800r/min,工作频率为25-30Hz,避开了切割部件的第1阶固有频率0.015635Hz和第2阶固有频率371.85Hz,因此切割部件的模态结构合理.③对圆盘式切割部件进行了静力学分析,采用响应面设计分析圆盘锯的应力及应变情况,得到应力,应变的响应面拟合表达式,并通过岭脊分析得出当切割锯盘的厚度为6.5mm,切割锯盘的直径为450mm时,圆盘锯内部的应力应变为小值.④对柠条与圆盘锯式切割机构进行了刚柔耦合动力学分析,在圆盘锯前进速度为420mm/s的情况下进行仿真试验,获得了接触点在各方向的力与力矩曲线.采用响应面设计方法对圆盘锯的转速,厚度和直径进行动力学分析,仿真结果表明,对切割力影响的因素主次顺序为圆盘锯的转速,厚度,直径,对功率影响的因素主次顺序为圆盘锯的直径,转速,厚度,且各因素效应检验均显著,经响应面岭脊分析得出,当圆盘锯式切割部件直径,厚度和转速分别取405.12mm,5.15mm,1533.01r/min时,圆盘锯式切割部件的平茬效果优,其单组切割机构功耗预期为10-13.3kW.(4)借鉴其他收获机输送机构的工作原理,创新设计了适用于柠条输送的柔性铰链输送机构,并建立了仿真其实体模型.通过分析输送机构的输送速度与柠条联合收获机的前进速度间的速比关系,表明K取2-3时,即柔性铰链输送机构的输送速度为柠条联合收获机前进速度的2-3倍时,输送效率优.(5)柠条收获机圆盘锯式切割机构的田间试验表明:柠条收割机中圆盘锯锯盘的转速,厚度和直径均对柠条平茬质量有影响,锯盘的转速对柠条平茬质量的影响明显,锯盘厚度次之,因此,在样机结构设计过程中应首要考虑切割锯盘的转速和厚度.柠条平茬效率是衡量柠条收割机平茬作业的首要指标,本研究的样机在田间试验中,能够较好实现柠条的平茬作业要求,平茬效率达到88.7%,相比前几代样机各项性能稳定.

沙生灌木是我国西部地区防沙治沙,改良沙化土地的重要植物,在我国沙化危害治理中发挥着重要作用.沙生灌木具有适时平茬复壮的生物学特性,但由于大部分沙生灌木未及时平茬,出现了不同程度的生长退化,致使涉及的区域面临二次沙化的危险.沙生灌木不仅具有重要的生态效益,同时还可以带来较好的经济效益.论文研究内容作为国家科技支撑计划项目的关键任务,目标就是突破机械化平茬沙生灌木的瓶颈技术,研制出符合我国国情的沙生灌木收割装备. 论文评述了国内沙生灌木生长环境和生物学特性及国内外相关研究动态,在总结分析典型沙生灌木沙柳,柠条基本特性和切割特性的基础上,进行了往复铲式,往复单动刀式,旋转甩刀式,圆锯片式4种切割器的设计与试验.试验表明,往复式切割器适用于收割平坦地形生长的低龄小径级灌木;圆锯片式切割器适用于三年及以上生木质化程度较高灌木的平茬复壮作业;而往复铲式和旋转甩刀式切割器不适合用于灌木平茬作业. 论文基于切割器切割灌木时的切割效率,能耗和切割效果,对切割机构,运动参数进行了综合比较与优化,并设计研发了2种灌木平茬机.针对低龄小径级灌木的平茬问题,设计了具有对称双曲柄连杆机构的往复双动刀式灌木平茬机,分析了其割刀位移,速度,加速度与曲柄转角的关系,并进行了仿真验证.针对地势条件复杂,木质化程度高的多年生灌木平茬问题,设计了具有横,纵向仿形功能的圆锯片式自走灌木平茬机,分析了锯片直径,齿数,单齿进给量,锯片转速与机具前进速度的关系,并提出人工操纵仿形与机具自适应仿形相结合的灌木平茬仿形方式. 利用往复双动刀式灌木平茬机对二年生柠条进行平茬试验,其佳工作参数为:曲柄转速n=632r/min,切割速比λq=1.6.此工作参数下各项指标为:茬高不合格率小于等于2.5%,破茬率小于等于3.1%,漏割率小于等于2.5%,生产率0.38hm2/h. 利用圆锯片式自走灌木平茬机对五年生沙柳进行平茬试验,其佳工作参数为:圆锯片线速度为50m/s;灌丛株数小于80株/丛时机具的行走速度为0.44m/s,灌丛株数在80～110株/丛之间时机具的行走速度为0.34m/s,灌丛株数大于110株/丛时机具的行走速度为0.24m/s;沙柳丛植株数量,植株直径,丛下沙丘高度对机具作业速度影响较大,平茬时应根据灌丛的生长情况适时调整机具前进速度.研究和试验表明,论文设计研制的圆锯片式自走灌木平茬机实现了人工手动仿形与机具自适应仿形相结合的仿形方式,具有切割灌木时低速行走与灌木丛间高速行走移动相结合的机具行走功能;铰接式车体结构确保了机具在停止或前进时切割部件均能以铰接点为中心形成扇面切割轨迹,提高了机具灵活性,增大了收割幅宽和收割效率;设计开发的双四连杆结构与拉伸弹簧结合仿形机构,主机与切割部件机架采用旋转轴铰接机构,实现了圆锯片式灌木平茬机自适应纵向,左右两侧横向仿形:设计开发的相向向外旋转的圆锯片,配合倒V型诱导杆,实现了切割后枝条的集条,为后期移出田间创造条件. 论文研发的沙生灌木平茬机在田间试验中体现了较好的作业效果,能够满足我国目前不同类型灌木林平茬复壮的需要,具有较好的推广应用前景.

沙生灌木主要分布在我国西部,其自然生长环境恶劣.常年的风沙作用下, 灌木簇生的根部隆起沙包,周围地面凹凸不平,沙地表面承载能力低,对收割平茬的技术与设备的驱动性,仿形性以及切割能力要求较高.我国对沙生灌木的平茬收割机械研制及应用已有四十多年的历史,按照配备动力大小,切割部件的形状和运动方式等分成许多种类.自走式多功能灌木平茬收割机的产业化应用,为我国沙生灌木的平茬,收割提供了适用机具.