全新邦力灌木平茬机,林木修剪机

针对我国西部地区沙生灌木平茬复壮工作迫切,人工平茬难,劳动强度大,效率低等问题,以及为荒漠化防治实现机械化技术,设计了具有铰接式车体机构的自走式灌木平茬机,实现扭腰式扇面摆动切割作业.提出了人工操纵与机具自适应仿形相结合的纵横向仿形收割沙生灌木方法,并对柠条,沙柳进行了收割试验.试验结果为:柠条漏割损失率小于等于0.8%,割茬破损率为2.9%;沙柳漏割损失率小于等于0.8%,割茬破损率为2.5%,割茬高度小于等于7 cm,整机可靠性系数98.5%,生产率3 t/h.

针对和林格尔县沙生灌木面积大、平茬复壮工作迫切、人工平茬劳动强度大、效率低等问题,以及为荒漠化防治、饲草资源开发利用实现机械化需要,农民工匠张新明发明创新了集切割、铡碎、集装、运送于一体的新型自走式灌木平茬收获机,取得了实用新型和发明两项专利。本文详细阐述了研发背景、研发过程、技术路线、效益分析等内容。

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.

柠条联合收获机输送机构是实现联合收获的关键部分,该机构的参数优化和部件设计对整机性能起着决定的作用.本文通过对4GN-1900E柠条收获机输送机构进行了有限元分析,结合柠条联合收获机实际输送作业中的夹持输送要求,确定柔性铰链式输送机构中各部件的结构参数,并在三维实体建模软件UG中建立其简化模型,导入有限元分析软件ANSYS中进行结构静力学建模并划分网格.应用ANSYS对柠条柔性铰链输送机构进行静力学分析,研究夹持力作用下输送部件的形变特性,获得了输送部件的仿真分析云图,对仿真结果进行分析,得出应力,应变分布规律,为柠条联合收获机柔性铰链输送机构的设计研制与参数优化提供了理论依据.

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.

沙生灌木的平茬作业在实际中是沙产业发展的障碍,从割灌机械研发制作幵始,到目前为止,沙生灌木平茬机械化仍未实现.在林木机械的设计中,切削力是机械设计功率分配的基础依据.论文从实现沙生灌木机械化平茬出发,以试验中测得的沙柳原条切削力为依据,通过切削功率的计算,研究平茬机具的动力匹配与平茬机械. 动力机械选择在农村,牧区应用广泛的四轮拖拉机,通过V带传动,斜齿轮传动,轴传动,锥齿轮传动,将四轮拖拉机的动力输出传递到平茬切削机构. 终设计的传动机构在四轮拖拉机前方,切削机构在四轮拖拉机的一侧,可避免车胎对割茬的碾压.平茬切削刀盘的设计以切削试验中的楔形刀参