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新型自动制钵机自动取土机构的研究与设计

作　者: 卢志达
导　师: 张国凤
学　校: 浙江理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 制钵机自动取土机构运动学分析数值模拟样机试验
分类号: S223.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

营养钵育苗技术因具有种苗健壮、田间整齐度好、移栽成活率高等优点被广泛用于花卉、蔬菜、棉花等作物移栽上。制钵机是将营养土压制成一定形状、强度的钵体的一种农业机具。但目前制钵机基本都是固定式，需人工装土、移钵、排钵，劳动强度高且生产效率低。为此，本文对移动式自动制钵机进行了探讨，提出了一种可在大棚或田间自走的新型自动制钵机，其自动取土机构是将田中旋耕后的营养土进行自动收集并输送到制钵土箱的机构，是该新型制钵机的核心机构之一，其性能直接影响整机的成败。故本文进行了详细地研究，主要研究内容与结果如下：1.对自动取土机构进行理论分析，建立抛土刀、被抛营养土的运动学和动力学模型，确定抛刀切土、抛土过程中的主要工作参数并推导其方程，基于MATLAB编程分析摩擦系数μ24、加速度a24、抛刀刀柄与刀口切线夹角γ、抛刀转速ω等参数对被抛营养土运动特性的影响。研究发现：（1）当ω大于12rad/s时，营养土可在刀轴正上方90度位置附近被抛出刀片，抛出轨迹和水平位移s满足输送机构要求；（2）当ω在6～12rad/s之间时，被抛营养土加速度a24增加缓慢；（3）当ω大于12rad/s后，a24快速增加，且a24大于10m/s2。2．对抛土运动进行数值模拟和模拟结果分析，建立营养土与抛刀的数值模型，分析营养土的特性，模拟表明，当ω=13.35rad/s,νm=0.06m/s,t=0.5s时，（1）单把抛刀受到的最大压强为0.217MPa，此时抛刀还处于挖土阶段；（2）在一个旋抛周期内，功耗约为40J，最大功率为0.17kw，最大功率出现在抛刀开始进入空行程阶段；（3）营养土被旋抛的距离足够远，符合输送带输送要求。3.提出了营养土变速旋抛机构，对该机构抛土运动进行了数值模拟。当变速旋抛机构中主动椭圆齿轮的转速设为11rad/s时，数值模拟的结果为，（1）单把抛刀受到的最大压强为0.135MPa，此时抛刀还处于挖土阶段；（2）在一个旋抛周期内，功耗约为38J，最大功率为0.16kw，最大功率出现在抛刀开始空行程阶段；（3）营养土被旋抛的距离足够远，符合输送带输送要求。4.对自动取土机构试验台进行了三维建模、虚拟装配和干涉检验，研制了抛土试验台，进行了初步试验。试验结果表明，抛刀旋抛营养土的方案是可行的。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-18
  1.1 研究背景与意义  11
  1.2 制钵机国内外研究现状及发展趋势  11-15
    1.2.1 国内的研究现状  11-14
    1.2.2 国外的研究现状  14
    1.2.3 制钵机存在的问题及发展趋势  14-15
  1.3 土壤切削的数值模拟研究概况  15-16
  1.4 本文主要研究内容和技术路线  16-17
  1.5 本章小结  17-18
第二章新型自动制钵机自动取土机构的运动学和动力学分析  18-34
  2.1 自动取土的目的  18
  2.2 新型自动制钵机自动取土机构  18-20
    2.2.1 新型制钵机集土、取土、送土总体方案及工作原理  18-19
    2.2.2 自动取土机构组成及工作原理  19
    2.2.3 自动取土机构抛刀旋转方向的选取  19-20
  2.3 新型自动制钵机自动取土机构抛刀的运动分析  20-24
    2.3.1 新型制钵机自动取土机构抛刀的运动方程  20-21
    2.3.2 自动取土机构的工作参数分析  21-24
  2.4 自动取土机构中营养土的动力学分析  24-27
    2.4.1 被旋抛营养土受力分析  24-26
    2.4.2 被旋抛营养土动力学模型建立  26-27
  2.5 主要参数对营养土运动特性的影响分析  27-31
    2.5.1 摩擦系数μ24 对加速度 a24 的影响分析  27-28
    2.5.2 a_(24)改变时，对转速、转角的影响  28-29
    2.5.3 R'不同时，加速度、转速与转角的关系分析  29-30
    2.5.4 θ改变时，加速度、转速与转角的关系分析  30
    2.5.5 γ不同时，对加速度、转速与转角的关系  30-31
  2.6 营养土脱离抛刀后的运动学分析  31-33
  2.7 自动取土机构的功耗分析  33
  2.8 本章小结  33-34
第三章自动取土机构圆弧抛刀工作曲面的研究与设计  34-42
  3.1 概述  34
  3.2 抛刀结构的特点  34
  3.3 抛刀曲面的研究与设计  34-41
    3.3.1 自动取土机构抛刀取土的基本模型  34-35
    3.3.2 抛刀曲面线研究及设计  35-37
    3.3.3 圆弧抛刀曲线模型的建立  37-40
    3.3.4 确定抛刀刀口切削角  40
    3.3.5 确定圆弧抛刀的工作幅宽  40-41
    3.3.6 设计实例  41
  3.4 本章小结  41-42
第四章自动取土机构抛土运动数值模拟  42-54
  4.1 ANSYS 软件 LS-DYNA 模块的介绍  42-43
    4.1.1 LS-DYNA 模块的时间积分与时步控制  42-43
    4.1.2 营养土模型的 SPH 法简介  43
  4.2 抛刀抛土有限元模型的建立  43-48
    4.2.1 圆弧抛刀建模及其有限元预处理  43-45
    4.2.2 营养土特性分析及营养土模型的建立  45-46
    4.2.3 营养土 SPH 模型的建立  46
    4.2.4 圆弧抛刀旋抛营养土模型的建立  46-48
  4.3 圆弧抛刀旋抛营养土的数值模拟及其结果分析  48-52
    4.3.1 圆弧抛刀旋抛营养土的数值模拟  49-50
    4.3.2 圆弧抛刀旋抛营养土的工作阻力分析  50-51
    4.3.3 抛刀旋抛营养土的能耗分析  51-52
  4.4 本章小结  52-54
第五章营养土变速旋抛机构的分析与设计  54-63
  5.1 营养土变速旋抛机构的工作原理  54
  5.2 变速旋抛营养土模型的建立  54-55
    5.2.1 抛刀模型的建立  54-55
    5.2.2 抛刀变速旋抛营养土模型的建立  55
  5.3 虚拟仿真及其结果分析  55-59
    5.3.1 旋抛营养土的速度位移分析  55-58
    5.3.2 营养土变速旋抛功耗分析  58-59
  5.4 二阶椭圆（卵形）齿轮设计与运动分析  59-62
    5.4.1 二阶椭圆（卵形）齿轮设计  59-61
    5.4.2 卵形齿轮传动分析  61-62
  5.5 本章小结  62-63
第六章新型自动制钵机自动取土机构试验台研制  63-71
  6.1 圆弧抛刀在刀辊上的排列方案分析  63-64
  6.2 自动取土机构试验台的整体结构设计  64-65
  6.3 试验台设计的注意事项  65-66
  6.4 自动取土机构试验台三维建模及虚拟装配  66-69
    6.4.1 自动取土机构试验台三维实体建模的实现  66-67
    6.4.2 虚拟装配的实现  67-69
    6.4.3 自动取土机构试验台总装配体的干涉检查  69
  6.5 本章小结  69-71
第七章新型自动制钵机自动取土机构的试验验证  71-75
  7.1 圆弧抛刀的参数  71-72
  7.2 试验样机  72
  7.3 运动学特性试验验证  72-74
    7.3.1 试验设备及步骤  72-73
    7.3.2 圆弧抛刀旋抛营养土试验结果分析  73-74
  7.4 本章小结  74-75
第八章总结与展望  75-77
  8.1 全文总结  75
  8.2 研究展望  75-77
参考文献  77-81
读研期间的成果  81-82
致谢  82

新型自动制钵机自动取土机构的研究与设计

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