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水稻整株秸秆还田关键部件模糊可靠性设计及试验研究

作　者: 葛宜元
导　师: 王金武
学　校: 东北农业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 水稻整株秸秆还田机关键部件有限元应力仿真载荷谱模糊可靠性优化设计
分类号: S224.29
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

作物秸秆是一种重要的生物资源,其利用涉及到整个农业系统的土壤肥力及水土保持,也涉及到环境安全以及可再生资源的有效利用等可持续发展问题。秸秆还田是增加土壤有机质、培肥地力、改善土壤结构、增强保水保肥能力、防止地表板结、增强农业后劲的实用技术措施,不但解决了目前化肥施用过多带来的后果,也解决了因秸秆“过剩”而堆集、焚烧造成环境污染的问题。农作物秸秆通过机械方式直接还田对合理利用自然资源、改善农业生态环境和生态效益有重要意义,符合农业部“秸秆还田工程”要求。目前,我国研制的秸秆还田机机型少,应用不普遍,且秸秆还田率低。针对以上存在的问题,本文在1ZT-210型整株秸秆还田机的基础上,对关键部件进行了静态仿真及模糊可靠性优化设计,提高了机器的可靠性,使机具结构更加合理,具有一定的经济性和实用性。主要研究工作为:(1)采用ABAQUS软件对埋草刀轴进行静力仿真,以便得到刀轴薄弱部位。(2)通过刀轴瞬态动力学分析结果,得出刀轴在不同的埋草刀入土时,刀轴中部的具体应力值。(3)利用传感器技术及DH5937测试系统,对刀轴和刀片进行弯、扭矩数据的采集,编制刀轴的综合载荷谱。(4)利用综合载荷谱,结合材料的疲劳曲线及Miner线性累积损伤理论,估算刀轴的寿命等主要参数。(5)建立部件的力学模型,将可靠度作为约束条件之一,利用MATLAB软件对刀轴和弯刀进行模糊可靠性优化设计。(6)对刀轴进行模糊综合评判,确定刀轴的最佳厚度;利用可靠性灵敏度分析的数值方法,有效地反映影响刀轴功能的各随机变量对其失效的影响程度。本文通过上述的仿真、设计及试验,得到刀轴的薄弱部位为其中部;编制了刀轴的弯扭矩载荷谱,估计出了刀轴的寿命为2113h:对刀轴和弯刀进行了模糊可靠性优化设计,得到了最佳参数组合并提高了可靠性。结果为提高机器的可靠性、优化机具结构、提高机具寿命及进一步研究提供了重要的理论依据。

全文目录

中文摘要  8-9
英文摘要  9-11
1 引言  11-19
  1.1 课题研究的目的和意义  11-12
  1.2 水稻秸秆还田机的研究现状  12-14
    1.2.1 国外秸秆还田机研究现状及趋势  12
    1.2.2 国内秸秆还田机研究现状及趋势  12-13
    1.2.3 我国秸秆还田的发展前景及建议  13-14
  1.3 国内外农业机械对模糊可靠性技术的应用  14-17
    1.3.1 机械工程领域应用模糊技术的必然性  14-15
    1.3.2 模糊可靠性优化设计的发展  15-16
    1.3.3 国外农业机械对模糊可靠性技术的应用  16
    1.3.4 国内农业机械对模糊可靠性技术的应用  16-17
  1.4 可靠性技术在农业机械中的应用前景  17
  1.5 研究的主要内容和技术路线  17-19
2 水稻整株秸秆还田机关键部件力学模型  19-25
  2.1 机器的结构及特点  19
  2.2 机器工作原理  19-20
  2.3 关键部件的受力分析  20-25
    2.3.1 埋草弯刀的受力分析  20-21
    2.3.2 刀轴的受力分析  21-25
3 关键部件应力仿真及可靠性试验  25-53
  3.1 有限元及仿真软件(ABAQUS)简介  25
  3.2 刀轴的应力仿真  25-35
    3.2.1 刀轴的静力仿真  25-33
    3.2.2 刀轴瞬态结构动力仿真  33-35
  3.3 刀轴载荷仿真验证试验  35-43
    3.3.1 试验地点和设备  35-36
    3.3.2 扭矩传感器  36-39
    3.3.3 信号输出装置  39-40
    3.3.4 扭矩传感器的标定及数据处理  40-41
    3.3.5 刀轴扭矩测量试验设计  41-43
  3.4 扭矩载荷谱的编制  43-46
    3.4.1 雨流计数法(RF法)  44-45
    3.4.2 刀轴扭矩载荷谱  45-46
  3.5 埋草弯刀的载荷验证试验  46-50
    3.5.1 埋草弯刀弯矩测试方法设计  46-49
    3.5.2 弯刀的静态标定  49-50
  3.6 弯矩载荷谱的编制  50-53
4 刀轴的疲劳寿命估算  53-59
  4.1 构件承受载荷与构件寿命的关系  53-55
    4.1.1 迈内尔(Miner)线性累积损伤理论  53
    4.1.2 当量载荷的建立  53-55
  4.2 复合应力状态下刀轴的疲劳寿命估算  55-59
5 关键部件的模糊可靠性优化设计  59-76
  5.1 可靠性设计的指标  59-60
  5.2 模糊可靠性理论  60-61
    5.2.1 模糊集合  60-61
    5.2.2 模糊可靠性优化设计  61
  5.3 刀轴的模糊可靠性优化设计  61-66
    5.3.1 刀轴的模糊可靠度函数  61-63
    5.3.2 刀轴模糊可靠性优化设计的数学模型  63-65
    5.3.3 刀轴优化结果  65-66
  5.4 刀轴的模糊综合评判  66-68
    5.4.1 建立因素集  66
    5.4.2 建立因素权重集  66
    5.4.3 建立备择集  66-67
    5.4.4 模糊综合评判  67-68
  5.5 刀轴可靠性灵敏度分析  68-71
  5.6 埋草弯刀的模糊可靠性优化设计  71-76
    5.6.1 MATLAB中遗传算法工具箱步骤  72
    5.6.2 刀片建模  72-74
    5.6.3 优化结果  74-76
6 结论与展望  76-78
  6.1 结论  76
  6.2 改进措施及展望  76-78
致谢  78-79
参考文献  79-83
附录  83-86
攻读硕士学位期间发表的学术论文  86

水稻整株秸秆还田关键部件模糊可靠性设计及试验研究

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