基于虾夷扇贝体表结构的玉米茬根捡拾器仿生设计

引用本文

陈东辉, 刘伟, 吕建华, 常志勇, 吴婷, 慕海锋. 基于虾夷扇贝体表结构的玉米茬根捡拾器仿生设计. 2017, 47(4): 1185-1193
CHEN Dong-hui, LIU Wei, LYU Jian-hua, CHANG Zhi-yong, WU Ting, MU Hai-feng. Bionic design of corn stubble collector based on surface structure of Patinopecten yessoensis . Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2017, 47(4): 1185-1193 复制到剪切板

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基于虾夷扇贝体表结构的玉米茬根捡拾器仿生设计

陈东辉^1,², 刘伟^1,², 吕建华^1,², 常志勇^1,², 吴婷^1,², 慕海锋^1,²

1.吉林大学生物与农业工程学院,长春 130022

2.吉林大学工程仿生教育部重点实验室,长春 130022

通讯作者：常志勇(1980-),男,在站博士后,高级工程师.研究方向:农业机械化工程.E-mail:zychang@jlu.edu.cn

作者简介:陈东辉(1961-),男,教授,博士.研究方向:农业机械化工程与表面摩擦学.E-mail:dhchen@jlu.edu.cn

基金:国家重点研发计划项目(2016YFD0701102); 中国博士后科学基金项目(2015M571367); 吉林省科技发展计划项目(20150520075JH); 吉林省省级产业创新专项项目(2016C029); 吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目(吉教科合字[2016]442号).

摘要

针对收获过程中玉米根茬捡拾的难题,设计了一种新型的仿生玉米根茬捡拾器。通过开展捡拾器捡拾过程的运动学分析以及玉米根茬的运动学分析,对捡拾齿的几何结构做了优化设计。以虾夷扇贝体表棱纹轮廓为仿生原型,通过逆向工程技术,对虾夷扇贝体表轮廓进行拟合,得到其拟合函数。以正弦函数数学模型y=1.5sin(πx/4)为棱纹轮廓对捡拾器的工作曲面进行棱纹型仿生几何结构设计,其中,x的取值范围为[0,4]。利用有限元分析软件ANSYS分析捡拾齿与玉米根茬之间不同的摩擦因数和不同的捡拾位置对捡拾效果的影响。结果表明:捡拾齿工作面表面的仿生棱纹几何结构有利于增大捡拾器与玉米根茬之间的摩擦因数,从而促进玉米根茬的捡拾;在捡拾过程中,捡拾位置越低,越有利于玉米根茬的捡拾。

关键词: 工程仿生学; 捡拾器; 运动学分析; 结构优化; 虾夷扇贝; 仿生设计; 有限元分析

中图分类号:TH122,S225.2 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2017)04-1185-09

Bionic design of corn stubble collector based on surface structure of Patinopecten yessoensis

CHEN Dong-hui^1,², LIU Wei^1,², LYU Jian-hua^1,², CHANG Zhi-yong^1,², WU Ting^1,², MU Hai-feng^1,²

1.College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022,China

2.Key Laboratory of Bionic Engineering, Ministry of Education, Changchun 130022,China

Abstract

In corn stubble harvesting, in order to solve the difficulty of corn stubble picking-up, a new corn stubble collector was designed. First, the kinematics of the stubble picking-up process was carried out. Then, the picking-up finger was designed. Further, reverse engineering method was employed to examine the contour of the surface of Patinopecten yessoensis as a bionic model. The cloud points of the contour to the ridges on the surface were fitted. The bionic ribbed surface of the picking-up finger was designed with a sinusoidal function y = 1.5·sin(π x/4) to present the ribbed contour, where x ranges from 0 to 4. For three different bionic corn stubble collectors, finite element software ANSYS was used to investigate the effects of friction coefficient between the picking-up finger and corn stubble, and the picking-up location on the performance of the collectors. Results show that the bionic ribbed surface of the picking-up finger contributes to the increase of the friction between the finger and the corn stubble, which enhances the corn stubble picking-up effect. Lower picking-up position benefits the corn stubble picking-up process.

Keyword: bionic engineering; corn stubble collector; kinematic analysis; structure optimization; Patinopecten yessoensis; bionic design; finite element analysis

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0 引言

玉米根茬收获是近年来逐渐兴起的一种根茬处理方式, 该方式可有效处理玉米根茬以保证后续工作的正常进行, 更能带来一定的经济效益、社会效益和环境效益^{[1, 2]}。捡拾装置作为根茬收获机械的关键部件, 其性能的优劣将直接影响根茬收获机械的作业性能^[3]。

目前, 国外尚未有关于玉米根茬收获机具和玉米根茬捡拾装置的研究报道。吉林大学权龙哲等^[4]研制的玉米根茬收获系统, 其捡拾作业由起茬铲切断须根系并将根土复合体一同铲起向后输送完成。华南农业大学陈学深等^[5]研制的玉米根茬挖掘机采用根茬捡拾板完成根茬的捡拾。上述捡拾装置具有结构简单, 挖掘、捡拾同时完成的优点。佳木斯大学于泳红^[6]研制的玉米根茬起铺机, 其捡拾作业由捡拾轮齿正向旋转捡拾玉米根茬, 辅助捡拾轮逆向旋转辅助捡拾玉米根茬的方式完成。这种捡拾方式避免了对土壤的附加捡拾, 提高了捡拾功率, 但结构稍显复杂。目前的研究中捡拾效果、捡拾功耗等还没有达到令人满意的效果。因此, 针对现有捡拾装置存在的问题, 参照与玉米根茬结构特征相类似的地下作物(如薯类作物^[7]、甜菜^{[8, 9, 10]}等)采收装备的捡拾方式以及现有玉米根茬捡拾装置的捡拾方式^[11], 从研究捡拾过程的运动特点入手, 通过对捡拾齿捡拾过程及玉米根茬的运动学分析, 建立了常用捡拾部件的捡拾理论, 完成了玉米根茬捡拾齿捡拾曲线的设计, 进一步设计了一种新型的玉米根茬捡拾器。

在根茬收获前, 采用秸秆回收但保留根茬的作业方式, 在根茬收获时, 采用挖掘铲将根茬铲出, 铲出后根茬以茬口在上、根部在下分布于地表^[12]。在捡拾过程中, 玉米根茬根土复合体的复杂结构^[13]使玉米根茬在捡拾的过程中容易脱落而造成捡拾失败, 且由于田间环境复杂, 捡拾齿在捡拾过程中将会与土壤中的坚硬石块和玉米根土复合体接触并相互摩擦, 容易造成捡拾齿工作面磨损而影响捡拾效果^[14]。通过对贝类的生存环境和表观形貌进行分析可知:其体表的棱纹几何结构不仅能增大其与海底泥沙的摩擦因数而增加附着能力, 还能将其与泥沙间的滑动摩擦变为滚动摩擦, 从而具有良好的耐磨损性能。

为了进一步改善捡拾齿的捡拾效果, 并提高其附着性、耐磨性, 本文以仿生学为手段, 以虾夷扇贝为仿生原型, 对捡拾齿的工作曲面进行了仿生设计。并利用有限元方法研究了捡拾齿与玉米根茬之间不同的摩擦因数和不同的捡拾位置对捡拾效果的影响。

1 玉米根茬捡拾器的设计

玉米根茬收获机捡拾器如图1所示, 主要由捡拾器中心轴、捡拾齿盘、捡拾齿、定位套筒等组成。其中中心轴与捡拾齿盘2固定连接, 中心轴轴向等间距安装捡拾齿盘共17个; 每个捡拾齿盘有4组螺栓孔, 每组两个, 通过螺栓连接一把捡拾齿; 捡拾齿与捡拾齿盘通过螺栓固定连接, 每个捡拾齿盘上安装4把捡拾齿, 并在捡拾齿盘周向上均匀交错分布; 捡拾器安装在玉米根茬捡拾器的机架前下方。安装捡拾齿盘个数为17个, 齿盘间距为80 mm。

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	图1 玉米根茬收获机捡拾器装配图Fig.1 Assembly drawing of corn stubble harvester’ s pickup device

1.1 捡拾器捡拾过程的运动学分析

1.1.1 捡拾齿的运动学分析

玉米根茬收获机工作时, 捡拾器绕主轴旋转的同时随着整机向前水平运动。因此, 捡拾器捡拾齿的绝对运动是整机的水平运动与捡拾齿的旋转运动的合成。以捡拾器的旋转中心O为原点建立平面直角坐标系, X轴正方向与整机的前进方向一致, Y轴正方向竖直向下, 如图2所示。设整机的前进速度为v_m, 捡拾器的旋转速度为ω , 则捡拾齿上任一端点P(x, y)的运动轨迹方程为:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} x = v_{m} t + Rcosωt \\ y = Rsinωt \end{matrix} (1) \end{matrix}$

式中: R为捡拾器半径; t为时间。

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	图2 捡拾齿端点运动轨迹Fig.2 Motion curve of pickup finger’ s end

将式(1)对时间t求一阶导数可得捡拾齿端点P(x, y)在X轴和Y轴方向的速度方程:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} v_{x} = \frac{dx}{dt} = v_{m} - Rωsinωt \\ v_{y} = \frac{dy}{dt} = Rωcosωt \end{matrix} (2) \end{matrix}$

设v_p=Rω 为捡拾齿端点的线速度, 且令速度比λ =v_p/v_m=Rω /v_m, 则捡拾齿端点在x轴上的分速度为:

$\begin{matrix} \begin{matrix} v_{x} = v_{m} - Rωsinωt = \\ v_{m} (1 - λsint) (3) \end{matrix} \end{matrix}$

若λ > 1, 即 $\begin{matrix} v_{p} > v_{m} \end{matrix}$ 时, 捡拾齿端点的线速度大于整机的前进速度。当捡拾齿端点运动在一个确定的区间内时, 则1-sinω t< 0, 即v_x< 0。此时, 捡拾齿端点的水平分速度方向与整机的前进方向相反, 捡拾齿端点的运动轨迹为余摆线, 能将玉米根茬捡拾起来向后输送。

若λ ≤ 1, 即v_p≤ v_m时, 捡拾齿端点的线速度小于整机的前进速度, 则无论捡拾齿端点的旋转角度为多少, 均有1-sinω t≥ 0, 即v_x≥ 0。此时, 捡拾齿端点的水平分速度方向始终与整机的前进方向相同, 无法将玉米根茬捡拾起来向后抛送。

由上所述可知, 为使旋转的捡拾器捡拾齿能将玉米根茬顺利地捡拾起来并抛扔进入一级拨茬器, 则在整个捡拾过程中, 捡拾齿端点的水平分速度均需满足v_x< 0, 即1-sinω t< 0。

1.1.2 玉米根茬的运动学分析

捡拾器作业时, 通过逆时针旋转将玉米根茬捡拾起来, 并在离心力和重力的作用下, 将玉米根茬抛扔至一级拨茬器, 从而完成玉米根茬的捡拾工作。若捡拾器的转速太小, 则无法捡拾玉米根茬, 或者玉米根茬可能会被捡拾器直接带回而造成二次捡拾, 降低工作效率; 若捡拾器的转速太大, 则会增加能耗。因此, 需对捡拾器能将玉米根茬顺利抛送进入一级拨茬器的条件进行分析, 以确定合适的捡拾器旋转速度范围。

以捡拾器中心O为原点建立平面直角坐标系, X轴方向与整机的前进方向相同, Y轴方向竖直向上, 如图3所示。设捡拾器半径为R, 一级拨茬器半径为r, 捡拾器中心与一级拨茬器中心的水平距离为l_x, 垂直距离为l_y, 捡拾器的转速为ω 。

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	图3 捡拾过程示意图Fig.3 Structural diagram of picking up progress

捡拾过程中玉米根茬由于重力及离心力的作用沿着捡拾齿曲线滑移至捡拾齿端点处被抛出, 则玉米根茬被抛出时的初始速度等于此时捡拾齿端点的速度, 即玉米根茬被抛出时的初始速度在 $\begin{matrix} X 轴和 Y \end{matrix}$ 轴上的分速度方程为:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} v_{x} = v_{m} - Rωsinθ = v_{m} (1 - λsinθ) \\ v_{y} = Rωcosθ \end{matrix} (4) \end{matrix}$

式中:λ 为速度比; θ 为玉米根茬被抛出时捡拾齿与X轴正方向的夹角。

通过对捡拾齿的运动学分析可知, 为使捡拾齿能将玉米根茬顺利地捡拾起来并抛扔进入一级拨茬器, 玉米根茬被抛出时的水平分速度需满足v_x< 0, 即1-sinθ < 0的要求。设玉米根茬被抛出时的初始位置坐标为A(x₀, y₀), 将玉米根茬看作质点M(x, y), 则在忽略空气阻力的情况下, 玉米根茬的运动为斜抛运动, 即水平方向的匀速直线运动及竖直上抛运动的合成, 其运动轨迹方程为:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} x = x_{0} + v_{x} t \\ y = y_{0} + v_{y} t - \frac{1}{2} g t^{2} \end{matrix} (5) \end{matrix}$

式中:t为玉米根茬抛出时间; g为重力加速度。

在确保玉米根茬顺利捡拾输送的前提下, 捡拾器的转速越小, 则其能耗越小, 因此需分析捡拾器能将玉米根茬顺利捡拾输送的最小转速。设捡拾器能将玉米根茬顺利捡拾并抛扔进入一级拨茬器的最小角速度为ω ₀, 此时玉米根茬的运动轨迹如图3所示。在保证玉米根茬顺利捡拾输送的前提下, 为使捡拾器的转速最小, 需令玉米根茬运动在能使一级拨茬器顺利向后输送根茬的拨指极限位置(即图3中所示B点)时, 玉米根茬竖直方向的分速度为0, 即玉米根茬斜抛至最高点。设此时一级拨茬器拨指与水平方向的夹角为φ , 玉米根茬被抛出时水平方向的分速度为v_ox, 竖直方向的分速度为v_oy, 则玉米根茬运动到B点所需时间为:

$\begin{matrix} t = \frac{v_{oy}}{g} (6) \end{matrix}$

设玉米根茬运动的水平位移为S, 垂直位移为H, 则可求得做斜抛运动的玉米根茬的位移如下:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} H = \frac{v_{oy}^{2}}{2 g} \\ S = v_{ox} t_{0} \end{matrix} (7) \end{matrix}$

将式(4)(6)代入式(7)得:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} H = \frac{{(R ω_{0} cosθ)}^{2}}{2 g} \\ S = \frac{R ω_{0} cosθ (v_{m} - R ω_{0} sinθ)}{g} \end{matrix} (8) \end{matrix}$

由式(8)可知, 在整机前进速度及捡拾器半径确定的情况下, 捡拾器的最小角速度可根据玉米根茬抛出时捡拾齿与水平方向的夹角 $\begin{matrix} θ \end{matrix}$ 和一级拨茬器拨指极限位置与水平方向的夹角 $\begin{matrix} φ \end{matrix}$ 求出。为了便于分析计算, 根据实验数据及参考农业机械设计手册^[15], 确定所设计的捡拾器的部分参数如表1所示。

表1 部分基本参数 Table 1 Some basic parameters

为了防止捡拾器与一级拨茬器在运动过程中发生干涉, 本设计取捡拾器中心与一级拨茬器中心的水平距离 $\begin{matrix} l_{x} \end{matrix}$ 为460 mm。取玉米根茬抛出时捡拾齿与水平方向的夹角 $\begin{matrix} θ \end{matrix}$ 为135° , 一级拨茬器拨指极限位置与水平方向的夹角 $\begin{matrix} φ \end{matrix}$ 为45° , 根据各参数间的代数关系式有:

$\begin{matrix} \begin{matrix} S = l_{x} - Rcos (\frac{π}{2} - θ) - rcosφ = \\ \frac{R ω_{0} cosθ (v_{m} - R ω_{0} sinθ)}{g} (9) \end{matrix} \end{matrix}$

代入已知参数化简可得:

$\begin{matrix} 0.025 ω_{0}^{2} - 0.159 ω_{0} - 1.39 = 0 \end{matrix}$

通过计算可求得玉米根茬收获机捡拾器的最小角速度ω ₀为11.304 rad/s。

将捡拾器的最小角速度ω ₀=11.304 rad/s代入式(3)可求得:

$\begin{matrix} v_{x} = v_{m} (1 - λsinθ) = - 0.798 m / s < 0 (10) \end{matrix}$

因此, 玉米根茬被抛出时具有与整机前进方向相反的水平分速度, 此时速度λ =2.5434> 1捡拾器捡拾齿端点的运动轨迹为余摆线, 满足设计要求。

根据捡拾器角速度与转速的关系式可求得玉米根茬收获机捡拾器的最小转速为:

$\begin{matrix} n = \frac{ω}{2 π} = \frac{11.304}{2 π} = 1.8 rad / s (11) \end{matrix}$

即当玉米根茬收获机捡拾器的转速达到108 r/min时, 捡拾器就能将玉米根茬顺利捡拾起来并抛扔进入一级拨茬器, 从而完成捡拾工作。在本次设计中, 在保证玉米根茬捡拾率并尽量降低能耗的前提下, 考虑到后续工作的分析计算, 取捡拾器的转速为150 r/min。

1.2 捡拾齿的曲线设计

设初始位置的捡拾器中心为坐标原点O₁, 以拖拉机的前进方向为X₁ 轴, 竖直向下的方向为Y₁ 轴, 建立定坐标系X₁O₁Y₁ 。同时, 以捡拾器中心为坐标原点O, 建立动坐标系XOY, 把捡拾器固定于动坐标系XOY中, 如图4所示, 则捡拾器的实际运动可以看成是动坐标系XOY在定坐标系X₁O₁ Y₁中既前进又旋转。

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	图4 捡拾器在动坐标系与定坐标系中的位置Fig.4 Position of pickup device in moving coordinate system and fixed coordinate system

设整机的前进速度为v_m, 捡拾器的旋转角速度为ω , 捡拾器捡拾齿上任意一点的极坐标为P(r, φ ), 则P点在定坐标系X₁O₁Y₁中的坐标方程为:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} x = v_{m} t + rcos (θ + φ) \\ y = rsin (θ + φ) \end{matrix} (12) \end{matrix}$

式中:t为时间; θ 为捡拾器在时间t内旋转的角度, θ =ω t。则 $\begin{matrix} P \end{matrix}$ 点的速度方程为:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} v_{x} = \frac{dx}{dt} = v_{m} - rωsin (θ + φ) \\ v_{y} = \frac{dy}{dt} = rωcos (θ + φ) \end{matrix} (13) \end{matrix}$

将式(12)带入式(13)中可得:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} v_{x} = v_{m} - ωy \\ v_{y} = rωcos (θ + φ) \end{matrix} (14) \end{matrix}$

令 $\begin{matrix} v_{x} = 0, v_{y} = 0, \end{matrix}$ 可解得:

$\begin{matrix} y = \frac{v_{m}}{ω}, θ + φ = \frac{π}{2} (15) \end{matrix}$

因此, 捡拾器捡拾齿的速度瞬心在回转中心铅垂线的正下方, 距离O的距离为v_m/ω , 捡拾齿的运动相当于绕速度瞬心做回转运动。

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	图5 捡拾齿与动坐标系、定坐标系的相对位置Fig.5 Pickup finger’ s relative position in moving coordinate system and fixed coordinate system

为简化分析, 取O₁X₁与OX重合时为捡拾齿曲线的解析位置, 并过此时的速度瞬心O₂ 建立极坐标系, 如图5所示, 则此时捡拾齿的运动相当于绕速度瞬心O₂ 做回转运动。设捡拾齿上任意一点的极坐标为P(r, φ ), P点速度方向与法线方向的夹角为τ 。

在如图5所示的极坐标中, 取极角φ 的增量dφ , 极径r的增量dr, 则可用极角φ 和极径r表示捡拾器捡拾齿曲线的微分方程如下:

$\begin{matrix} r \cdot dφ = tanτ \cdot dr (16) \end{matrix}$

由式(16)可知, 捡拾器捡拾齿曲线的形状与角 $\begin{matrix} τ \end{matrix}$ 的变化规律有关。参考农业机械部件如旋耕刀刃口曲线的设计可知, $\begin{matrix} τ \end{matrix}$ 值越大, 捡拾齿的滑移能力越强, 则捡拾过程中玉米根茬越容易滑落, 不利于玉米根茬的捡拾。若 $\begin{matrix} τ \end{matrix}$ 值太小, 则捡拾过程中捡拾齿容易与玉米根茬发生缠绕或者堵塞, 且玉米根茬容易被捡拾齿带回而造成二次捡拾。由于金属与玉米秸秆之间的最小摩擦角为23° ~33° , 在本设计中可取 $\begin{matrix} τ \end{matrix}$ 值为30° 。

因此当τ =30° 时, 对式(16)进行积分:

$\begin{matrix} \int \frac{dr}{r} = \cot \frac{π}{6} \cdot \int dφ (17) \end{matrix}$

可求得捡拾器捡拾齿的曲线方程:

$\begin{matrix} r = L \cdot e^{\cot \frac{π}{6} \cdot φ} (18) \end{matrix}$

这是以速度瞬心O₂ 为原点的等角螺线, 且当φ =0时, 令r=L, 则由图5可知:

$\begin{matrix} L = r_{φ = 0} = \sqrt[]{R_{1}^{2} - {(\frac{v_{m}}{ω})}^{2}} (19) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} R_{1} \end{matrix}$ 为捡拾器圆盘半径。

由于整机前进速度 $\begin{matrix} v_{m} \end{matrix}$ 为3.6 km/h, 捡拾器角速度 $\begin{matrix} ω \end{matrix}$ 为15.7 rad/s, 取捡拾齿盘的设计半径为75 mm, 则可求得

$\begin{matrix} L = \sqrt[]{0 . 075^{2} - {(\frac{1}{15.7})}^{2}} = 40 mm (20) \end{matrix}$

代入式(19)可得捡拾器捡拾齿的曲线方程为:

$\begin{matrix} r = 40 e^{\sqrt[]{3} φ} (21) \end{matrix}$

且由于捡拾器的工作半径为225 mm, 将其代入式(21)可求得:

$\begin{matrix} φ = \frac{\ln 225 - \ln 40}{\sqrt[]{3}} = 1 (22) \end{matrix}$

因此, 角 $\begin{matrix} φ \end{matrix}$ 的取值范围为(0, 1)。

2 捡拾齿仿生设计

2.1 仿生原型的选取

虾夷扇贝(Patinopecten yessoensis)属于滤食性双壳贝类, 软体动物门。通过对虾夷扇贝的生存环境和表观形貌进行分析可知, 其体表的棱纹几何结不仅能增大其与海底泥沙的摩擦因数而且能增加其附着能力, 还能将其与泥沙间的滑动摩擦变为滚动摩擦, 从而具有良好的耐磨损性能^{[16, 17]}。

2.2 棱纹结构特征提取

本试验采用可携式三维精密激光扫描仪对虾夷扇贝外表面进行扫描测量, 利用逆向工程技术^{[18, 19]}对数据进行处理。扫描测量试样如图6所示。

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	图6 扫描测量试样Fig.6 Sample for scanning and measuring

2.3 棱纹结构曲线拟合

将逆向工程得到的特征点数据导入Origin^[20]软件中进行非线性曲线拟合, 通过观察和分析特征点的分布规律, 选取正弦函数对特征点进行散点拟合处理, 得到的拟合方程为:

$\begin{matrix} φ (x) = Asin (Bx + C) + H (23) \end{matrix}$

式中: A、B、C、H为实数, 且A≠ 0, B≠ 0。

利用拟合方程(23)对特征点进行拟合, 并计算拟合曲线的评估判定系数和残差平方和S^SE, 同时得到如图7所示的虾夷扇贝体表轮廓点云和拟合曲线。

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	图7 虾夷扇贝体表轮廓点云及拟合曲线Fig.7 Cloud points of contour of Patinopecten yessoensis and its fitting curve

由拟合结果可知曲线的拟合方差R²为0.97415, 残差平方和S^SE为0.22753。因此利用正弦函数拟合能满足本次设计的要求。

2.4 捡拾齿棱纹型仿生几何结构表面设计

考虑到试验的具体情况和试件的可加工性, 将试件表面的仿生棱纹几何结构特征设计为正弦函数的半个周期, 取仿生棱纹几何结构的高度为1.5 mm, 宽度为4 mm, 则其满足的正弦函数数学模型为:

$\begin{matrix} y = \frac{3}{2} \sin \frac{π}{4} x (24) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} x \end{matrix}$ 的取值范围为[0, 4], 则棱纹型仿生几何结构的剖面图如图8所示。

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	图8 仿生棱纹几何结构剖面图Fig.8 Profile of bionic ribbed structure

根据式(22)所示的捡拾齿曲线和式(24)所示的棱纹形几何结构, 利用Pro/Engineer软件设计出3种不同表面结构的捡拾齿, 如图9所示。

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	图9 捡拾齿三维结构示意图Fig.9 Three-dimensional structure diagram of pickup fingers

3 有限元模型的建立

为了验证捡拾器捡拾齿表面的仿生棱纹几何结构有利于玉米根茬的捡拾工作。利用ANSYS Workbenc^[21]软件的瞬态动力学模块^[22]对捡拾器与玉米根茬之间的3种不同摩擦因数μ (0.5、0.6、0.7)及不同的作用点位置(碰撞时捡拾器相对于整机前进方向的转角 $\begin{matrix} θ \end{matrix}$ 分别为80° 、90° 、100° )对玉米根茬的变形及运动趋势进行对比研究^{[23, 24, 25]}。

应用Pro/Engineer5.0^[26]软件建立捡拾器、玉米根茬、土壤的三维实体模型并将其导入ANSYS Workbench有限元分析软件中。设置材料属性, 捡拾齿盘的材料选用45号钢, 捡拾齿的材料选用65Mn弹簧钢, 玉米根茬与土壤的弹性模量E为1.12× 10⁶ Pa、泊松比 $\begin{matrix} μ \end{matrix}$ 为0.3、密度ρ 为1.08× 10^-6 kg/m³。将土壤模型简化为平板, 将玉米根茬模型置于土壤模型上, 定义玉米根茬与土壤的连接关系为摩擦接触, 摩擦因数为0.4。定义捡拾器捡拾齿与玉米根茬之间的连接关系为摩擦接触, 将摩擦因数μ 分别设置为0.5、0.6和0.7。经计算得到:捡拾器相对于整机前进方向的转角 $\begin{matrix} θ \end{matrix}$ 为80° 、90° 、100° 时对应的等效角速度分别为9.82、9.71、9.89 rad/s, 将等效角速度分别施加到捡拾器上。

4 有限元分析结果与讨论

在不同摩擦因数和捡拾位置的情况下, 捡拾器与玉米根茬相互作用的结果如图10所示。

(1)摩擦因数对玉米根茬最大变形量及运动趋势的影响

如图10所示, 在 $\begin{matrix} θ \end{matrix}$ 相同的情况下, 玉米根茬随着摩擦因数的增加最大变形量逐渐增大。此外, 通过对比玉米根茬相对捡拾器的位置可以发现:摩擦因数为0.7时玉米根茬向上的运动趋势较摩擦因数为0.5、0.6时更为明显。即当捡拾器与玉米根茬之间的摩擦因数增大时有利于玉米根茬的捡拾, 因此, 在捡拾齿工作面表面设计仿生棱纹几何结构有利于玉米根茬的捡拾工作。

(2)作用点位置对玉米根茬最大变形量及运动趋势的影响

如图10所示, 在捡拾器与玉米根茬之间的摩擦因数 $\begin{matrix} μ \end{matrix}$ 一致的情况下, 对比玉米根茬在捡拾器不同转角下发生碰撞的变形情况可知:当捡拾器转角为90° 时发生碰撞, 玉米根茬的最大变形量最小, 这是因为当捡拾器转角为90° 时, 根据式(2)可知此时捡拾齿的绝对速度最小, 则捡拾器对玉米根茬的冲击力也最小; 当捡拾器转角为100° 时发生碰撞, 玉米根茬的最大变形量较转角为80° 时大, 这是因为当捡拾器转角为100° 时, 捡拾器与玉米根茬的碰撞点的半径更大, 此时捡拾齿碰撞点处的绝对速度较80° 时大, 从而捡拾器对玉米根茬的冲击力更大。此外, 当捡拾器转角为100° 时, 玉米根茬的向上运动趋势较80° 、90° 时更为明显, 这是由于此时捡拾器对玉米根茬的作用点位置更低, 在其重心以下, 这将更有利于玉米根茬的捡拾工作。

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	图10 捡拾器转角不同时, 捡拾器与玉米根茬在不同摩擦因数下相互作用的最大变形输出结果Fig.10 Simulation analysis results for different friction coefficients between pickup finger and corn stubble with varying rotation angle of corn stubble collector

5 结论

(1)设计了一种新型的仿生玉米根茬捡拾器。通过理论分析和计算确定了捡拾齿曲线为: $\begin{matrix} t = 40 e^{\sqrt[]{3} φ} \end{matrix}$ , 且角φ 的取值范围为(0, 1)。

(2)虾夷扇贝外表面棱纹轮廓具有正弦函数特征, 据此所设计的仿生捡拾齿的棱纹型仿生几何结构表面的棱纹轮廓方程为:y=1.5sin(π x/4), 其中, x的取值范围为[0, 4]。

(3)经过有限元分析可知:捡拾齿工作面表面的仿生棱纹几何结构有利于增大捡拾器与玉米根茬之间的摩擦因数, 从而促进玉米根茬的捡拾和脱土。在捡拾过程中, 捡拾位置越低, 越有利于玉米根茬的捡拾。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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[1]	吴根, 白丽梅, 于洋, 等. 生物质转化能源技术的发展现状及趋势探讨[J]. 环境科学与管理, 2008, 33(1): 66-70. Wu Gen, Bai Li-mei, Yu Yang, et al. Development and prospect of biomass energy conversion technology[J]. Environmental Science and Management, 2008, 33(1): 66-70. [本文引用:1]
[2]	Demirbas A. Potential applications of renewable energy sources, biomass combustion problems in boiler power systems and combustion related environmental issues[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2005, 31(2): 171-192. [本文引用:1]
[3]	徐宝库. 玉米根茬收获机整机的结构设计与优化[D]. 长春: 吉林大学生物与农业工程学院, 2012. Xu Bao-ku. Structural design and structure optimization of corn stubble hsrvsster[D]. Changchun: College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, 2012. [本文引用:1]
[4]	权龙哲, 曾百功, 马云海, 等. 基于TRIZ理论的玉米根茬收获系统设计[J]. 农业工程学报, 2012, 28(23): 26-32. Quan Long-zhe, Zeng Bai-gong, Ma Yun-hai, et al. Design of corn stubble harvester based on TRIZ theory[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(23): 26-32. [本文引用:1]
[5]	陈学深, 马旭, 武涛, 等. 玉米根茬挖掘机根土分离装置设计[J]. 广东农业科学, 2011, 38(13): 158-160. Chen Xue-shen, Ma Xu, Wu Tao, et al. Design of root soil separating device for corn stubble digging machine[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2011, 38(13): 158-160. [本文引用:1]
[6]	于泳红. 玉米根茬起铺机关键部件试验研究[D]. 佳木斯: 佳木斯大学机械工程学院, 2011. Yu Yong-hong. Experimental research on the key components of the corn root stubble[D]. Jiamusi: Institute of Mechanical Engineering, Jiamusi University, 2011. [本文引用:1]
[7]	吴守一. 农业机械学[M]. 北京: 中国农业机械出版社, 1987. [本文引用:1]
[8]	计福来, 张会娟, 胡志超, 等. 甜菜种植与机械化收获概括[J]. 农机化研究, 2009, 31(4): 234-240. Ji Fu-lai, Zhang Hui-juan, Hu Zhi-chao, et al. Sugarbeet planting and mechanization generalization[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2009, 31(4): 234-240. [本文引用:1]
[9]	范素香, 候书林, 赵匀. 国内外甜菜生产全程机械化概况[J]. 农机化研究, 2011, 33(3): 12-15. Fan Su-xiang, Hou Shu-lin, Zhao Jun. General mechanization of beet production at home and abroad[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 33(3): 12-15. [本文引用:1]
[10]	刘百顺, 王春光, 郭文斌. 甜菜机械特性的研究[J]. 农机化研究, 2007, 29(6): 102-104. Liu Bai-shun, Wang Chun-guang, Guo Wen-bin. Study on mechanical properties of sugarbeet[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007, 29(6): 102-104. [本文引用:1]
[11]	曾百功. 玉米根茬收集装置研制及关键机构机理分析[D]. 长春: 吉林大学生物与农业工程学院, 2013. Zeng Bai-gong. Development of maize stubble harvesting machine and mechanism analysis of its key components[D]. Changchun: College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, 2013. [本文引用:1]
[12]	谢恒. 玉米根茬切挖装置的设计与试验研究[D]. 长春: 吉林大学生物与农业工程学院, 2015. Xie Heng. Design and experimental study of corn stubble device[D]. Changchun: College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, 2015. [本文引用:1]
[13]	孙剑. 玉米根茬结构和力学特征及与土壤的摩擦学性能[D]. 长春: 吉林大学生物与农业工程学院, 2011. Sun Jian. Structural and mechanical characteristics of corn stubble and its tribological properties against soil[D]. Changchun: College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, 2011. [本文引用:1]
[14]	吴婷. 玉米根茬捡拾器的仿生设计与模拟分析[D]. 长春: 吉林大学生物与农业工程学院, 2015. Wu Ting. Bionic design and simulation analysis of corn stubble collector[D]. Changchun: College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, 2015. [本文引用:1]
[15]	中国农业机械化科学研究院. 农业机械学[M]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2007. [本文引用:1]
[16]	田喜梅. 典型贝类壳体生物耦合特性及其仿生耐磨研究[D]. 长春: 吉林大学生物与农业工程学院, 2013. Tian Xi-mei. Biological coupling and bionic anti-wear properties of typical molluscan shells[D]. Changchun: College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, 2013. [本文引用:1]
[17]	荣宝军. 耐磨仿生几何结构表面及其土壤磨料磨损[D]. 长春: 吉林大学生物与农业工程学院, 2008. Rong Bao-jun. Biomimetic geometrical structure surfaces with anti-abrasion function and their abrasive wear against soil[D]. Changchun: College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, 2008. [本文引用:1]
[18]	成思源, 谢韶旺. Geomagic Studio逆向工程技术与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2010. [本文引用:1]
[19]	罗之军, 何彪. 基于Geomagic Studio的逆向工程技术[J]. 贵州工业大学学报, 2008, 37(5): 102-104. Luo Zhi-jun, He Biao. Reverse engineering technology based on geomagic studio[J]. Journal of Guizhou University of Technology, 2008, 37(5): 102-104. [本文引用:1]
[20]	武新, 张永胜. Origin在曲线拟合中的应用[J]. 计算机工程与应用, 2005, 41(17): 206-208. Wu Xin, Zhang Yong-sheng. Application of Origin in curve fitting[J]. Computer Engineering and Application. 2005, 41(17): 206-208. [本文引用:1]
[21]	张岩. ANSYS Workbench 15. 0 有限元分析从入门到精通[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014. [本文引用:1]
[22]	许京荆. ANSYS 13. 0 Workbench数值模拟技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2012. [本文引用:1]
[23]	Abo-Elnor M, Hamilton R, Boyle J T. 3D Dynamic analysis of soil-tool interaction using the finite element method[J]. Journal of Terramechanics, 2003, 40(1): 51-62. [本文引用:1]
[24]	Tong J, Moayad B Z. Effects of rake angle of chisel plough on soil cutting factors and power requirements: A computer simulation[J]. Soil and Tillage Research, 2006, 88(1/2): 55-64. [本文引用:1]
[25]	Abu-Hamdeh N H, Reeder R C. A nonlinear 3D finite element analysis of the soil forces acting on a disk plow[J]. Soil and Tillage Research, 2003, 74(2): 115-124. [本文引用:1]
[26]	赵淳, 王英玲. Pro\E Wildfire5. 0实用教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2012. [本文引用:1]

2008

0.0

. 2008, 33(1):66-70

Development and prospect of biomass energy conversion technology

生物质转化能源技术的发展现状及趋势探讨

Wu Gen , Bai Li-mei , Yu Yang

吴根, 白丽梅, 于洋

... 0 引言玉米根茬收获是近年来逐渐兴起的一种根茬处理方式,该方式可有效处理玉米根茬以保证后续工作的正常进行,更能带来一定的经济效益、社会效益和环境效益^[1,2] ...

2005

0.0

2012

0.0

. 2012, :-

Structural design and structure optimization of corn stubble hsrvsster

玉米根茬收获机整机的结构设计与优化[D]

Xu Bao-ku.

徐宝库

目前摆在人类面前有两大危机，即能源危机和环境危机。这使得寻找新能源和保护环境成为了社会极为迫切要解决的问题。秸秆是具有可再生性的清洁能源，目前秸秆直燃发电技术在国外发达国家已经得到了广泛应用。根茬作为秸秆中重要的一部分，我国每年玉米根茬的年产量可达0.42亿吨。单就吉林省而言，玉米根茬的年产量约为500万吨。若充分利用，可转化发电约50亿度。可见其经济效益是十分可观的。本工作基于玉米根茬形态特性和土壤粘附特性，参照以往相似机器的脱土机构，设计出一台适合玉米根茬收集并脱土的机械系统——玉米根茬收获机。玉米根系比较发达，植株通过根系固土保持站立，必然裹挟大量的土壤。在玉米根茬主根系的部位，其裹挟土壤更为坚实，是脱土的最大难点。针对玉米根茬复合体脱土难的问题，应用美国Autodesk公司的三维机械设计软件Inventor设计出脱土工作部件，包括拾茬器、一级拨茬轮、碾辊栅板去土机构、二级拨茬轮。在根土复合体通过工作部件时，使其受到冲击、碾压和揉搓，利用根茬和土块之间所产生的剪切力实现去土。研究工作首先对土壤和玉米根茬根土复合体的形态特征做了细致的了解。对根土复合体的脱土原理进行了分析。对三种脱土方式——冲击、碾压和揉搓下的根土分离特性进行了研究。为改善整机的通过性，设计了专用的牵引部件。它既能实现牵引功能，同时也能实现半悬挂功能。考虑到具体工况条件，对所设计好的结构进行了静力学分析，得到整个牵引部件的应力最为集中的地方是牵引架和固定板之间的焊接位置。通过对结构要素的修改，消除了应力集中现象。同时，对牵引部件结构进行优化后的总质量减少了15.1％。根据玉米根茬根土复合体的形状尺寸，所设计的主要工作部件以旋转部件为主。上面有类似手指一样的拨指、碾辊指和拾茬刀。工作部件在旋转的过程中，不断用拨指、碾辊指和拾茬刀拨动，拋扔根土复合体。使根土复合体受到冲击、碾压和揉搓，破坏根土复合体的内部结构，使其松散，使得土壤脱落。所设计的机架是用来固定玉米根茬收获机各个零部件位置。确保主要工作部件的相互位置关系，使玉米根茬根土复合体能够顺畅输送，工作参数稳定。机架采用矩形空心型钢焊接而成。通过对设计好的机架模型进行模态分析，得到频率范围在250Hz～720Hz中的8阶固有频率。找到了机架最为薄弱的部位，并进行了优化设计。为机器设计了5个挡板，它们可辅助主要工作部件输送根土复合体。同时，挡板在与复合体碰撞时，还会借助于冲击作用破坏复合体的内部结构，利于工作部件对根土复合体的脱土工作。

... 捡拾装置作为根茬收获机械的关键部件,其性能的优劣将直接影响根茬收获机械的作业性能^[3] ...

2012

0.0

. 2012, 28(23):26-32 DOI:doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.23.004

Design of corn stubble harvester based on TRIZ theory

基于TRIZ理论的玉米根茬收获系统设计

Quan Long-zhe , Zeng Bai-gong , Ma Yun-hai

权龙哲, 曾百功, 马云海

Because of the complexity of the combined form of maize stubble and soil, it is difficult to design maize stubble harvester. The TRIZ innovation theory was applied to build "Substance-field models" of reaping and scouring maize stubble from land, the reaping mode which combined shoveling with propelling and the scouring mode which consisted of pressure field, gravity field, vibration field. In order to improve the system performance, the TRIZ conflicts resolving principles were adopted to solve physical contradictions and technical contradictions, which were used to design shoveling-propelling mechanism, rolling mechanism and screening conveyor device. At last, CAD technology was used to build corn stubble harvester virtual prototype, according to system function mode and innovative design, the test platform whose parameters can adjustable was established, which would lay the foundations of the future research.

玉米根土结合形式的复杂性为根茬采收装备的研制带来了困难，该文采用TRIZ理论研究了根茬铲挖与脱土过程的"物-场模型"，确定了切割与推送相结合的根茬铲挖模式，以及压力场、振动场和重力场相协同的根茬脱土模式；并采用"冲突解决原理"分析和解决系统中涉及的物理矛盾和技术矛盾，对旋转耙齿、碾压辊、抖动升运机构进行了创新设计，提升采收作业性能；最后借助CAD技术将系统功能模式及部件创新设计转化成虚拟样机，搭建具有参数可调功能的根茬采收试验平台，经田间试验表明：系统运行良好，可为系统后续相关研究提供参考。

... 吉林大学权龙哲等^[4]研制的玉米根茬收获系统,其捡拾作业由起茬铲切断须根系并将根土复合体一同铲起向后输送完成 ...

2011

0.0

. 2011, 38(13):158-160 DOI:doi:10.3969/j.issn.1004-874X.2011.13.053

Design of root soil separating device for corn stubble digging machine

玉米根茬挖掘机根土分离装置设计

Chen Xue-shen , Ma Xu , Wu Tao

陈学深, 马旭, 武涛

玉米根茬发热量高,是理想的生物质能源,但因根茬与土壤的分离较难,因此国内外对玉米根茬的挖掘利用几乎是空白。在玉米根茬挖掘机的基础上,开发设计了根土分离装置。采用碎土刀辊、根茬捡拾板、根茬聚集板、撞击护罩板和撞击刀辊等部件将玉米根茬和土壤进行分离。结果表明,该分离机构工作安全、可靠,经分离后根茬含土率小于30%以上, 为玉米根茬的回收和高效生态化利用创造了条件。

... 华南农业大学陈学深等^[5]研制的玉米根茬挖掘机采用根茬捡拾板完成根茬的捡拾 ...

2011

0.0

. 2011, :-

Experimental research on the key components of the corn root stubble

玉米根茬起铺机关键部件试验研究[D]

Yu Yong-hong.

于泳红

本文采用理论分析、试验研究与计算机仿真分析的方法,对玉米根茬机械化收获减阻挖掘理论、低功耗挖掘技术进行了较深入的研究。以低功耗、确保根茬完整性为目标,设计了楔形挖掘铲和捡拾轮组件。对关键部件挖掘铲进行了有限元分析,对单铲挖掘阻力进行了室内土槽测定,得到了0.3~0.9m/s水平前进速度下挖掘阻力功耗及挖掘阻力频谱,分析了影响挖掘功耗的主次因素,确定了低功耗挖掘最佳参数组合。在试验基础上对整机关键部件捡拾轮的运动特性及整机功能进行了计算机仿真研究,实现了以楔形铲、弯弧捡拾轮齿为关键部件的玉米根茬收获虚拟样机运动仿真。并制做了玉米根茬收获机物理样机,完成了田间试验验证。通过对玉米根茬的生长特性、空间分布规律及减租理论的研究,给出了玉米根茬的结构参数,确定了挖掘铲的主要结构参数。建立了铲的有限元模型,借助ANSYS软件,对铲与土壤作用进行了静力学和动力学模态分析。分析得出铲面垂直载荷最大应力集中在铲面连接螺栓处,和挖掘铲固有频率从一阶模态67.414Hz至六阶模态频率为700.53Hz升高的变化规律,不会引起共振,损害挖掘铲。分析了关键部件捡拾轮齿尖相对运动轨迹,研究了根茬捡拾特性,抛茬性能及条件。计算出捡拾轮齿弯弧角度为1 05°和最低捡拾位置角40°。采用自制的传感器,运用六分力阻力测定方法,对挖掘铲进行了室内土槽单铲挖掘阻力及功耗多因子多水平测定,用vib′sys软件得到了阻力频谱及阻力功耗值。用expert-design正交试验软件对试验结果进行了多因子交互作用及各单因素对挖掘功耗的影响分析,确定了低功耗挖掘影响因素主次顺序及最优组合为0.45m/s的前进速度,5 2.7°的铲安装角和27 .5°铲面倾角。得出了各因素及其交互作用对功耗影响方程。土槽功耗试验进一步验证了挖掘铲设计的合理性。设计了玉米根茬收获虚拟样机,采用Pro/E软件对虚拟样机工作机构进行了运动过程仿真分析,并借助3DS MAX软件对作物根茬收获虚拟样机的收获工艺过程进行了仿真研究,为物理样机的试制提供了参考和依据。

... 佳木斯大学于泳红^[6]研制的玉米根茬起铺机,其捡拾作业由捡拾轮齿正向旋转捡拾玉米根茬,辅助捡拾轮逆向旋转辅助捡拾玉米根茬的方式完成 ...

1987

0.0

... 因此,针对现有捡拾装置存在的问题,参照与玉米根茬结构特征相类似的地下作物(如薯类作物^[7]、甜菜^[8,9,10]等)采收装备的捡拾方式以及现有玉米根茬捡拾装置的捡拾方式^[11],从研究捡拾过程的运动特点入手,通过对捡拾齿捡拾过程及玉米根茬的运动学分析,建立了常用捡拾部件的捡拾理论,完成了玉米根茬捡拾齿捡拾曲线的设计,进一步设计了一种新型的玉米根茬捡拾器 ...

2009

0.0

. 2009, 31(4):234-240

Sugarbeet planting and mechanization generalization

甜菜种植与机械化收获概括

Ji Fu-lai , Zhang Hui-juan , Hu Zhi-chao

计福来, 张会娟, 胡志超

2011

0.0

. 2011, 33(3):12-15 DOI:doi:10.3969/j.issn.1003-188X.2011.03.003

General mechanization of beet production at home and abroad

国内外甜菜生产全程机械化概况

Fan Su-xiang , Hou Shu-lin , Zhao Jun.

范素香, 候书林, 赵匀

介绍了国内外甜菜生产现状,重点阐述了国内外甜菜生产全程机械化各生产环节所涉及的耕整地机械、播种机械、育苗移栽机械、中耕机械、收获机械等,最后提出了发展甜菜生产全程机械化的保障措施与建议.

2007

0.0

. 2007, 29(6):102-104 DOI:doi:10.7666/d.y1137918

Study on mechanical properties of sugarbeet

甜菜机械特性的研究

Liu Bai-shun , Wang Chun-guang , Guo Wen-bin.

刘百顺, 王春光, 郭文斌

本课题对内蒙古农业大学试验田生产的KWSOl43品种甜菜进行了不同加载力下4个部位的垂直、平行维管束的静载蠕变特性试验，并对样品进行了坚实度和含糖率的测定；同时对甜研9809品种的甜菜进行了机械特性的整压试验。得到如下结论： (1)获得了KWSOl43品种甜菜的蠕变模型、本构方程和相应的蠕变特性参数，包括在20N、50N、lOON加载力下芯部径向4个部位的垂直和平行维管束的蠕变曲线、模型和相应的蠕变特性参数；得到了不同部位、不同加载力，以及维管束对甜菜蠕变曲线、参数的影响； (2)对甜菜芯部不同部位含糖率的进行了测定，得到了甜菜根头部位的坚实...

2013

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. 2013, :-

Development of maize stubble harvesting machine and mechanism analysis of its key components

玉米根茬收集装置研制及关键机构机理分析[D]

Zeng Bai-gong.

曾百功

随着现代农业技术的高速发展，优质生物质能资源玉米秸秆的能源功能被不断地开发出来，利用秸秆发电不仅可以弥补电力资源的紧缺，又可以减少二氧化碳的排放，有利于净化环境，由此越来越多地应用到发展循环经济，提供清洁能源，改善生态环境等各个方面，呈现出极具潜能的开发前景。经计算研究发现玉米根茬占玉米秸秆总量的12%-15%，是一笔巨大的生物质资源，可是玉米根茬大多数都被遗弃在田间，白白的浪费掉，并且玉米具有发达的纤维状根系结构，其分层、纵横交错的向四面八方生长，与土壤形成致密的根系土壤复合体，给根茬与土壤的彻底分离以及实施机械化收集根茬带来困难。本研究工作在国家高技术研究发展计划(863计划)项目“秸秆收集固化成型关键技术及装备”的子课题“玉米根茬收集机研制”(2009AA04364-2)和“根茬土壤粘附基本特性研究”(2009AA043603-4)、国家农业科技成果转化项目(2009GB23600507)、吉林大学“985工程”项目及吉林大学研究生创新项目“仿生脱土碾辊结构设计与试验研究”(20121093)资助下，对玉米根茬的基本物理属性以及根茬包裹的土壤环境特性进行研究，并结合玉米根茬结构中根系与土壤的结合特点，探索了玉米根茬的捡拾方式、输送模式以及根茬与土壤的分离机理，确定了合理的工艺流程，针对工作过程中涉及的诸多重点问题进行理论分析，建立了相关的数学模型，从而对理论模型实施进一步优化，同时研制出具有捡拾、输送、脱土和收集多种功能的玉米根茬收集装置，借助试验平台对理论模型进行试验验证与修正，指导试验装置关键部件的结构优化，通过试验优化设计的方法进一步对整机的结构参数和运动参数实施优化，最终确定最优的参数组合，并通过试验加以验证，得到最佳的参数配备，进而提高整机的工作性能与作业质量。本工作研究了玉米根茬及其包裹土壤的基本物理属性，以及玉米根茬结构中根系与土壤的结合特性，并在虚拟样机技术基础上完成了玉米根茬收集装置试验台的搭建，为进一步的理论分析与试验研究提供良好的试验平台。通过对捡拾推茬刀片的运动轨迹、速度和加速度进行研究与分析，获得了捡拾推茬刀片端点的运动轨迹为余摆线的条件；并对被捡拾起的根茬的运动轨迹加以分析，得到了根茬能够进入一级抛扔输送机构的必要条件；然后通过对根茬与挡板碰撞过程的分析，寻找到了根茬与挡板能够产生碰撞的条件；最后借助三向应力原理对根系土壤复合体的脱土机理进行分析，证明了模仿人们生产生活中对物料加工的各种作用方式(如碾压、揉搓、梳刷、振动、冲击、筛分)，对根土复合体实施有效的碾压式、挤搓式、梳刷式、振动式、冲击式和筛分式等多种方式脱土，可以破坏根系包裹土壤的根土复合体结构，实现根茬与土壤的彻底分离。通过理论模态分析与试验模态分析相结合的方法，得到了整机系统的模态参数(固有频率和结构振型)以及结构动力学特性；基于理论分析研究结果，针对新型仿生碾辊凹板脱土机构的工作性能进行试验研究，将碾辊转速、碾辊与凹板之间的间隙和凹板对碾辊的包角设为试验因素，根茬脱土率和回收损失率为性能指标，实施二次正交旋转回归试验设计，建立相关数学模型，应用数据处理软件寻找到最优参数组合，并加以试验验证。最后将整机的各参数设置成最佳状况，通过田间性能测试试验综合考察整机的工作性能和作业质量，得到整机系统在平均速度为0.46m/s作业时，整机系统的平均脱土率达到95.57%，根茬平均损失率为4.58%；整机在平均速度为0.65m/s作业时，整机系统的平均脱土率达到93.23%，根茬平均损失率为4.46%。

2015

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... 在根茬收获前,采用秸秆回收但保留根茬的作业方式,在根茬收获时,采用挖掘铲将根茬铲出,铲出后根茬以茬口在上、根部在下分布于地表^[12] ...

2011

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Structural and mechanical characteristics of corn stubble and its tribological properties against soil

玉米根茬结构和力学特征及与土壤的摩擦学性能[D]

Sun Jian.

孙剑

玉米是东北三省最主要的农作物之一,占东北三省粮食种植面积的42.43%,尤其是吉林省,占全省粮食种植面积的64.62%。玉米根茬占玉米秸秆总量的12%~15%,是一个潜在的巨大资源。但是,由于玉米根茬的挖掘需要很大的人力物力,玉米收获后的根茬往往被弃于农田,没有合理利用。为此,需要设计制造玉米根茬收获机械,但玉米根茬结构复杂,与周围土壤的结合紧密,因此最佳切挖位置和根土分离依然是亟待解决的问题。本论文研究工作主要针对这两个问题对玉米根茬的形态结构、材料力学以及其与土壤的相互作用进行了研究。通过田间半剖法测量和对挖掘采集回来的根茬之实验室研究,对吉林省普遍种植品种之一的“农大108”玉米根茬进行了测量统计。结果发现:玉米根茬整体形态似一个圆锥形多层笼状结构,根茬与周围土壤紧密地结合在一起,成为一个复杂的复合结构,根幅范围为300 mm ~ 450 mm,平均根幅为376±73 mm;根深范围为200 mm ~ 350 mm,平均根深为275±62 mm。根茬质量主要分布在150 mm深的土壤内,根茬含水率随着所在土壤深度的增加而降低。采用体视显微镜和扫描电子显微镜观察玉米根茬须根的表面和横断面的特征和微观结构。结果表明,根茬须根由表皮、皮层和中柱三部分构成,根细胞死亡后仅剩细胞壁支撑。最为明显的是皮层的薄壁细胞组织和韧皮部形成了蜂窝状结构,中柱的髓在失水后变成薄片或不规则絮状物,使须根成为中空的管状结构,并且其皮层和维管柱链接薄弱,易分离。玉米根茬须根维管柱外表面和皮层内表面结构完全不同,维管柱外表面为规律整齐的瓦楞状结构,结构紧凑质地紧密;而皮层内表面粗糙多孔洞,状如海绵,质地疏松,易破坏。用电子万能试验机对单个根茬须根进行拉伸和剪切试验。结果发现,须根根径和含水率是影响拉伸和剪切特性的重要因素。拉断力与根径成正比,极限伸长率与根径线性相关;拉断力随含水率增大而增大,根径越小,含水率对其极限抗拉力的影响越大。玉米根茬须根风干时剪断力最小,又因为拉断力小于剪切力,所以切挖根茬应尽量选择土壤含水率较低的时期,采取切割与拉拔根茬相结合的方式切挖玉米根茬为好。结合根系处土壤含水率和土壤坚实度随深度的增加而增大的特点和玉米根茬质量主要分布于150 mm土壤中,在收获玉米根茬时切挖至150 mm较合适。采用ZJ型四联应变控制直剪仪进行摩擦直剪试验探究了玉米根茬与周围土壤的界面摩擦特性。垂直压力、含水率和干密度是影响根—土界面摩阻特性的三个因素。垂直压力增大,土壤颗粒受到挤压使土体与须根表面接触更加紧密,根—土界面的抗剪强度增强。玉米根茬根—土界面的粘聚力随着土壤含水率的升高而增大,但土壤密度较小时,反而降低。在同一土壤含水率下,密度对根土界面粘聚力的影响没有明显规律。摩擦因数随含水率增大而减小,但不同密度的降低幅度不同,土壤密度越高,界面摩擦因数随含水率的增大而减低的幅度越大。通过不固结不排水的三轴试验研究玉米根茬根土复合体的抗剪强度。试验结果表明在土体密度和含水率相同的情况下,加根对土体的内摩擦角影响不大,但土壤的粘聚力和极限主应力差都明显增大,表明玉米须根的存在能够增强土壤的抗剪强度,并且不同的布根方式对粘聚力和极限主应力差提高的程度不同,它们的顺序为复合布根方式竖直布根方式水平布根方式。在10 %db到20 %db的含水率范围内,土壤粘聚力和内摩擦角都随着含水率的增大而降低,其抗剪强度也减小。通过正交试验发现,影响土壤粘聚力的主要因素是根的分布方式,土壤密度次之,影响最小的是土壤含水率;影响土壤内摩擦角的主导因素为土壤含水率,土壤中的含根方式几乎没有影响。玉米根茬收获应选择土壤含水率较高(20 %db)的时候,选根茬须根少(150 mm深处)和尽量浅的土层切挖。

... 在捡拾过程中,玉米根茬根土复合体的复杂结构^[13]使玉米根茬在捡拾的过程中容易脱落而造成捡拾失败,且由于田间环境复杂,捡拾齿在捡拾过程中将会与土壤中的坚硬石块和玉米根土复合体接触并相互摩擦,容易造成捡拾齿工作面磨损而影响捡拾效果^[14] ...

2015

0.0

. 2015, :-

Bionic design and simulation analysis of corn stubble collector

玉米根茬捡拾器的仿生设计与模拟分析[D]

Wu Ting.

吴婷

在经济全球化的今天，环境危机和能源危机一直制约着各个国家的发展，人们如果能够把能源利用的方向转向可再生资源的开发和利用，可以有效地延缓不可再生能源的消耗速度以及资源逐渐匮乏的趋势。玉米根茬作为可再生的生物质资源，对玉米根茬进行收获是近年来逐渐发展的一种根茬处理方式，其不仅能带来一定的经济效益和社会效益，而且能够给后期的耕种提供良好的土壤环境。但玉米根茬错综复杂的结构提高了收获的难度，因此需对玉米根茬收获技术及装置进行深入的研究。根茬捡拾作为玉米根茬收获的关键环节，捡拾机构合理的参数设计对根茬的捡拾效率和顺利向后输送至关重要。针对玉米根茬捡拾机构强度、刚度不足、功耗大、捡拾效果不佳等问题，本研究工作设计了一种新型的适用于玉米根茬收获机的捡拾器。本次设计主要有以下3个创新点：1、通过理论分析优化捡拾器的结构参数和运动参数；2、通过加入仿生元素提高捡拾器的捡拾效率和耐磨性能；3、利用有限元分析方法模拟捡拾器的捡拾工作过程，为实际的加工和田间试验提供参考。本文从研究根茬的基本物理特性入手，获得了根茬的田间分布情况、基本尺寸参数、垂直质量分布以及根茬的重心位置，为后续的理论分析提供了基础数据。在此基础上，对捡拾器进行了理论研究，建立了捡拾器与根茬的运动学模型，分析了捡拾器与根茬的碰撞过程，并对捡拾器的结构参数进行了优化。借助计算机辅助设计方法，利用Pro/Engineer软件创建了捡拾器各部件的三维实体模型并进行虚拟装配。为了分析所设计捡拾器的强度和刚度是否满足要求，探讨捡拾器在不同激励模态下的固有频率和振型，将三维模型导入有限元分析软件ANSYS Workbench中进行静力学分析和模态分析，获得了捡拾器的应力云图、变形云图以及其在前10阶模态下的固有频率和振型。本研究工作通过提取虾夷扇贝的体表棱纹几何结构，利用Origin软件对提取的数据点云进行曲线拟合，得到了形如正弦函数的拟合方程。为了分析虾夷扇贝体表棱纹结构的增摩、增附能力，利用ABS工程塑料加工出三种不同表面的试件：无仿生结构、等间距棱纹几何结构、无间距棱纹几何结构进行对比试验研究，试验结果表明虾夷扇贝体表的棱纹几何结构于土壤具有增摩、增附的能力，其为捡拾器的仿生表面设计提供了良好的仿生原型。利用Pro/Engineer软件在捡拾器捡拾齿工作面表面设计出两种不同间距的仿生棱纹几何结构，为了验证捡拾齿工作面表面的仿生棱纹几何结构有利于玉米根茬的捡拾工作，分析捡拾工作过程中捡拾器在不同的捡拾位置与玉米根茬的相互作用，利用ANSYS workbench软件的瞬态动力学模块对捡拾器与玉米根茬之间的三种不同摩擦因数和作用点位置下玉米根茬的变形及运动趋势进行对比研究，结果表明在捡拾齿的工作面表面设计仿生棱纹几何结构有利于玉米根茬的捡拾工作。本文对玉米根茬捡拾器进行了仿生设计和模拟分析，充分考虑了玉米根茬的基本物理特性和捡拾器的各项参数，对根茬捡拾部件和收获技术的研究和发展有着重要的意义。

2007

0.0

... 为了便于分析计算,根据实验数据及参考农业机械设计手册^[15],确定所设计的捡拾器的部分参数如表1所示 ...

2013

0.0

. 2013, :-

Biological coupling and bionic anti-wear properties of typical molluscan shells

典型贝类壳体生物耦合特性及其仿生耐磨研究[D]

Tian Xi-mei.

田喜梅

磨损是指相互接触的物体在相对运动过程中，表层材料不断损失、转移或产生残余变形，并最终导致材料破坏或设备失效的现象，其广泛存在于众多工程领域。据统计，约有80%的机械零部件由于磨损而失效，约30-50%的世界一次能源由摩擦磨损所消耗。磨损不仅消耗材料，浪费能源，并直接影响到机械器件的寿命和可靠性。因此，减摩抗磨问题已成为众多工程领域研究的热点与难点，越来越得到国内外高度重视。大自然为我们提供了优异的生物耐磨仿生蓝本，这些生物体为适应生存环境和满足生存需要，进化出形态、结构与组成材料等多因素耦合的生物耐磨功能系统，体现出对生存环境最佳的适应性和协调性。本文以具有良好耐磨特性的典型贝类壳体为研究对象，运用耦合仿生理念，从形态、结构与材料多个角度入手，深入探索其生物耐磨耦合机制，从而为开发新型仿生耐磨器件提供重要信息，同时为完善耦合仿生理论提供基础资料。作为一种典型的天然生物矿化材料，贝壳的构成具有令人佩服的特殊的组装方式，体现出强韧性的最佳匹配。此外，贝壳通常具有多种复杂的体表形貌，表现出良好的耐磨料磨损和抗冲蚀磨损特性。本文以分别营埋栖、底栖匍匐和附着匍匐三种不同生活方式的典型贝类毛蚶（Scapharca subcrenata）、脉红螺（Rapana venosa）和石鳖（Acanthochiton rubrolineatus）为研究对象，通过多种试验手段分别对其生物学特性、力学特性和磨损特性进行了系统的研究；并利用ANSYS大型通用有限元软件，分别对基于毛蚶与石鳖壳体的单元仿生模型及耦合仿生模型的磨料磨损及冲蚀磨损过程进行了三维数值模拟分析，初步揭示了典型贝类壳体生物耦合耐磨特征机制与规律。在生物耦合特征分析中，借助体视显微镜、扫描电镜及X射线衍射仪分别对三种贝壳的表面形貌、微观结构及组成材料进行了系统研究。结果表明，毛蚶壳体具有复杂的表面形貌，在左壳表面存在放射肋与小结节组成的复合结构；且在三种贝壳微观结构中普遍存在具有应力缓释效应的交叉叠片结构以及孔状管道结构。显微硬度试验结果表明，贝壳的显微硬度与其对应的微观结构密切相关，且存在各向异性。毛蚶次表层即棱柱层与脉红螺珍珠层的交叉叠片结构硬度最高，石鳖珍珠层的复杂交叉条纹结构也表现出相对较高的显微硬度，说明交叉纹片结构是贝壳抵抗外力破坏的一种有效晶体结构。压缩试验结果表明，贝壳层面方向的承载能力均高于横断面的承载能力，且压缩强度与对应的微观结构同样具有相关性。在磨损试验研究中，采用分离耦元试验法及个别耦元去除法，利用磨料磨损试验机分别考察了形态、结构、材料等耦元对毛蚶及脉红螺壳体磨料磨损性能的影响。通过对磨损试验结果进行对比分析，揭示了各耦元对毛蚶壳体耐磨性能的贡献度，即有机质材料为主耦元，棱纹形态为次主耦元，棱纹与小结节组成的复合结构为一般耦元；并分别对其耐磨机理进行了分析。论文同时对毛蚶与脉红螺壳体磨料磨损的各向异性机理进行了研究。磨料磨损试验结果表明，毛蚶壳体具有最优的耐磨料磨损特性；而冲蚀磨损试验结果也表明，石鳖体表具有良好的抗冲蚀磨损特性。本文同时对这三种贝类壳体结构与功能的适应性进行了探索性分析。根据毛蚶壳体耐磨料磨损生物耦合特性，分别建立了形态单元仿生模型、形态-结构与形态-材料二元耦合仿生模型，并利用ANSYS/CFX专业流体计算软件分别对这几种模型的磨料磨损流场进行了数值模拟。通过对比分析磨损过程中各模型流体域与固体域的力学性能参数，对不同模型的耐磨性能进行评估。结果表明，形态-结构二元耦合仿生模型相对于形态单元仿生模型，始终表现出最优的耐切削与抗冲击性能，即棱纹与小结节组成的复合结构可以有效降低流体速度，减小流体作用力，削弱磨料粒子对壁面的剪应力，使固体域接触应力显著降低，从而使模型表现出良好的耐磨料磨损性能。形态-材料二元耦合仿生模型由于表面发生塑性形变而使单向流固耦合模拟结果可靠性降低，论文进一步对其磨损机理及模型优化进行了探讨分析。利用ANSYS/LS-DYNA显式动力分析软件，对仿石鳖壳板的构形单元仿生模型和构形-凹槽形态及构形-凸包形态二元耦合仿生模型的动态冲蚀磨损过程进行了三维数值模拟，对比分析了不同耦元对靶材抗冲蚀性的影响规律。三种模型在整体水平上抗冲蚀性顺序依次为凸包弧形板、凹槽弧形板和光滑弧形板。在弧形板峰部，凹槽的应力分散效应即抗冲蚀性能明显优于凸包；而在翼区，凸包的抗冲蚀性能显著优于凹槽，说明石鳖壳板在进化过程中优化出了最佳的形态组合，即壳板峰部分布有粗大的纵肋（肋间相对形成凹槽），而翼区则分布有大量的凸包，从而可以有效抵抗强烈的海砂冲蚀。通过对三种典型贝类壳体的生物耦合耐磨特性进行研究，进一步证明耦合仿生比单元仿生更接近于生物真实的作用机理，将产生更好的仿生效能。因此，对耦合仿生进行深入研究将加快仿生从形似到神似的进程，具有重要的理论价值与实践意义。

... 通过对虾夷扇贝的生存环境和表观形貌进行分析可知,其体表的棱纹几何结不仅能增大其与海底泥沙的摩擦因数而且能增加其附着能力,还能将其与泥沙间的滑动摩擦变为滚动摩擦,从而具有良好的耐磨损性能^[16,17] ...

2008

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. 2008, :-

Biomimetic geometrical structure surfaces with anti-abrasion function and their abrasive wear against soil

耐磨仿生几何结构表面及其土壤磨料磨损[D]

Rong Bao-jun.

荣宝军

针对土壤洞穴动物穿山甲和水生软体动物栉孔扇贝、蛤蜊、方斑东凤螺的生物体表具有耐磨料磨损的几何结构,利用逆向工程等测量技术数字化分析了其所具有的几何结构特征,并建立了数学模型。利用结构仿生理论设计出仿生棱纹结构表面,仿生凸包结构表面,仿生台阶结构表面和仿生鳞片结构表面。利用JMM型土壤磨料磨损试验机对几种仿生结构表面及平板表面进行了模拟土壤磨料磨损的试验研究。利用方差分析法对试验结果进行了对比分析。探索了滑动速度、磨料尺寸及仿生结构单体分布间距对试验结果的影响。利用离散元软件对磨料磨损过程进行了数值模拟,依据离散元分析结果,对仿生几何结构表面的耐土壤磨料磨损的机理进行了分析。

2010

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... 2 棱纹结构特征提取本试验采用可携式三维精密激光扫描仪对虾夷扇贝外表面进行扫描测量,利用逆向工程技术^[18,19]对数据进行处理 ...

2008

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. 2008, 37(5):102-104

Reverse engineering technology based on geomagic studio

基于Geomagic Studio的逆向工程技术

Luo Zhi-jun , He Biao.

罗之军, 何彪

介绍了逆向工程的概念、特点及工作流程,以鞋楦逆向设计过程为例,论述了基于Geomagic Studio的逆向工程技术.研究表明Geomagic Studio在逆向工程技术的应用中具有重大的意义.

... 2 棱纹结构特征提取本试验采用可携式三维精密激光扫描仪对虾夷扇贝外表面进行扫描测量,利用逆向工程技术^[18,19]对数据进行处理 ...

2005

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. 2005, 41(17):206-208 DOI:doi:10.3321/j.issn:1002-8331.2005.17.064

Application of Origin in curve fitting

Origin在曲线拟合中的应用

Wu Xin , Zhang Yong-sheng.

武新, 张永胜

论文给出了用Origin进行数据分析的方法,结合Visual Basic编程得到了较为理想的曲线拟合结果.实验表明该方法操作简单,精确度高,具有一定的实用价值.

... 3 棱纹结构曲线拟合将逆向工程得到的特征点数据导入Origin^[20]软件中进行非线性曲线拟合,通过观察和分析特征点的分布规律,选取正弦函数对特征点进行散点拟合处理,得到的拟合方程为: ...

2014

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... 利用ANSYS Workbenc^[21]软件的瞬态动力学模块^[22]对捡拾器与玉米根茬之间的3种不同摩擦因数#cod#x003bc ...

2012

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... 利用ANSYS Workbenc^[21]软件的瞬态动力学模块^[22]对捡拾器与玉米根茬之间的3种不同摩擦因数#cod#x003bc ...

2003

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... )对玉米根茬的变形及运动趋势进行对比研究^[23,24,25] ...

2006

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... )对玉米根茬的变形及运动趋势进行对比研究^[23,24,25] ...

2003

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... )对玉米根茬的变形及运动趋势进行对比研究^[23,24,25] ...

2012

0.0

... 0^[26]软件建立捡拾器、玉米根茬、土壤的三维实体模型并将其导入ANSYS Workbench有限元分析软件中 ...