湖南小型灌木平茬机,林木修剪机

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.

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.

针对我国西部地区沙生灌木捡拾和压捆难,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,设计了具有挂车机构的自走式多功能沙生灌木集运装 备,采用了特的正牵引式总体布局,把捡拾压捆装置(即夹爪)布置在动力机械前端正下方.与侧向布置捡拾压捆装置机型相比,不仅简化了机具总体结构,缩减 了机具宽度方向的总体尺寸,而且可显著增加捡拾幅宽和捡拾能力,有利于提高生产能力.在本论文中着重分析夹爪设计参数的确定.

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.

国沙漠化情况日益严峻,而沙生灌木是防风固沙,保持水土的优良 造林植物,为维持生态平衡和实现经济的发展,沙生灌木的种植面积不断扩大,传统的人工平茬方式必将被机械化平茬所替代.为此,通过对机械化平茬现状的研究 分析,简要总结出我国机械化平茬所面临一些关键问题,后提出了我国机械化平茬的进一步发展建议.

沙柳材的切削力是评价沙柳材切削性能的基础,是木材在刀具的作用下发生弹性和塑性变形的结果,是设计沙柳材加工机械的必要依据,在沙柳材加工过程中具有极其重要的作用.切削阻力是确定切削机械所需输入动力,刀具和夹具设计以及机械零部件设计的主要依据,是确定佳切削条件的基础.本论文的研究是在木材切削理论的基础上,研究沙柳材的物理性能,切削参数对切削力与切削质量的影响规律,得出相关数学模型,探讨刀具前角,切削量和含水率等对沙柳材端向切削力的影响规律,为降低沙柳材切削加工动力消耗,提高木片质量寻求技术支持,为研制新型沙生灌木削片机及割灌机提供科学依据,为编