论文题目：纵横刀组协同式马铃薯切种机关键装置设计与试验
摘要：马铃薯种薯切块种植是我国马铃薯的主要栽培模式,薯块的大小、形状及其均匀性等直接影响马铃薯种植的出薯率、出苗整齐度与苗状度。目前,我国马铃薯种薯仍以人工切种为主,存在作业效率低、薯块大小不均、劳动强度大、工序繁多成本高等诸多问题,影响马铃薯机械化种植,影响种薯品质及质量,关系到马铃薯产业的整体发展。因此,研究马铃薯机械化制种装置,解决马铃薯种业问题是推动马铃薯产业可持续发展的关键。目前,我国对马铃薯机械化制种技术及装备研究处于起步阶段,市场上没有成型的马铃薯切种机,马铃薯制种装备的基础研究亟需加强,以此推进我国马铃薯种业机械化技术及装备研究的整体进步。本文通过查阅了解国内外马铃薯切种机具研究现状,根据马铃薯切块播种农艺技术要求,以突破马铃薯切种机切种装置关键核心问题为出发点,将理论分析、虚拟仿真、台架性能试验等研究方法相融合,探究各因素对切种效率、切种合格率的影响。主要研究内容及研究结果如下:（1）本文针对东北地区常用品种的种薯,进行种薯基本物理特性、摩擦特性、压缩特性的测定试验,试验结果表明,质量在70～140g、140～210g、210～300g的种薯,长轴尺寸分别主要分布在55～75mm、75～95mm、90～110mm,短轴尺寸分别主要分布在45～65mm、45～65mm、70～90mm,高度尺寸分别主要分布在40～56mm、45～65mm、70～90mm;中薯5号种薯单颗密度平均值为1.079g/cm~3,东农303种薯单颗密度平均值为1.129g/cm~3;切块薯与钢板间滑动摩擦系数为0.86;中薯5号整薯与2Cr13不锈钢板、天然橡胶板间滚动摩擦系数分别为0.236、0.258,东农303整薯与2Cr13不锈钢板、天然橡胶板间滚动摩擦系数分别为0.254、0.294;中薯5号种薯在长轴、短轴、高度方向上弹性模量分别为4.33、3.49、3.41,泊松比分别为0.41、0.42、0.45,剪切模量分别为1.54、1.23、1.18,东农303种薯在长轴、短轴、高度方向上弹性模量分别为4.34、3.61、3.43,泊松比分别为0.39、0.41、0.43,剪切模量分别为1.56、1.27、1.20。（2）在物料特性研究的基础上,针对马铃薯切种农艺要求,提出了基于纵横刀组协同式马铃薯切种新方法,解析了纵横刀组协同式马铃薯切种装置作业原理,研制了以纵横刀组、拨筛板组、夹持辊组为主的种薯切割部件及切割装置,揭示了马铃薯种薯切种、拔离筛分薯块机理,建立了切种能量数学模型,确定了拨离筛分导入薯块的临界条件,确定了影响切种效率和切种合格率的主要因素为圆盘刀半径、输送辊与圆盘刀垂直中心距、圆盘刀轴转速、夹持辊轴转速;拨筛板弯折角度、拨筛板安装角度、下夹持辊与拨筛板间距。（3）使用三维激光扫描仪对种薯进行扫描,建立了准确的种薯三维模型,运用ANSYS软件建立了种薯和圆盘刀的有限元模型,使用LS-Prepost软件对模型进行前处理,添加关键字命令,通过LS-Dyna软件对圆盘刀切割种薯过程进行仿真分析,得到了切割力曲线,并进行验证试验,将验证试验结果与仿真结果进行对比,验证了仿真结果的准确性。通过仿真分析,以输送辊传动轴与圆盘刀轴速比为试验因素,以切割力为试验指标,进行单因素试验,得出输送辊传动轴与圆盘刀轴速比为0.45～0.55时,切种效果最好。（4）设计了纵横刀组协同式马铃薯切种装置试验台,以圆盘刀半径、输送辊与圆盘刀垂直中心距、圆盘刀轴转速、夹持辊轴转速为试验因素,以切种效率为试验指标进行正交试验,对试验结果进行了分析和参数优化;以拨筛板安装角度、拨筛板弯折角度、下夹持辊与圆盘刀垂直中心距为试验因素,以切种合格率为试验指标,进行了Box-Behnken试验,对试验结果进行了分析和参数优化;对上述试验结果进行了验证试验,结果表明:当圆盘刀半径为180mm、输送辊与圆盘刀垂直中心距为190mm、圆盘刀轴转速为115r/min、夹持辊轴转速为56r/min、拨筛板安装角度为17°、拨筛板弯折角度为135°、下夹持辊与圆盘刀垂直中心距为220mm时,纵横刀组协同式马铃薯切种装置的切种效率最高为74.5kg/min,切种合格率最高为98.8%,验证了纵横刀组协同式马铃薯切种装置结构设计的合理性、相关理论分析的合理性以及作业参数优化的合理性,满足马铃薯切种作业要求。本文的相关研究为马铃薯切种机关键装置的研究设计提供了新思路,为我国马铃薯切种作业过程中存在切种效率低、切种合格率低、生产成本高、工时长等问题提出了有效的解决方案,为马铃薯自动切种机的相关研究和发展提供技术参考和理论支撑。
关键词：马铃薯;切种机;纵横刀组协同式;切种装置
学科专业：农业机械化工程
摘要
ABSTRACT
1 引言
1.1 课题研究的目的与意义
1.2 国内外马铃薯种薯切种机研究现状
1.2.1 国外马铃薯种薯切种机研究现状
1.2.2 国内马铃薯种薯切种机研究现状
1.3 研究内容及技术路线
1.3.1 研究的主要内容
1.3.2 研究技术路线
2 种薯物料特性测定
2.1 物料特性试验材料
2.2 种薯基本物理特性测定
2.2.1 种薯质量分布及几何尺寸测定
2.2.2 种薯密度测定
2.3 种薯摩擦特性测定
2.3.1 种薯切块薯与钢板滑动摩擦系数
2.3.2 种薯整薯滚动摩擦系数
2.4 种薯压缩特性测定
2.5 本章小结
3 马铃薯切种装置设计
3.1 整体方案设计
3.1.1 马铃薯切种农艺要求
3.1.2 切割部件工作方式确定
3.1.3 整体结构和工作原理
3.2 关键部件的设计
3.2.1 圆盘刀组的设计
3.2.2 拨筛板组的设计
3.2.3 夹持辊组的设计
3.2.4 横刀的设计
3.3 种薯纵向切种过程分析
3.3.1 切种过程力学分析
3.3.2 切种过程动力学分析
3.3.3 切种过程能量学分析
3.4 薯块拨筛过程与横向切种过程分析
3.4.1 薯块拨离过程力学分析
3.4.2 薯块筛分及导种过程运动学分析
3.4.3 薯块横向切割力学分析
3.5 本章小结
4 圆盘刀切割种薯过程有限元仿真分析
4.1 基于三维扫描的种薯模型建立
4.1.1 三维激光扫描仪工作原理
4.1.2 种薯扫描过程
4.1.3 种薯模型的建立
4.2 圆盘刀切割种薯仿真过程
4.2.1 圆盘刀切割种薯有限元模型的建立
4.2.2 关键字设置及相关参数设定
4.3 仿真结果分析与验证
4.4 单因素试验
4.5 本章小结
5 试验研究
5.1 试验设备
5.2 试验条件及试验评价指标
5.2.1 试验条件
5.2.2 试验评价指标
5.3 切种效率试验设计
5.3.1 试验方案设计
5.3.2 试验结果极差分析
5.3.3 试验结果方差分析
5.4 切种合格率试验设计
5.4.1 试验方案设计
5.4.2 试验结果分析
5.4.3 响应曲面分析
5.4.4 参数优化验证
5.5 验证试验
5.6 本章小结
6 结论
致谢
参考文献