论文部分内容阅读
我国的水田面积约占全国耕地面积四分之一,其中深泥脚水田面积超过200万hm2,复杂的泥脚条件使传统拖拉机如轮式拖拉机和履带式拖拉机无法很好地工作。利用“浮式工作原理”的船型拖拉机虽然可以避免滑转下陷,适应不同泥脚深度的水田作业,但由于发展不完善,仍然存在滚动阻力大、功率利用率低和行驶直线性差等问题。水田土壤流变特性研究的不足也使船型拖拉机在尚缺乏可靠理论指导的条件下进行生产。因此对水田土壤的流变特性和船型拖拉机进行深入研究,以求改善船型拖拉机的工作性能是十分有必要的。针对国内外船型拖拉机和土壤流变特性的研究现状进行总结分析,在水田土壤力学特性研究和数值仿真分析的基础上,进行水田土壤船型拖拉机结构与工作参数优化和性能试验研究,主要结论如下:(1))测定了来自杭州市富阳区新佳庄村水田用地土壤样品的部分物理特性和力学性质,结果表明,所取土样属于粉砂壤土,初始含水量为15.10%,饱和含水量为51.04%,塑限为22.50%,液限为42.50%,塑性指数为20.00%,内摩擦角为31.0059°,粘聚力为25.879kPa。(2)在ANSYS/LS-DYNA软件环境下运用流固耦合算法,模拟了水田船型拖拉机模型与土壤的相互作用过程;以前进速度、接地角、曲率半径为影响因子,以牵引阻力和下陷深度为响应值,进行回归分析和相应曲面分析,探究单因子及交互因子对响应值的影响效应,进行了三因素五水平的旋转正交试验。结果表明:各因素对于滑行阻力的贡献率从高到低依次为接地角、前进速度和曲率半径;各因素对于下陷深度的贡献率从高到低依次为前进速度、曲率半径和接地角。滑行阻力与前进速度、曲率半径和接地角的关系均为下凹曲线,当接地角为29.4°,曲率半径为418.4mm,前进速度为0.58m/s时,牵引阻力分别取得最小值139.2N,139.2N和139.7N;下陷深度与接地角和前进速度的关系均为下凹曲线,曲率半径对下陷深度的影响不显著;接地角为30°,前进速度为0.64m/s时,下陷深度分别取得最小值8.1cm和8.0cm。当船首接地角为29.4°,首舷曲率半径为417.8mm,前进速度为0.57m/s,时,下陷深度为7.0cm,试验指标滑行阻力取得最优值138.1N。验证试验结果表明,滑行阻力与土槽牵引试验实测值比较相对误差为7.45%;仿真所得下陷深度与土槽牵引试验实测值比较相对误差为11.24%。仿真结果优化值与实测值基本相符,证明研究所采用的的建模及仿真方法符合实际。(3)设计并搭建了水田船体模型牵引试验台,其主要由水田土槽、牵引装置、检测系统和船体模型组成。利用土槽试验台,在预实验的基础上,采用正式试验设计方法,以接地比压、牵引速度、接地角、曲率半径和表层水深为影响因子,以牵引阻力和下陷深度为响应值,进行极差分析和方差分析,探究各因素对下陷深度和牵引阻力的影响规律,并对船型拖拉机的结构参数和工作参数进行优化计算。结果表明,各因素对牵引阻力和下陷深度的影响大小的顺序均为:接地比压>接地角>牵引速度>表层水深>首舷曲率半径,使牵引阻力最小化的因素水平组合为A1B3C4D4E2,使下陷深度最小化的因素水平组合为A1B4C5D3E2。通过方差分析可知,接地比压对牵引阻力影响极显著,牵引组度、接地角和表层水深对牵引阻力的影响均为显著,首舷曲率半径对牵引阻力的影响不显著;接地比压对下陷深度的影响极显著,接地角和牵引速度对下陷深度的影响均为显著,表层水深和首舷曲率半径对下陷深度的影响为不显著。试验优化结果使船体模型在水田土壤中工作时沉陷得到改善,工作能量消耗更少,对船型拖拉机设计与运行具有意义。