【摘 要】
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土壤耕作在农业生产中具有重要作用,常规触土耕作部件能耗大、效率低,因此如何在土壤耕作中实现节能减排,提高耕作效率是目前研究热点。自然界中存在许多与土壤相互作用的低阻生物,这些生物经过长期的自然选择,身体的结构已最大程度适应了自然环境,其本身的结构、尺寸特征已实现低阻化,因此,仿生技术越来越多地被运用于土壤耕作部件的设计研究,目前许多学者认为基于低阻生物特征去设计仿生器械是研究新型节能开沟器的有效方
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土壤耕作在农业生产中具有重要作用,常规触土耕作部件能耗大、效率低,因此如何在土壤耕作中实现节能减排,提高耕作效率是目前研究热点。自然界中存在许多与土壤相互作用的低阻生物,这些生物经过长期的自然选择,身体的结构已最大程度适应了自然环境,其本身的结构、尺寸特征已实现低阻化,因此,仿生技术越来越多地被运用于土壤耕作部件的设计研究,目前许多学者认为基于低阻生物特征去设计仿生器械是研究新型节能开沟器的有效方法。本文以降低开沟能耗为目的,对仿生开沟器触土耕作性能进行研究。基于响应曲面法选区激光熔化成型工艺参数,将优化后成型工艺参数应用于成型仿生开沟器触土关键部件;利用土槽试验台进行土壤耕作试验,得到最优化耕作参数,建立土壤耕作EDEM仿真模型,分析研究触土耕作部件三向力的变化规律。论文主要研究内容及结论如下:（1）采用响应曲面法对选区激光熔化成型工艺参数进行优化,得到最优工艺参数为:激光功率160 W,扫描速度836 mm/s,扫描间距0.07 mm,层厚0.02 mm,与x轴夹角83.3°,与xy平面夹角89.7°,表面粗糙度4.1μm,致密度97.27%,抗拉强度609.5 MPa,延伸率55.9%。（2）通过拉伸试验、断口分析和微观组织形貌分析激光功率、扫描速度、扫描间距、层厚、与x轴夹角、与xy平面夹角对成型件力学性能的影响,拉伸后成型零件熔池明显被拉长,成型零件组织由等轴晶和柱状晶组成,晶粒宽度在0.28-0.4 nm,枝晶二次生长不明显,成型零件微观组织存在明显晶粒细化和晶体微观畸变,呈定向凝固特征;断口存在韧窝,属延展性断裂,为典型的塑性断裂;断口附近硬度高于基体,选区激光熔化成型零件各项指标高于ASTM-A182规定标准。（3）研究熊爪低阻特性,设计土壤耕作机具,以角度、刀盘转速、前进速度、耕深为因素,以开沟功率、开沟比能耗为响应指标,进行红土条件下单因素试验,分析刀盘转速、前进速度、耕深分别对开沟功率、开沟比能耗的影响;构建基于红土特征的熊爪仿生开沟器土壤耕作EDEM仿真模型,仿真结果与试验结果相对误差为13.6%,验证了模型准确性,从而获得仿生熊爪开沟器运动受力特性。（4）通过响应曲面优化,获得基于红土开沟参数的双多元回归模型,试验结果表明:角度、前进速度、刀盘转速、交互项角度与前进速度、交互项刀盘转速与前进速度对开沟功率、开沟比能耗影响显著,红土条件下最佳工作参数为夹角度11.5°,刀盘转速260 r/min,前进速度0.24 m/s,耕深为13 cm,开沟功率0.5994 k W,开沟比能耗221.85 k J/m3;通过EDEM仿真得到仿生开沟器三向合力受力最大值为336 N,侧向阻力最大值85 N,水平阻力最大值197 N,垂直阻力最大值174.7 N;仿生开沟器开沟功率和开沟比能耗都小于传统开沟刀,所设计的仿生开沟器具有低阻特性。
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