金　鑫，杜新武，李倩文，王世光，呂黃珍

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)　471003；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京　100083)

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丘陵山區(qū)玉米收獲機(jī)車(chē)身穩(wěn)定性能仿真分析

金鑫1，杜新武1，李倩文1，王世光2，呂黃珍2

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083)

摘要：小型玉米收獲機(jī)在丘陵地帶工作，面臨的最主要問(wèn)題是側(cè)翻和爬坡。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)丘陵山區(qū)玉米收獲機(jī)械整機(jī)的穩(wěn)定性能進(jìn)行了研究分析。通過(guò)對(duì)整機(jī)作業(yè)關(guān)鍵模型參數(shù)的調(diào)整，基于ADMAS軟件建立虛擬仿真環(huán)境，并對(duì)G型玉米收獲機(jī)在不同坡度上的側(cè)翻、爬坡性能進(jìn)行了虛擬仿真。仿真結(jié)果表明：15°坡度是G型玉米收獲機(jī)發(fā)生側(cè)翻的臨界值，且其最大爬坡能力為5°坡度，旨在為以后小型玉米收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)和研究提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米收獲機(jī)；側(cè)翻和爬坡；穩(wěn)定性能；丘陵山區(qū)

0引言

玉米是世界三大谷物之一，在我國(guó)的年種植面積近0.27億hm2[1]，已是我國(guó)僅次于小麥的主要糧食作物，并且已形成三大玉米生產(chǎn)區(qū)[2-3]：一是北方玉米區(qū)，包括吉林、黑龍江、遼寧、河北等省市，播種面積占全國(guó)40%；二是黃淮平原春夏玉米區(qū)，包括山東、河南、江蘇等省市，播種面積占25%；三是西南丘陵玉米區(qū)，包括云南、貴州等省，約占播種面積的15%。三大玉米產(chǎn)區(qū)種植面積占全國(guó)80%以上。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，玉米收獲已成為制約全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的瓶頸之一。

作為玉米種植生產(chǎn)區(qū)之一的丘陵山區(qū)，其玉米收獲機(jī)械化仍嚴(yán)重滯后。目前，市場(chǎng)上的玉米收獲機(jī)械還不能很好地適合丘陵地區(qū)的玉米收獲，因此丘陵山區(qū)的玉米種植和收獲仍然基本沿用手工方式，勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民造成了沉重的負(fù)擔(dān)，而且也嚴(yán)重阻礙了玉米的種植及生產(chǎn)。所以，急需研制出一種適用于丘陵山區(qū)的玉米收獲機(jī)械。

本論文擬用三維軟件設(shè)計(jì)出適合在丘陵山區(qū)工作的小型玉米收獲機(jī)的數(shù)字化樣機(jī)，并進(jìn)行虛擬仿真分析，為課題后續(xù)研究與制造提供一定的理論依據(jù)。

1玉米收獲機(jī)虛擬模型

1.1　三維模型建立

本文以G型小型玉米收獲機(jī)為研究對(duì)象，該機(jī)型由割臺(tái)和拖拉機(jī)兩大部分組成。其中，割臺(tái)用來(lái)進(jìn)行玉米的收獲，拖拉機(jī)用來(lái)為割臺(tái)提供動(dòng)力。因此，在玉米收獲機(jī)的建模過(guò)程中，需要分別對(duì)割臺(tái)和拖拉機(jī)進(jìn)行三維建模[4-5]。

該G型玉米收獲機(jī)選用的是新翔牌xx-280小四輪拖拉機(jī)，拖拉機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。割臺(tái)中，摘穗輥、撥禾輪和分禾器參數(shù)分別如表2～表4所示。根據(jù)參數(shù)，建立各部裝模型并且裝配成整機(jī)，如圖1所示。

圖1　小型玉米收獲機(jī)整機(jī)三維模型

拖拉機(jī)參數(shù)單位數(shù)值總長(zhǎng)mm2280總寬mm968總高mm1240前輪直徑mm400

續(xù)表1

表2　摘穗輥參數(shù)

表3　撥禾輪參數(shù)

表4　分禾器參數(shù)

1.2　仿真模型構(gòu)建

把玉米收獲機(jī)械三維模型導(dǎo)入到ADAMS仿真模擬軟件后，通過(guò)機(jī)構(gòu)之間的約束建立虛擬模型之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

為了更真實(shí)反應(yīng)整機(jī)運(yùn)動(dòng)情況，除了基本的機(jī)構(gòu)間運(yùn)動(dòng)約束外，還要構(gòu)建機(jī)器的輪胎和路面模型。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在建立輪胎模型方面做了很多研究工作，建立了Fiala模型、Frank模型、Sakai模型及Pacejka模型。由于Fiala模型在試驗(yàn)時(shí)所需試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)較少，而且精度也相對(duì)較高[6-7]，故本文仿真試驗(yàn)中采用的輪胎模型是Fiala模型。

以ADAMS自帶Fiala輪胎模型和路面模型文件的為基礎(chǔ)，按照輪胎的參數(shù)修改輪胎模型mdi_fiala01.tir中的特征參數(shù)，再把路面文件mdi_2d_flat02.rdf中的長(zhǎng)度和寬度修改為合適值，爬坡時(shí)選擇爬坡路面文件3D_flat.rdf，并建立好輪胎和路面約束，最終得到仿真模型圖如圖2所示。

圖2　玉米收獲機(jī)的ADAMS仿真模型

2玉米收獲機(jī)整機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真分析

小型玉米收獲機(jī)在丘陵地帶的工作，面對(duì)的最主要問(wèn)題就是側(cè)翻問(wèn)題和爬坡問(wèn)題。整機(jī)仿真分析的目的，就是通過(guò)整機(jī)在不同坡度上的運(yùn)動(dòng)仿真，得出整機(jī)質(zhì)心的位置隨運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，比較整機(jī)在平地和坡度不同情況下的運(yùn)動(dòng)情況[8]。

前文已經(jīng)為整機(jī)添加了路面、輪胎，因此在這里給整機(jī)一個(gè)驅(qū)動(dòng)，整機(jī)便可以在平地上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)了。除此之外，本文還自己編寫(xiě)了5°、15°、25°路面譜文件，通過(guò)坡度觀察整機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況。

2.1　整機(jī)在平地上的運(yùn)動(dòng)仿真

整機(jī)在平地上的工作仿真曲線如圖3所示，整機(jī)質(zhì)心Y軸位移和整機(jī)質(zhì)心前進(jìn)方向速度隨時(shí)間變化如圖4和圖5所示。由圖4和圖5中可以看出：整機(jī)重心在垂直方向基本穩(wěn)定在562.5mm；在收獲機(jī)剛開(kāi)始工作時(shí)，由于輪胎和路面的接觸，以及前面割臺(tái)質(zhì)量的影響，整機(jī)前進(jìn)速度在收獲機(jī)啟動(dòng)時(shí)波動(dòng)較大。

圖3　整機(jī)在平地工作時(shí)的仿真

圖4　整機(jī)質(zhì)心Y軸位移-時(shí)間變化圖

圖5　整機(jī)質(zhì)心前進(jìn)方向速度-時(shí)間變化圖

2.2　整機(jī)在不同坡度的路面的側(cè)翻工作仿真

1)5°坡度整機(jī)工作仿真如圖6所示。

圖6　5°坡度時(shí)整機(jī)工作仿真

整機(jī)質(zhì)心在Y軸方向上位移隨時(shí)間的變化如圖7所示。

圖7　5°坡度質(zhì)心Y軸位移-時(shí)間變化圖

2)15°坡度整機(jī)側(cè)翻工作仿真如圖8所示，整機(jī)質(zhì)心在Y軸方向上位移隨時(shí)間的變化如圖9所示。

圖8　15°坡度整機(jī)工作仿真

圖9　15°坡度質(zhì)心Y軸位移-時(shí)間變化圖

3)25°坡度整機(jī)側(cè)翻工作仿真如圖10所示，整機(jī)質(zhì)心在Y軸方向上位移隨時(shí)間的變化如圖11所示。

圖10　25°坡度整機(jī)工作仿真圖

圖11　25°坡度整機(jī)質(zhì)心Y軸位移-時(shí)間變化圖

通過(guò)仿真，可以測(cè)出不同工作情況下整機(jī)重心的位置如下：

1)平地時(shí)整機(jī)重心的位置為(836, 565, -296)；

2)5°坡度時(shí)整機(jī)重心為(841, 380, 595)；

3)15°坡度時(shí)整機(jī)重心為(851, 250, 581)；

4)25°坡度仿真失敗，整機(jī)重心在Y軸方向上仿真進(jìn)行到0.1S時(shí)驟然下降。因此，整機(jī)不能在坡度為25°的斜坡上正常工作。

2.3　整機(jī)在坡度路面的爬坡工作仿真

將整機(jī)放在坡度為5°的地面上進(jìn)行爬坡仿真，如圖12所示。其仿真失敗，觀察可知是前方摘穗輥布置不當(dāng)，使得整機(jī)在爬坡時(shí)像下傾斜，從而無(wú)法進(jìn)行正常的收獲作業(yè)。因此，割臺(tái)的布置不當(dāng)是此款收獲機(jī)最嚴(yán)重的問(wèn)題。

圖12　整機(jī)在5度坡度上的爬坡仿真

圖13是整機(jī)在5°的坡度路面上爬坡時(shí)Y軸方向的質(zhì)心隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖13　質(zhì)心在Y軸方向的位移-時(shí)間變化圖

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)ADAMS自帶的路面譜文件進(jìn)行修整，編寫(xiě)了不同坡度的路面譜，并建立了輪胎源文件模型。對(duì)小型玉米收獲機(jī)在不同坡度上的側(cè)翻、爬坡性能進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：15°坡度是G型玉米收獲機(jī)發(fā)生側(cè)翻的臨界值，在5°坡度上機(jī)具已經(jīng)不能正常進(jìn)行爬坡工作。

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Abstract ID:1003-188X(2016)10-0060-EA

Simulation Analysis of the Stability Performance for Small Corn Harvesting Machine in Hilly Terrain

Jin Xin1, Du Xinwu1, Li Qianwen1, Wang Shiguang2, Lv Huangzhen2

(1.College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract：The main problems of small corn harvester working in hilly terrain are the rollover and climbing problems. To solve this problem, this study has focused on the stability of the corn harvesting machinery working in hilly terrain. The virtual simulation environment of the ADAMS has been established by modify the source file of the tire and the road surface spectrum file. Virtual simulation based on the rollover and climbing performance of the G-type corn harvester with different level of slope has been carried out, which identify that the critical value of the slope for climbing and rollover are five degrees and fifteen degrees respectively. The results obtained provide the theoretical reference for the future design and further research on small corn harvesting machinery.

Key words：corn harvester; rollover and climbing; stability performance； hilly terrain

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0060-04

作者簡(jiǎn)介：金鑫(1986-)，男，河南信陽(yáng)人，講師，博士，(E-mail)jx.771@163.com。

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(122102210564)；河南省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(132107000051)

收稿日期：2015-10-27