郭君娣，伍德林，陳黎卿

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥　230036)

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基于ADAMS的玉米莖稈與收獲割臺(tái)仿真

郭君娣，伍德林，陳黎卿

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥230036)

摘要：莖稈折斷在玉米收獲過(guò)程中已成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。為此，通過(guò)ADAMS/VIEW拉伸法建立玉米莖稈柔性體模型，利用Pro/E建立割臺(tái)三維模型，導(dǎo)入Adams后添加相應(yīng)約束和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明：分禾器外表面過(guò)渡處越平滑，植株越不易被推倒，減少了玉米莖稈的折斷的幾率。同時(shí)，通過(guò)虛擬正交試驗(yàn)，得到拉莖輥轉(zhuǎn)速和機(jī)器行走速度的最優(yōu)組合為n=900r/min，v=2.16km/h，可以降低對(duì)玉米莖稈的損傷程度，減少折斷玉米莖稈的幾率。

關(guān)鍵詞：玉米莖稈；分禾器；拉莖輥；折斷

0引言

目前，我國(guó)玉米種植基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但收獲機(jī)械化卻較為薄弱[1]，不分行收獲問(wèn)題一直被視為玉米收獲機(jī)發(fā)展的瓶頸。同時(shí)，玉米機(jī)械化收獲中產(chǎn)生損傷和損失也阻礙收獲機(jī)械化的發(fā)展[2-3]。其中，玉米莖稈折斷問(wèn)題在玉米收獲機(jī)械化中的影響日趨嚴(yán)重，斷莖稈較多，一定程度上影響了摘穗率，并且使得后續(xù)處理的故障率增高[4]。

玉米收獲過(guò)程中，玉米莖稈折斷與玉米秸稈的高低、疏密、歪斜度、成熟度等自然因素密切相關(guān)，更重要的影響是收獲機(jī)的收獲方式與運(yùn)行速度等機(jī)械因素[5]。作業(yè)過(guò)程中，玉米收獲機(jī)分禾器平滑度、作業(yè)速度和拉莖輥轉(zhuǎn)速等因素對(duì)玉米莖稈與收獲機(jī)割臺(tái)作用的性能影響比較大[6]。若分禾器過(guò)渡處不平滑將導(dǎo)致玉米莖稈在還未進(jìn)入拉莖區(qū)時(shí)被分禾器推倒；或是玉米莖稈進(jìn)入拉莖區(qū)后，由于拉莖輥轉(zhuǎn)速過(guò)大或行走速度過(guò)快，使得玉米莖稈在拉莖過(guò)程中受到拉力過(guò)大，導(dǎo)致玉米莖稈折斷，摘穗未成功。

本文運(yùn)用ADAMS對(duì)玉米莖稈與收獲機(jī)割臺(tái)的分禾器和拉莖輥進(jìn)行仿真，并通過(guò)虛擬正交試驗(yàn)分析玉米莖稈在拉莖過(guò)程中受到的接觸力，判定導(dǎo)致玉米莖稈折斷的主要因素，為解決玉米收獲機(jī)割臺(tái)分禾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和拉莖輥性能參數(shù)提供理論依據(jù)。

1玉米莖稈柔性體的建立

由玉米拉莖輥機(jī)構(gòu)的拉莖原理知，工作中拉莖輥要對(duì)玉米莖稈進(jìn)行拉引碾壓，莖稈會(huì)產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，所以仿真時(shí)需先將莖稈柔性化[7-8]。本文將玉米莖稈的自然因素對(duì)玉米莖稈折斷影響弱化，主要考慮機(jī)械因素，故將玉米莖稈模型建立成簡(jiǎn)單、規(guī)則的圓柱型，可用ADAMS軟件自帶的柔性化模塊 ADAMS/ViewFlex 來(lái)實(shí)現(xiàn)；在Adams中直接創(chuàng)建玉米莖稈的MNF文件，采用拉伸法創(chuàng)建玉米莖稈的柔性體。

通過(guò)查閱資料[9-10]，仿真時(shí)取玉米秸稈高度為2 060mm，平均直徑25mm，平均結(jié)穗高度1 060mm。確定玉米莖稈的材料，其泊松比為0.33，模量為1.1E+10N/m2，密度為450kg/m3，生成的玉米植株柔性模型如圖1所示。

創(chuàng)建、定義啞物體，并將柔性體莖稈和啞物體固結(jié)在一起；將作用于莖稈與其它剛體的各種約束直接施加在啞物體上，以間接施加在柔性體上[11]。

2玉米莖稈與分禾器作用的仿真

2.1玉米莖稈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

玉米收獲機(jī)割臺(tái)在工作過(guò)程中，首先分禾器從根部將莖稈扶正，并將玉米莖稈引向拉莖輥的拉莖區(qū)域；然后拉莖輥導(dǎo)錐引導(dǎo)莖稈，將其輔助喂入拉莖輥間隙，此時(shí)旋向相反的兩對(duì)應(yīng)拉莖輥使得莖稈在兩輥之間沿軸向移動(dòng)時(shí)被向下拉伸。

把利用Pro/E建立的玉米收獲機(jī)割臺(tái)的三維模型導(dǎo)入到ADAMS/View中，對(duì)其部件的屬性進(jìn)行重新設(shè)置。模擬玉米莖稈在收獲割臺(tái)中的運(yùn)動(dòng)情況，將玉米莖稈分別與分禾器、拉莖輥進(jìn)行仿真，分析得出導(dǎo)致莖稈折斷的主要因素。

圖1　生成的玉米莖稈柔性體

2.2玉米莖稈與分禾器動(dòng)力學(xué)仿真分析

分禾器是玉米收獲機(jī)中重要的工作部件，能夠?qū)⒂衩字仓晁腿肜o喂入裝置，以完成玉米收獲的任務(wù)[12-13]。分禾器平滑度是影響玉米莖稈折斷的主要因素之一，分禾器的過(guò)渡處平滑，可使玉米莖稈順利的導(dǎo)入拉莖區(qū)；但若分禾器的過(guò)渡處不平滑，則易將玉米莖稈推倒，導(dǎo)致玉米莖稈還未進(jìn)入拉莖區(qū)域就已經(jīng)折斷。本文利用Adams對(duì)玉米莖稈與收獲機(jī)分禾器進(jìn)行仿真分析，建立過(guò)渡處不同平滑度的分禾器三維模型如圖2和圖3所示；然后，分別導(dǎo)入 ADAMS 中，將柔性化的玉米秸稈放在分禾器工作的極限位置，分析玉米莖稈的不同方向上的位移變化規(guī)律。

圖2　過(guò)渡處不平滑的分禾器三維模型

圖3　過(guò)渡處平滑的分禾器三維模型

圖4～圖6 所示的曲線為玉米莖稈的柔性體與過(guò)渡處不平滑分禾器作用在X、Y、Z方向上位移隨時(shí)間的變化圖。從圖中可以看出：在X軸方向上，玉米莖稈的X方向位移逐漸增大，相對(duì)平緩，但是振動(dòng)幅度稍大；在Y軸方向上，玉米莖稈的柔性體Y方向位移逐漸減小，在仿真到0.15s的時(shí)刻，Y方向的位移瞬間驟減，可以得出在0.15s時(shí)，玉米莖稈受到較大振動(dòng)，且后期一直處于不穩(wěn)定振動(dòng)，說(shuō)明分禾器表面過(guò)渡處不平滑影響分禾效果；在Z軸方向上，玉米莖稈的Z方向位移逐漸減小，且振動(dòng)幅度很小，玉米莖稈在分禾器的作用下逐漸向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在此方向上對(duì)玉米秸稈的作用較合理，未出現(xiàn)碰觸現(xiàn)象。

圖4　柔性體X方向位移-時(shí)間變化規(guī)律

圖5　柔性體Y方向位移-時(shí)間變化規(guī)律

圖6　柔性體Z方向位移-時(shí)間變化規(guī)律

圖7～圖9所示的曲線為玉米莖稈的柔性體與過(guò)渡處平滑分禾器作用，在X、Y、Z方向上位移隨時(shí)間的變化圖。從圖中可以看出：在X軸方向上，玉米莖稈的X方向位移逐漸減小，很平緩且振動(dòng)幅度很?。辉赮軸方向上，玉米莖稈的柔性體Y方向位移逐漸減小，整體減少緩慢，中間有些許微小突起，是由于分禾器表面是曲面的原因，由此過(guò)渡處平滑的分禾器對(duì)玉米莖稈作用平滑，不易推倒莖稈；在Z軸方向上，玉米莖稈的柔性體的位移逐漸減小，振動(dòng)幅度依然很小。綜上所述，過(guò)渡處平滑的分禾器對(duì)玉米莖稈的作用較合理，未出現(xiàn)碰觸現(xiàn)象，減少了在分禾器階段玉米莖稈折斷的幾率。

圖7　柔性體X方向位移-時(shí)間變化規(guī)律

圖8　柔性體Y方向位移-時(shí)間變化規(guī)律

圖9　柔性體Z方向位移-時(shí)間變化規(guī)律

3玉米莖稈與拉莖輥?zhàn)饔玫姆抡?/p>

拉莖輥是玉米收獲機(jī)核心機(jī)構(gòu)，對(duì)于拉莖輥的研究也是頗多，得出其最佳工作傾角為30°[14-15]。本文在傾角為30°的前提下，重點(diǎn)分析不同拉莖輥轉(zhuǎn)速和行走速度下，玉米莖稈所受到的接觸力。將拉莖輥機(jī)構(gòu)導(dǎo)入ADAMS，然后定義方向，調(diào)整拉莖輥機(jī)構(gòu)在ADAMS界面下的位置[16]：X軸負(fù)方向是機(jī)器前進(jìn)方向，Y軸正方向?yàn)榇怪钡孛嫦蛏?，以右手原則定義Z軸正方向。建立玉米莖稈和拉莖輥?zhàn)饔玫姆抡婺Ｐ?，如圖10 所示。

圖10　玉米莖稈和拉莖輥?zhàn)饔玫姆抡婺Ｐ?/p>

柔性體莖稈建立后，施加移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副(相對(duì)于地面)，以及移動(dòng)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)及驅(qū)動(dòng)方程，設(shè)定仿真參數(shù)：仿真時(shí)間為1s，步長(zhǎng)選為0.01。由于拉莖輥的轉(zhuǎn)速與機(jī)器的行走速度是影響玉米莖稈折斷的主要因素，選取拉莖輥轉(zhuǎn)速為A，整機(jī)行走速度為B作為試驗(yàn)因素，通過(guò)2因素5水平的虛擬正交試驗(yàn)，對(duì)玉米莖稈在拉莖過(guò)程中受到的接觸力進(jìn)行仿真，如表1所示。

玉米莖稈與拉莖輥在不同轉(zhuǎn)速和行走速度下接觸力隨時(shí)間變化曲線如圖11所示。

表1　虛擬正交試驗(yàn)的因素與水平表

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

(k)

(l)

(m)

(n)

(o)

圖11中：(a)n=600r/min，v=1.8km/h；(b)n=600r/min，v=2.16km/h；(c)n=600r/min，v=3.6km/h；(d)n=800r/min，v=1.8km/h；(e)n=800r/min，v=2.16km/h；(f)n=800r/min，v=3.6km/h；(g)n=900r/min，v=1.8km/h；(h)n=900r/min，v=2.16km/h；(i)n=900r/min，v=3.6km/h；(j)n=1 000r/min，v=1.8km/h；(k)n=1 000r/min，v=2.16km/h；(l)n=1 000r/min，v=3.6km/h；(m)n=1 200r/min，v=1.8km/h；(n)n=1 200r/min，v=2.16km/h；(o)n=1 200r/min，v=3.6km/h。

由圖11可知：縱向比較不同的轉(zhuǎn)速，當(dāng)800≤n≤900r/min時(shí)，玉米莖稈平均受到的接觸力相對(duì)較小，且較均穩(wěn)，對(duì)玉米莖稈的損傷??；隨著轉(zhuǎn)速增大，當(dāng)n≥1 000r/min時(shí)，玉米莖稈平均受到的接觸力較大，且變動(dòng)幅度很大，尤其是在莖稈整體進(jìn)去拉莖輥時(shí)，接觸力徒增，易將玉米莖稈折斷；當(dāng)n≤600r/min時(shí)，拉莖輥對(duì)玉米莖稈的拉莖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，徒增的接觸力很大，易導(dǎo)致玉米莖稈折斷，堵塞拉莖輥。綜上分析，摘穗的最佳轉(zhuǎn)速范圍為800≤n≤900r/min。橫向比較當(dāng)n=800r/min、n=900r/min時(shí)不同速度下的接觸力大小，可以看出：當(dāng)n=900r/min、v=2.16km/h時(shí)，所受到的接觸力最小。綜上所述，當(dāng)拉莖輥的轉(zhuǎn)速為900r/min，行走速度是2.16km/h時(shí)，可以大大減少玉米莖稈在拉莖過(guò)程中被折斷的幾率。

4結(jié)論

1)利用ADAMS創(chuàng)建玉米莖稈柔性體模型，然后與分禾器和拉莖輥分別作用，進(jìn)行仿真。

2)仿真結(jié)果表明：分禾器的外表面過(guò)渡處越平滑，越能降低玉米植株被推倒或折斷的幾率。

3)通過(guò)對(duì)玉米莖稈與拉莖輥機(jī)構(gòu)進(jìn)行正交試驗(yàn)的仿真分析，得到玉米在收獲過(guò)程中最優(yōu)的行走速度和拉莖輥轉(zhuǎn)速組合為n=900r/min，v=2.16km/h。此時(shí)，玉米莖稈與拉莖輥接觸力最小，使得拉莖過(guò)程中不易折斷玉米莖稈。

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0080-EA

Simulation of Maize Culm with Harvester Header Based on ADAMS

Guo Jundi, Wu Delin, Chen Liqing

(College of Engineering,Anhui Agricultural University,Hefei 230036，China)

Abstract：Maize culm snapped has become an urgent problem to be solved in the course of the corn harvest.The flexible body of maize culm was being created by ADAMS/VIEW Extrusion. The model of maize harvester header was established with Proe.And then, these models were imported into the ADAMS environment to create the virtual prototyping models including the appropriate constraints and motion,and drive simulation.Simulation results show that: the divider outside the smoother surface transitions,the plant can not easily be torn down, reducing the chance of snapped the maize culm.Through virtual orthogonal experiment, snapping roller rotational speed and travel speed of the optimal combination for n=900r/min,v=2.16km/h, can reduce the extent of damage to the corn stalk, reducing the chance of snapped the maize culm.

Key words：maize culm; divider; snapping roller; snap

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0080-06

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：郭君娣(1987-)，女，安徽蚌埠人，碩士研究生，(E-mail)602430315@qq.com。通訊作者：伍德林(1970-)，男，安徽安慶人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wudelin@126.com。

基金項(xiàng)目：安徽省高校自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2014A080)

收稿日期：2015-04-03