李妍穎，劉孟楠,2，徐立友，周曉亮

(1. 河南科技大學(xué) 車(chē)輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003； 2. 拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039)

脫粒裝置作為玉米籽粒收獲機(jī)關(guān)鍵的作業(yè)裝置，其脫粒效率影響整機(jī)的作業(yè)效率.我國(guó)玉米籽粒收獲機(jī)的脫粒裝置多為對(duì)稻麥聯(lián)合收獲機(jī)的參數(shù)改進(jìn)[1]，玉米籽粒收獲存在作業(yè)可靠性低、平順性差和功率浪費(fèi)等問(wèn)題.因此優(yōu)化改進(jìn)玉米收獲機(jī)脫粒裝置仍是目前玉米收獲機(jī)機(jī)械研發(fā)的主要目標(biāo).脫粒裝置的相關(guān)研究集中于通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)確定脫粒滾筒的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)研究較少[2-3].動(dòng)力傳遞的穩(wěn)定性是影響脫粒作業(yè)可靠性的重要因素，因此，有對(duì)其研究的必要性.

玉米收獲機(jī)在脫粒過(guò)程中，受到較大的不均勻動(dòng)載荷，傳動(dòng)數(shù)學(xué)模型解析法很難將模型準(zhǔn)確表達(dá)出來(lái)，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜.在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建樣機(jī)模型并結(jié)合學(xué)科理論對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)分析的虛擬樣機(jī)技術(shù)可以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低成本，解決傳統(tǒng)解析法難以建模的問(wèn)題.虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越普遍，文獻(xiàn)[4]基于ADAMS對(duì)一種拖拉機(jī)拖掛車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[5]基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)制動(dòng)效能和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[6]對(duì)甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~輥在不同轉(zhuǎn)速下的沖擊力進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[7]對(duì)玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析.因此，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)脫粒裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究不僅可以優(yōu)化建模方式，同時(shí)得到的結(jié)果對(duì)玉米收獲機(jī)底盤(pán)行走、升運(yùn)器、果穗箱、升舉裝置等其他機(jī)構(gòu)和裝置也有十分重要的借鑒意義.

文中根據(jù)脫粒作業(yè)需求分析脫粒裝置的作業(yè)原理，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，基于SolidWorks和ADAMS創(chuàng)建脫粒裝置的虛擬樣機(jī)模型，匯編加載和負(fù)載函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析；通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證模型是否正確，評(píng)價(jià)仿真結(jié)果的可信度，以期為玉米收獲機(jī)脫粒裝置的設(shè)計(jì)提供參考.

1 脫粒裝置的作業(yè)原理與構(gòu)造

玉米收獲機(jī)割臺(tái)摘下的果穗經(jīng)輸送裝置喂入到脫粒滾筒，果穗沿滾筒圓周方向回轉(zhuǎn)，與凹板和滾筒之間產(chǎn)生的振動(dòng)與沖擊使得籽粒與穗芯分離，之后籽粒被輸送到糧箱[8]，如圖1所示.脫粒滾筒主要有切流、橫軸流、縱軸流3種基本形式[9].縱軸流滾筒可以實(shí)現(xiàn)果穗軸向喂入、輸送、排出，脫離過(guò)程柔和，脫凈率高且破損率低，因此本研究選擇縱軸流式脫粒滾筒作為研究對(duì)象.

圖1 脫粒收獲的作業(yè)流程

在脫粒分離傳動(dòng)系統(tǒng)中，脫粒裝置與其動(dòng)力來(lái)源發(fā)動(dòng)機(jī)的距離較遠(yuǎn)，采用動(dòng)力前端輸入方式，動(dòng)力由一級(jí)帶傳動(dòng)傳遞至第1中間軸，再由二級(jí)帶傳動(dòng)傳遞至第2中間軸，通過(guò)與第2中間軸同軸連接的錐齒輪實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的垂直輸入，解決了動(dòng)力前端輸入存在的動(dòng)力傳遞可靠性差、布置分散和傳動(dòng)效率低的問(wèn)題.脫粒裝置的動(dòng)力傳遞路線如圖2所示.

圖2 脫粒裝置動(dòng)力傳動(dòng)路線

2 參數(shù)計(jì)算

脫粒滾筒主要由喂入螺旋、紋桿塊、脫粒齒和筒體組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.果穗經(jīng)喂入螺旋被紋桿塊分離籽粒，脫粒齒輔助脫粒和排雜.為了簡(jiǎn)化復(fù)雜的力學(xué)模型，作如下假設(shè)：① 脫粒過(guò)程中果穗連續(xù)均勻喂入，忽略含水量影響；② 喂入滾筒的果穗運(yùn)動(dòng)速度等于滾筒的線速度，不考慮籽粒與穗芯間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[10].

圖3 脫粒滾筒結(jié)構(gòu)

2.1 喂入螺旋設(shè)計(jì)

果穗在喂入螺旋任意位置的受力如圖4所示，為保證順利完成喂入，軸向輸送力要大于軸向阻力，應(yīng)滿足[11]：

Tcosβ1>Ffsinβ1，

(1)

Ff=Ttanα，

(2)

式中：T為螺旋葉片對(duì)玉米的法向推力，N；Ff為葉片和玉米間的摩擦力，N；F為T(mén)和Ff的合力，N；α為葉片和玉米的摩擦角，(°)；β1為葉片的螺旋角，(°).

圖4 果穗在喂入螺旋的受力

由式(1)和式(2)得，喂入螺旋完成輸送玉米的條件為β1<90°-α，α取17°，β1取30°.

本研究錐臺(tái)喂入結(jié)構(gòu)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇為長(zhǎng)度l1=300 mm，前端直徑D1=360 mm，后端直徑D2=600 mm.

2.2 滾筒設(shè)計(jì)

滾筒主要分為脫粒段和輔助脫粒排雜段.脫粒段長(zhǎng)度l2為

l2=(z1-1)d1，

(3)

式中：z1為單條螺旋線的紋桿塊個(gè)數(shù)，取7；d1為紋桿塊間距，取180 mm.

輔助脫粒排雜段長(zhǎng)度l3為

l3=z2d2，

(4)

式中：z2為單條螺旋線脫粒齒個(gè)數(shù)，取8；d2為脫粒齒間距，取90 mm.

滾筒總長(zhǎng)度L為

L=l1+l2+l3,

(5)

計(jì)算得滾筒總長(zhǎng)度L=2 100 mm.

脫粒滾筒直徑D(齒頂圓直徑)為

D=D2+2h，

(6)

式中：h為脫粒齒高度，取100 mm.由式(6)可得，滾筒直徑D=800 mm.

脫粒滾筒轉(zhuǎn)速n為

(7)

式中：v為滾筒線速度，一般為7～20 m·s-1.計(jì)算得轉(zhuǎn)速n范圍為167～478 r·min-1.

設(shè)計(jì)的玉米收獲機(jī)收獲行數(shù)為4行，每秒收獲的玉米果穗顆數(shù)為

(8)

式中：N為收獲玉米果穗顆數(shù)；V為收獲機(jī)行駛速度，一般為4～5 km·h-1；S為種植玉米植株間距，一般為25～30 cm.

計(jì)算得每秒收獲的玉米果穗顆數(shù)約為16顆，質(zhì)量約8 kg.文獻(xiàn)[12]試驗(yàn)得出，在果穗喂入量約為8 kg·s-1時(shí)，滾筒最優(yōu)轉(zhuǎn)速為300～470 r·min-1，本研究固定滾筒轉(zhuǎn)速n=450 r·min-1.

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400 r·min-1，參考有關(guān)機(jī)型，確定脫粒滾筒轉(zhuǎn)速為450 r·min-1.脫粒裝置一級(jí)帶傳動(dòng)傳動(dòng)比為2.4，二級(jí)帶傳動(dòng)傳動(dòng)比為2.0，錐齒輪傳動(dòng)比為10/9.帶傳動(dòng)參數(shù)如表1所示.齒輪傳動(dòng)參數(shù)為主動(dòng)齒輪齒數(shù)為30個(gè)，從動(dòng)齒輪齒數(shù)為27個(gè)，模數(shù)為4.

表1 帶傳動(dòng)參數(shù) mm

3 虛擬樣機(jī)模型的創(chuàng)建與仿真分析

3.1 創(chuàng)建虛擬樣機(jī)模型

簡(jiǎn)化脫粒裝置復(fù)雜的虛擬樣機(jī)模型，忽略凹板、機(jī)架等對(duì)脫粒裝置動(dòng)力學(xué)特性影響較小的部件.在SolidWorks中創(chuàng)建脫粒滾筒的三維模型，通過(guò)Parasolid中間格式導(dǎo)入到ADAMS/View中，傳動(dòng)元件通過(guò)ADMAS/Machinery模塊進(jìn)行參數(shù)化建模.

根據(jù)實(shí)際約束關(guān)系添加合適的約束副，如表2所示.創(chuàng)建完成的脫粒裝置虛擬樣機(jī)模型如圖5所示.

表2 添加的約束副

圖5 脫粒裝置的虛擬樣機(jī)模型

3.2 仿真分析

主動(dòng)輪輸入端選擇階躍函數(shù)添加step(time,0,0,0.20,40*360 d)，即轉(zhuǎn)速在0～0.20 s從0上升到2 400 r·min-1，0.20 s后保持恒定，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.仿真工況為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)到穩(wěn)定喂入脫粒的過(guò)程，脫粒滾筒在脫粒段和輔助脫粒排雜階段受力不同，脫粒階段主要是果穗和紋桿塊的碰撞力，輔助脫粒排雜階段是籽粒和脫粒齒的碰撞力，脫粒段受到的負(fù)載力和力矩較大，在喂入螺旋、脫粒段、輔助脫粒排雜段應(yīng)分別添加相應(yīng)的負(fù)載函數(shù).喂入螺旋和脫粒段添加的負(fù)載力函數(shù)為step(time,0,0,0.45,130) ，添加的負(fù)載力矩函數(shù)為1.25*step(time,0,0,0.45, 360 d)，即在0.45 s有力和速度沖擊，0.45 s之后保持恒定，模擬持續(xù)喂入脫粒.脫粒滾筒長(zhǎng)度較長(zhǎng)，脫粒和排雜階段的開(kāi)始有一個(gè)時(shí)間差.輔助脫粒排雜段添加的負(fù)載力和力矩函數(shù)分別為step(time,0,0,0.50,37)和1.25*step(time,0,0,0.50,360 d).即0.50 s有力和速度的沖擊，之后保持恒定，模擬持續(xù)輔助脫粒排雜.負(fù)載力與喂入螺旋螺旋面垂直，與脫粒滾筒切線平行，方向與運(yùn)動(dòng)方向相反.速度方向與喂入螺旋和紋桿塊的運(yùn)動(dòng)方向相反.設(shè)置仿真時(shí)間為1 s，步長(zhǎng)取0.005 s.仿真動(dòng)畫(huà)結(jié)束后，在ADAMS/Postprocessor模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理、分析和結(jié)果圖繪制.

圖6為脫粒裝置輸入端的轉(zhuǎn)速和角加速度曲線，從圖中可以看出：轉(zhuǎn)速在0～0.20 s不斷增加，0.20 s后保持恒定，為2 400 r·min-1，與此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一致，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間短，最大超調(diào)量為0%，說(shuō)明脫粒作業(yè)負(fù)載沖擊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸入端轉(zhuǎn)速無(wú)影響；0.10 s加速度最大，約為300 r·s-2，0.20～0.45 s加速度為0，在沖擊后的0.45 s左右，加速度值振蕩幅度較大，而0.50 s后繼續(xù)保持為0，穩(wěn)定后主動(dòng)帶輪恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)，與轉(zhuǎn)速曲線一致.

圖6 輸入端轉(zhuǎn)速和角加速度

圖7為脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速曲線，從圖中可以看出：曲線變化規(guī)律與輸入端主動(dòng)帶輪比較一致，0.28 s轉(zhuǎn)速達(dá)到448.7 r·min-1，上升時(shí)間較短，系統(tǒng)響應(yīng)快速性較好.0.30 s達(dá)到最大轉(zhuǎn)速449.1 r·min-1，傳動(dòng)比與設(shè)計(jì)要求傳動(dòng)比吻合；0.45 s和0.50 s負(fù)載加載后轉(zhuǎn)速有振蕩，最低轉(zhuǎn)速為446.2 r·min-1，轉(zhuǎn)速最大超調(diào)量為0.87%，脫粒滾筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較好.

圖7 脫粒滾筒轉(zhuǎn)速

機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力引起運(yùn)動(dòng)副中附加的壓力，易使機(jī)械產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，影響平順性[12].機(jī)械動(dòng)平衡仿真卸載負(fù)載函數(shù)，其余設(shè)置與前項(xiàng)相同.圖8中實(shí)線和虛線分別表示喂入端A和排雜端B的支反力.

圖8 脫粒滾筒兩端的支反力

由圖8可以看出： 0.15 s時(shí)支反力最大，0.27 s后逐漸穩(wěn)定，之后A端平均支反力為87.9 N，B端平均支反力為53.6 N.參考文獻(xiàn)[14]規(guī)定，脫粒滾筒平衡品質(zhì)級(jí)別為G16，許用剩余不平衡量：

(9)

式中：Uper為許用剩余不平衡量，g·mm-1；eper×Ω為平衡品質(zhì)級(jí)別量值，mm·s-1；m為滾筒質(zhì)量，kg；Ω為滾筒角速度，rad·s-1.

基于SolidWorks評(píng)估滾筒質(zhì)量為231.6 kg，根據(jù)式(9)計(jì)算得許用剩余不平衡量為78 675.2 g·mm-1.

A、B兩端的剩余不平衡量：

(10)

式中：F為支反力，N.根據(jù)式(10)計(jì)算得UA=39 623.0 g·mm-1，UB=23 891.0 g·mm-1，UA+UB

功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率的關(guān)系：

(11)

(12)

式中：P為機(jī)械傳動(dòng)的功率，kW；η為機(jī)械傳動(dòng)的效率.

一級(jí)帶傳動(dòng)輸入端主、從動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)矩如圖9所示，從圖中可以看出：轉(zhuǎn)矩在0～0.20 s平穩(wěn)增加，0.20 s后主動(dòng)帶輪平均轉(zhuǎn)矩為152.3 N·m，從動(dòng)帶輪為339.9 N·m，根據(jù)式(11)、(12)計(jì)算得此時(shí)總裝置功率約為38.3 kW，第1中間軸功率為35.6 kW，一級(jí)帶傳動(dòng)效率約為93%；0.45 s和0.50 s負(fù)載加載后輸入端帶輪轉(zhuǎn)矩?zé)o較大振蕩，說(shuō)明脫粒作業(yè)對(duì)輸入端功率變化影響較小.

圖9 一級(jí)帶傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩

二級(jí)帶傳動(dòng)從動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)矩如圖10所示，從圖中可以看出：在0～0.45 s轉(zhuǎn)矩較為穩(wěn)定，0.45 s負(fù)載加載后轉(zhuǎn)矩值變化較大，說(shuō)明負(fù)載沖擊對(duì)第2中間軸和二級(jí)帶傳動(dòng)有較大的影響；0.30 s后平均轉(zhuǎn)矩為645.8 N·m，根據(jù)式(11)、(12)計(jì)算得第2中間軸功率為33.8 kW，二級(jí)帶傳動(dòng)效率約為95%.

圖10 二級(jí)帶傳動(dòng)從動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)矩

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證創(chuàng)建的脫粒裝置虛擬樣機(jī)模型的正確性，選取具有相同參數(shù)的整車(chē)，進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn).試驗(yàn)硬件設(shè)備主要有加速度傳感器、振動(dòng)信號(hào)測(cè)量分析儀、玉米收獲機(jī)以及個(gè)人計(jì)算機(jī)，主要參數(shù)如表3所示.

表3 試驗(yàn)主要設(shè)備及參數(shù)

為方便傳感器的布置安裝，加速度傳感器測(cè)點(diǎn)位置選擇在第1中間軸軸承座處，將加速度傳感器用強(qiáng)磁鐵固定于測(cè)點(diǎn).試驗(yàn)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的過(guò)程，測(cè)得的加速度信號(hào)經(jīng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)采集，軟件后臺(tái)處理后即可得到該測(cè)點(diǎn)的徑向力.試驗(yàn)過(guò)程如圖11所示.

圖11 脫粒裝置振動(dòng)試驗(yàn)

考慮到本次試驗(yàn)是振動(dòng)信號(hào)測(cè)試，振動(dòng)過(guò)大時(shí)可能導(dǎo)致信號(hào)頻率混亂，振動(dòng)過(guò)小時(shí)可能導(dǎo)致信號(hào)難以采集，因此選擇玉米收獲機(jī)工況為空載，發(fā)動(dòng)機(jī)固定最大轉(zhuǎn)速2 400 r·min-1.設(shè)置信號(hào)采樣頻率為 2 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)1 024，設(shè)置連續(xù)隨機(jī)采樣采集振動(dòng)信號(hào).

在虛擬樣機(jī)輸入端帶輪處添加step函數(shù)40*360 d*step(time,0,0,0.20,1)，仿真時(shí)間1 s，步長(zhǎng)0.005 s，仿真得到第1中間軸徑向力結(jié)果.試驗(yàn)和仿真結(jié)果如圖12所示，可以看出：徑向力變化趨勢(shì)較為一致，0.20 s穩(wěn)定后試驗(yàn)結(jié)果平均值為144.3 N，仿真結(jié)果平均值為141.8 N，平均誤差為1.7%，最大誤差在0.67 s，為11.2%，取0.3～0.4 s內(nèi)20個(gè)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算方差為5.2.誤差結(jié)果對(duì)比表明，創(chuàng)建的虛擬樣機(jī)模型能夠準(zhǔn)確反映出脫粒裝置的動(dòng)態(tài)特性，仿真分析得出的結(jié)論具有可靠性.

圖12 試驗(yàn)和仿真結(jié)果

5 結(jié) 論

1) 分析了脫粒裝置的作業(yè)原理，對(duì)裝置中主要元件的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，基于SolidWorks和ADAMS創(chuàng)建了脫粒裝置的虛擬樣機(jī)模型.

2) 根據(jù)實(shí)際工況添加了驅(qū)動(dòng)和負(fù)載函數(shù)，進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：負(fù)載力和力矩的沖擊對(duì)輸入端帶輪轉(zhuǎn)速影響小，輸出端脫粒滾筒轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快，轉(zhuǎn)速最大超調(diào)量為0.87%，兩級(jí)帶傳動(dòng)效率均大于93%，裝置總功率約為38.3 kW，動(dòng)平衡滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.因此，系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好、效率高.

3) 對(duì)實(shí)車(chē)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，得到第1中間軸軸承座徑向力，與仿真得到的同樣測(cè)點(diǎn)的結(jié)果對(duì)比，平均誤差為1.7%，最大誤差為11.2%，方差為5.2，說(shuō)明創(chuàng)建的虛擬樣機(jī)模型精度較高，仿真得到的結(jié)論可信度較高，為脫粒裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考.