張曉龍 伍德林 朱廣軍 高發(fā)允

摘 要：莖稈折斷在玉米收獲過程中已成為一個(gè)迫切需要解決的問題。通過ADAMS/VIEW拉伸法建立玉米莖稈柔性體模型，利用Proe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：分禾器外表面過渡處越平滑，植株不易被推倒，減少玉米莖稈的折斷的幾率。通過虛擬正交實(shí)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)鍵字：玉米莖稈 分禾器 拉莖輥 折斷

0 引言

目前我國玉米種植基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但收獲機(jī)械化卻較為薄弱 。不分行收獲問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 ，其中玉米莖稈折斷問題在玉米收獲機(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 。

玉米收獲過程中，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)，更重要的是收獲機(jī)的收獲方式與運(yùn)行速度等機(jī)械因素 。玉米植株在作業(yè)過程中，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 。若分禾器過渡處不平滑將導(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)速過大或行走速度過快，使得玉米莖稈在拉莖過程中受到拉力過大，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，并通過虛擬正交實(shí)驗(yàn)分析玉米莖稈在拉莖過程中受到的接觸力，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 。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單、規(guī)則的圓柱型，可用ADAMS軟件自帶的柔性化模塊 ADAMS/ViewFlex 來實(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。

通過查閱資料 ，仿真時(shí)取玉米秸稈高度為2060mm，平均直徑25mm，平均結(jié)穗高度1060mm。確定玉米莖稈的材料，其泊松比為0.33，模量為1.1E+10 ，密度為450 ，生成的玉米植株柔性模型如圖1。

圖1 生成的玉米莖稈柔性體

Fig.1. Flexible Body of Maize Culm being created

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 。

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)過程

玉米收獲機(jī)割臺(tái)在工作過程中，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。

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。

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) 。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，建立過渡處不同平滑度的分禾器三維模型如圖2，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。

如圖4、圖5、圖6 所示的曲線為玉米莖稈的柔性體與過渡處不平滑的分禾器作用，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0.15 s 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)，說明分禾器表面過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。

如圖7、圖8、圖9 所示的曲線為玉米莖稈的柔性體與過渡處平滑的分禾器作用，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)幅度很小。在Y 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。

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 。本文在傾角為 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 ：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腿鐖D10 所示。

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）和移動(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2因素5水平的虛擬正交試驗(yàn)，對(duì)玉米莖稈在拉莖過程中受到的接觸力進(jìn)行仿真（表1）。

如圖11曲線為玉米莖稈與拉莖輥的在不同轉(zhuǎn)速和行走速度下接觸力隨時(shí)間變化規(guī)律?？v向比較不同的轉(zhuǎn)速，當(dāng) r/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)玉米莖稈的損傷小。隨著轉(zhuǎn)速增大，當(dāng) r/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。轉(zhuǎn)速過小，當(dāng) r/min時(shí)，拉莖輥對(duì)玉米莖稈的拉莖時(shí)間過長，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 r/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）通過對(duì)玉米莖稈與分禾器進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：分禾器的外表面過渡處越平滑，能降低玉米植株被推倒或折斷的幾率。

3）通過對(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，使得拉莖過程中不易折斷玉米莖稈。在仿真中的應(yīng)用正交試驗(yàn)，，縮短試驗(yàn)周期，提高效率。

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