施印炎 陳 滿 汪小旵,3 章永年 ODHIAMBO Morice Oluoch

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014；3.江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 南京 210031)

蘆蒿有序收獲機(jī)切割器動(dòng)力學(xué)仿真與試驗(yàn)

施印炎1陳 滿2汪小旵1,3章永年1ODHIAMBO Morice Oluoch1

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014；3.江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 南京 210031)

切割器作為蘆蒿收獲機(jī)的重要工作部件，其切割性能直接影響作物的收獲質(zhì)量和后續(xù)輸送效果。采用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法，對(duì)自走式蘆蒿有序收獲機(jī)中往復(fù)式切割器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和蘆蒿莖稈的物理參數(shù)進(jìn)行研究，建立了切割部件的三維實(shí)體模型和莖稈的柔性簡(jiǎn)化模型，并進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析。以切割系統(tǒng)的切割速度vg、切割角度α和前進(jìn)速度vm為影響因素，選取切割器對(duì)莖稈切割力F和重割率γ為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了三因素三水平虛擬正交試驗(yàn)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析和方差分析，并進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，響應(yīng)面模型(RSM)優(yōu)化組合vg=1.6 m/s，α=15°，vm=1.0 m/s時(shí)，F(xiàn)、γ明顯降低，割茬質(zhì)量最好，與試驗(yàn)結(jié)果相比，切割力誤差小于10.9%、重割率誤差小于11.3%。分析結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的有效性和準(zhǔn)確性，表明所設(shè)計(jì)的往復(fù)式切割器滿足對(duì)蘆蒿的有序收獲要求。

蘆蒿； 有序收獲機(jī)； 往復(fù)式切割器； 虛擬樣機(jī)； 動(dòng)力學(xué)仿真

引言

蘆蒿(Artemisiaselengensis)作為營(yíng)養(yǎng)豐富的新鮮蔬菜，近年來(lái)，已由野生轉(zhuǎn)變成大量人工種植[1-5]，生產(chǎn)中急需開(kāi)發(fā)性能可靠、高效實(shí)用的蘆蒿有序收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)蘆蒿機(jī)械化收獲。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)、反饋優(yōu)化等繁瑣過(guò)程，故設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、消耗成本大[6]。虛擬樣機(jī)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)越性得到快速發(fā)展，不僅可縮短設(shè)計(jì)周期、降低成本，而且能完善設(shè)計(jì)精度，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[7-8]。

目前，應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)農(nóng)機(jī)裝備關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和仿真分析已取得一定的研究成果[9-13]。李杰等[14-15]應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)自走式縱向軸流聯(lián)合收獲機(jī)的割刀進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，其結(jié)果為確定合理的割刀運(yùn)動(dòng)參數(shù)打下了基礎(chǔ)。陳海濤等[16-17]針對(duì)大豆扶禾器割臺(tái)損耗大的問(wèn)題，對(duì)影響扶禾性能的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化模擬試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[18-20]根據(jù)圓盤(pán)鋸式切割系統(tǒng)的尺寸參數(shù)，建立單組切割部件和切割對(duì)象的簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)特性分析。關(guān)于蘆蒿有序收獲機(jī)的虛擬樣機(jī)仿真研究尚未見(jiàn)報(bào)道，本文基于課題組自主研制的自走式蘆蒿有序收獲機(jī)[21]，在保證整機(jī)輸送效果與收獲質(zhì)量的基礎(chǔ)上[22]，針對(duì)前期試驗(yàn)研究過(guò)程中切割系統(tǒng)自身工作參數(shù)無(wú)法耦合影響收獲效果的問(wèn)題，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對(duì)蘆蒿有序收獲機(jī)的切割部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，通過(guò)虛擬正交試驗(yàn)和田間驗(yàn)證試驗(yàn)，優(yōu)化切割部件工作參數(shù)，確定最優(yōu)切割運(yùn)動(dòng)參數(shù)組合，提高切割質(zhì)量以及收獲機(jī)工作性能。

1 蘆蒿有序收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 有序收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

自走式蘆蒿有序收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)架、切割裝置、夾持輸送裝置、臥式輸送裝置、轉(zhuǎn)向裝置、收集裝置、行走電控系統(tǒng)、保護(hù)罩等主要部件。

圖1 蘆蒿有序收獲機(jī)Fig.1 Structure diagram and prototype of orderly harvester for Artemisia selengensis1.張緊裝置 2.行走系統(tǒng) 3.電動(dòng)推桿 4.底盤(pán) 5.臥式輸送裝置 6.蓄電池 7.方向盤(pán) 8.座椅 9.控制面板 10.減速機(jī)構(gòu) 11.第一電動(dòng)機(jī) 12.第二電動(dòng)機(jī) 13.夾持輸送帶 14.輸送通道 15.切割裝置 16.撥禾裝置

1.2 收獲機(jī)工作原理

自走式蘆蒿有序收獲機(jī)為純電池驅(qū)動(dòng)，割茬高度可調(diào)，具有自動(dòng)仿形功能，適用于設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境。通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿控制臺(tái)架與地面的角度，調(diào)整切割裝置的離地高度，以適應(yīng)不同作物的割茬高度。作業(yè)過(guò)程中，夾持輸送裝置將蘆蒿豎立夾持，經(jīng)切割裝置切割后輸送至上端轉(zhuǎn)向裝置，作物根部被絆住，蘆蒿倒向后下部的臥式輸送裝置，輸送帶將蘆蒿有序的輸送至一側(cè)收集筐。整個(gè)收獲作業(yè)過(guò)程滿足對(duì)蘆蒿收獲的有序切割、有序輸送、有序收集，實(shí)現(xiàn)了蘆蒿的機(jī)械化有序收獲。

1.3 收獲機(jī)切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)與切割特性分析

1.3.1 切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇

圖2 切割裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of cutting device1.偏心雙曲柄機(jī)構(gòu) 2.上動(dòng)刀片 3.下動(dòng)刀片 4.調(diào)節(jié)螺釘

結(jié)合自走式有序收獲機(jī)的整機(jī)要求以及收獲作物的物理特性要求，選用雙動(dòng)刀往復(fù)式切割裝置(如圖2所示)，工作速度快，作業(yè)效率高。主要由上、下動(dòng)刀片和偏置式同軸雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成，動(dòng)刀片行程S=20 mm, 通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘保證刀片間隙δ≤0.5 mm。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)原理，選取切割刀關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，取切割角α=30°，刀片寬度c=28 mm，d=5 mm，刃部高度h=20 mm，能保證可靠的切割質(zhì)量。

1.3.2 系統(tǒng)的切割特性

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)原理，雙動(dòng)刀往復(fù)切割器作業(yè)過(guò)程中，其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是往復(fù)運(yùn)動(dòng)與前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的合成，以割刀完成一次行程時(shí)間內(nèi)整機(jī)前進(jìn)距離(進(jìn)距)反映切割器往復(fù)切割速度與整機(jī)前進(jìn)速度之間的關(guān)系(切割速比)，以刀片的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡(圖3a)分析切割器的工作過(guò)程[13]。割刀進(jìn)距、切割速比計(jì)算公式為

(1)

式中H——割刀進(jìn)距，mmK——切割速比vm——整機(jī)前進(jìn)速度，m/svg——切割速度，m/sn——曲柄轉(zhuǎn)速，r/min

切割速比是影響整機(jī)切割性能的重要因素之一。進(jìn)距H越大(前進(jìn)速度越大)，則切割速度比K越小，割茬前推傾斜量越大，漏割面積越大，切割質(zhì)量不穩(wěn)定；而H越小(前進(jìn)速度越小)，則K越大，重割面積越大，整機(jī)振動(dòng)加劇，功耗增加。因此，必須選擇、控制合適的進(jìn)距和切割速比，以提高整機(jī)的切割性能。一般取K≥1.6 時(shí)，切割質(zhì)量穩(wěn)定，切割效果好，損耗小[9]。

1.3.3 莖稈與切割器相互作用力分析

由理論力學(xué)可知，保證往復(fù)式切割器與蘆蒿莖稈接觸瞬時(shí)能夠順利切割的首要條件是雙動(dòng)刀必須有效地夾住莖稈，所以莖稈與雙動(dòng)刀片的摩擦角ψ1=ψ2≥α，如圖4所示，即雙刃口作用于莖稈的合力F1、F2位于同一直線，以保證可靠的切割。圖中O為莖稈中心點(diǎn)；Ft為莖稈對(duì)刀片的正壓力，N；Ff為莖稈與放刀片的摩擦力，N；ψ為摩擦角，(°)；F為切割阻力，N；θ為滑切角，(°)。

圖4 往復(fù)式雙動(dòng)刀受力分析圖Fig.4 Stress analysis diagrams of reciprocating double-acting cutter

從圖4可以看出，雙動(dòng)刀的法向作用力Ft與摩擦力Ff的合力F必須大小相等、方向相反，并在同一直線上，莖稈才能被鉗住而保持平衡，分析可得莖稈有效夾持的條件為

θ1+θ2≤φ1+φ2

(2)

相關(guān)試驗(yàn)研究表明，滑切角θ對(duì)切割性能有著重要的影響，θ增加，F(xiàn)會(huì)減小，若θ超過(guò)某極限值，莖稈作物會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移無(wú)法保證可靠的切割。切割阻力減小的原因是由于θ增加時(shí)，刀片對(duì)莖稈的相對(duì)滑動(dòng)速度增大(正弦函數(shù)關(guān)系)，根據(jù)滑切理論切割速度增加將減小切割阻力。

2 仿真模型的建立

2.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)與仿真學(xué)理論

應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立相應(yīng)的分析模型，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)一步完成結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和性能的提高，不僅可以實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的模擬與試驗(yàn)，提高設(shè)計(jì)精度，還可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)性能，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[13]。

為了減小多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析過(guò)程中的誤差，引入柔性體莖稈模型代替剛性體簡(jiǎn)化模型，選用目前應(yīng)用最為廣泛的ADAMS仿真分析軟件聯(lián)合Pro/E建模軟件，形成剛?cè)狁詈戏治鱿到y(tǒng)，對(duì)蘆蒿有序收獲機(jī)的往復(fù)切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。根據(jù)多體系統(tǒng)優(yōu)化仿真技術(shù)[20]，獲得柔性體連接虛擬構(gòu)建參考系柔性鉸的速度遞歸方程

(3)

其中

2.2 虛擬樣機(jī)模型的建立與仿真導(dǎo)入

通過(guò)對(duì)南京市八卦洲蘆蒿種植基地接茬型蘆蒿的隨機(jī)采樣以及對(duì)蘆蒿莖稈物理力學(xué)特性的研究，忽略蘆蒿莖稈自身微量彎曲與變形，選擇蘆蒿莖稈的物理參數(shù)：刃口平均直徑8 mm，高度400 mm，割茬高度30 mm。根據(jù)對(duì)往復(fù)式切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇，在三維建模軟件Pro/E中建立切割系統(tǒng)主要部件的簡(jiǎn)化模型，并進(jìn)行單體虛擬約束裝配，其裝配組件圖如圖5所示。

圖5 切割器裝配圖Fig.5 Assembly drawings of cutter

將Pro/E中.prt格式文件轉(zhuǎn)為 .x_t格式文件導(dǎo)入到ADAMS 環(huán)境中，對(duì)原有的虛擬約束關(guān)系和質(zhì)量屬性重新定義。選取ADAMS環(huán)境下常用的定義作用力的方法——沖擊函數(shù)法(Impact)定義切割刀片與蘆蒿莖稈之間的碰撞力[20]，Impact函數(shù)的一般表達(dá)式

(4)

式中k——?jiǎng)偠认禂?shù)，參考推薦值取1 472 N/mme——碰撞指數(shù)，反映材料非線性程度，推薦作物與金屬材料為0.1

d——切入深度，決定何時(shí)阻尼力達(dá)到最大，mm

cmax——最大阻尼系數(shù)，表征碰撞能量損失，軟件官方推薦值0.52 N·s/mm

q——物體碰撞的實(shí)際距離，mm

q0——物體碰撞的初始距離，mm

step()——連續(xù)性函數(shù)，保證碰撞過(guò)程中阻尼力的連續(xù)

穿透深度為最大阻尼時(shí)，切入深度的適合值為0.4 mm。

將用于仿真分析的蘆蒿莖稈采用離散化的方法簡(jiǎn)化為均勻的線彈性圓柱柔性體，其材料屬性根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得：彈性模量75.1 MPa；通常水果和蔬菜的泊松比在0.2～0.5之間，取蘆蒿莖稈的泊松比為0.35；密度206.45 kg/m3，利用Flexible Bodies命令生成蘆蒿莖稈柔性體模型。以布爾運(yùn)算將相對(duì)靜止的零件簡(jiǎn)化合為一體，定義各構(gòu)件以及蘆蒿莖稈的物理屬性，用轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副約束相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)以及收獲機(jī)的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)割刀實(shí)際工作狀態(tài)添加必要的約束、驅(qū)動(dòng)、碰撞，生成切割系統(tǒng)與莖稈的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，完成整個(gè)虛擬樣機(jī)的建模和關(guān)鍵點(diǎn)的參數(shù)化，便于下一步優(yōu)化仿真分析。雙動(dòng)刀的切割頻率根據(jù)所處試驗(yàn)條件下的切割速度而定，對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副添加摩擦力，并處于同一個(gè)重力場(chǎng)，以減小仿真分析與實(shí)際作業(yè)誤差。

3 虛擬試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

保證蘆蒿莖稈割茬質(zhì)量的關(guān)鍵在于有序收獲機(jī)切割裝置與莖稈之間的接觸作用力以及割刀的重割率。根據(jù)文獻(xiàn)[12，18]，通過(guò)減小割刀進(jìn)距，可保證切割器不漏割條件，降低漏割率，結(jié)合本文研究的重點(diǎn)，選取與蘆蒿有序收獲機(jī)切割裝置本身相關(guān)的工作參數(shù)：切割速度vg、切割傾角α、行走速度vm為影響因素，以最大切割力F和割刀重割率γ為評(píng)價(jià)指標(biāo)，取切割部件與莖稈間在x方向上的最大峰值力Fx作為虛擬試驗(yàn)的反饋值，以及根據(jù)雙動(dòng)刀相鄰刀片兩點(diǎn)的軌跡繪制割刀切割圖(如圖3b所示)，根據(jù)面積計(jì)算重割率γ。

參考同類收獲機(jī)械切割裝置的工作性能參數(shù)，根據(jù)蘆蒿收獲機(jī)實(shí)際作業(yè)前進(jìn)速度0.5～1.2 m/s，依據(jù)作業(yè)性質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)公式，一般割刀平均切割速度為1～2 m/s，切割傾角為10°～30°，選擇合適的因素水平，應(yīng)用虛擬正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)了三因素三水平虛擬正交試驗(yàn)(L9(34))，表1為正交試驗(yàn)的因素與水平。

表1 虛擬正交試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Factors and levels of virtual orthogonal test

3.2 虛擬試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述的試驗(yàn)方案進(jìn)行虛擬正交試驗(yàn)的結(jié)果和極差分析如表2所示，A、B、C分別為vg、α、vm編碼值，表3為不同評(píng)價(jià)指標(biāo)下虛擬正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析。

表2 虛擬試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of virtual orthogonal test

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

通過(guò)對(duì)F的方差分析表明，A和B對(duì)F影響較為顯著，C不顯著，影響F的主次因子為A>B>C，校正決定系數(shù)R2(adj)=0.945>0.80(P<0.05)；對(duì)γ的方差分析表明，C和A對(duì)γ影響較為顯著，B不顯著，影響γ的主次因子為C>A>B，校正決定系數(shù)R2(adj)=0.934>0.80(P<0.05)。綜合表明該三維實(shí)體模型試驗(yàn)擬合優(yōu)度較好，可用來(lái)初步分析和預(yù)測(cè)F和γ的影響因素。

為了更清晰地表達(dá)各因素與F和γ的擬合關(guān)系，應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析，分別得到F和γ與影響因素之間的響應(yīng)面回歸方程

F=75.06+8.78A-1.77B-10.37C-8.84AB+ 2.10AC-2.32BC+8.91A2-3.60B2+7.53C2
γ=27.72+1.46A-0.25B-0.66C+1.72AB+
0.68AC-4.23BC-6.05A2+0.95B2+0.28C2

對(duì)響應(yīng)面回歸方程進(jìn)行因素效應(yīng)檢驗(yàn)，各因素在零水平上顯著性都較高，影響F、γ指標(biāo)主次因素分別為A>B>C、C>A>B，與虛擬正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果相同，回歸精度較好。

根據(jù)蘆蒿收獲機(jī)實(shí)際作業(yè)過(guò)程中的工作要求，在保證收獲機(jī)切割力、收獲質(zhì)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)行響應(yīng)面嶺脊參數(shù)優(yōu)化，按照F最小原則，由響應(yīng)面法(RSM)優(yōu)化預(yù)測(cè)的最優(yōu)組合為1.56(A)、14.67(B)、1.04(C)；按照γ最小原則，由RSM優(yōu)化預(yù)測(cè)的最優(yōu)組合為1.64(A)、15.73(B)、0.97(C)。綜合RSM優(yōu)化分析結(jié)果，取vg=1.6 m/s、α= 15°、vm=1.0 m/s時(shí)，K=1.6，可同時(shí)滿足收獲機(jī)切割力最小為43.44 N、重割率最小為14.5%，切割效果最佳。

4 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證虛擬樣機(jī)試驗(yàn)準(zhǔn)確性與合理性，于2016年3月12日在南京八卦洲蘆蒿基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)地勢(shì)平坦，試驗(yàn)地面積 50 m2，棚內(nèi)溫度20℃，相對(duì)濕度38%，土壤含水率 12%，以八卦洲特有的秋伏品種蘆蒿作為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試方法及指標(biāo)參照GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件 測(cè)定方法的一般規(guī)定》和GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

主要測(cè)試儀器有: 秒表、卷尺(量程 5 m，精度1 mm)、電壓表、應(yīng)變片、西門(mén)子S7-200型PLC、標(biāo)桿、高速相機(jī)、電子游標(biāo)卡尺、電子天平等。

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過(guò)程中的F值通過(guò)黏貼在切割刀片上應(yīng)變片變形導(dǎo)致的電壓波動(dòng)間接獲得，再通過(guò)測(cè)量輸出電壓的數(shù)值標(biāo)定計(jì)算轉(zhuǎn)換為力的變化，電壓信號(hào)通過(guò)西門(mén)子S7-200型PLC模塊采集；隨機(jī)選取20 m2地塊，進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)，沿收獲機(jī)前進(jìn)方向劃取長(zhǎng)度為 1 m，寬為該機(jī)工作幅寬的取樣區(qū)域，γ通過(guò)計(jì)算取樣區(qū)域內(nèi)割碎(斷茬)的莖稈數(shù)量與單位面積內(nèi)的莖稈總數(shù)量之比間接測(cè)得，計(jì)算公式為

(5)

式中N1——單位面積斷茬莖稈總數(shù)N0——單位面積收獲莖稈總數(shù)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照經(jīng)過(guò)回歸模型預(yù)測(cè)的最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)實(shí)體樣機(jī)改進(jìn)優(yōu)化，田間試驗(yàn)結(jié)果為F=48.76 N，γ=16.53%，而虛擬樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果為F=43.44 N，γ=14.5%。

試驗(yàn)過(guò)程中，不斷改變切割速度、切割傾角、行走速度，當(dāng)vg=1.6 m/s、α=15°、vm=1.0 m/s時(shí)，切割速比K=1.6，F(xiàn)最小，γ最小，且此時(shí)整機(jī)收獲過(guò)程輸送效果最佳，收獲質(zhì)量最好，與虛擬試驗(yàn)值誤差不超過(guò)10.9%、11.3%，試驗(yàn)得到最優(yōu)參數(shù)組合A3B2C2和各影響因素對(duì)F及γ的影響趨勢(shì)與虛擬分析一致，且與文獻(xiàn)[8]對(duì)雙動(dòng)刀往復(fù)式切割器切割性能研究結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真分析和回歸預(yù)測(cè)模型的有效性，以及對(duì)蘆蒿有序收獲機(jī)實(shí)際作業(yè)進(jìn)行了較好的模擬和預(yù)測(cè)，說(shuō)明該虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)具有

一定的參考價(jià)值。圖6所示為樣機(jī)田間試驗(yàn)作業(yè)割后效果圖。

圖6 樣機(jī)田間作業(yè)后效果圖Fig.6 Picture of harvesting effect in field

5 結(jié)論

(1)綜合運(yùn)用參數(shù)化三維建模軟件Pro/E 5.0以及動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，建立蘆蒿收獲機(jī)切割系統(tǒng)與莖稈剛?cè)狁詈蠙C(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，并導(dǎo)入ADAMS中添加約束與屬性，進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)仿真分析，對(duì)切割系統(tǒng)和莖稈的動(dòng)力學(xué)特性開(kāi)展研究。

(2)通過(guò)虛擬正交試驗(yàn)對(duì)蘆蒿有序收獲機(jī)切割系統(tǒng)的工作參數(shù)進(jìn)行研究，以峰值切割力F和重割率γ為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了切割速度vg、切割傾角α、行走速度vg對(duì)切割性能的影響。通過(guò)響應(yīng)面回歸方程以及方差分析，發(fā)現(xiàn)影響F的主次因素為A>B>C，影響γ的主次因素為C>A>B，各因素在零水平上顯著性都較高，獲得最佳組合方案為A3B2C2；通過(guò)響應(yīng)面嶺脊參數(shù)優(yōu)化，綜合RSM優(yōu)化預(yù)測(cè)分析結(jié)果，表明vg=1.6 m/s、α= 15°、vm=1.0 m/s時(shí)，K=1.6，可同時(shí)滿足收獲機(jī)切割力最小為43.44 N、重割率最小為14.5%。

(3)驗(yàn)證試驗(yàn)表明當(dāng)切割速度1.6 m/s、切割角度15°、行走速度1.0 m/s時(shí)，F(xiàn)、γ明顯降低，與虛擬試驗(yàn)值誤差不超過(guò)10.9%、11.3%，各影響因素對(duì)F及γ的影響趨勢(shì)與虛擬分析一致，驗(yàn)證了仿真分析和回歸預(yù)測(cè)模型的有效性，表明所設(shè)計(jì)的往復(fù)式切割器能夠滿足實(shí)際作業(yè)要求。

1 PENG Lin, JIA Xiaopin, WANG Yuzhi, et al.Ultrasonically assisted extraction of rutin fromArtemisiaselengensisTurcz: comparison with conventional extraction techniques[J].Food Analytical Methods,2010, 3(3): 261-268.

2 PENG Lin, WANG Yuzhi, ZHU Hongbin, et al. Fingerprint profile of active components forArtemisiaselengensisTurcz by HPLC-PAD combined with chemometrics[J]. Food Chemistry,2011, 125(3): 1064-1071.

3 鄧榮華，陸敏，夏秋琴，等. 蘆蒿秸稈黃酮類化合物對(duì)晚期蛋白質(zhì)糖基化終末產(chǎn)物形成的抑制作用[J].食品科學(xué),2014,35(9)：123-127. DENG Ronghua, LU Min, XIA Qiuqin, et al.Inhibitory effect ofArtemisiaselengensisstraw flavonoids on the formation of advanced glycation end products (AGES) [J]. Food Science, 2014,35(9): 123-127.(in Chinese)

4 DONG Meng, ZHAO Yunlin, LEI Cunxi, et al. Physiological mechanism of Cd-tolerance ofArtemisiaselengensisgrown in dongting lake wetland[J]. Asian Journal of Ecotoxicology,2013, 8(1): 111-120.

5 郁志芳. 鮮切蘆蒿的品質(zhì)和酶促褐變機(jī)理研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2005. YU Zhifang. Studies on the quality and enzymatic browning mechanism of freshCutartemisiaselengensis[D].Nanjing: Nanjing Agricultural University,2005.(in Chinese)

6 湯躍，趙進(jìn)，邱志鵬，等.基于虛擬樣機(jī)的桁架式噴灑車(chē)穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)仿真[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(7):72-78. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150711&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.07.011. TANG Yue,ZHAO Jin,QIU Zhipeng,et al.Dynamics simulation of stability of spraying vehicles based on virtual prototype[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(7):72-78. (in Chinese)

7 蒲明輝，吳江.基于ADAMS的甘蔗柔性體模型建模研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,21(7):1930-1932. PU Minghui,WU Jiang.Study on flexible sugarcane modeling based on ADAMS software[J]. Journal of System Simulation,2009,21(7):1930-1932.(in Chinese)

8 湯修映，肖丹，劉嶺，等.ADAMS、Pro/E和ANSYS間數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(6): 193-197. TANG Xiuying,XIAO Dan,LIU Ling,et al.Data automatic transmission technology based on ADAMS,Pro/E and ANSYS [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(6): 193-197. (in Chinese)

9 徐秀英，張維強(qiáng)，楊和梅，等. 小型牧草收獲機(jī)雙動(dòng)切割裝置設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011, 27(7): 156-161. XU Xiuying, ZHANG Weiqiang, YANG Hemei, et al. Design and kinematic analysis of double-acting cutting device of walk-type pasture reaper[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(7): 156-161. (in Chinese)

10 彭飛，李騰飛，康宏彬，等. 小型制粒機(jī)喂料器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(2)：51-58. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160207&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.02.007. PENG Fei, LI Tengfei, KANG Hongbin, et al. Optimization and experiment on feeder for small-scale pellet mill[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(2): 51-58. (in Chinese)

11 謝斌，李靜靜，魯倩倩，等. 聯(lián)合收割機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真及試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(4):18-24. XIE Bin, LI Jingjing, LU Qianqian, et al. Simulation and experiment of virtual prototype braking system of combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(4): 18-24. (in Chinese)

12 CRAESSAERTS G, DE BAERDEMAEKER J, MISSOTTEN B, et al. Fuzzy control of the cleaning process on a combine harvester[J]. Biosystems Engineering, 2010, 103(3): 103-111.

13 向陽(yáng)，羅錫文，曾山，等. 基于可視化編程的往復(fù)式切割器工作特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015,31(18):11-16. XIANG Yang, LUO Xiwen, ZENG Shan, et al. Operation performance analysis of reciprocating cutter based on visual programming[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(18): 11-16. (in Chinese)

14 李杰，閻楚良，楊方飛.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的聯(lián)合收獲機(jī)切割機(jī)構(gòu)的仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37(10):74-76. LI Jie,YAN Chuliang,YANG Fangfei. Research on cutter’s simulation of combine harvester based on virtual prototyping technology[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2006,37(10):74-76.(in Chinese)

15 LIN Jing, QIAN Wei, LI Baofa, et al. Simulation and validation of seeding depth mathematical model of 2BG-2 type corn ridge planting no-till planter[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(9):19-24.

16 陳海濤，頓國(guó)強(qiáng).基于虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真的大豆扶禾器參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(18): 23-29. CHEN Haitao,DUN Guoqiang.Optimization of parameters for soybean lifter based on dynamic simulation of virtual prototype[J].Transactions of the CSAE,2012,28(18):23-29. (in Chinese)

17 ZHANG ZE, NOBORU N, KAZUNOBU I, et al. Optimization of steering control parameters based on a combine harvester’s kinematic model[J]. Engineering in Agriculture, Environment and Food, 2014, 7(2): 91-96.

18 趙滿全，張寧，楊鐵軍，等. 雙圓盤(pán)割草機(jī)切割器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(8):101-105. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140816&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.08.016. ZHAO Manquan,ZHANG Ning,YANG Tiejun,et al.Design and experiment of virtual prototype of double disc mower cutter[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(8):101-105.(in Chinese)

19 張寧. 雙圓盤(pán)割草機(jī)關(guān)鍵部件的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014. ZHANG Ning.Kinetic analysis and virtual prototype design of the dual disc mower crucial components[D].Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University,2014.(in Chinese)

20 邱述金，郭玉明，鄭德聰. 檸條收獲機(jī)圓盤(pán)鋸式切割系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真與參數(shù)優(yōu)化[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(8):72-79. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140812&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.08.012. QIU Shujin, GUO Yuming, ZHENG Decong.Dynamic simulation of disc saw cutter system of caragana korshinskii harvester[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(8):72-79.(in Chinese)

21 施印炎，章永年，汪小旵，等. 莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)柔性?shī)A持輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào), 2016(9):48-51. SHI Yinyan,ZHANG Yongnian, WANG Xiaochan,et al.Design of flexible clamping-conveying mechanism of an orderly harvester for stems-leafy vegetables[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization,2016(9): 48-51.(in Chinese)

22 施印炎，章永年，汪小旵，等. 基于Pro/E的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2017(3):139-143. SHI Yinyan,ZHANG Yongnian, WANG Xiaochan,et al.Design of orderly harvester in stems-leafy vegetables based on Pro/E[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017(3):139-143.(in Chinese)

Dynamic Simulation and Experiments onArtemisiaselengensisOrderly Harvester Cutter

SHI Yinyan1CHEN Man2WANG Xiaochan1,3ZHANG Yongnian1ODHIAMBO Morice Oluoch1

(1.CollegeofEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210031,China2.NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanication,MinistryofAgriculture,Nanjing210014,China3.JiangsuProvinceEngineeringLaboratoryforModernFacilitiesAgriculturalTechnologyandEquipment,Nanjing210031,China)

As one of the most important working components of harvester, the cutting performance of cutter directly affects the quality of crops harvest and the subsequent transportation effectiveness. The reciprocating cutter structural parameters of the self-designedArtemisiaselengensisorderly harvester and the physical parameters ofArtemisiaselengensiswere studied, the three-dimensional entity model of cutter and flexible simplified model of crop stem were built by software Pro/E, and the coupled dynamics simulation analysis was proceeded through dynamic analysis software ADAMS according to the parameters acquired. The cutting speedvg, cutting angleαand working speedvmof the cutting system were selected as factors, the cutting forceFand recutting ratioγwere selected as evaluating indicators to design a virtual orthogonal experiment with three factors and three levels. The response surface methodology (RSM) regression analysis and variance analysis were applied to analyze the results, and compared with the test results of field experiment. The results showed that RSM optimum combination wasvg=1.6 m/s,α=15°,vm=1.0 m/s, cutting forceFand recutting ratioγwere effectively reduced with this combination, the comparison results showed that the cutting force error was less than 10.9% and the recutting ratio error was 11.3%, indicating the effectiveness of the simulation analysis and regression forecasting model. The study illustrated that the reciprocating cutter designed could satisfy the demands ofArtemisiaselengensisorderly harvest, and had a certain reference value.

Artemisiaselengensis; orderly harvester; reciprocating cutter; virtual prototype; dynamic simulation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.015

2016-06-19

2016-07-22

江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程項(xiàng)目(NJ2014-08)、江蘇省科技支撐項(xiàng)目(BE2015334)和江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目(CX(15)1033)

施印炎(1990—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)生物環(huán)境等研究，E-mail： 2015212011@njau.edu.cn

汪小旵(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境模擬與控制等研究，E-mail： wangxiaochan@njau.edu.cn

S183; S121

A

1000-1298(2017)02-0110-07