李海同，吳崇友，沐森林，關(guān)卓懷，江 濤

基于ANSYS-ADAMS的立式油菜割曬機(jī)鋪放角形成機(jī)理

李海同，吳崇友※，沐森林，關(guān)卓懷，江 濤

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210004）

為提高油菜割曬作業(yè)性能，研究油菜植株參數(shù)和割曬機(jī)參數(shù)對(duì)鋪放角的影響規(guī)律，該研究利用ANSYS軟件和ProE軟件分別建立油菜植株的柔性體和割曬機(jī)模型，在ADAMS軟件中建立割曬機(jī)-油菜植株剛?cè)狁詈夏Ｐ停_(kāi)展油菜植株鋪放過(guò)程單因素與多因素仿真試驗(yàn)。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：油菜植株高度在1.2～1.6 m范圍內(nèi)，鋪放角先減小后增加且在植株高度為1.4 m時(shí)取得最小值；油菜植株質(zhì)量密度在438～588 kg/m3范圍內(nèi)，鋪放角先增加后減小且在質(zhì)量密度為538 kg/m3處取得最大值；植株與植株的摩擦系數(shù)在0.1～0.5范圍內(nèi)，摩系數(shù)越大鋪放角越小。多因素響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果表明：輸送鏈與前進(jìn)速度的速比、前進(jìn)速度、割茬高度、輸送鏈速度與前進(jìn)速度的速比及前進(jìn)速度與割茬高度的交互作用對(duì)鋪放角的影響極顯著（<0.01），顯著性順序從大到小為輸送鏈速度與前進(jìn)速度的速比、前進(jìn)速度、割茬高度；根據(jù)多因素試驗(yàn)結(jié)果建立鋪放角的三元二次回歸方程模型，并建立響應(yīng)面分析多因素交互作用對(duì)鋪放角的影響規(guī)律；建立目標(biāo)優(yōu)化方程組，確定割曬機(jī)最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為前進(jìn)速度0.6 m/s，速比1.37，割茬高度0.42 m。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化作業(yè)參數(shù)條件下，鋪放角預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差小于6%；與對(duì)照相比，鋪放角由134.9°下降為115.8°，角度差由11.2°下降為9.6°，根差由0.22 m下降為0.14 m，割曬損失率由2.2%下降為1.5%，割曬機(jī)作業(yè)性能提高。研究結(jié)果可為油菜割曬作業(yè)的適宜條件確定和割曬機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；收獲；油菜；鋪放角；剛?cè)狁詈夏Ｐ?；響?yīng)面分析；優(yōu)化

0 引 言

油菜機(jī)械化收獲主要有分段收獲和聯(lián)合收獲2種方式[1-3]，分段收獲采用先割曬鋪放，再撿拾脫粒的作業(yè)流程，可充分利用油菜的后熟特性，既保證了脫粒前籽粒成熟度一致，又實(shí)現(xiàn)了油菜籽充分完熟，保障了菜油的品質(zhì)[4-7]，具有收獲期長(zhǎng)、對(duì)油菜的成熟度及其一致性和株型等不敏感、收獲損失率小等特點(diǎn)[8-10]。鋪放角是評(píng)價(jià)油菜割曬鋪放質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，可反映割曬機(jī)的作業(yè)性能，研究割曬參數(shù)對(duì)鋪放角的影響規(guī)律可為割曬機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)。

李平等[11-12]設(shè)計(jì)了集成橫向和縱向輸送的組合式莖稈輸送裝置的4SY-1.8改進(jìn)型油菜割曬機(jī)，田間試驗(yàn)表明該機(jī)收獲直播油菜時(shí)，上、下層油菜莖稈鋪放角分別為23.6°和17.1°，角度差小于10°，得到影響割曬機(jī)田間作業(yè)質(zhì)量的主要因素，并確定了油菜割曬機(jī)的最佳參數(shù)范圍。金誠(chéng)謙等[13-14]研制了與聯(lián)合收割機(jī)底盤(pán)配套的4SY–2型油菜割曬機(jī)，確定了單帶式輸送器、橫向輸送機(jī)構(gòu)與縱向輸送機(jī)構(gòu)的參數(shù)，田間試驗(yàn)表明割曬作業(yè)損失率較低，鋪放角度差為6.77o。石增祥等[15]對(duì)油菜莖稈在割曬機(jī)鋪放輸送裝置上的運(yùn)動(dòng)情況和梳理推送拋送條件進(jìn)行理論分析，得出鋪放角由油菜生物學(xué)特性和割曬機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)決定。王修善等[16]通過(guò)分析油菜植株有序鋪放條件，從理論上得出立式割臺(tái)油菜割曬機(jī)前進(jìn)速度和輸送速度對(duì)鋪放角的影響規(guī)律，田間試驗(yàn)結(jié)果表明鋪放角為98.2°，角度差10.5°，割茬高度350 mm?，F(xiàn)階段對(duì)油菜割曬機(jī)鋪放角的研究，主要是利用理論分析與田間試驗(yàn)相結(jié)合方法，探究割曬機(jī)參數(shù)和油菜物料參數(shù)對(duì)鋪放角的影響，但由于田間試驗(yàn)受收獲季節(jié)限制，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋪放角的研究少見(jiàn)報(bào)道，缺少割曬作業(yè)條件和參數(shù)優(yōu)化的理論依據(jù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件水平的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及模擬仿真已作為一種重要的研究方法應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域[17-18]。利用計(jì)算機(jī)開(kāi)展割曬機(jī)仿真試驗(yàn)，可突破季節(jié)條件限制，提高試驗(yàn)的速度和精度，有利于縮短研發(fā)周期，節(jié)約試驗(yàn)成本。為此，本文通過(guò)分析立式油菜割曬機(jī)鋪放過(guò)程建立鋪放角的數(shù)學(xué)模型，分析鋪放角的影響因素；利用有限元軟件ANSYS建立油菜植株的柔性體模型，并導(dǎo)入ADAMS中建立割曬臺(tái)-油菜剛?cè)狁詈夏Ｐ?；開(kāi)展單因素與多因素響應(yīng)面仿真試驗(yàn)，分別研究油菜植株物料參數(shù)和割曬機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)鋪放角的影響規(guī)律，并進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為油菜割曬適宜條件選擇和割曬機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 割曬機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 割曬機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

手扶立式割臺(tái)油菜割曬機(jī)主要由機(jī)架、行走底盤(pán)、傳動(dòng)系統(tǒng)、水平切割器、側(cè)邊切割器、橫向輸送鏈組和分行器等部件組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。行走底盤(pán)為履帶式手扶拖拉機(jī)，割臺(tái)掛接在底盤(pán)前方并可調(diào)節(jié)割茬高度，側(cè)邊切割器安裝于機(jī)架左側(cè)將待割區(qū)與未割區(qū)交錯(cuò)的油菜切割分離開(kāi)來(lái)，橫向輸送鏈組平行安裝于機(jī)架上、中、下部，分行器總成安裝于機(jī)架前端并向前伸出。

1.機(jī)架 2.割茬高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 3.行走底盤(pán) 4.發(fā)動(dòng)機(jī) 5.鏈條 6.變速箱 7.割臺(tái)機(jī)架 8.側(cè)邊切割器 9.橫向輸送鏈 10.水平切割器 11.分行器 12.地面

1.2 工作原理

立式割臺(tái)割曬機(jī)作業(yè)時(shí)，側(cè)邊切割器將割曬機(jī)正前方待割區(qū)與未割區(qū)交錯(cuò)纏繞的分枝剪斷分開(kāi)并推向兩側(cè)；機(jī)器正前方的油菜在分行器作用下運(yùn)動(dòng)至割臺(tái)，被水平切割器切斷后在分行器和上、中、下3條橫向輸送鏈的夾持輸送作用下向割臺(tái)右側(cè)輸送，脫離橫向輸送鏈后油菜植株在自重和橫向輸送鏈與機(jī)組縱向前進(jìn)速度所形成的慣性力作用下向割臺(tái)右側(cè)連續(xù)鋪放，形成側(cè)邊條鋪，便于晾曬。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

立式割臺(tái)油菜割曬機(jī)為手扶懸掛式，參考現(xiàn)有割曬機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及后續(xù)油菜撿拾機(jī)作業(yè)要求，其主要技術(shù)參數(shù)為：發(fā)動(dòng)機(jī)功率7.5 kW，割副1.2 m，前進(jìn)速度0.6～1.0 m/s，橫向輸送鏈速度0.8～1.4 m/s，割茬高度0.2～0.5 m。

2 鋪放過(guò)程與鋪放角分析

2.1 鋪放過(guò)程植株受力及運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

脫離割臺(tái)至鋪放成行的過(guò)程中，油菜植株的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與割臺(tái)的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。

1.油菜植株 2.油菜割曬機(jī)

1.Rape plant 2.Rape windrower

注：為坐標(biāo)原點(diǎn)，、為坐標(biāo)軸；1為油菜植株落地點(diǎn)；為油菜植株的初始傾角，(°)；為割茬高度，mm；為油菜植株的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad·s-1；為鋪放角，(°)；0為油菜植株的初始位置；1為油菜植株與地面接觸時(shí)的位置；2為油菜植株的最終鋪放位置。

Note:is coordinate origin;、are axis;1is the landing point of rape plant;is the initial dip angle of rape plant, (°);is stubble height, mm;is the angular velocity of rape plant, rad·s-1;is laying angle, (°);0is the initial position of rape plant;1isthe position of rape plant in contact with ground;2isthe final laying position of rape plant.

圖2 油菜植株與割曬機(jī)位置關(guān)系示意圖

Fig.2 Schematic diagram of position relationship between rape plant and windrower

根據(jù)油菜植株的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和受力情況，鋪放過(guò)程分為2個(gè)連續(xù)的過(guò)程：傾角為的油菜植株脫離割曬機(jī)作用至底端接觸地面的三維平動(dòng)，即由位置0至位置1的下落過(guò)程；油菜植株以落地點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)繞底端轉(zhuǎn)動(dòng)至鋪放于地面的過(guò)程，即由位置1至位置2的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程。

2.1.1 油菜植株下落過(guò)程分析

油菜植株在下落過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)為三維空間內(nèi)的平拋運(yùn)動(dòng)，以植株離開(kāi)割臺(tái)瞬間最下端在地面的投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，軸正方向?yàn)楦顣駲C(jī)前進(jìn)方向，軸垂直向上，軸正方向?yàn)闄M向輸送速度方向。油菜植株平拋運(yùn)動(dòng)在3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)分別為：方向的與機(jī)器前進(jìn)速度相等的勻速運(yùn)動(dòng)，方向的初速度為0的自由落體運(yùn)動(dòng)，方向的與橫向輸送速度相等的勻速運(yùn)動(dòng)。依據(jù)文獻(xiàn)[16]可知，油菜植株下落過(guò)程結(jié)束時(shí)植株底端在3個(gè)方向上的坐標(biāo)和速度分別為

式中x、y、z為油菜植株底端在3個(gè)方向的坐標(biāo)；v為割曬機(jī)前進(jìn)速度，m/s；v為橫向輸送鏈速度，m/s；為油菜植株底端與地面的距離，即割茬高度，m；v為油菜植株底端在方向上的速度，m/s；v為油菜植株底端在方向上的速度，m/s；v為油菜植株底端在方向上的速度，m/s；為重力加速度，9.8 m/s2。

由此可得油菜下落過(guò)程的運(yùn)動(dòng)時(shí)間1、植株的合速度1與軸的夾角1分別為

式中1為油菜植株下落時(shí)間，s；

油菜植株底端與地面接觸時(shí)發(fā)生完全非彈性碰撞，碰撞后油菜植株由空間剛體平動(dòng)變成繞落地點(diǎn)1的轉(zhuǎn)動(dòng)。碰撞過(guò)程中油菜植株的動(dòng)量守恒方程為

1-0sin=0 （6）

由此求得碰撞后油菜植株的角速度

式中為植株的質(zhì)量，kg；0為質(zhì)心到底端的距離，m，為植株對(duì)1點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

由下落過(guò)程分析可以得到下落過(guò)程結(jié)束時(shí)油菜植株的位置、速度和角速度等狀態(tài)參數(shù)，確定植株轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程分析的初始條件。

2.1.2 油菜植株轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程分析

油菜植株與地面碰撞后繞落地點(diǎn)1轉(zhuǎn)動(dòng)，割曬機(jī)連續(xù)作業(yè)時(shí)由于相互牽連的油菜植株存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦力，速度較小的油菜植株對(duì)速度較大的油菜植株產(chǎn)生的摩擦牽連力，已鋪放油菜植株對(duì)處于轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的油菜植株的摩擦力為阻力。因此轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中作用于油菜植株的力包括重力、牽連力1和阻力2。

重力作用于油菜植株質(zhì)心，豎直向下；牽連力1作用于油菜角果層交錯(cuò)重疊區(qū)域，方向與植株運(yùn)動(dòng)速度相反，大小由重疊系數(shù)、摩擦系數(shù)等參數(shù)決定；阻力2作用于已鋪放油菜的分枝與植株分枝交錯(cuò)重疊的區(qū)域，方向與機(jī)組前進(jìn)方向相反，大小由重疊系數(shù)、壓力、摩擦系數(shù)等參數(shù)決定。轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中油菜植株的受力分析如圖3所示。

油菜植株轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中牽連力1和阻力2的大小由多個(gè)因素決定，因此利用式（8）的多元方程表達(dá)其大小。

式中為包含摩擦系數(shù)1、重疊系數(shù)2、時(shí)間等參數(shù)的多維矩陣；1為到1的映射法則；為包含摩擦系數(shù)1、壓力2、時(shí)間等參數(shù)的多維矩陣；2為到2的映射法則。

由油菜植株繞1點(diǎn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能定理得

式中1為角果層與1的距離，m。

由角動(dòng)量定理可得

由式（11）可得油菜植株在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間(2)為

注：v為油菜植株運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1；γ為油菜植株運(yùn)動(dòng)速度與植株主干線的夾角，(°)；α為油菜植株速度與y軸的夾角，(°)；G為油菜植株重力，N；F1為牽連力，N；F2為阻力，N。

由轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程分析得到油菜植株的受力、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間等參數(shù)，為計(jì)算油菜植株鋪放角提供依據(jù)。

2.2 鋪放角及其影響因素分析

由油菜植株轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析可知，油菜在重力和牽連力1作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)組前進(jìn)方向上在牽連力1和阻力2作用下做減速運(yùn)動(dòng)，設(shè)其當(dāng)量加速度大小為a。定義鋪放角為割倒的油菜植株主莖稈與機(jī)器前進(jìn)方向在水平面內(nèi)的后夾角，則油菜植株的理論鋪放角t為

式中為割下部分的油菜植株高度，m。

將式（7）~（8）、式（10）、式（12）代入式（13），得到鋪放角的理論計(jì)算公式為

式中為鋪放角理論值t的正弦值，其表達(dá)式為

由式（15）可知，鋪放角的影響因素包括割后的油菜植株高度、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、牽連力1、阻力2、質(zhì)心到底端的距離0等物料參數(shù)和機(jī)器前進(jìn)速度v、橫向輸送鏈速度v、割茬高度等割曬機(jī)作業(yè)參數(shù)。

為研究油菜植株參數(shù)和割曬機(jī)參數(shù)對(duì)鋪放角的影響規(guī)律，運(yùn)用ANSYS和ADAMS軟件進(jìn)行油菜植株鋪放過(guò)程的模擬仿真試驗(yàn)。根據(jù)研究結(jié)果選擇適宜的割曬條件和割曬機(jī)的最佳作業(yè)參數(shù)，提高油菜割曬作業(yè)性能。

3 剛?cè)狁詈夏M仿真試驗(yàn)

3.1 剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

為準(zhǔn)確描述油菜植株的外形和力學(xué)特征，利用ANSYS軟件構(gòu)建油菜的柔性體力學(xué)模型并生成中間文件，在ProE軟件中建立割曬機(jī)三維模型，將2個(gè)模型導(dǎo)入ADAMS中構(gòu)建剛-柔耦合多體動(dòng)力學(xué)仿真模型。

3.1.1 油菜植株柔性力學(xué)模型構(gòu)建

根據(jù)文獻(xiàn)[19-23]中油菜植株表型參數(shù)和機(jī)械物理特性，建立油菜植株的三維模型，由主莖稈和3個(gè)圓周方向均勻分布的分枝組成。以青油14號(hào)油菜為例，依據(jù)文獻(xiàn)[24-25]，油菜植株的力學(xué)參數(shù)為質(zhì)量密度438 kg/m3、彈性模量1.34×1011Pa，泊松比0.3，選用Solid（Brick8node45）為材料單元，出于計(jì)算精度和時(shí)間的考慮，定義最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)為2 mm對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成73 275個(gè)網(wǎng)格，分別在植株底端和頂端創(chuàng)建2個(gè)連接點(diǎn)。利用ANSYS與ADAMS的接口Solve and create export file to ADAMS輸出包含莖稈形態(tài)、力學(xué)特征等參數(shù)的柔性體模型并保存為.mnf文件。

3.1.2 剛?cè)狁詈夏Ｐ蜆?gòu)建

在ProE中建立油菜割曬機(jī)的三維模型，經(jīng)簡(jiǎn)化處理后導(dǎo)入ADAMS中，通過(guò)ADAMS的Flexible Bodies選項(xiàng)在指定目錄下打開(kāi)已生成的mnf文件，構(gòu)建割曬機(jī)-油菜植株剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

3.1.3 定義約束、作用力和驅(qū)動(dòng)

根據(jù)油菜割曬機(jī)工作的實(shí)際情況和鋪放過(guò)程理論分析，在割曬機(jī)-油菜植株組成的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型中依次定義約束、作用力和驅(qū)動(dòng)。

1）在油菜植株與輸送鏈之間添加Forces，接觸類(lèi)型為Flex Boby to Solid（柔性體與實(shí)體），根據(jù)油菜植株參數(shù)和文獻(xiàn)[26-27]，接觸力參數(shù)設(shè)置為：Normal Force的類(lèi)型選為impact，Stiffness定義為1.0E+5，F(xiàn)orce Exponent定義為2.2，Damping定義為100，Penetration Depth定義為0.1。摩擦力Friction Force 選取為None。

2）牽連力1和阻力2影響因素較為復(fù)雜，仿真中定義阻力作為兩者的合力，大小為植株質(zhì)量和油菜植株與植株的摩擦系數(shù)v的乘積，即=v。

3）定義割臺(tái)與地面沿機(jī)器前進(jìn)方向?yàn)榛聘?，并添加直線驅(qū)動(dòng)；定義橫向輸送撥齒在輸送鏈方向?yàn)榛聘?，并添加直線驅(qū)動(dòng)。

3.1.4 定義關(guān)鍵傳感器

依據(jù)鋪放過(guò)程分析，定義2個(gè)傳感器模擬植株的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

1）油菜底端與地面位置傳感器1：用于檢測(cè)植株底端與地面的距離，檢測(cè)值為0時(shí)通過(guò)腳本控制使該傳感器失效，植株與地面發(fā)生碰撞，下落運(yùn)動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

2）油菜頂端與地面位置傳感器2：用于檢測(cè)植株頂端與地面的距離，檢測(cè)值為0時(shí)通過(guò)腳本控制使該傳感器失效，植株鋪放于地面上，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

3.1.5 仿真過(guò)程與后處理

在ADAMS中創(chuàng)建通過(guò)2個(gè)連接點(diǎn)的線段，根據(jù)鋪放角的定義可知，線段與軸負(fù)方向的夾角即為鋪放角，如圖4所示。

注：A為油菜植株頂端連接點(diǎn)，B為油菜植株底端連接點(diǎn)。

由油菜植株運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析可知，鋪放角仿真值β的計(jì)算公式為

式中x為點(diǎn)在軸上的坐標(biāo)；x為點(diǎn)在軸上的坐標(biāo)；z為點(diǎn)在軸上的坐標(biāo)；z為點(diǎn)在軸上的坐標(biāo)。

創(chuàng)建Measure測(cè)量仿真過(guò)程中線段與軸負(fù)方向的夾角。設(shè)置仿真時(shí)間和步長(zhǎng)，點(diǎn)擊開(kāi)始進(jìn)行鋪放過(guò)程仿真計(jì)算。仿真完成后進(jìn)入ADAMS的Post process后處理模塊提取仿真結(jié)果，繪制鋪放角隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。

圖5 鋪放角隨時(shí)間變化曲線

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1 單因素試驗(yàn)

為探究適合割曬的油菜植株參數(shù)，以油菜植株的物料參數(shù)為因素開(kāi)展單因素試驗(yàn)，研究其對(duì)鋪放角的影響規(guī)律。根據(jù)油菜割曬機(jī)的技術(shù)參數(shù)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7733—2007《割曬機(jī)技術(shù)條件》，結(jié)合試驗(yàn)油菜植株特性，單因素試驗(yàn)作業(yè)參數(shù)設(shè)置為：前進(jìn)速度0.8 m/s、橫向輸送鏈與前進(jìn)速度的速比1.2、割茬高度0.4 m。

根據(jù)文獻(xiàn)[28]和油菜植株參數(shù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，單因素試驗(yàn)的因素水平為：油菜植株高度1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 m，油菜植株質(zhì)量密度388、438、488、538、588 kg/m3，油菜植株與植株的摩擦系數(shù)0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。

3.2.2 多因素參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

為研究割曬機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)鋪放角的影響規(guī)律并確定最優(yōu)參數(shù)組合，根據(jù)理論分析和文獻(xiàn)[16]，以鋪放角為響應(yīng)值，以割曬機(jī)前進(jìn)速度1、橫向輸送鏈與前進(jìn)速度的速比（以下稱“速比”）2和割茬高度3作為影響因子開(kāi)展響應(yīng)面試驗(yàn)。

根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)理論，以鋪放角為響應(yīng)值，以前進(jìn)速度1、速比2和割茬高度3為因素開(kāi)展響應(yīng)面試驗(yàn)[29-31]。試驗(yàn)因素水平編碼如表1所示。

表1 因素水平編碼表

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1.1 油菜植株高度對(duì)鋪放角的影響

圖6為油菜植株高度對(duì)鋪放角的影響曲線。由圖6可知，油菜植株高度為1.2～1.4 m時(shí)，鋪放角隨植株高度的增加而減少，植株高度在1.4～1.6 m范圍內(nèi)鋪放角隨植株高度的增加而增加，植株高度為1.4 m時(shí)，鋪放角取得最小值120.4°。

圖6 油菜植株高度對(duì)鋪放角的影響

4.1.2 油菜植株質(zhì)量密度對(duì)鋪放角的影響

圖7為油菜植株質(zhì)量密度對(duì)鋪放角的影響曲線。由圖7可知，油菜植株質(zhì)量密度小于538 kg/m3時(shí)鋪放角隨質(zhì)量密度增加而增加，質(zhì)量密度繼續(xù)增加時(shí)鋪放角減小，植株質(zhì)量密度為538 kg/m3時(shí)，鋪放角取得最大值133.6°。

圖7 油菜植株質(zhì)量密度對(duì)鋪放角的影響

4.1.3 油菜植株與植株的摩擦系數(shù)對(duì)鋪放角的影響

圖8為油菜植株與植株的摩擦系數(shù)對(duì)鋪放角的影響曲線。由圖8可知，油菜植株與植株的摩擦系數(shù)為0.1～0.5時(shí)，鋪放角隨油菜植株與植株的摩擦系數(shù)增加而減少，變化范圍為117.6°～134.3°。

圖8 油菜植株與植株的摩擦系數(shù)對(duì)鋪放角的影響

單因素仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，油菜植株高度為1.4 m時(shí)鋪放角取得最小值120.4°，質(zhì)量密度為538 kg/m3時(shí)鋪放角取得最大值133.6°，油菜植株與植株的摩擦系數(shù)為0.5時(shí)鋪放角取得最小值117.6°。

4.2 多因素響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 回歸模型與顯著性分析

多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果如表2所示，利用 Design-Expert 軟件[32-33]對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果如表3所示。

表2 多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

由表3方差分析結(jié)果可知，方程評(píng)價(jià)指標(biāo)鋪放角仿真值的值為0.000 2＜0.01，表明回歸模型極顯著，其決定系數(shù)2值為0.97，表明模型與試驗(yàn)值擬合程度較好。其中，1、2、3、13、12的值小于0.01，說(shuō)明對(duì)模型影響極為顯著；12、13、32的值大于0. 05，說(shuō)明對(duì)模型影響不顯著，模型中可不予考慮。根據(jù)值可知各參數(shù)對(duì)分布變異系數(shù)由大到小順序?yàn)椋?、1、3，即速比、前進(jìn)速度、割茬高度。去除不顯著因素，可得鋪放角的回歸函數(shù)值r與前進(jìn)速度1、速比2、割茬高度3的三元二次回歸方程為

根據(jù)回歸方程（16），分別對(duì)3個(gè)自變量求導(dǎo)可得

4.2.2 交互作用對(duì)鋪放角影響分析

通過(guò) Design-Expert 軟件生成響應(yīng)面曲線如圖9，根據(jù)響應(yīng)面分析前進(jìn)速度、速比和割茬高度的交互因素對(duì)鋪放角的影響。

表3 回歸方程方差分析

注：< 0.01（極顯著）；0.01≤< 0.05（顯著）；≥0.05（不顯著）。

Note:< 0.01（high significance）；0.01≤< 0.05（significant）；≥0.05（not significant）。

圖9 交互作用對(duì)鋪放角的影響

圖9a為割茬高度位于中心水平（0.35 m）時(shí)，前進(jìn)速度與速比對(duì)鋪放角交互作用的響應(yīng)面曲線。由圖9a可知，前進(jìn)速度增大時(shí)，鋪放角先增大后減小，增加幅度先增大后減?。讳伔沤请S速比的增加而減小，減小幅度較為平緩。在前進(jìn)速度和速比對(duì)鋪放角的交互作用中，前進(jìn)速度對(duì)交互作用的影響較大。

圖9b為速比位于中心水平（1.2）時(shí)，前進(jìn)速度與割茬高度對(duì)鋪放角交互作用的響應(yīng)面曲線。由圖9b可知，前進(jìn)速度增大時(shí)，鋪放角先增大后減小，增加幅度先增大后減??；割茬高度增加時(shí)，鋪放角呈增加趨勢(shì)，但增加幅度較小。在前進(jìn)速度和割茬高度對(duì)鋪放角的交互作用中，前進(jìn)速度對(duì)交互作用的影響較大。

圖9c為前進(jìn)速度位于中心水平（0.8 m/s）時(shí)，速比與割茬高度對(duì)鋪放角交互作用的響應(yīng)面曲線。由圖9c可知，速比增加時(shí)鋪放角減小，減小幅度逐步變小；鋪放角隨割茬高度的增加而增加，增加幅度較為平緩。在速比和割茬高度對(duì)鋪放角的交互作用中，速比對(duì)交互作用的影響較大。

4.2.3 參數(shù)優(yōu)化

割曬機(jī)前進(jìn)速度、速比和割茬高度及其交互作用對(duì)鋪放角的影響規(guī)律各不相同，為了尋求油菜割曬機(jī)最佳工作參數(shù)組合，提高割曬作業(yè)性能，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7733—2007《割曬機(jī)技術(shù)條件》的技術(shù)要求，鋪放角越接近90°越好，建立目標(biāo)函數(shù)與各參數(shù)變量的約束條件如式（21）所示：

運(yùn)用Design-Expert 中的Optimization模塊對(duì)目標(biāo)方程進(jìn)行優(yōu)化求解，得出割曬機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合為：前進(jìn)速度0.6 m/s，速比1.37，割茬高度0.42 m，此時(shí)的鋪放角為122.6°。

4.3 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和油菜割曬機(jī)最優(yōu)參數(shù)組合條件下的作業(yè)性能，于2019年9月21日—23日在甘肅省張掖市民樂(lè)縣進(jìn)行田間性能試驗(yàn)。試驗(yàn)油菜品種為青油14號(hào)，種植方式為直播，油菜種植密度33 株/m2，植株平均高度1.6 m，底莢高度0.56 m，無(wú)倒伏，油菜籽粒及莖稈含水率分別為19.8%和58.9%，籽粒千粒質(zhì)量3.74 g。

根據(jù)多因素響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果設(shè)置對(duì)照組T1與優(yōu)化組T0，參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7733—2007《割曬機(jī)技術(shù)條件》依據(jù)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)照組試驗(yàn)條件設(shè)定為：前進(jìn)速度1.0 m/s、速比1.2、割茬高度0.5 m；根據(jù)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化組試驗(yàn)條件設(shè)置為：前進(jìn)速度0.6 m/s、速比1.4、割茬高度0.4 m，選擇地勢(shì)平坦、油菜長(zhǎng)勢(shì)均勻、無(wú)雜草的田塊，在風(fēng)力不大于3 m/s的情況下開(kāi)展油菜割曬作業(yè)，每次作業(yè)長(zhǎng)度30 m，重復(fù)3次。

割曬作業(yè)完成后，參考標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7733—2007《割曬機(jī)技術(shù)條件》和GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》測(cè)量割曬作業(yè)各項(xiàng)指標(biāo)。具體測(cè)量方法為：將皮卷尺平行固定于鋪放條上，每隔2 m選取1 m的測(cè)試區(qū)，利用角度尺測(cè)量測(cè)試區(qū)內(nèi)油菜主莖稈與皮卷尺的夾角，利用鋼卷尺測(cè)量油菜植株底端到皮卷尺的距離，記錄數(shù)據(jù)并求平均值。則油菜植株鋪放角為

式中β為每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)鋪放角的平均值，(°)。

角度差為

式中為Δ角度差，(°)；maxβ為每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)鋪放角的最大值，(°)；minβ為每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)鋪放角的最小值，(°)。

根差為

式中為Δ根差，m；maxρ為測(cè)區(qū)內(nèi)油菜植株底端到皮卷尺距離的最大值，m；minρ為測(cè)區(qū)內(nèi)油菜植株底端到皮卷尺距離的最小值，m。

每隔2 m撿拾1.2 m×1 m面積內(nèi)的落粒、掉穗，脫粒后稱其籽粒質(zhì)量，減去每平方米自然落粒得出每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)油菜割曬損失質(zhì)量，則割曬損失率為

式中g(shù)為割曬損失率，%；w為每平方米內(nèi)損失的籽粒質(zhì)量，kg；為油菜產(chǎn)量，kg/hm2。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試與計(jì)算，鋪放角、角度差、根差和割曬損失率的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 田間試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，鋪放角的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差小于6%，在參數(shù)優(yōu)化組合條件下，鋪放角由134.9°下降為115.8°，角度差由11.2°下降為9.6°，根差由0.22 m下降為0.14 m，損失率由2.2%下降為1.5%，說(shuō)明優(yōu)化參數(shù)組合可使鋪放角更接近90°，同時(shí)降低了角度差、根差和損失率，有利于提高割曬作業(yè)質(zhì)量。

試驗(yàn)油菜品種的分枝較多，結(jié)穗位置較高，植株重心偏上，割曬作業(yè)中油菜頂端前傾較大，導(dǎo)致鋪放角偏大，但優(yōu)化參數(shù)條件下的鋪放角接近90°。實(shí)際割曬作業(yè)中，應(yīng)根據(jù)植株高度和種植密度，調(diào)節(jié)割茬高度使割后植株高度接近1.4 m，種植密度較大時(shí)選用較小的前進(jìn)速度和較大的速比，使鋪放角接近90°，以提高油菜割曬作業(yè)質(zhì)量。

5 結(jié) 論

1）闡述了立式油菜割曬機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理，將鋪放過(guò)程分為下落過(guò)程和轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，分析油菜植株在2個(gè)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況，得出鋪放角的函數(shù)模型并分析影響因素。

2）利用ANSYS軟件和ProE軟件分別建立油菜植株的柔性體和割曬機(jī)模型，導(dǎo)入ADAMS中建立割曬機(jī)-油菜植株剛?cè)狁詈夏Ｐ?，分別開(kāi)展單因素試驗(yàn)和多因素優(yōu)化試驗(yàn)研究油菜植株參數(shù)和割曬機(jī)參數(shù)對(duì)鋪放角的影響規(guī)律。

3）單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，鋪放角隨油菜植株高度的增加先減小后增加，油菜植株質(zhì)量密度增加時(shí)鋪放角先增加后減小，鋪放角隨油菜植株與植株的摩擦系數(shù)增加而減少。多因素試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)因素對(duì)鋪放角影響顯著性順序大小為速比、前進(jìn)速度、割茬高度；建立鋪放角的三元二次回歸模型，利用響應(yīng)面法分析因素交互作用對(duì)鋪放角的影響規(guī)律。

4）建立鋪放角目標(biāo)優(yōu)化方程，得到割曬機(jī)優(yōu)化參數(shù)組合：前進(jìn)速度0.6 m/s，速比1.37，割茬高度0.42 m。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，鋪放角的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差小于6%，在優(yōu)化參數(shù)組合條件下，鋪放角由134.9°下降為115.8°，角度差由11.2°下降為9.6°，根差由0.22 m下降為0.14 m，損失率由2.2%下降為1.5%，說(shuō)明優(yōu)化參數(shù)組合可使鋪放角更接近90°，同時(shí)降低角度差、根差和損失率，提高了割曬作業(yè)質(zhì)量。

由于仿真精度和時(shí)間限制，本文將油菜植株的相互牽連力添加為定值作用力，導(dǎo)致鋪放角預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差接近6%。實(shí)際作業(yè)中牽連作用力受油菜品種、重疊系數(shù)、含水率、摩擦系數(shù)等多個(gè)因素影響是變化的，后續(xù)需研究油菜植株與植株的相互作用力在鋪放過(guò)程中的變化及其對(duì)割曬作業(yè)質(zhì)量的影響，進(jìn)一步提高仿真結(jié)果的可靠性。

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Formation mechanism of laying angle of vertical rape windrower based on ANSYS-ADAMS

Li Haitong, Wu Chongyou※, Mu Senlin, Guan Zhuohuai, Jiang Tao

(,,210014,)

In order to improve the operation quality of vertical rape windrower, the effects of rape plant characteristics and windrower parameters on laying angle were studied in this study. The structure and working principle of the vertical rape mower were described. The laying process of rape plant was divided into falling process and rotation process according to the working principle of the rape windrower. The movement state of rape plant during the laying process was analyzed based on the dynamic theory, and the mathematical model of laying angle was established and the influencing factors were analyzed. Analysis results showed that the laying angle influenced by material parameters of rape plant and working parameters of windrower. ANSYS and ProE software were used to establish the flexible body of rape plant and windrower model, respectively. Then the rigid flexible coupling model of windrower and rape plant was established in ADAMS software, and the single factor and multifactor simulation experiments of laying process were carried out. The results of single factor experiments showed that with the increasing of the plant height in the range of 1.2-1.6 m, laying angle decreased and reached the minimum value at the plant height of 1.4m, and then increased. The laying angle increased and then decreased when the plant mass density was in the range of 438-588 kg/m3, and reached the maximum value at the plant mass density of 538 kg/m3. When the friction coefficient between plants increased in the range of 0.1-0.5, the laying angle decreased. The results of multifactor experiments showed that forward speed, speed ratio and the interaction between forward speed and stubble height had a significant influence on laying angle (< 0.01).The significant order of factors was speed ratio, forward speed and stubble height. The quadratic regression equation model was established according to the results of multifactor experiments, and the response surface methodology was utilized to analyze the influence of interaction on the laying angle. Optimization equations and constraints were established, and optimal parameters of windrower were determined that forward speed was 0.6 m/s, the speed ratio was 1.37, and stubble height was 0.42 m. The field experiments were carried out and the results indicated that the relative errors between predicted and measured values of laying angle were less than 6%。Compared with the control tests, the laying angle of rape plant decreased from 134.9° to 115.8°, the angle difference decreased from 11.2°to 9.6°, the root difference decreased from 0.22 m to 0.14 m, and the loss rate decreased from 2.2% to 1.5%, the working performance of rape windrower improved. The research results can provide the basis for determining the suitable conditions of rape cutting and optimizing the operation parameters of the windrower.

agricultural machinery; harvesting; rape; laying angle; rigid-flexible coupling model; response surface; optimization

李海同，吳崇友，沐森林，等. 基于ANSYS-ADAMS的立式油菜割曬機(jī)鋪放角形成機(jī)理 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(14)：96-105.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.012 http://www.tcsae.org

Li Haitong, Wu Chongyou, Mu Senlin, et al. Formation mechanism of laying angle of vertical rape windrower based on ANSYS-ADAMS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 96-105. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.012 http://www.tcsae.org

2020-04-20

2020-06-24

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0702101）；國(guó)家油菜產(chǎn)業(yè)體系專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（CARS-13-10B）

李海同，博士，助理研究員，主要從事收獲機(jī)械研究。Email：lhtdolphin@163.com

吳崇友，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事收獲機(jī)械研究研發(fā)。Email：542681935@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.012

S225.2

A

1002-6819(2020)-14-0096-10