李漢青,杜宗霖,張兆國*,唐金鑫,劉偉健
基于Recurdyn的履帶式三七收獲機不同收獲工況性能分析
李漢青1,2,杜宗霖1,2,張兆國1,2*,唐金鑫1,2,劉偉健1,2
1. 昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院, 云南 昆明 650500 2. 云南省高校中藥材機械化工程研究中心, 云南 昆明 650500
針對三七收獲地形的特點,在傳統(tǒng)輪式三七收獲機的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一款履帶式三七收獲機。利用多體動力學(xué)仿真軟件Recurdyn中的子系統(tǒng)Track (LM)建立該收獲機的動力學(xué)模型,針對所建立的模型進(jìn)行仿真分析,著重對收獲機在三種不同行走工況下進(jìn)行動態(tài)性能仿真,并判斷整機的穩(wěn)定性能。在平地直行工況下,對收獲機的驅(qū)動輪扭矩、支重輪受力情況、質(zhì)心垂向加速度進(jìn)行仿真分析;在轉(zhuǎn)彎工況下,對收獲機的驅(qū)動輪扭矩、質(zhì)心在水平內(nèi)的位移變化進(jìn)行仿真分析;在越障工況下,對收獲機的質(zhì)心水平速度、質(zhì)心垂直位移變化進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明:整機模型有效,得出了收獲機在三種不同工況下性能都較穩(wěn)定,滿足設(shè)計要求,同時,通過對本次研究結(jié)果的分析,提出了幾點延長履帶壽命的措施,為履帶式收獲機的研制和使用提供了理論參考。
三七收獲機; 性能分析
近年來,隨著三七產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,三七收獲機的開發(fā)需求正在不斷的提升,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與三七種植農(nóng)戶對三七收獲機需求的提高[1,2],因此,履帶式三七收獲機的研制成為了當(dāng)下最為重要的事情。根據(jù)三七收獲環(huán)境現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果及現(xiàn)場地形特點,在傳統(tǒng)輪式收獲機的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一款履帶式三七收獲機(圖1)。
對履帶式車輛的研究國內(nèi)外學(xué)者均取得了一定的成果:Yamakawa J[3]針對履帶式車輛在不同行駛路面,當(dāng)車滑移率發(fā)生變化時對整車的加速性能及影響進(jìn)行了分析,并采用了模型和試驗相結(jié)合的方法進(jìn)行驗證;Matej J[4]對影響履帶式車輛傳動系統(tǒng)的非線性因素進(jìn)行了分析,搭建了非線性動力學(xué)的模型,對不同載荷作用下的機器特性進(jìn)行了分析研究;Valpolinip[5]采用Recurdyn軟件搭建了履帶式車輛的多體動力學(xué)模型,對軟硬兩種路面的運行情況及轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行分析;盧進(jìn)軍等[6]搭建履帶車輛的動力學(xué)模型,重點是對整車的高速運行在軟質(zhì)路面發(fā)生轉(zhuǎn)向時的整車動力學(xué)特性進(jìn)行了研究,為此類操作提供了一定的指導(dǎo)作用。
目前,用于履帶式收獲機動力學(xué)仿真的軟件主要有ADAMS和Recurdyn兩種,ADAMS專門有分析履帶的模塊,新一代多體動力學(xué)分析軟件Recurdyn則提供了高速和低速履帶建模工具[7,8]。而本文以研制的履帶式三七收獲機為研究對象(見圖1),利用多體動力學(xué)仿真軟件Recurdyn進(jìn)行建模,對收獲機在不同工況:平地直行、轉(zhuǎn)彎、越障高度50 mm等虛擬地形情況進(jìn)行仿真分析,主要對收獲機在三種不同工況下驅(qū)動輪扭矩、支重輪受力情況、質(zhì)心垂向加速度、質(zhì)心水平位移、質(zhì)心水平速度、質(zhì)心垂直位移進(jìn)行仿真分析。
履帶式三七收獲機行走系統(tǒng)由兩組橡膠履帶機構(gòu)組成,如圖2所示,包括橡膠履帶、驅(qū)動輪、引導(dǎo)輪、支重輪、托帶輪、張緊裝置和支撐架。由于挖掘裝置的安裝在收獲機后方,驅(qū)動電機需要前置,因此驅(qū)動輪采用前置方式。
1.外部蒙皮;2.履帶行走系統(tǒng);3.挖掘裝置;4.螺桿升降裝置;5.控制裝置
橡膠履帶機構(gòu)在運動過程中,通過履帶的卷繞運動獲得地面的摩擦力,方向與前進(jìn)方向相同,推動收獲機前進(jìn)。其中驅(qū)動輪獲得傳動軸傳遞來的轉(zhuǎn)矩,并將轉(zhuǎn)矩傳給履帶使其卷繞,履帶的卷繞通過履帶內(nèi)突齒將轉(zhuǎn)矩變?yōu)榈孛婺Σ亮Γ瑥亩鴰虞喯缔D(zhuǎn)動。支重輪在橡膠履帶面上自由滾動、支撐收獲機的重力,同時,也減弱路面行駛中的沖擊。導(dǎo)向輪引導(dǎo)履帶的繞轉(zhuǎn)軌跡,防止履帶跑偏。張緊機構(gòu)防止履帶的松弛與脫軌。托帶輪能夠約束松邊使履帶下垂。設(shè)計履帶行走系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。
1.驅(qū)動輪;2.橡膠履帶;3.托帶輪;4.支撐架;5.張緊裝置;6.支重輪;7.引導(dǎo)輪
履帶式三七收獲機是一種用于根莖類中藥材作物收獲作業(yè)的農(nóng)用機械,根據(jù)農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展與要求,履帶式三七收獲機必須具備以下功能:(1)自動化水平較高;(2)整機結(jié)構(gòu)必須緊湊。為達(dá)到上述目的,在履帶式三七收獲機車身處設(shè)計研發(fā)了一套遙控控制系統(tǒng),采用螺桿平行升降的方式對挖掘部件實現(xiàn)升降,整個履帶式三七收獲機在工作中都是由遠(yuǎn)程遙控實現(xiàn)控制,使履帶式三七收獲機的自動化水平大幅度提升。
表1 履帶行走系統(tǒng)參數(shù)
在進(jìn)行履帶式三七收獲機動力學(xué)仿真建模時,首先必須對履帶式三七收獲機進(jìn)行必要的簡化,忽略相關(guān)焊縫和螺栓,去除對履帶式三七收獲機重心影響較小的設(shè)備(如遙控控制系統(tǒng)中的控制器、變頻器等)。參照所設(shè)計的履帶行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖(見圖2)、履帶行走系統(tǒng)參數(shù)(表1)、收獲機的基本參數(shù)(表2),利用Recurdyn軟件及Track/LM模塊對履帶式三七收獲機進(jìn)行整體建模。履帶系統(tǒng)由左、右兩側(cè)履帶組成,每側(cè)履帶子系統(tǒng)由1個支撐架、1個驅(qū)動輪、1個引導(dǎo)輪、4個支重輪、1個托帶輪和48塊橡膠履帶板組成。
表2 履帶式三七收獲機參數(shù)
在整個履帶式三七收獲機模型建立完成之后,需要定義收獲機虛擬樣機各部件之間的約束關(guān)系,使其能實現(xiàn)正常的動作。定義后的各個部件之間約束關(guān)系如表3所示。
表3 各部件對應(yīng)約束關(guān)系
為了能更精確地對履帶式三七收獲機進(jìn)行動力學(xué)仿真分析,結(jié)論更加準(zhǔn)確,還在履帶系統(tǒng)各部件連接外定義了對應(yīng)接觸力,以驅(qū)動輪與橡膠履帶接觸力參數(shù)定義為例,如表4所示。
表4 驅(qū)動輪與橡膠履帶接觸力參數(shù)履帶
以本課題的實驗基地石林地區(qū)收獲現(xiàn)場為主要研究對象,分析研究收獲機在三種不同工況下的性能。而地面模型認(rèn)為土壤具有“記憶”功能[9],即考慮加載歷史,每一履帶板與地面之間都有一個廣義力,并由一用戶子程序完成該廣義力的計算[10]。通過對實地調(diào)研及相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀[11-16],得出了收獲路面具體參數(shù)的取值,如表5所示。
表5 路面參數(shù)設(shè)置
履帶式三七收獲機是一個復(fù)雜的非線性多體系統(tǒng)。履帶與地面的擠壓過程是屬于典型的接觸過程,應(yīng)用Recurdyn軟件能求解此類大規(guī)模及復(fù)雜接觸的多體動力學(xué)問題,履帶式三七收獲機按照表5設(shè)置路面參數(shù)、按表6設(shè)置運動仿真參數(shù)。
表6 運動仿真參數(shù)
履帶式三七收獲機的平地直行仿真模型如圖3所示,對其進(jìn)行平地直行工況動力學(xué)仿真。在仿真模擬過程后,對仿真中的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和研究分析,主要針對驅(qū)動輪扭矩、支重輪垂向載荷、質(zhì)心垂向加速度的大小及變化趨勢進(jìn)行分析,仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。
圖3 平地直行仿真模型圖
收獲機在平地直行工況下,左右兩側(cè)驅(qū)動輪所受扭矩一樣,本文以一側(cè)的驅(qū)動輪為例。如圖4所示,可以發(fā)現(xiàn):開始啟動時所需的驅(qū)動力矩較大,啟動后會進(jìn)入相對較為平穩(wěn)的狀態(tài),在=5.13 s、=7.1 s、=8.9 s略有波動,這是因為驅(qū)動輪是通過輪齒與橡膠履帶進(jìn)行嚙合,存在打滑現(xiàn)象,導(dǎo)致瞬間扭矩增大。但是整體而言,驅(qū)動輪扭矩的平均值接近200 Nm,驅(qū)動輪半徑116 mm,可知該側(cè)所需的牽引力為1724 N,同時可以發(fā)現(xiàn)啟動時驅(qū)動輪受到的力矩較大。因而在收獲作業(yè)中,為了避免啟動時出現(xiàn)的較大力矩,一是收獲前留有一小段距離的空載行駛作為緩沖,二是對驅(qū)動電機的控制方案可以采用逐漸增加電機轉(zhuǎn)速的方式。
圖5為履帶行走系統(tǒng)支重輪垂向受力情況,由圖可知:履帶行走系統(tǒng)的四個支重輪受力情況不同,靠近驅(qū)動輪的支重輪受力較大,穩(wěn)定時該支重輪受力大小為5000 N、方向為負(fù)表示垂直向下,其余三個支重輪受力較小,原因在于前端支重輪上會受到驅(qū)動輪和履帶給與的作用力。當(dāng)收獲機工作時受力較大的支重輪磨損較快,因此,使用過程中可將靠近驅(qū)動輪一端的支重輪與其余三個支重輪進(jìn)行對調(diào)使用,以其可增加支重輪的使用壽命。
垂向加速度能夠衡量整機運行平穩(wěn)性,圖6為收獲機質(zhì)心的垂向加速度圖??梢园l(fā)現(xiàn)垂向加速度一直圍繞零點上下波動,垂向加速度的范圍-20 m/s2~15 m/s2,反映出履帶行走系統(tǒng)作為一個機械系統(tǒng),有著復(fù)雜的內(nèi)部作用力,1 s內(nèi)約有10次左右的加速度的方向變化,可知履帶機構(gòu)產(chǎn)生的振動頻率約為10 Hz。
圖4 驅(qū)動輪扭矩
圖5 支重輪垂向力
圖6 質(zhì)心垂向加速度
選取履帶式三七收獲機為研究對象,對其進(jìn)行轉(zhuǎn)彎動力學(xué)仿真,主要針對左驅(qū)動輪扭矩、右驅(qū)動輪扭矩、質(zhì)心位移的變化趨勢進(jìn)行分析,仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7(a)和圖7(b)為左右兩側(cè)驅(qū)動輪上受到的扭矩圖。左側(cè)驅(qū)動輪受到的力矩為0 Nm~750 Nm,但是平均扭矩為300 Nm;右側(cè)驅(qū)動輪受到的力矩為-750 Nm~0 Nm,平均轉(zhuǎn)矩-300 Nm。與平地直行工況比較可知,轉(zhuǎn)彎工況下需要的扭矩大于平地直行工況下的扭矩,仿真為驅(qū)動電機的選擇提供依據(jù)。同樣,在轉(zhuǎn)彎工況下,驅(qū)動電機的控制方案也可以采用逐漸增加電機轉(zhuǎn)速的方式,避免在開始啟動時產(chǎn)生較大力矩。
圖8為原地轉(zhuǎn)向情況下收獲機質(zhì)心在水平面內(nèi)的位移圖,由圖可得:質(zhì)心位置會隨運動而發(fā)生變化,在轉(zhuǎn)向過程中存在滑移,收獲機旋轉(zhuǎn)一圈,質(zhì)心位移移動范圍在100 mm直徑的圓形區(qū)域內(nèi),為溫室內(nèi)狹窄空間的轉(zhuǎn)彎性能提供了參考。
圖7 轉(zhuǎn)彎時驅(qū)動輪扭矩
圖8 質(zhì)心在水平面內(nèi)的位移
根據(jù)現(xiàn)場收獲地形特點,在軟件中建立寬為1500 mm、高為50 mm的虛擬種植槽,對收獲機的越障工況進(jìn)行仿真分析,建立越障仿真模型如圖9所示。對收獲機在越障工況下的質(zhì)心水平速度、質(zhì)心垂直位移進(jìn)行分析,仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。
圖9 收獲機越障工況仿真模型
質(zhì)心的變化情況體現(xiàn)了收獲機在此工況下的性能,如圖10、圖11所示。質(zhì)心垂向位移的曲線剛開始迅速下降,之后快速上升,最后趨于平穩(wěn)狀態(tài),這樣的曲線分別對應(yīng)了收獲機從一側(cè)的水平面上行駛?cè)敕N植槽,從種植槽行駛到另一側(cè)水平面,最后平穩(wěn)狀態(tài)運行。結(jié)果表明:收獲機能夠順利地穿越種植槽,履帶行走機構(gòu)設(shè)計合理,該機構(gòu)能夠適應(yīng)一定的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。在行駛速度為0.75 m/s時,收獲機垂直方向的位移幅度為160 mm,在收獲機剛進(jìn)入種植槽時質(zhì)心水平速度發(fā)生急劇變化,駛出種植時變化較小。水平前進(jìn)速度波動較大,能夠反映收獲機穿過種植槽時穩(wěn)定性較低,有較大的晃動幅度,此時可以考慮調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速,以增強越障行駛的穩(wěn)定性。
圖10 質(zhì)心的水平速度
圖11 質(zhì)心的垂直位移
針對三七收獲現(xiàn)場的路面情況,根據(jù)履帶式車輛的優(yōu)點,設(shè)計了一款履帶式三七收獲機?;赗ecurdyn建立了履帶式三七收獲機在不同工況下行走的簡化模型,施加約束、接觸力及運動關(guān)系,由仿真結(jié)果分析可知:
(1)在平地直行工況下,得到了驅(qū)動輪扭矩為200 Nm、支重輪承受載荷情況、質(zhì)心垂向加速度的變化情況。由仿真結(jié)果分析可知,在收獲時整機性能良好;
(2)通過轉(zhuǎn)彎工況對收獲機左右驅(qū)動輪扭矩、質(zhì)心在水平上的位移變化趨勢進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明:得到了驅(qū)動輪扭矩為300 Nm,收獲機質(zhì)心會發(fā)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象,原地轉(zhuǎn)向一周時質(zhì)心偏移量在直徑為100 mm的圓形范圍內(nèi),能夠滿足收獲場地的條件;
(3)收獲機的越障工況仿真結(jié)果表明:收獲機能夠順利通過種植槽,但收獲機在駛?cè)敕N植槽時質(zhì)心水平速度波動較大,意味著收獲機有較大晃動;
(4)利用多體動力學(xué)仿真軟件Recurdyn對履帶式三七收獲機在三種不同收獲工況下進(jìn)行仿真分析,結(jié)果驗證了模型的正確性,滿足設(shè)計要求,同時也為履帶式三七收獲機的進(jìn)一步改進(jìn)與設(shè)計提供了理論參考依據(jù)。
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Performance Analysis of Tracked Panax Notoginseng Harvester under Different Operating Conditions Based on Recurdyn
LI Han-qing1,2, DU Zong-lin1,2, ZHANG Zhao-guo1,2*, TANG Jin-xin1,2, LIU Wei-jian1,2
1.650500,2.650500,
According to the topographic characteristics of Panax notoginseng harvesting site, a crawler type Panax notoginseng harvester was designed on the basis of traditional wheel type Panax notoginseng harvester. Track (LM), a subsystem of multi-body dynamics simulation software, is used to establish the dynamic model of this harvester. and the model is used to make simulation analyses including focus on the dynamic performance of the harvester under three different running conditions, the stability of a whole harvester is also evaluated. Under the condition of flat and straight running, the driving wheel torque, the force on the supporting wheel and the vertical acceleration of the center of mass of the harvester are simulated and analyzed; under the condition of turning, the driving wheel torque and the displacement of the center of mass in the horizontal are simulated and analyzed; under the condition of obstacle crossing, the horizontal velocity and the vertical displacement of the center of mass of the harvester are simulated and analyzed. The simulation results show that the whole machine model is valid and satisfied with the design requirement. Also, the harvester is relatively stable under three different conditions. Meanwhile, according to the analysis of the research results, several measures to prolong the life of track are proposed as well, which provides a theoretical reference for the development and use of the track harvester.
Panax notoginseng harvester; performance analysis
S225.7+9
A
1000-2324(2021)06-1028-07
2019-09-16
2019-11-12
三七機械化挖掘收獲工作機理與關(guān)鍵技術(shù)研究(51868023);克服三七連作障礙技術(shù)體系構(gòu)建及應(yīng)用(2016FZ001)
李漢青(1993-),男,碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備設(shè)計與制造研究. E-mail:lhq199308@163.com
通訊作者:Author for correpondence. E-mail:zhaoguozhang@163.com