丘陵山區玉米收獲機車身穩定性能仿真分析

金　鑫，杜新武，李倩文，王世光，呂黃珍

(1.河南科技大學 農業工程學院，河南 洛陽　471003；2.中國農業機械化科學研究院，北京　100083)

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丘陵山區玉米收獲機車身穩定性能仿真分析

金鑫1，杜新武1，李倩文1，王世光2，呂黃珍2

(1.河南科技大學 農業工程學院，河南 洛陽471003；2.中國農業機械化科學研究院，北京100083)

摘要：小型玉米收獲機在丘陵地帶工作，面臨的最主要問題是側翻和爬坡。針對此問題，對丘陵山區玉米收獲機械整機的穩定性能進行了研究分析。通過對整機作業關鍵模型參數的調整，基于ADMAS軟件建立虛擬仿真環境，并對G型玉米收獲機在不同坡度上的側翻、爬坡性能進行了虛擬仿真。仿真結果表明：15°坡度是G型玉米收獲機發生側翻的臨界值，且其最大爬坡能力為5°坡度，旨在為以后小型玉米收獲機械的設計和研究提供理論參考依據。

關鍵詞：玉米收獲機；側翻和爬坡；穩定性能；丘陵山區

0引言

玉米是世界三大谷物之一，在我國的年種植面積近0.27億hm2[1]，已是我國僅次于小麥的主要糧食作物，并且已形成三大玉米生產區[2-3]：一是北方玉米區，包括吉林、黑龍江、遼寧、河北等省市，播種面積占全國40%；二是黃淮平原春夏玉米區，包括山東、河南、江蘇等省市，播種面積占25%；三是西南丘陵玉米區，包括云南、貴州等省，約占播種面積的15%。三大玉米產區種植面積占全國80%以上。隨著農業機械化的發展，玉米收獲已成為制約全國農業機械化發展的瓶頸之一。

作為玉米種植生產區之一的丘陵山區，其玉米收獲機械化仍嚴重滯后。目前，市場上的玉米收獲機械還不能很好地適合丘陵地區的玉米收獲，因此丘陵山區的玉米種植和收獲仍然基本沿用手工方式，勞動強度非常大，給當地農民造成了沉重的負擔，而且也嚴重阻礙了玉米的種植及生產。所以，急需研制出一種適用于丘陵山區的玉米收獲機械。

本論文擬用三維軟件設計出適合在丘陵山區工作的小型玉米收獲機的數字化樣機，并進行虛擬仿真分析，為課題后續研究與制造提供一定的理論依據。

1玉米收獲機虛擬模型

1.1　三維模型建立

本文以G型小型玉米收獲機為研究對象，該機型由割臺和拖拉機兩大部分組成。其中，割臺用來進行玉米的收獲，拖拉機用來為割臺提供動力。因此，在玉米收獲機的建模過程中，需要分別對割臺和拖拉機進行三維建模[4-5]。

該G型玉米收獲機選用的是新翔牌xx-280小四輪拖拉機，拖拉機的主要參數如表1所示。割臺中，摘穗輥、撥禾輪和分禾器參數分別如表2～表4所示。根據參數，建立各部裝模型并且裝配成整機，如圖1所示。

圖1　小型玉米收獲機整機三維模型

拖拉機參數單位數值總長mm2280總寬mm968總高mm1240前輪直徑mm400

續表1

表2　摘穗輥參數

表3　撥禾輪參數

表4　分禾器參數

1.2　仿真模型構建

把玉米收獲機械三維模型導入到ADAMS仿真模擬軟件后，通過機構之間的約束建立虛擬模型之間的相對運動關系。

為了更真實反應整機運動情況，除了基本的機構間運動約束外，還要構建機器的輪胎和路面模型。國內外學者在建立輪胎模型方面做了很多研究工作，建立了Fiala模型、Frank模型、Sakai模型及Pacejka模型。由于Fiala模型在試驗時所需試驗測試數據較少，而且精度也相對較高[6-7]，故本文仿真試驗中采用的輪胎模型是Fiala模型。

以ADAMS自帶Fiala輪胎模型和路面模型文件的為基礎，按照輪胎的參數修改輪胎模型mdi_fiala01.tir中的特征參數，再把路面文件mdi_2d_flat02.rdf中的長度和寬度修改為合適值，爬坡時選擇爬坡路面文件3D_flat.rdf，并建立好輪胎和路面約束，最終得到仿真模型圖如圖2所示。

圖2　玉米收獲機的ADAMS仿真模型

2玉米收獲機整機運動仿真分析

小型玉米收獲機在丘陵地帶的工作，面對的最主要問題就是側翻問題和爬坡問題。整機仿真分析的目的，就是通過整機在不同坡度上的運動仿真，得出整機質心的位置隨運動的變化規律，比較整機在平地和坡度不同情況下的運動情況[8]。

前文已經為整機添加了路面、輪胎，因此在這里給整機一個驅動，整機便可以在平地上進行運動了。除此之外，本文還自己編寫了5°、15°、25°路面譜文件，通過坡度觀察整機的運動情況。

2.1　整機在平地上的運動仿真

整機在平地上的工作仿真曲線如圖3所示，整機質心Y軸位移和整機質心前進方向速度隨時間變化如圖4和圖5所示。由圖4和圖5中可以看出：整機重心在垂直方向基本穩定在562.5mm；在收獲機剛開始工作時，由于輪胎和路面的接觸，以及前面割臺質量的影響，整機前進速度在收獲機啟動時波動較大。

圖3　整機在平地工作時的仿真

圖4　整機質心Y軸位移-時間變化圖

圖5　整機質心前進方向速度-時間變化圖

2.2　整機在不同坡度的路面的側翻工作仿真

1)5°坡度整機工作仿真如圖6所示。

圖6　5°坡度時整機工作仿真

整機質心在Y軸方向上位移隨時間的變化如圖7所示。

圖7　5°坡度質心Y軸位移-時間變化圖

2)15°坡度整機側翻工作仿真如圖8所示，整機質心在Y軸方向上位移隨時間的變化如圖9所示。

圖8　15°坡度整機工作仿真

圖9　15°坡度質心Y軸位移-時間變化圖

3)25°坡度整機側翻工作仿真如圖10所示，整機質心在Y軸方向上位移隨時間的變化如圖11所示。

圖10　25°坡度整機工作仿真圖

圖11　25°坡度整機質心Y軸位移-時間變化圖

通過仿真，可以測出不同工作情況下整機重心的位置如下：

1)平地時整機重心的位置為(836, 565, -296)；

2)5°坡度時整機重心為(841, 380, 595)；

3)15°坡度時整機重心為(851, 250, 581)；

4)25°坡度仿真失敗，整機重心在Y軸方向上仿真進行到0.1S時驟然下降。因此，整機不能在坡度為25°的斜坡上正常工作。

2.3　整機在坡度路面的爬坡工作仿真

將整機放在坡度為5°的地面上進行爬坡仿真，如圖12所示。其仿真失敗，觀察可知是前方摘穗輥布置不當，使得整機在爬坡時像下傾斜，從而無法進行正常的收獲作業。因此，割臺的布置不當是此款收獲機最嚴重的問題。

圖12　整機在5度坡度上的爬坡仿真

圖13是整機在5°的坡度路面上爬坡時Y軸方向的質心隨時間的變化規律。

圖13　質心在Y軸方向的位移-時間變化圖

3結論

通過對ADAMS自帶的路面譜文件進行修整，編寫了不同坡度的路面譜，并建立了輪胎源文件模型。對小型玉米收獲機在不同坡度上的側翻、爬坡性能進行了仿真，結果表明：15°坡度是G型玉米收獲機發生側翻的臨界值，在5°坡度上機具已經不能正常進行爬坡工作。

參考文獻：

[1]于志剛，王洪濤．我國玉米收獲機械化分析[J]．農機使用與維修，2008(6):82-83．

[2]楊紅旗，路鳳銀，郝仰坤，等．中國玉米產業現狀與發展問題探討[J]．中國農學通報，2011, 27(6):368-373．

[3]張喜瑞，董佑福．我國玉米收獲機械化的現狀與發展趨勢[J]．農機推廣與安全：綜合版，2006(5):10-12．

[4]杜岳峰，朱忠祥，毛恩榮，等．基于ADAMS的丘陵山地小型玉米收獲機仿真[J]．農業機械學報，2011, 42(11): 1-5．

[5]云善良，張士新．基于虛擬樣機技術的玉米收獲機撥禾輪運動仿真分析[J]．農業裝備與車輛工程，2010, 229(8): 13-15．

[6]任衛群．車-路系統動力學中的虛擬樣機—MSC.ADAMS軟件應用實踐[M]．北京：電子工業出版社，2005．

[7]王國權，許先鋒，王蕾，等．汽車平順性的虛擬樣機試驗[J]．農業機械學報，2003, 34(3):26-28, 34．

[8]仇高賀．小型甘蔗收割機底盤的虛擬設計及仿真研究[D]．南寧：廣西大學，2006．

Abstract ID:1003-188X(2016)10-0060-EA

Simulation Analysis of the Stability Performance for Small Corn Harvesting Machine in Hilly Terrain

Jin Xin1, Du Xinwu1, Li Qianwen1, Wang Shiguang2, Lv Huangzhen2

(1.College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract：The main problems of small corn harvester working in hilly terrain are the rollover and climbing problems. To solve this problem, this study has focused on the stability of the corn harvesting machinery working in hilly terrain. The virtual simulation environment of the ADAMS has been established by modify the source file of the tire and the road surface spectrum file. Virtual simulation based on the rollover and climbing performance of the G-type corn harvester with different level of slope has been carried out, which identify that the critical value of the slope for climbing and rollover are five degrees and fifteen degrees respectively. The results obtained provide the theoretical reference for the future design and further research on small corn harvesting machinery.

Key words：corn harvester; rollover and climbing; stability performance； hilly terrain

中圖分類號：S225.5+1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0060-04

作者簡介：金鑫(1986-)，男，河南信陽人，講師，博士，(E-mail)jx.771@163.com。

基金項目：河南省科技攻關項目(122102210564)；河南省產學研合作項目(132107000051)

收稿日期：2015-10-27