基于ADAMS的玉米莖稈與收獲割臺仿真

郭君娣，伍德林，陳黎卿

(安徽農業大學 工學院，合肥　230036)

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基于ADAMS的玉米莖稈與收獲割臺仿真

郭君娣，伍德林，陳黎卿

(安徽農業大學 工學院，合肥230036)

摘要：莖稈折斷在玉米收獲過程中已成為一個迫切需要解決的問題。為此，通過ADAMS/VIEW拉伸法建立玉米莖稈柔性體模型，利用Pro/E建立割臺三維模型，導入Adams后添加相應約束和驅動進行仿真。仿真結果表明：分禾器外表面過渡處越平滑，植株越不易被推倒，減少了玉米莖稈的折斷的幾率。同時，通過虛擬正交試驗，得到拉莖輥轉速和機器行走速度的最優組合為n=900r/min，v=2.16km/h，可以降低對玉米莖稈的損傷程度，減少折斷玉米莖稈的幾率。

關鍵詞：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現機械化，但收獲機械化卻較為薄弱[1]，不分行收獲問題一直被視為玉米收獲機發展的瓶頸。同時，玉米機械化收獲中產生損傷和損失也阻礙收獲機械化的發展[2-3]。其中，玉米莖稈折斷問題在玉米收獲機械化中的影響日趨嚴重，斷莖稈較多，一定程度上影響了摘穗率，并且使得后續處理的故障率增高[4]。

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，更重要的影響是收獲機的收獲方式與運行速度等機械因素[5]。作業過程中，玉米收獲機分禾器平滑度、作業速度和拉莖輥轉速等因素對玉米莖稈與收獲機割臺作用的性能影響比較大[6]。若分禾器過渡處不平滑將導致玉米莖稈在還未進入拉莖區時被分禾器推倒；或是玉米莖稈進入拉莖區后，由于拉莖輥轉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，導致玉米莖稈折斷，摘穗未成功。

本文運用ADAMS對玉米莖稈與收獲機割臺的分禾器和拉莖輥進行仿真，并通過虛擬正交試驗分析玉米莖稈在拉莖過程中受到的接觸力，判定導致玉米莖稈折斷的主要因素，為解決玉米收獲機割臺分禾器結構設計和拉莖輥性能參數提供理論依據。

1玉米莖稈柔性體的建立

由玉米拉莖輥機構的拉莖原理知，工作中拉莖輥要對玉米莖稈進行拉引碾壓，莖稈會產生彈性變形和塑性變形，所以仿真時需先將莖稈柔性化[7-8]。本文將玉米莖稈的自然因素對玉米莖稈折斷影響弱化，主要考慮機械因素，故將玉米莖稈模型建立成簡單、規則的圓柱型，可用ADAMS軟件自帶的柔性化模塊 ADAMS/ViewFlex 來實現；在Adams中直接創建玉米莖稈的MNF文件，采用拉伸法創建玉米莖稈的柔性體。

通過查閱資料[9-10]，仿真時取玉米秸稈高度為2 060mm，平均直徑25mm，平均結穗高度1 060mm。確定玉米莖稈的材料，其泊松比為0.33，模量為1.1E+10N/m2，密度為450kg/m3，生成的玉米植株柔性模型如圖1所示。

創建、定義啞物體，并將柔性體莖稈和啞物體固結在一起；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[11]。

2玉米莖稈與分禾器作用的仿真

2.1玉米莖稈的運動過程

玉米收獲機割臺在工作過程中，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域；然后拉莖輥導錐引導莖稈，將其輔助喂入拉莖輥間隙，此時旋向相反的兩對應拉莖輥使得莖稈在兩輥之間沿軸向移動時被向下拉伸。

把利用Pro/E建立的玉米收獲機割臺的三維模型導入到ADAMS/View中，對其部件的屬性進行重新設置。模擬玉米莖稈在收獲割臺中的運動情況，將玉米莖稈分別與分禾器、拉莖輥進行仿真，分析得出導致莖稈折斷的主要因素。

圖1　生成的玉米莖稈柔性體

2.2玉米莖稈與分禾器動力學仿真分析

分禾器是玉米收獲機中重要的工作部件，能夠將玉米植株送入拉莖喂入裝置，以完成玉米收獲的任務[12-13]。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入拉莖區；但若分禾器的過渡處不平滑，則易將玉米莖稈推倒，導致玉米莖稈還未進入拉莖區域就已經折斷。本文利用Adams對玉米莖稈與收獲機分禾器進行仿真分析，建立過渡處不同平滑度的分禾器三維模型如圖2和圖3所示；然后，分別導入 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律。

圖2　過渡處不平滑的分禾器三維模型

圖3　過渡處平滑的分禾器三維模型

圖4～圖6 所示的曲線為玉米莖稈的柔性體與過渡處不平滑分禾器作用在X、Y、Z方向上位移隨時間的變化圖。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，相對平緩，但是振動幅度稍大；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0.15s的時刻，Y方向的位移瞬間驟減，可以得出在0.15s時，玉米莖稈受到較大振動，且后期一直處于不穩定振動，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，且振動幅度很小，玉米莖稈在分禾器的作用下逐漸向內運動，在此方向上對玉米秸稈的作用較合理，未出現碰觸現象。

圖4　柔性體X方向位移-時間變化規律

圖5　柔性體Y方向位移-時間變化規律

圖6　柔性體Z方向位移-時間變化規律

圖7～圖9所示的曲線為玉米莖稈的柔性體與過渡處平滑分禾器作用，在X、Y、Z方向上位移隨時間的變化圖。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，振動幅度依然很小。綜上所述，過渡處平滑的分禾器對玉米莖稈的作用較合理，未出現碰觸現象，減少了在分禾器階段玉米莖稈折斷的幾率。

圖7　柔性體X方向位移-時間變化規律

圖8　柔性體Y方向位移-時間變化規律

圖9　柔性體Z方向位移-時間變化規律

3玉米莖稈與拉莖輥作用的仿真

拉莖輥是玉米收獲機核心機構，對于拉莖輥的研究也是頗多，得出其最佳工作傾角為30°[14-15]。本文在傾角為30°的前提下，重點分析不同拉莖輥轉速和行走速度下，玉米莖稈所受到的接觸力。將拉莖輥機構導入ADAMS，然后定義方向，調整拉莖輥機構在ADAMS界面下的位置[16]：X軸負方向是機器前進方向，Y軸正方向為垂直地面向上，以右手原則定義Z軸正方向。建立玉米莖稈和拉莖輥作用的仿真模型，如圖10 所示。

圖10　玉米莖稈和拉莖輥作用的仿真模型

柔性體莖稈建立后，施加移動副、轉動副(相對于地面)，以及移動驅動、轉動驅動及驅動方程，設定仿真參數：仿真時間為1s，步長選為0.01。由于拉莖輥的轉速與機器的行走速度是影響玉米莖稈折斷的主要因素，選取拉莖輥轉速為A，整機行走速度為B作為試驗因素，通過2因素5水平的虛擬正交試驗，對玉米莖稈在拉莖過程中受到的接觸力進行仿真，如表1所示。

玉米莖稈與拉莖輥在不同轉速和行走速度下接觸力隨時間變化曲線如圖11所示。

表1　虛擬正交試驗的因素與水平表

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

(k)

(l)

(m)

(n)

(o)

圖11中：(a)n=600r/min，v=1.8km/h；(b)n=600r/min，v=2.16km/h；(c)n=600r/min，v=3.6km/h；(d)n=800r/min，v=1.8km/h；(e)n=800r/min，v=2.16km/h；(f)n=800r/min，v=3.6km/h；(g)n=900r/min，v=1.8km/h；(h)n=900r/min，v=2.16km/h；(i)n=900r/min，v=3.6km/h；(j)n=1 000r/min，v=1.8km/h；(k)n=1 000r/min，v=2.16km/h；(l)n=1 000r/min，v=3.6km/h；(m)n=1 200r/min，v=1.8km/h；(n)n=1 200r/min，v=2.16km/h；(o)n=1 200r/min，v=3.6km/h。

由圖11可知：縱向比較不同的轉速，當800≤n≤900r/min時，玉米莖稈平均受到的接觸力相對較小，且較均穩，對玉米莖稈的損傷??；隨著轉速增大，當n≥1 000r/min時，玉米莖稈平均受到的接觸力較大，且變動幅度很大，尤其是在莖稈整體進去拉莖輥時，接觸力徒增，易將玉米莖稈折斷；當n≤600r/min時，拉莖輥對玉米莖稈的拉莖時間過長，徒增的接觸力很大，易導致玉米莖稈折斷，堵塞拉莖輥。綜上分析，摘穗的最佳轉速范圍為800≤n≤900r/min。橫向比較當n=800r/min、n=900r/min時不同速度下的接觸力大小，可以看出：當n=900r/min、v=2.16km/h時，所受到的接觸力最小。綜上所述，當拉莖輥的轉速為900r/min，行走速度是2.16km/h時，可以大大減少玉米莖稈在拉莖過程中被折斷的幾率。

4結論

1)利用ADAMS創建玉米莖稈柔性體模型，然后與分禾器和拉莖輥分別作用，進行仿真。

2)仿真結果表明：分禾器的外表面過渡處越平滑，越能降低玉米植株被推倒或折斷的幾率。

3)通過對玉米莖稈與拉莖輥機構進行正交試驗的仿真分析，得到玉米在收獲過程中最優的行走速度和拉莖輥轉速組合為n=900r/min，v=2.16km/h。此時，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。

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0080-EA

Simulation of Maize Culm with Harvester Header Based on ADAMS

Guo Jundi, Wu Delin, Chen Liqing

(College of Engineering,Anhui Agricultural University,Hefei 230036，China)

Abstract：Maize culm snapped has become an urgent problem to be solved in the course of the corn harvest.The flexible body of maize culm was being created by ADAMS/VIEW Extrusion. The model of maize harvester header was established with Proe.And then, these models were imported into the ADAMS environment to create the virtual prototyping models including the appropriate constraints and motion,and drive simulation.Simulation results show that: the divider outside the smoother surface transitions,the plant can not easily be torn down, reducing the chance of snapped the maize culm.Through virtual orthogonal experiment, snapping roller rotational speed and travel speed of the optimal combination for n=900r/min,v=2.16km/h, can reduce the extent of damage to the corn stalk, reducing the chance of snapped the maize culm.

Key words：maize culm; divider; snapping roller; snap

文章編號：1003-188X(2016)03-0080-06

中圖分類號：S225.5+1

文獻標識碼：A

作者簡介：郭君娣(1987-)，女，安徽蚌埠人，碩士研究生，(E-mail)602430315@qq.com。通訊作者：伍德林(1970-)，男，安徽安慶人，副教授，碩士生導師，(E-mail)wudelin@126.com。

基金項目：安徽省高校自然科學重點項目(KJ2014A080)

收稿日期：2015-04-03