履帶式谷物聯合收割機動力總成匹配及仿真研究探討

楊國濤，楊明波，祝成祥

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 266001）

動力總成是車輛系統中最為重要的核心裝置，主要包括發動機和傳動系統。動力總成匹配的合理性與整車的動力性、經濟性、排放性等密切相關。目前，國內外對汽車、工程機械等車輛的動力總成匹配進行了大量實驗和研究，已形成了許多成熟理論、方法和工具。但對于農業機械尤其是履帶式谷物聯合收割機的動力總成匹配研究較少，僅有少數科研單位和生產企業進行了實驗和研究。同時現有的研究主要集中在單一或部分工作裝置的功耗、調速性能的研究上，對發動機的動力性、經濟性匹配鮮有涉及，尚未搭建出發動機、行走裝置及工作裝置相結合的完整履帶式谷物聯合收割機的動力總成模型。在發動機具體參數選擇，發動機與傳動系統、整機喂入量的合理匹配，行走裝置與工作裝置的動力分配、工作裝置的功耗模型細化等方面還待進一步研究。

1 國內研究現狀分析

1.1 工作裝置

脫粒滾筒是履帶式聯合收割機的關鍵部件，直接決定了整機的工作性能，為使其工作效率和工作質量最佳，脫粒滾筒的轉速和負荷都應控制在預期范圍內。為此，許多學者對工作裝置的研究主要集中在脫粒分離裝置上，并對其做了大量的研究，提出了很多實用的理論、模型和可參考的結論。

張認成[1]等利用變質量系統的基本原理，將擠壓、搓擦、沖擊和籽粒分離綜合起來，突破了傳統的滾筒功耗模型建模方法，建立了軸流脫粒裝置的功耗模型，從理論上證明了a[2]的理論值為0.5；并闡明了a的物理意義：反映脫粒空間內谷物的質量變化，出口處莖稿速度降低以及谷物與工作部件表面的摩擦對滾筒功耗的影響程度。從而使滾筒功耗模型得到了完善。李杰[3]等在合理假設的前提下給出了縱向軸流脫粒裝置的數學模型，并利用Matlab軟件對數學模型進行了仿真，得出了縱向軸流脫粒裝置的脫粒分離率是凹板長度的指數函數，較好地反映了脫粒裝置的工作過程。楊方飛等在合理假設的基礎上，建立了谷物在縱向軸流脫分裝置中的喂入段、脫分段凹板及蓋板側的運動狀態非線性微分方程。采用高階龍格-庫塔數值方法，根據自適應變步長技術，開發出谷物脫粒過程運動狀態分析軟件，對谷物運動狀態進行數值模擬，并利用高速攝像試驗分析，驗證了數值仿真結果的有效性。此外還可通過調整脫粒裝置各參數，考察各參數對谷物運動狀態的影響，為縱向軸流滾筒的設計提供了依據。寧小波等針對目前聯合收獲機脫粒調速控制系統仿真設計中所采用的功耗模型的建立僅考慮了單個滾筒的運動狀態，并沒有考慮到其他工作部件運動中脫粒滾筒轉速變化的影響，以及脫出物種雜余含量的影響的問題。將撥禾輪、割臺螺旋輸送器及輸送槽簡化組合為等效裝置1，將清選機構、輸糧螺旋輸送器簡化組合為等效裝置2。同樣在合理的假設前提下，以XG610型聯合收獲機為例，在對運動機構進行較為全面地動力學分析和脫粒分離試驗數據的基礎上，首先建立了脫粒系統的動力學理論模型，并在此基礎上構建了脫粒滾筒調速控制系統的仿真模型。然后利用Matlab軟件進行仿真。最后通過田間試驗對仿真結果進行驗證。試驗結果表明總體變化趨勢與仿真結果相符。該動力模型的建立對脫粒調速控制系統的仿真設計及后續控制算法優化提供參考。

1.2 行走裝置

根據履帶式谷物聯合收割機的使用情況和作業環境要求，行走裝置多采用靜液壓驅動技術。靜液壓傳動系統的應用匹配在其他機械上已經較為成熟，加上目前對履帶式谷物聯合收割機的行駛工況也較為清晰，靜液壓技術在履帶式谷物聯合收割機上應用無技術難度，因此對本部分的研究及仿真不再贅述。

1.3 小結

國內對履帶式谷物聯合收割機的研究及仿真主要集中在脫粒分離系統，相繼提出了一些可應用的理論、模型，給脫粒分離系統設計提供了理論支持。但對于發動機的匹配研究還不多見，未建立集合發動機、脫離分離、行走于一體的仿真模型，對于發動機的匹配選型停留在經驗匹配、田間試驗匹配等傳動手段。并且目前仿真研究中用Matlab的較多，而Ansys、Adams和Amesim這類專業的多學科領域復雜系統仿真軟件未見用于履帶式谷物聯合收割機的系統仿真分析。因此，對于履帶式谷物聯合收割機動力總成的匹配和仿真研究，是發展和改進履帶式谷物聯合收割機的一項極為重要的工作。

2 展望

當下，生態環境保護是我國發展過程中的重大挑戰，2022年底，非道路移動機械排放將升級為四階段。此外，隨著我國種植結構的不斷優化調整，終端市場用戶需求及對機械本身的動力性、經濟性、舒適性將不斷深化。履帶式谷物聯合收割機的發展中必將產生新技術，其中智能化、自動化將會是發展方向。因此，利用具備多學科領域復雜系統的仿真平臺開展對履帶式谷物聯合收割機動力總成匹配及仿真的研究，對于改變目前我國履帶式谷物聯合收割機發動機匹配多以經驗設計和田間試驗為主的局面以及應對排放升級和未來發展趨勢有重要的現實意義。