基于Recurdyn的履帶式三七收獲機(jī)不同收獲工況性能分析

李漢青,杜宗霖,張兆國(guó)*,唐金鑫,劉偉健

基于Recurdyn的履帶式三七收獲機(jī)不同收獲工況性能分析

李漢青1,2,杜宗霖1,2,張兆國(guó)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(jī)械化工程研究中心, 云南 昆明 650500

針對(duì)三七收獲地形的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)輪式三七收獲機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款履帶式三七收獲機(jī)。利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Recurdyn中的子系統(tǒng)Track (LM)建立該收獲機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)所建立的模型進(jìn)行仿真分析，著重對(duì)收獲機(jī)在三種不同行走工況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能仿真，并判斷整機(jī)的穩(wěn)定性能。在平地直行工況下，對(duì)收獲機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(duì)收獲機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(duì)收獲機(jī)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(jī)模型有效，得出了收獲機(jī)在三種不同工況下性能都較穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，通過對(duì)本次研究結(jié)果的分析，提出了幾點(diǎn)延長(zhǎng)履帶壽命的措施，為履帶式收獲機(jī)的研制和使用提供了理論參考。

三七收獲機(jī); 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(jī)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(duì)三七收獲機(jī)需求的提高[1,2]，因此，履帶式三七收獲機(jī)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(chǎng)調(diào)研結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)地形特點(diǎn)，在傳統(tǒng)輪式收獲機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款履帶式三七收獲機(jī)(圖1)。

對(duì)履帶式車輛的研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者均取得了一定的成果：Yamakawa J[3]針對(duì)履帶式車輛在不同行駛路面，當(dāng)車滑移率發(fā)生變化時(shí)對(duì)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(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行驗(yàn)證；Matej J[4]對(duì)影響履帶式車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性因素進(jìn)行了分析，搭建了非線性動(dòng)力學(xué)的模型，對(duì)不同載荷作用下的機(jī)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(dòng)力學(xué)模型，對(duì)軟硬兩種路面的運(yùn)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(dòng)力學(xué)模型，重點(diǎn)是對(duì)整車的高速運(yùn)行在軟質(zhì)路面發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)的整車動(dòng)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(jī)動(dòng)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(dòng)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(jī)為研究對(duì)象（見圖1），利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Recurdyn進(jìn)行建模，對(duì)收獲機(jī)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(duì)收獲機(jī)在三種不同工況下驅(qū)動(dòng)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。

1 履帶式三七收獲機(jī)動(dòng)力學(xué)建模

1.1 履帶行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

履帶式三七收獲機(jī)行走系統(tǒng)由兩組橡膠履帶機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示，包括橡膠履帶、驅(qū)動(dòng)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(jī)后方，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要前置，因此驅(qū)動(dòng)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(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，通過履帶的卷繞運(yùn)動(dòng)獲得地面的摩擦力，方向與前進(jìn)方向相同，推動(dòng)收獲機(jī)前進(jìn)。其中驅(qū)動(dòng)輪獲得傳動(dòng)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?，從而帶?dòng)輪系轉(zhuǎn)動(dòng)。支重輪在橡膠履帶面上自由滾動(dòng)、支撐收獲機(jī)的重力，同時(shí)，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(jī)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(jì)履帶行走系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

1.驅(qū)動(dòng)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

1.2 履帶式系統(tǒng)參數(shù)化建模

履帶式三七收獲機(jī)是一種用于根莖類中藥材作物收獲作業(yè)的農(nóng)用機(jī)械，根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展與要求，履帶式三七收獲機(jī)必須具備以下功能：（1）自動(dòng)化水平較高；（2）整機(jī)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(jī)車身處設(shè)計(jì)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(duì)挖掘部件實(shí)現(xiàn)升降，整個(gè)履帶式三七收獲機(jī)在工作中都是由遠(yuǎn)程遙控實(shí)現(xiàn)控制，使履帶式三七收獲機(jī)的自動(dòng)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(jī)動(dòng)力學(xué)仿真建模時(shí)，首先必須對(duì)履帶式三七收獲機(jī)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，忽略相關(guān)焊縫和螺栓，去除對(duì)履帶式三七收獲機(jī)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(jì)的履帶行走機(jī)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(jī)的基本參數(shù)(表2)，利用Recurdyn軟件及Track/LM模塊對(duì)履帶式三七收獲機(jī)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(gè)支撐架、1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、1個(gè)引導(dǎo)輪、4個(gè)支重輪、1個(gè)托帶輪和48塊橡膠履帶板組成。

表2 履帶式三七收獲機(jī)參數(shù)

1.3 虛擬樣機(jī)施加約束與路面設(shè)置

在整個(gè)履帶式三七收獲機(jī)模型建立完成之后，需要定義收獲機(jī)虛擬樣機(jī)各部件之間的約束關(guān)系，使其能實(shí)現(xiàn)正常的動(dòng)作。定義后的各個(gè)部件之間約束關(guān)系如表3所示。

表3 各部件對(duì)應(yīng)約束關(guān)系

為了能更精確地對(duì)履帶式三七收獲機(jī)進(jìn)行動(dòng)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(duì)應(yīng)接觸力，以驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪與橡膠履帶接觸力參數(shù)履帶

以本課題的實(shí)驗(yàn)基地石林地區(qū)收獲現(xiàn)場(chǎng)為主要研究對(duì)象，分析研究收獲機(jī)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(gè)廣義力，并由一用戶子程序完成該廣義力的計(jì)算[10]。通過對(duì)實(shí)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

2 履帶式三七收獲機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真分析

履帶式三七收獲機(jī)是一個(gè)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(dòng)力學(xué)問題，履帶式三七收獲機(jī)按照表5設(shè)置路面參數(shù)、按表6設(shè)置運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)。

表6 運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)

2.1 平地直行工況分析

履帶式三七收獲機(jī)的平地直行仿真模型如圖3所示，對(duì)其進(jìn)行平地直行工況動(dòng)力學(xué)仿真。在仿真模擬過程后，對(duì)仿真中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和研究分析，主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)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(shì)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(jī)在平地直行工況下，左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪所受扭矩一樣，本文以一側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪為例。如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)：開始啟動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩較大，啟動(dòng)后會(huì)進(jìn)入相對(duì)較為平穩(wěn)的狀態(tài)，在=5.13 s、=7.1 s、=8.9 s略有波動(dòng)，這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)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(dòng)輪扭矩的平均值接近200 Nm，驅(qū)動(dòng)輪半徑116 mm，可知該側(cè)所需的牽引力為1724 N，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪受到的力矩較大。因而在收獲作業(yè)中，為了避免啟動(dòng)時(shí)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(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方案可以采用逐漸增加電機(jī)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(gè)支重輪受力情況不同，靠近驅(qū)動(dòng)輪的支重輪受力較大，穩(wěn)定時(shí)該支重輪受力大小為5000 N、方向?yàn)樨?fù)表示垂直向下，其余三個(gè)支重輪受力較小，原因在于前端支重輪上會(huì)受到驅(qū)動(dòng)輪和履帶給與的作用力。當(dāng)收獲機(jī)工作時(shí)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(dòng)輪一端的支重輪與其余三個(gè)支重輪進(jìn)行對(duì)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(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性，圖6為收獲機(jī)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(diǎn)上下波動(dòng)，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(gè)機(jī)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(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率約為10 Hz。

圖4 驅(qū)動(dòng)輪扭矩

圖5 支重輪垂向力

圖6 質(zhì)心垂向加速度

2.2 轉(zhuǎn)彎工況分析

選取履帶式三七收獲機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)彎動(dòng)力學(xué)仿真，主要針對(duì)左驅(qū)動(dòng)輪扭矩、右驅(qū)動(dòng)輪扭矩、質(zhì)心位移的變化趨勢(shì)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(dòng)輪上受到的扭矩圖。左側(cè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)電機(jī)的選擇提供依據(jù)。同樣，在轉(zhuǎn)彎工況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方案也可以采用逐漸增加電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，避免在開始啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大力矩。

圖8為原地轉(zhuǎn)向情況下收獲機(jī)質(zhì)心在水平面內(nèi)的位移圖，由圖可得：質(zhì)心位置會(huì)隨運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化，在轉(zhuǎn)向過程中存在滑移，收獲機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，質(zhì)心位移移動(dòng)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(shí)驅(qū)動(dòng)輪扭矩

圖8 質(zhì)心在水平面內(nèi)的位移

2.3 越障工況分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收獲地形特點(diǎn)，在軟件中建立寬為1500 mm、高為50 mm的虛擬種植槽，對(duì)收獲機(jī)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(duì)收獲機(jī)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(jī)越障工況仿真模型

質(zhì)心的變化情況體現(xiàn)了收獲機(jī)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(duì)應(yīng)了收獲機(jī)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(yùn)行。結(jié)果表明：收獲機(jī)能夠順利地穿越種植槽，履帶行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，該機(jī)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(shí)，收獲機(jī)垂直方向的位移幅度為160 mm，在收獲機(jī)剛進(jìn)入種植槽時(shí)質(zhì)心水平速度發(fā)生急劇變化，駛出種植時(shí)變化較小。水平前進(jìn)速度波動(dòng)較大，能夠反映收獲機(jī)穿過種植槽時(shí)穩(wěn)定性較低，有較大的晃動(dòng)幅度，此時(shí)可以考慮調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以增強(qiáng)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

3 結(jié)論

針對(duì)三七收獲現(xiàn)場(chǎng)的路面情況，根據(jù)履帶式車輛的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款履帶式三七收獲機(jī)?；赗ecurdyn建立了履帶式三七收獲機(jī)在不同工況下行走的簡(jiǎn)化模型，施加約束、接觸力及運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)整機(jī)性能良好；

（2）通過轉(zhuǎn)彎工況對(duì)收獲機(jī)左右驅(qū)動(dòng)輪扭矩、質(zhì)心在水平上的位移變化趨勢(shì)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：得到了驅(qū)動(dòng)輪扭矩為300 Nm，收獲機(jī)質(zhì)心會(huì)發(fā)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，原地轉(zhuǎn)向一周時(shí)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(chǎng)地的條件；

（3）收獲機(jī)的越障工況仿真結(jié)果表明：收獲機(jī)能夠順利通過種植槽，但收獲機(jī)在駛?cè)敕N植槽時(shí)質(zhì)心水平速度波動(dòng)較大，意味著收獲機(jī)有較大晃動(dòng)；

（4）利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Recurdyn對(duì)履帶式三七收獲機(jī)在三種不同收獲工況下進(jìn)行仿真分析，結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性，滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為履帶式三七收獲機(jī)的進(jìn)一步改進(jìn)與設(shè)計(jì)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(jī)械化挖掘收獲工作機(jī)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(jī)械裝備設(shè)計(jì)與制造研究. E-mail:lhq199308@163.com

通訊作者:Author for correpondence. E-mail:zhaoguozhang@163.com