機(jī)電一體化在小型三行輪式玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)仿真中的應(yīng)用

任 桔

（宜興高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214200）

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要支撐，而機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)?！笆奈濉币?guī)劃中對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)與發(fā)展提出了新的要求，即結(jié)合超大規(guī)模農(nóng)產(chǎn)品的需求和超大規(guī)模人口的現(xiàn)實(shí)狀況，必須要將現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)引入其中，解決一些地區(qū)自然條件不足的問題。機(jī)電一體化技術(shù)將機(jī)械工程和電氣工程相結(jié)合，通過智能化控制與信息化技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)化操作和智能化管理?；诖?，討論了機(jī)電一體化在小型三行輪式玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)仿真中的應(yīng)用，探討其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提升和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推動(dòng)作用。

1 機(jī)電一體化在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的價(jià)值

機(jī)電一體化將信息技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)結(jié)合起來，具有一定的兼容性和普適性，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求和應(yīng)用狀況，用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的性能和功能，使其更好地適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。機(jī)電一體化在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的價(jià)值體現(xiàn)在以下幾方面。

第一，機(jī)電一體化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化監(jiān)控和控制，減少人工操作過程中的安全隱患。例如，通過傳感器和控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)的工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在危險(xiǎn)[1]。

第二，機(jī)電一體化可以通過自動(dòng)化和智能化的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化農(nóng)機(jī)的操作流程，減輕操作人員的負(fù)擔(dān)，提高工作效率[2]。

第三，機(jī)電一體化可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控功能，操作人員可以通過遠(yuǎn)程終端對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行操作和監(jiān)控，提高操作的靈活性和便捷性。

第四，機(jī)電一體化可以通過提高農(nóng)機(jī)的工作效率和生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；妥詣?dòng)化。例如，通過機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的智能化調(diào)度和協(xié)同作業(yè)，提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

第五，機(jī)電一體化還可以提高農(nóng)機(jī)的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，減少生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)和損失，進(jìn)一步提升產(chǎn)能[3]。

2 機(jī)電一體化在小型三行輪式玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)仿真中的應(yīng)用

2.1 調(diào)平機(jī)構(gòu)模型構(gòu)建

研究液壓油缸活塞伸縮長(zhǎng)度與豎直方向升降位移的關(guān)系，需要在已設(shè)計(jì)的調(diào)平機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上建立收獲機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)平模型，并進(jìn)行分析。為了實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)的左右橫向調(diào)平，要對(duì)左前側(cè)、右前側(cè)液壓油缸的伸縮長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以改變左前輪和右前輪相對(duì)于車身上層安裝主架的位置。通過控制液壓油缸的活塞伸縮長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)左右輪的高低調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)的左右橫向平衡[4]。

收獲機(jī)底盤調(diào)平裝置右半部分的結(jié)構(gòu)與連接關(guān)系、以P點(diǎn)為圓點(diǎn)建立的坐標(biāo)系見圖1。圖1 中，BP為液壓油缸；PJ為下擺臂，在BR伸縮的情況下圍繞P點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；P點(diǎn)為右前輪下擺臂和收獲機(jī)車身的連接點(diǎn)；B點(diǎn)為右前液壓油缸和收獲機(jī)上底盤架的連接點(diǎn)；R為油氣缸和下擺臂的連接點(diǎn)；J為右前輪和下擺臂的連接點(diǎn)，也代表垂直方向上的位移，即收獲機(jī)車身右前支撐點(diǎn)位置的升降量。同時(shí)，在坐標(biāo)系中可以用ΔZj表示B支撐點(diǎn)的升降量，根據(jù)模型可以計(jì)算出，液壓油缸所需伸縮量ΔRR'，通過控制油氣缸伸縮量，可實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)車身調(diào)平。

圖1 右前側(cè)調(diào)平機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of the right front levelling mechanism

在ΔPBR中，根據(jù)余弦定理可以得出：

由公式（1）得出：

PJ'是以P點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)而來，設(shè)置J點(diǎn)坐標(biāo)為(xj,zj)，J'點(diǎn)坐標(biāo)為(xJ,zJ)，其中：

由旋轉(zhuǎn)矩陣式（5）可簡(jiǎn)化為式（7），具體情況如下：

其中J'在Z軸的方向坐標(biāo)可以根據(jù)J點(diǎn)在Z軸的方向坐標(biāo)所需升降量獲?。?/p>

旋轉(zhuǎn)角φ大小為：

根據(jù)φ和ψ以及ΔPBR'中PB邊長(zhǎng)和PR'邊長(zhǎng)，根據(jù)余弦定理可以得出BR'邊長(zhǎng)，也就是伸縮后油氣缸的長(zhǎng)度：

根據(jù)三點(diǎn)便捷逐低調(diào)平模型，獲取收獲機(jī)車身調(diào)平各個(gè)支撐點(diǎn)所需垂直方向上的位移，再結(jié)合位移計(jì)算油氣缸伸縮長(zhǎng)度，由控制器控制油氣缸動(dòng)作完成調(diào)平運(yùn)動(dòng)。

2.2 懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模

盡管收獲機(jī)車身調(diào)平系統(tǒng)可以使收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)斜坡中連續(xù)作業(yè)，然而油氣缸相對(duì)動(dòng)作較慢，調(diào)平時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)遇到田間坑洼不平的地面時(shí)，調(diào)平系統(tǒng)可能無法快速應(yīng)對(duì)，導(dǎo)致收獲機(jī)的車輪在調(diào)平動(dòng)作完成之前已經(jīng)越過凸凹地面。這些無規(guī)律的小型凸凹會(huì)對(duì)駕駛員的駕駛作業(yè)產(chǎn)生影響，不僅使機(jī)手顛簸并容易疲勞，還會(huì)對(duì)脫粒清選等作業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，降低收獲機(jī)的作業(yè)質(zhì)量[5]。對(duì)此，需要利用集成制造技術(shù)，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試下，實(shí)現(xiàn)懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模。使用平行四桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車身的穩(wěn)定調(diào)平，使收獲機(jī)在不平地面上保持平穩(wěn)。同時(shí)，油氣缸作為調(diào)平和減振元件，可以通過控制油氣缸的壓力和流量來調(diào)節(jié)左右前輪的位置和減振效果。油氣缸通常使用惰性氣體作為彈性元件，通過油液作為傳力介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)減振和車身調(diào)平功能。當(dāng)車輛在輕微波動(dòng)的路面上行駛時(shí)，惰性氣體的彈性能起到減振效果。當(dāng)車輛行駛在傾斜角度較大的坡面時(shí)，油液會(huì)推動(dòng)油氣缸內(nèi)的活塞伸縮，實(shí)現(xiàn)車身的調(diào)平。油氣缸結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 油氣缸結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Cylinder structure drawing

2.3 仿真分析

懸掛系統(tǒng)在收獲機(jī)田間行駛作業(yè)時(shí)主要負(fù)責(zé)小角度的快速微調(diào)，旨在提高收獲機(jī)行駛作業(yè)的穩(wěn)定性。因此，在仿真驗(yàn)證時(shí)，主要關(guān)注懸掛系統(tǒng)在小角度微調(diào)方面的性能表現(xiàn)。通過在AMEsim 中建立收獲機(jī)的懸掛系統(tǒng)模型，并設(shè)置適當(dāng)?shù)墓r和路面條件，可以模擬收獲機(jī)在田間行駛作業(yè)時(shí)的實(shí)際工況。仿真流程：第一，在AMEsim 中創(chuàng)建一個(gè)新的仿真項(xiàng)目，并設(shè)置時(shí)間和步長(zhǎng)參數(shù)；第二，在仿真模型中添加收獲機(jī)的前輪和雙后車輪，及懸架系統(tǒng)的相關(guān)部件，如前油氣懸架和后彈簧阻尼懸架；第三，設(shè)置前輪和后車輪的大小為0.05 m，并將激勵(lì)的持續(xù)時(shí)間設(shè)置為0.1 s；第四，在仿真模型中添加一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，并將其應(yīng)用于前輪和雙后車輪，設(shè)置激勵(lì)信號(hào)的開始時(shí)間為第4 s；第五，運(yùn)行仿真，并觀察收獲機(jī)車輪和懸架的位移和速度情況?？梢允褂肁MEsim 提供的圖形工具和結(jié)果分析功能來查看和分析仿真結(jié)果。收獲機(jī)前后輪胎的位移和速度見圖3。

圖3 收獲機(jī)前后輪胎的位移和速度Fig.3 The displacement and speed of the front and rear tires of the harvester

3 結(jié)語

以小型三行輪式玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)制造為例，探究了機(jī)電一體化的具體應(yīng)用，通過數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)收獲機(jī)調(diào)平機(jī)構(gòu)和懸掛系統(tǒng)，在減振方面，于收獲機(jī)前端設(shè)置了獨(dú)立性油氣懸掛，后端設(shè)置非獨(dú)立性彈簧阻尼懸架[6]?？傊瑱C(jī)電一體化在小型三行輪式玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)仿真中的應(yīng)用給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了變革和發(fā)展的機(jī)遇。小型三行輪式玉米收獲機(jī)是一種機(jī)電一體化的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，它將機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子控制和傳感器技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作和高效的玉米收獲，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化水平，推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程。