玉米收獲機(jī)分禾部件的設(shè)計(jì)與仿真

玉米收獲機(jī)分禾部件的設(shè)計(jì)與仿真

玉米沒有對(duì)行收獲技術(shù)的未來近年來，我國玉米收獲機(jī)械有了一定的發(fā)展，但玉米機(jī)械化收獲的基礎(chǔ)理論工作并未得到充分重視，發(fā)展緩慢。玉米收獲機(jī)的開發(fā)仍處于技術(shù)細(xì)節(jié)階段。我國各地玉米的種植品種和種植模式差異很大,有平播、壟播、溝播以及套播、點(diǎn)種等形式,機(jī)播的行距也多種多樣,300～700mm的行距都有種植,另外還有寬窄行種植等種植方式。長期以來,對(duì)行問題一直被視為玉米收獲機(jī)發(fā)展的瓶頸問題。事實(shí)上,即使統(tǒng)一種植行距,在收獲機(jī)收獲行數(shù)與播種機(jī)播種行數(shù)不一致時(shí),也會(huì)出現(xiàn)有行對(duì)不上的問題。另外,收獲作業(yè)時(shí)機(jī)具的走偏,也會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)對(duì)不上行的問題。一般認(rèn)為國外玉米種植行距大且統(tǒng)一,收獲作業(yè)不存在不對(duì)行收獲這樣的技術(shù)問題。但作者在接觸一些信息時(shí)注意到國外仍然有玉米不對(duì)行收獲技術(shù)并取得了一定進(jìn)展的報(bào)道。國內(nèi)變被動(dòng)喂入為主動(dòng)喂入是玉米收獲技術(shù)的重大突破之一,為玉米機(jī)械化不對(duì)行收獲提供了可能,并已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用。其技術(shù)要點(diǎn)是在分禾器與玉米植株接觸之初就由喂入鏈控制植株的運(yùn)動(dòng),以防止將其向前進(jìn)方向推倒。同時(shí),主動(dòng)喂入技術(shù)也為縮短分禾器縱向長度提供了可能。在主動(dòng)喂入的基礎(chǔ)上加置扶禾桿配合的摘穗機(jī)構(gòu),控制玉米莖稈的橫向移動(dòng),實(shí)現(xiàn)在收獲機(jī)割臺(tái)割幅范圍內(nèi)對(duì)任意種植行距玉米的收獲,是不對(duì)行收獲技術(shù)的一項(xiàng)重大突破。采用垂直面撥禾輪控制植株運(yùn)動(dòng)姿態(tài)是小麥聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)的延伸,在玉米收獲機(jī)上應(yīng)用有一定的效果,但在植株高度較高時(shí)機(jī)具外形會(huì)顯得過分龐大,應(yīng)用有較大的局限性。采用水平面撥禾輪結(jié)合導(dǎo)引輥多點(diǎn)控制植株運(yùn)動(dòng)姿態(tài)在玉米收獲技術(shù)方面是一種新的應(yīng)用,該技術(shù)模仿人工收割玉米植株時(shí)手及手指的協(xié)同動(dòng)作,將玉米植株有效抓取,連續(xù)不斷地?fù)芎滩⒎€(wěn)定地扶持植株有序喂入到摘穗裝置中。虛擬設(shè)計(jì)與三維運(yùn)動(dòng)仿真是當(dāng)前機(jī)械工程研究領(lǐng)域中重要的研究手段之一,在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中已獲應(yīng)用。本文采用Solidworks軟件,構(gòu)建了具有指形撥禾輪的不分行玉米收獲機(jī)分禾機(jī)構(gòu),并應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS構(gòu)建其三維運(yùn)動(dòng)仿真模型,實(shí)現(xiàn)了在ADAMS/View環(huán)境下的玉米莖稈喂入過程分禾的運(yùn)動(dòng)仿真。1指式哈馬輪的分傾斜機(jī)制和運(yùn)動(dòng)參數(shù)1.1指對(duì)草輪的結(jié)構(gòu)指形撥禾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由弧形導(dǎo)板、指形撥禾輪、導(dǎo)引輥等組成。在弧形導(dǎo)板和導(dǎo)引輥的前方設(shè)置了錐形分禾器,如圖2a所示。1.2旋轉(zhuǎn)引環(huán)與板片之間的約束副b指形撥禾機(jī)構(gòu)的工作過程為:玉米植株被錐形分禾器推向內(nèi)側(cè)(如圖2b所示),接觸弧形導(dǎo)板后沿導(dǎo)板相對(duì)后滑移,旋轉(zhuǎn)的指形撥禾輪將玉米稈撥向摘穗機(jī)構(gòu)入口,并與旋轉(zhuǎn)的螺旋導(dǎo)引輥共同扶持莖稈進(jìn)入板式摘穗機(jī)構(gòu)。玉米穗被摘下后,旋轉(zhuǎn)的指形撥禾輪將其撥向后側(cè)的送料機(jī)構(gòu)中。1.3指形撥禾機(jī)構(gòu)指形撥禾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括錐形分禾器的結(jié)構(gòu)尺寸(錐角和錐體長度)、弧形導(dǎo)板尺寸、指形撥禾輪的結(jié)構(gòu)尺寸和裝配位置、導(dǎo)引輥結(jié)構(gòu)參數(shù)(直徑和螺距)。指形撥禾輪由6根指形撥禾桿組成,指形撥禾桿由直線段和末端圓弧段兩部分組成。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算和虛擬與物理試驗(yàn)情況,撥禾輪作用半徑為350mm,指形撥禾桿末端曲線段圓弧半徑305mm,單桿結(jié)構(gòu)如圖3所示。指形撥禾機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)主要包括導(dǎo)引輥轉(zhuǎn)速ng、撥禾輪轉(zhuǎn)速nb和收獲機(jī)作業(yè)速度v等。在傳動(dòng)系統(tǒng)中,導(dǎo)引輥轉(zhuǎn)速ng、撥禾輪轉(zhuǎn)速nb與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的傳動(dòng)比,設(shè)計(jì)取ng=1300r/min,nb=50r/min;收獲機(jī)作業(yè)速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和所掛行走擋位相關(guān),設(shè)計(jì)作業(yè)速度v=5.4km/h。2指狀植物系統(tǒng)的模擬模型2.1osolidford構(gòu)建三維實(shí)體模型根據(jù)物理樣機(jī)圖樣,首先應(yīng)用CAD軟件AutoCAD和Solidworks構(gòu)建三維實(shí)體模型如圖4a所示?？紤]到本文研究限于分禾過程的仿真模擬,對(duì)與分禾和撥禾過程無關(guān)的幾何元素簡化建模,取一組機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,如圖4b所示。2.2玉米植株橫向布置將CAD軟件中制作的實(shí)體簡化模型導(dǎo)入MSC.ADAMS中,坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在撥禾輪旋轉(zhuǎn)軸線與摘穗板對(duì)稱水平面的交點(diǎn),機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤向,鉛垂向上為y向,橫向?yàn)閦向。這時(shí)摘穗板對(duì)稱中心鉛垂面偏離坐標(biāo)平面XOY的橫向距離為185mm。旋轉(zhuǎn)割臺(tái)模型與水平面水平傾角α為10°～25°。按照在田間橫向作業(yè)(不分行)的情況,設(shè)計(jì)玉米植株在分禾器之間橫向(z方向)任意位置。本模型中模擬斜行收獲作業(yè),在收獲行距內(nèi)橫向設(shè)置了6株玉米,其z向坐標(biāo)分別為:195、65、-65、-195、-325、-455mm。根據(jù)機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間的約束及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系,對(duì)導(dǎo)入的零部件施加約束和驅(qū)動(dòng),如圖5所示,分禾器在作業(yè)方向前進(jìn)速度取1500mm/s(5.4km/h),撥禾輪轉(zhuǎn)速初取50r/min,導(dǎo)引輥轉(zhuǎn)速初取1300r/min,摘穗輥轉(zhuǎn)速初取960r/min。并設(shè)置了仿真過程中莖稈在進(jìn)入摘穗機(jī)構(gòu)后拉莖輥?zhàn)饔孟逻\(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)vl=5000mm/s(在莖稈進(jìn)入摘穗機(jī)構(gòu)中開始作用)。3秸稈在克氏器導(dǎo)錐作用下產(chǎn)生橫向位移設(shè)置仿真時(shí)間2.0s,仿真步數(shù)600,仿真過程如圖6所示。在其他參數(shù)不變條件下,改變割臺(tái)水平傾角觀察仿真過程中莖稈被導(dǎo)入情況,該傾角為25°和0°時(shí)偏離喂入中心距離較大(大于200mm)的植株導(dǎo)入率均在50%以下,而在該傾角為10°～15°時(shí),除特殊情況外對(duì)植株導(dǎo)入率在80%以上。對(duì)仿真過程的反復(fù)回放觀察分析,發(fā)現(xiàn)在當(dāng)撥禾輪指形撥禾桿末端過渡段(參見圖3左側(cè)斜線及圖4b中箭頭指示處)正好作用于莖稈時(shí),莖稈被直接推倒而未能被導(dǎo)入。盡管指形撥禾桿末端正好作用于莖稈的幾率很小,但實(shí)際作業(yè)中一旦發(fā)生,極可能產(chǎn)生作業(yè)故障。圖7為仿真結(jié)果,其中圖7a為2號(hào)莖稈(z=250mm,橫向偏離喂入中心距離Δz=65mm)某處的位移變化曲線,圖7b為6號(hào)莖稈(z=-270mm,橫向偏離喂入中心距離為Δz=-455mm)某處的位移變化曲線。(選取的測(cè)量點(diǎn)為預(yù)計(jì)無前進(jìn)方向偏移時(shí)莖稈上進(jìn)入摘穗板之處。)從圖7a中分析,2號(hào)莖稈在t=0.50s時(shí)開始受到分禾器導(dǎo)錐作用產(chǎn)生橫向位移100mm;在t=0.75s時(shí)導(dǎo)向螺旋輥和指形撥禾輪作用下,受到分禾器導(dǎo)錐作用產(chǎn)生橫向反向位移80mm;在t=0.8s時(shí)進(jìn)入摘穗輥導(dǎo)錐,分禾機(jī)構(gòu)作用結(jié)束。注意到在進(jìn)入摘穗機(jī)構(gòu)時(shí)莖稈有約10°的前傾。從圖7b中分析,6號(hào)莖稈在t=0.86s時(shí)開始受到分禾器導(dǎo)錐作用產(chǎn)生橫向位移246mm;在t=1.35s時(shí)指形撥禾輪作用下產(chǎn)生橫向位移;在t=1.47s時(shí)受到導(dǎo)向螺旋輥和指形撥禾輪作用下繼續(xù)產(chǎn)生橫向位移170mm;在t=1.58s時(shí)進(jìn)入摘穗輥導(dǎo)錐,分禾機(jī)構(gòu)作用結(jié)束。這時(shí)莖稈有約30°前傾,從仿真回放中發(fā)現(xiàn)螺旋導(dǎo)引輥的扶持對(duì)莖稈進(jìn)入摘穗機(jī)構(gòu)起了主導(dǎo)作用。從中看出,莖稈在分禾器導(dǎo)錐作用產(chǎn)生橫向位移的同時(shí)產(chǎn)生了縱向位移?？v向位移的程度與分禾器導(dǎo)錐錐角和莖稈偏離喂入中心的橫向距離相關(guān)。該前傾位移使得莖稈存在被推倒而不能導(dǎo)入的可能,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視。4建立運(yùn)動(dòng)仿真模型采用Solidworks軟件制作了不分行玉米收獲機(jī)分禾機(jī)構(gòu)實(shí)體模型,并應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件MSC.ADAMS構(gòu)建