丘陵山区玉米收获机车身稳定性能仿真分析

金　鑫，杜新武，李倩文，王世光，吕黄珍

(1.河南科技大学 农业工程学院，河南 洛阳　471003；2.中国农业机械化科学研究院，北京　100083)



丘陵山区玉米收获机车身稳定性能仿真分析

金鑫1，杜新武1，李倩文1，王世光2，吕黄珍2

(1.河南科技大学 农业工程学院，河南 洛阳471003；2.中国农业机械化科学研究院，北京100083)

摘要：小型玉米收获机在丘陵地带工作，面临的最主要问题是侧翻和爬坡。针对此问题，对丘陵山区玉米收获机械整机的稳定性能进行了研究分析。通过对整机作业关键模型参数的调整，基于ADMAS软件建立虚拟仿真环境，并对G型玉米收获机在不同坡度上的侧翻、爬坡性能进行了虚拟仿真。仿真结果表明：15°坡度是G型玉米收获机发生侧翻的临界值，且其最大爬坡能力为5°坡度，旨在为以后小型玉米收获机械的设计和研究提供理论参考依据。

关键词：玉米收获机；侧翻和爬坡；稳定性能；丘陵山区

0引言

玉米是世界三大谷物之一，在我国的年种植面积近0.27亿hm2[1]，已是我国仅次于小麦的主要粮食作物，并且已形成三大玉米生产区[2-3]：一是北方玉米区，包括吉林、黑龙江、辽宁、河北等省市，播种面积占全国40%；二是黄淮平原春夏玉米区，包括山东、河南、江苏等省市，播种面积占25%；三是西南丘陵玉米区，包括云南、贵州等省，约占播种面积的15%。三大玉米产区种植面积占全国80%以上。随着农业机械化的发展，玉米收获已成为制约全国农业机械化发展的瓶颈之一。

作为玉米种植生产区之一的丘陵山区，其玉米收获机械化仍严重滞后。目前，市场上的玉米收获机械还不能很好地适合丘陵地区的玉米收获，因此丘陵山区的玉米种植和收获仍然基本沿用手工方式，劳动强度非常大，给当地农民造成了沉重的负担，而且也严重阻碍了玉米的种植及生产。所以，急需研制出一种适用于丘陵山区的玉米收获机械。

本论文拟用三维软件设计出适合在丘陵山区工作的小型玉米收获机的数字化样机，并进行虚拟仿真分析，为课题后续研究与制造提供一定的理论依据。

1玉米收获机虚拟模型

1.1　三维模型建立

本文以G型小型玉米收获机为研究对象，该机型由割台和拖拉机两大部分组成。其中，割台用来进行玉米的收获，拖拉机用来为割台提供动力。因此，在玉米收获机的建模过程中，需要分别对割台和拖拉机进行三维建模[4-5]。

该G型玉米收获机选用的是新翔牌xx-280小四轮拖拉机，拖拉机的主要参数如表1所示。割台中，摘穗辊、拨禾轮和分禾器参数分别如表2～表4所示。根据参数，建立各部装模型并且装配成整机，如图1所示。

图1　小型玉米收获机整机三维模型

拖拉机参数单位数值总长mm2280总宽mm968总高mm1240前轮直径mm400

续表1

表2　摘穗辊参数

表3　拨禾轮参数

表4　分禾器参数

1.2　仿真模型构建

把玉米收获机械三维模型导入到ADAMS仿真模拟软件后，通过机构之间的约束建立虚拟模型之间的相对运动关系。

为了更真实反应整机运动情况，除了基本的机构间运动约束外，还要构建机器的轮胎和路面模型。国内外学者在建立轮胎模型方面做了很多研究工作，建立了Fiala模型、Frank模型、Sakai模型及Pacejka模型。由于Fiala模型在试验时所需试验测试数据较少，而且精度也相对较高[6-7]，故本文仿真试验中采用的轮胎模型是Fiala模型。

以ADAMS自带Fiala轮胎模型和路面模型文件的为基础，按照轮胎的参数修改轮胎模型mdi_fiala01.tir中的特征参数，再把路面文件mdi_2d_flat02.rdf中的长度和宽度修改为合适值，爬坡时选择爬坡路面文件3D_flat.rdf，并建立好轮胎和路面约束，最终得到仿真模型图如图2所示。

图2　玉米收获机的ADAMS仿真模型

2玉米收获机整机运动仿真分析

小型玉米收获机在丘陵地带的工作，面对的最主要问题就是侧翻问题和爬坡问题。整机仿真分析的目的，就是通过整机在不同坡度上的运动仿真，得出整机质心的位置随运动的变化规律，比较整机在平地和坡度不同情况下的运动情况[8]。

前文已经为整机添加了路面、轮胎，因此在这里给整机一个驱动，整机便可以在平地上进行运动了。除此之外，本文还自己编写了5°、15°、25°路面谱文件，通过坡度观察整机的运动情况。

2.1　整机在平地上的运动仿真

整机在平地上的工作仿真曲线如图3所示，整机质心Y轴位移和整机质心前进方向速度随时间变化如图4和图5所示。由图4和图5中可以看出：整机重心在垂直方向基本稳定在562.5mm；在收获机刚开始工作时，由于轮胎和路面的接触，以及前面割台质量的影响，整机前进速度在收获机启动时波动较大。

图3　整机在平地工作时的仿真

图4　整机质心Y轴位移-时间变化图

图5　整机质心前进方向速度-时间变化图

2.2　整机在不同坡度的路面的侧翻工作仿真

1)5°坡度整机工作仿真如图6所示。

图6　5°坡度时整机工作仿真

整机质心在Y轴方向上位移随时间的变化如图7所示。

图7　5°坡度质心Y轴位移-时间变化图

2)15°坡度整机侧翻工作仿真如图8所示，整机质心在Y轴方向上位移随时间的变化如图9所示。

图8　15°坡度整机工作仿真

图9　15°坡度质心Y轴位移-时间变化图

3)25°坡度整机侧翻工作仿真如图10所示，整机质心在Y轴方向上位移随时间的变化如图11所示。

图10　25°坡度整机工作仿真图

图11　25°坡度整机质心Y轴位移-时间变化图

通过仿真，可以测出不同工作情况下整机重心的位置如下：

1)平地时整机重心的位置为(836, 565, -296)；

2)5°坡度时整机重心为(841, 380, 595)；

3)15°坡度时整机重心为(851, 250, 581)；

4)25°坡度仿真失败，整机重心在Y轴方向上仿真进行到0.1S时骤然下降。因此，整机不能在坡度为25°的斜坡上正常工作。

2.3　整机在坡度路面的爬坡工作仿真

将整机放在坡度为5°的地面上进行爬坡仿真，如图12所示。其仿真失败，观察可知是前方摘穗辊布置不当，使得整机在爬坡时像下倾斜，从而无法进行正常的收获作业。因此，割台的布置不当是此款收获机最严重的问题。

图12　整机在5度坡度上的爬坡仿真

图13是整机在5°的坡度路面上爬坡时Y轴方向的质心随时间的变化规律。

图13　质心在Y轴方向的位移-时间变化图

3结论

通过对ADAMS自带的路面谱文件进行修整，编写了不同坡度的路面谱，并建立了轮胎源文件模型。对小型玉米收获机在不同坡度上的侧翻、爬坡性能进行了仿真，结果表明：15°坡度是G型玉米收获机发生侧翻的临界值，在5°坡度上机具已经不能正常进行爬坡工作。

参考文献：

[1]于志刚，王洪涛．我国玉米收获机械化分析[J]．农机使用与维修，2008(6):82-83．

[2]杨红旗，路凤银，郝仰坤，等．中国玉米产业现状与发展问题探讨[J]．中国农学通报，2011, 27(6):368-373．

[3]张喜瑞，董佑福．我国玉米收获机械化的现状与发展趋势[J]．农机推广与安全：综合版，2006(5):10-12．

[4]杜岳峰，朱忠祥，毛恩荣，等．基于ADAMS的丘陵山地小型玉米收获机仿真[J]．农业机械学报，2011, 42(11): 1-5．

[5]云善良，张士新．基于虚拟样机技术的玉米收获机拨禾轮运动仿真分析[J]．农业装备与车辆工程，2010, 229(8): 13-15．

[6]任卫群．车-路系统动力学中的虚拟样机—MSC.ADAMS软件应用实践[M]．北京：电子工业出版社，2005．

[7]王国权，许先锋，王蕾，等．汽车平顺性的虚拟样机试验[J]．农业机械学报，2003, 34(3):26-28, 34．

[8]仇高贺．小型甘蔗收割机底盘的虚拟设计及仿真研究[D]．南宁：广西大学，2006．

Abstract ID:1003-188X(2016)10-0060-EA

Simulation Analysis of the Stability Performance for Small Corn Harvesting Machine in Hilly Terrain

Jin Xin1, Du Xinwu1, Li Qianwen1, Wang Shiguang2, Lv Huangzhen2

(1.College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract：The main problems of small corn harvester working in hilly terrain are the rollover and climbing problems. To solve this problem, this study has focused on the stability of the corn harvesting machinery working in hilly terrain. The virtual simulation environment of the ADAMS has been established by modify the source file of the tire and the road surface spectrum file. Virtual simulation based on the rollover and climbing performance of the G-type corn harvester with different level of slope has been carried out, which identify that the critical value of the slope for climbing and rollover are five degrees and fifteen degrees respectively. The results obtained provide the theoretical reference for the future design and further research on small corn harvesting machinery.

Key words：corn harvester; rollover and climbing; stability performance； hilly terrain

中图分类号：S225.5+1

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0060-04

作者简介：金鑫(1986-)，男，河南信阳人，讲师，博士，(E-mail)jx.771@163.com。

基金项目：河南省科技攻关项目(122102210564)；河南省产学研合作项目(132107000051)

收稿日期：2015-10-27