履带式谷物联合收割机动力总成匹配及仿真研究探讨

杨国涛，杨明波，祝成祥

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 266001）

动力总成是车辆系统中最为重要的核心装置，主要包括发动机和传动系统。动力总成匹配的合理性与整车的动力性、经济性、排放性等密切相关。目前，国内外对汽车、工程机械等车辆的动力总成匹配进行了大量实验和研究，已形成了许多成熟理论、方法和工具。但对于农业机械尤其是履带式谷物联合收割机的动力总成匹配研究较少，仅有少数科研单位和生产企业进行了实验和研究。同时现有的研究主要集中在单一或部分工作装置的功耗、调速性能的研究上，对发动机的动力性、经济性匹配鲜有涉及，尚未搭建出发动机、行走装置及工作装置相结合的完整履带式谷物联合收割机的动力总成模型。在发动机具体参数选择，发动机与传动系统、整机喂入量的合理匹配，行走装置与工作装置的动力分配、工作装置的功耗模型细化等方面还待进一步研究。

1 国内研究现状分析

1.1 工作装置

脱粒滚筒是履带式联合收割机的关键部件，直接决定了整机的工作性能，为使其工作效率和工作质量最佳，脱粒滚筒的转速和负荷都应控制在预期范围内。为此，许多学者对工作装置的研究主要集中在脱粒分离装置上，并对其做了大量的研究，提出了很多实用的理论、模型和可参考的结论。

张认成[1]等利用变质量系统的基本原理，将挤压、搓擦、冲击和籽粒分离综合起来，突破了传统的滚筒功耗模型建模方法，建立了轴流脱粒装置的功耗模型，从理论上证明了a[2]的理论值为0.5；并阐明了a的物理意义：反映脱粒空间内谷物的质量变化，出口处茎稿速度降低以及谷物与工作部件表面的摩擦对滚筒功耗的影响程度。从而使滚筒功耗模型得到了完善。李杰[3]等在合理假设的前提下给出了纵向轴流脱粒装置的数学模型，并利用Matlab软件对数学模型进行了仿真，得出了纵向轴流脱粒装置的脱粒分离率是凹板长度的指数函数，较好地反映了脱粒装置的工作过程。杨方飞等在合理假设的基础上，建立了谷物在纵向轴流脱分装置中的喂入段、脱分段凹板及盖板侧的运动状态非线性微分方程。采用高阶龙格-库塔数值方法，根据自适应变步长技术，开发出谷物脱粒过程运动状态分析软件，对谷物运动状态进行数值模拟，并利用高速摄像试验分析，验证了数值仿真结果的有效性。此外还可通过调整脱粒装置各参数，考察各参数对谷物运动状态的影响，为纵向轴流滚筒的设计提供了依据。宁小波等针对目前联合收获机脱粒调速控制系统仿真设计中所采用的功耗模型的建立仅考虑了单个滚筒的运动状态，并没有考虑到其他工作部件运动中脱粒滚筒转速变化的影响，以及脱出物种杂余含量的影响的问题。将拨禾轮、割台螺旋输送器及输送槽简化组合为等效装置1，将清选机构、输粮螺旋输送器简化组合为等效装置2。同样在合理的假设前提下，以XG610型联合收获机为例，在对运动机构进行较为全面地动力学分析和脱粒分离试验数据的基础上，首先建立了脱粒系统的动力学理论模型，并在此基础上构建了脱粒滚筒调速控制系统的仿真模型。然后利用Matlab软件进行仿真。最后通过田间试验对仿真结果进行验证。试验结果表明总体变化趋势与仿真结果相符。该动力模型的建立对脱粒调速控制系统的仿真设计及后续控制算法优化提供参考。

1.2 行走装置

根据履带式谷物联合收割机的使用情况和作业环境要求，行走装置多采用静液压驱动技术。静液压传动系统的应用匹配在其他机械上已经较为成熟，加上目前对履带式谷物联合收割机的行驶工况也较为清晰，静液压技术在履带式谷物联合收割机上应用无技术难度，因此对本部分的研究及仿真不再赘述。

1.3 小结

国内对履带式谷物联合收割机的研究及仿真主要集中在脱粒分离系统，相继提出了一些可应用的理论、模型，给脱粒分离系统设计提供了理论支持。但对于发动机的匹配研究还不多见，未建立集合发动机、脱离分离、行走于一体的仿真模型，对于发动机的匹配选型停留在经验匹配、田间试验匹配等传动手段。并且目前仿真研究中用Matlab的较多，而Ansys、Adams和Amesim这类专业的多学科领域复杂系统仿真软件未见用于履带式谷物联合收割机的系统仿真分析。因此，对于履带式谷物联合收割机动力总成的匹配和仿真研究，是发展和改进履带式谷物联合收割机的一项极为重要的工作。

2 展望

当下，生态环境保护是我国发展过程中的重大挑战，2022年底，非道路移动机械排放将升级为四阶段。此外，随着我国种植结构的不断优化调整，终端市场用户需求及对机械本身的动力性、经济性、舒适性将不断深化。履带式谷物联合收割机的发展中必将产生新技术，其中智能化、自动化将会是发展方向。因此，利用具备多学科领域复杂系统的仿真平台开展对履带式谷物联合收割机动力总成匹配及仿真的研究，对于改变目前我国履带式谷物联合收割机发动机匹配多以经验设计和田间试验为主的局面以及应对排放升级和未来发展趋势有重要的现实意义。