基于ADAMS的拨禾轮建模及仿真研究①

刘 凡，肖 平,*，司马勇，陈黎卿

(1. 安徽工程大学机械工程学院，安徽 芜湖 241000；2. 保隆(安徽)汽车配件有限公司，安徽 宣城 242000；3. 安徽农业大学工学院，安徽 合肥 230061)

0 引 言

拨禾轮是联合收割机割台的主要工作总成之一，也是收割机最先接触农作的部件，其功能是扶压农作物，把待割农作物的茎秆扶正喂入割台，有利于切割器切割农作物，在农业生产中对不同的收割情况，其拨禾轮自转速度和收割机前进速度的比值也是不同的，控制好其运动轨迹，对收获效率有着显著影响。因而对在联合收割机部件中最先接触农作物的拨禾轮作为研究对象，进行建立数学模型，利用虚拟样机技术对其进行运动学仿真分析，从而为减少收割环节时农作物的损失率，提供理论依据。

1 拨禾轮数学模型

1.1 拨禾轮安装高度模型

拨禾轮在工作时，其滚动前进运动会对农作物造成打击，造成谷物脱落，但当其接触农作物时，弹齿的相对运动方向与地面垂直时，可以将在此收割环节的损失降到最低。要满足上述的要求,拨禾轮的高度为：

(1)

式中，H为拨禾轮中心轴与主切割器的垂直距离，L为作物高度，R为拨禾轮半径，λ为拨禾轮速比，I为拨禾轮弹齿的长度，h为主切割器与水平地面的垂直距离[1]。

为了防止拨禾轮在转动时，弹齿将茎秆卷带飞出割台，不能起到拨禾作用，让割刀切割农作物，H还要保证弹齿在转动到垂直于地面方向的最低位置时,其向后推动作用的位置，应在禾秆割取部分的1/3处，所以H为：

(2)

1.2 拨禾轮运动轨迹模型

拨禾轮工作时,联合收割机的水平前进运动和其本身的转动构成了其运动形式。可设拨禾轮中心轴在水平地面的投影为坐标原点，过坐标原点且平行于地面为X轴方向，过坐标原点且垂直于地面为Y轴方向，让弹齿轴上的一点在水平位置处开始顺时针方向转动，那么该点的运动方程可表示为：

(3)

式中，Vm为联合收割机前进速度，t为拨禾轮工作时间，ω为拨禾轮旋转角速度[2]。

对式(3)进行求导可得拨禾轮的水平分速度和竖直分速度为：

(4)

1.3 拨禾轮作用程度模型

拨禾轮在正常工作时,因为转速的不同会对农作物产生碰撞，从而造成收割损失。为了减少拨禾杆对农作物的撞击,拨禾杆进入农作丛时其水平分速度应该为0，即：

Vx=Vm-Rωsinωt1=0

(5)

由公式(5)可得：

(6)

又ΔX是每根拨禾杆的作用范围，即每根拨禾杆在配合切割时每次所扶持的谷物范围为：

ΔX=X1-X2

(7)

由公式(6)可得：

(8)

将(8)代入(4)中可得：

(9)

所以

(10)

设拨禾轮有Z个拨禾杆，所以拨禾杆的余摆线扣环之间的节距为：

(11)

(12)

将(10)代入(12)化简可得：

(13)

η是拨禾杆扶持状态下割台切割农作物的百分数，数值过大会造成收割农作物损失加大，数值过小则工作性能降低，一般拨禾轮的作用程度η达到30%就可以正常工作要求。

1.4 拨禾轮转速模型

(14)

式中，n为拨禾轮转速，D为拨禾轮直径。

2 基于Solid Works和ADAMS的拨禾轮运动学模型

2.1 三维实体建模及简化

为了提高拨禾轮抗倒伏能力，对传统弹齿调节机构进行优化设计，在拨禾杆与弹齿之间增加多层可调铁制薄片机构，从而可以根据谷物倒伏情况调整弹齿高度，提高收获效率。拨禾轮的半径采用通用机型的标准，本文建模的偏心拨禾轮半径为480mm；主轴半径为33mm、长为2772mm；弹齿轴半径为15mm、长为2490mm；弹齿长为212mm、分布间距235mm，数目为10个。模型如图1所示。

1—弹齿；2—弹齿轴；3—拨禾轮主轴；4—可调节铁片；5—偏心辐条；6—偏心副板；7—曲柄连接杆;8—偏心调节板

拨禾轮装配体包含零件过多，若将其全部导入ADAMS软件进行仿真分析，增大模型约束和驱动施加的工作量，也容易发生干涉和仿真报错，为了方便仿真分析，在不影响实验结果的前提下，对模型进行设计简化；模型中所有螺丝、螺母、垫片的作用可以在ADAMS中直接通过施加约束代替，所以将其全部去除；偏心调节板在随后的仿真中，对拨禾轮运动不产生影响，但需要额外施加多余约束和驱动，为方便后期实验仿真也将其删除。

2.2 建立虚拟样机

运用ADAMS 2020软件对其三维模型进行运动学仿真研究。图2(a)是其导入 ADAMS软件中的拨禾轮模型。拨禾轮装配体导入软件后没有任何装配关系，每个零部件都是完全独立的。所以要运用布尔运算以及添加运动副和驱动使模型在ADAMS中形成完整的虚拟样机模型。

分别将五根弹齿轴上的弹齿与弹齿轴，三个主辐板和其对应的主辐条，三个主辐板与拨禾轮主轴，偏心辐板与偏心辐条运用布尔运算合并成一个整体。将五个弹齿轴分别与主辐条连接位置施加旋转副,将五个曲柄连接杆分别与偏心辐条连接位置施加旋转副,在对拨禾轮主轴施加旋转副及移动副，再对拨禾轮主轴施加旋转驱动和平移驱动。为了方便仿真观察其运动形态，将弹齿改为绿色,弹齿轴和曲柄连接杆改为红色，偏心辐板和偏心辐条改为土黄色。图2(b)为添加约束和驱动后的模型。

(a)导入ADAMS软件中的拨禾轮

3 仿真实验及结果分析

因为拨禾轮的运动轨迹与拨禾速度比λ有关，所以控制拨禾速度比λ的大小，对拨禾轮运动轨迹进行仿真分析，找到λ与运动轨迹之间的映射关系。仿真时取弹齿末端尖点作为运动轨迹观察对象。

(1)当拨禾速度比λ<1时，取拨禾轮圆周线速度为0.9 m/s，水平前进速度为1.5 m/s，此时λ=0.6。弹齿末端运动轨迹，水平位移曲线和水平分速度曲线分别为图3，4，5所示。

图3 λ <1时弹齿末端运动轨迹

图4 λ <1时弹齿末端水平位移曲线

图5 λ<1时弹齿末端水平分速度曲线

当拨禾速度比λ<1时，弹齿末端的运动轨迹为短幅摆线，没有扣环。弹齿速度依然为正值，没有向后的水平分速度，所以也不会将农作物喂入割台中去。弹齿的水平位移曲线都呈现平稳增长，所以也都不起拨禾作用。

(2)当拨禾速度比λ=1时，取拨禾轮圆周线速度为0.9 m/s，水平前进速度为0.9m/s，此时λ=1。弹齿末端运动轨迹，水平位移曲线和水平分速度曲线分别为图6，7，8所示。

图6 λ=1时弹齿末端运动轨迹

图7 λ=1时弹齿末端水平位移曲线

图8 λ=1时弹齿末端水平分速度曲线

当拨禾速度比λ=1时，弹齿末端的运动轨迹为普通平摆线，也没有扣环。弹齿在任意一点的运动轨迹依然没有水平向后的分速度，所以也不会将农作物喂入割台中去，对农作物的扶持向后输送的作用非常有限。弹齿的位移曲线上升波动不够明显，拨禾能力几乎没有。

(3)当拨禾速度比λ>1时，取拨禾轮圆周线速度为0.9 m/s，水平前进速度为0.5m/s，此时λ=1.8。弹齿末端运动轨迹，水平位移曲线和水平分速度曲线分别为图9，10，11。

图9 λ=1.8时弹齿末端运动轨迹

图10 λ=1.8时弹齿末端水平位移曲线

图11 λ=1.8时弹齿末端水平分速度曲线

当拨禾速度比λ=1.8时，弹齿末端的运动轨迹为次摆线，运动轨迹成扣环状，弹齿末端运动到余摆线扣环最大横弦的下方有明显向后位移的趋势，存在显著的对农作物扶持和向后输送作用。弹齿末端有水平向后的速度，可以很好的农作物喂入割台，并且弹齿末端的水平位移曲线有明显波动，都是波浪式的上升曲线，拨禾作用明显。

(4)当拨禾速度比λ>1时，取拨禾轮圆周线速度为0.9 m/s，水平前进速度为0.4m/s，此时λ=2.25。弹齿末端运动轨迹，水平位移曲线和水平分速度曲线为图12，13，14所示。

图12 λ=2.25时弹齿末端运动轨迹

图13 λ=2.25时弹齿末端水平位移曲线

图14 λ=2.25时弹齿末端水平分速度曲线

当拨禾速度比λ=2.25时，弹齿水平位移曲线依然为波浪上升趋势，水平分速度也有向后运动趋势，具有拨禾功能。由图12明显看出弹齿的运动轨迹为次摆线，但是次摆线的环扣存在重叠现象，表明同一排部分农作物在拨禾轮工作时，同时遭到不同排的弹齿的碰撞，这样没有提高拨禾功能，还因为弹齿对农作物双重的撞击加大收割损失。

(5)拨禾速度比λ>1时，取拨禾轮圆周线速度为0.9 m/s，水平前进速度为0.465m/s，此时λ≈1.935。弹齿末端运动轨迹，水平位移曲线和水平分速度曲线为图15，16，17所示。

图15 λ≈1.935时弹齿末端运动轨迹

图16 λ≈1.935时弹齿末端水平位移曲线

图17 λ≈1.935时弹齿末端水平分速度曲线

当拨禾速度比λ≈1.935时，由图16，17不难看出弹齿水平位移曲线都明显呈现波浪式上升趋势，水平分速度曲线也都存在负值，其收割机向前移动的同时，每个弹齿和弹齿轴也都呈周期性向后移动，表明拨禾轮能正常工作起到拨禾作用。弹齿运动轨迹为次摆线，且每个环扣都相切，所以λ≈1.935是本文设计拨禾轮的能正常工作的λ上限。

综上所述，当λ<1时，由实验(1)可知，弹齿水平分速度依然为正值，和拨禾轮水平前进方向保持一致，没有向后的运动趋势，拨禾轮不具有工作能力，不能正常工作，不符合拨禾轮运动要求；当λ>1.935时，由实验(4)可知，虽然拨禾轮具有拨禾功能，但是农作物遭到多重撞击，对农作物的穗部冲击加大，使收割损失剧烈增加，不符合拨禾轮运动要求；当λ=1和λ≈1.935时，则是拨禾轮分别是其可以正常工作，和过多的拨禾作用从而造成收割损失加大的临界点；所以当1<λ<1.935是本文设计拨禾轮可以正常工作时λ的合理取值范围。

4 结 语

为了减少联合收割机收获损失，首先对拨禾轮进行理论建模，再利用Solid Works 2020软件对拨禾轮的各个构件进行实体建模和装配,然后将其装配体导入ADAMS2020软件中,并对拨禾轮进行仿真实验研究。以拨禾轮弹齿末端为观察对象，在λ不同取值时，对其运动轨迹，水平位移曲线及水平分速度曲线进行实验分析。最后得出，1<λ<1.935时是本设计的拨禾轮能正常工作的必要前提。拨禾轮设计与实验得到的拨禾轮工作参数和调节范围，有利于减少农业联合收割机工作时农作物的损失，提高联合收割机的收割效率。