基于ADAMS的玉米收割机主要部件仿真分析

　　摘要:采用离散梁法建立玉米秸杆模型，利用UG建立分禾器和摘穗辊模型，导入ADAMS后添加相应约束进行仿真分析。通过该方法实现了分禾器和摘穗辊参数设计的系列化，得到了满足实际需要的三维模型，缩短了开发周期，为新型自走式玉米收割机的研制提供了一定的理论依据。

　　关键词:玉米收割机;分禾器;摘穗辊;仿真;ADAMS

　　0引言

　　我国玉米耕、种、收综合机械化水平达到42．8%。其中，机耕水平达60%，机播水平达59%，机收水平仅为7．2%。玉米机收已成为玉米生产机械化的瓶颈，现有开发机型多为秸秆粉碎型，整机结构尺寸大。实践证明，这种机型不适合东北地区的小田块玉米收获。因此，项目组提出了《新型自走式玉米收割机的研制》课题，旨在开发一种适应东北地区使用、配套动力14．7kW柴油机的自走式立辊型玉米收割机。其产品开发对提升东北地区玉米机收水平、带动玉米产业的可持续健康发展具有十分重要的意义。在机械产品研发过程中，一般经过样机设计、试制、试验、改进等步骤，开发过程周期长、成本高，并且许多参数的确定是凭借设计者的经验，对产品的质量产生了严重的影响。虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术［1］，运用虚拟样机技术开发农业机械产品，可以使前述状况得到显著改善。为此，通过UG构建分禾器和摘穗辊三维模型，运用ADAMS进行运动仿真分析［2］，为进一步研制新型自走式玉米收割机提供技术参考。

　　1玉米秸秆的建模

　　项目组研制的新型自走式玉米收割机中，分禾器是重要的工作部件之一。在工作时，其与玉米秸秆直接接触，彼此间存在相互作用力。所以，对玉米收割收稿日期:2013－10－14基金项目:吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(吉教科合字［2012］第296号);吉林省科技发展计划项目(20120205)作者简介:明哲(1972－)，男，吉林吉林人，副教授，硕士，(E－mail)jlnkjxgc@126．com。机主要工作部件进行运动仿真，必须对玉米秸秆正确建模，构建正确的玉米秸秆虚拟模型，在仿真过程中具有重要意义。为此，通过离散梁法在ADAMS中构建玉米秸秆模型，定义相应的约束力，最终得出玉米收割机的设计和性能参数。

　　2分禾器的仿真分析

　　玉米收割机在工作时，分禾器主要作用是将玉米秸秆喂入夹持输送机构，以便对玉米植株进行不对行收获。所以，分禾器设计得是否合理，直接影响玉米收割机的工作性能。具体创建方法如下:1)在UG中建立的分禾器模型，以ParaSolid格式导入ADAMS中;2)为分禾器添加移动副;3)为分禾器设置初始速度，设定X方向初始速度为1．38m/s;4)为分禾器和玉米秸秆添加碰撞类型SolidToSolid;5)设置X轴正向为分禾器的前进方向，Y轴正向为垂直地面竖直向上的方向，Z轴负向为分禾器工作时玉米秸秆的水平弯曲方向，仿真秸秆在极限位置，仿真情况如图1和图2所示。

　　2．1玉米秸秆与分禾器作用运动学仿真

　　参考工作实际情况，设置分禾器距地面0．25m，仿真时间0．35s，选取玉米秸秆上1．025m处为平均结穗高度。当分禾器行进速度为1．38m/s时，玉米秸秆结穗点在分禾器作用下沿X轴、Y轴、Z轴方向上的位移仿真曲线如图3、图4和图5所示。由图3～图5可知，结穗点在X轴方向上的弯曲量为0．16m;随着秸秆的运动，结穗点在Y轴方向上距离地面高度逐渐减小，从离地1．025m下降到0．832m，降低了0．193m;玉米秸秆在分禾器接触挤压下，在Z轴负向上有横向弯曲，最大位移为0．43m。经计算得，在XY平面内，玉米秸秆与垂直地面方向最大弯曲角度为10．9°;在YZ平面内，玉米秸秆与竖直方向的最大弯曲角度为27．3°。由此可知，玉米秸秆与竖直方向的最大合成夹角为28．8°。

　　2．2与分禾器作用的玉米秸秆动力学仿真

　　分禾器在与玉米秸秆的作用过程中的作用力以摩擦力为主。当分禾器行进速度为1．38m/s时，作用力仿真曲线如图7所示。

　　3摘穗装置的分析与仿真

　　3．1摘穗辊的建模

　　摘穗辊的两个辊采用齿轮传动，建模时对其进行简化，然后导入ADAMS，再添加一些相应的约束之后就可以进行运动仿真分析。在安装摘穗辊的时候，一要保证两个齿轮的准确啮合位置，二要考虑果穗在摘穗辊上停留时间尽量较短，从而减少果穗的损失。因此，安装时设置两个摘穗辊不在同一高度上，内侧摘穗辊低于外侧摘穗辊。构建的摘穗辊模型如图8所示。

　　3．2摘穗辊运动学仿真

　　按照工作实际情况，选择平均结穗高度在玉米秸秆上1．025mm处，设置X轴正向为机器的前进方向，速度为1．38m/s;Y轴正向为竖直向上的方向;Z轴为横向。设置摘穗辊转速为1000r/min，仿真时间0．8s，步数500，对摘穗辊工作过程进行仿真，研究摘穗辊与竖直面夹角分别为25°和30°工作时，摘穗辊运动过程中各种参数。图9～图12为摘穗辊与竖直面成30°时在摘穗辊作用下玉米秸秆结穗点处的位移、速度变化曲线;图13～图16为摘穗辊与竖直面成25°时在摘穗辊作用下玉米秸秆结穗点处的位移、速度变化曲线。

　　比较仿真结果可以看出，摘穗辊与竖直面夹角为30°时，其工作性能更加稳定。因此，设计的新型玉米收割机选择其摘穗辊与竖直面成30°角。

　　4结语

　　通过对玉米收割机的主要部件构建三维模型，并进行动力学和运动学的仿真分析，可以得到收割机工作时的一系列运动参数，从而缩短收割机开发周期，降低研制成本，为其进一步优化设计提供参考。

　　参考文献:

　　［1］贾长治．MDADAMS虚拟样机从入门到精通［M］．北京:机械工业出版社，2010．

　　［2］陈德民．精通ADAMS2005/2007虚拟样机技术［M］．北京:化学工业出版社，2010．

　　［3］胡珊珊．履带式小型甘蔗收割机虚拟样机仿真分析及试验研究田［D］．南宁:广西大学，2005．

　　［4］吴修远，刁培松，于红鹏，等．基于虚拟样机技术的玉米收获机分禾器仿真分析［J］．农业装备与车辆工程，2009(1):31－33．

　　明哲

《基于ADAMS的玉米收割机主要部件仿真分析》

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