基于Recurdyn的履帶式三七收獲機不同收獲工況性能分析

李漢青,杜宗霖,張兆國*,唐金鑫,劉偉健

基于Recurdyn的履帶式三七收獲機不同收獲工況性能分析

李漢青1,2,杜宗霖1,2,張兆國1,2*,唐金鑫1,2,劉偉健1,2

1. 昆明理工大學農業與食品學院, 云南 昆明 650500 2. 云南省高校中藥材機械化工程研究中心, 云南 昆明 650500

針對三七收獲地形的特點，在傳統輪式三七收獲機的基礎上，設計了一款履帶式三七收獲機。利用多體動力學仿真軟件Recurdyn中的子系統Track (LM)建立該收獲機的動力學模型，針對所建立的模型進行仿真分析，著重對收獲機在三種不同行走工況下進行動態性能仿真，并判斷整機的穩定性能。在平地直行工況下，對收獲機的驅動輪扭矩、支重輪受力情況、質心垂向加速度進行仿真分析；在轉彎工況下，對收獲機的驅動輪扭矩、質心在水平內的位移變化進行仿真分析；在越障工況下，對收獲機的質心水平速度、質心垂直位移變化進行仿真分析。仿真結果表明：整機模型有效，得出了收獲機在三種不同工況下性能都較穩定，滿足設計要求，同時，通過對本次研究結果的分析，提出了幾點延長履帶壽命的措施，為履帶式收獲機的研制和使用提供了理論參考。

三七收獲機; 性能分析

近年來，隨著三七產業的不斷發展，三七收獲機的開發需求正在不斷的提升，隨著科學技術的進步與三七種植農戶對三七收獲機需求的提高[1,2]，因此，履帶式三七收獲機的研制成為了當下最為重要的事情。根據三七收獲環境現場調研結果及現場地形特點，在傳統輪式收獲機的基礎上，設計了一款履帶式三七收獲機(圖1)。

對履帶式車輛的研究國內外學者均取得了一定的成果：Yamakawa J[3]針對履帶式車輛在不同行駛路面，當車滑移率發生變化時對整車的加速性能及影響進行了分析，并采用了模型和試驗相結合的方法進行驗證；Matej J[4]對影響履帶式車輛傳動系統的非線性因素進行了分析，搭建了非線性動力學的模型，對不同載荷作用下的機器特性進行了分析研究；Valpolinip[5]采用Recurdyn軟件搭建了履帶式車輛的多體動力學模型，對軟硬兩種路面的運行情況及轉向性能進行分析；盧進軍等[6]搭建履帶車輛的動力學模型，重點是對整車的高速運行在軟質路面發生轉向時的整車動力學特性進行了研究，為此類操作提供了一定的指導作用。

目前，用于履帶式收獲機動力學仿真的軟件主要有ADAMS和Recurdyn兩種，ADAMS專門有分析履帶的模塊，新一代多體動力學分析軟件Recurdyn則提供了高速和低速履帶建模工具[7,8]。而本文以研制的履帶式三七收獲機為研究對象（見圖1），利用多體動力學仿真軟件Recurdyn進行建模，對收獲機在不同工況：平地直行、轉彎、越障高度50 mm等虛擬地形情況進行仿真分析，主要對收獲機在三種不同工況下驅動輪扭矩、支重輪受力情況、質心垂向加速度、質心水平位移、質心水平速度、質心垂直位移進行仿真分析。

1 履帶式三七收獲機動力學建模

1.1 履帶行走系統設計

履帶式三七收獲機行走系統由兩組橡膠履帶機構組成，如圖2所示，包括橡膠履帶、驅動輪、引導輪、支重輪、托帶輪、張緊裝置和支撐架。由于挖掘裝置的安裝在收獲機后方，驅動電機需要前置，因此驅動輪采用前置方式。

1.外部蒙皮；2.履帶行走系統；3.挖掘裝置；4.螺桿升降裝置；5.控制裝置

橡膠履帶機構在運動過程中，通過履帶的卷繞運動獲得地面的摩擦力，方向與前進方向相同，推動收獲機前進。其中驅動輪獲得傳動軸傳遞來的轉矩，并將轉矩傳給履帶使其卷繞，履帶的卷繞通過履帶內突齒將轉矩變為地面摩擦力，從而帶動輪系轉動。支重輪在橡膠履帶面上自由滾動、支撐收獲機的重力，同時，也減弱路面行駛中的沖擊。導向輪引導履帶的繞轉軌跡，防止履帶跑偏。張緊機構防止履帶的松弛與脫軌。托帶輪能夠約束松邊使履帶下垂。設計履帶行走系統參數如表1所示。

1.驅動輪；2.橡膠履帶；3.托帶輪；4.支撐架；5.張緊裝置；6.支重輪；7.引導輪

1.2 履帶式系統參數化建模

履帶式三七收獲機是一種用于根莖類中藥材作物收獲作業的農用機械，根據農業機械的發展與要求，履帶式三七收獲機必須具備以下功能：（1）自動化水平較高；（2）整機結構必須緊湊。為達到上述目的，在履帶式三七收獲機車身處設計研發了一套遙控控制系統，采用螺桿平行升降的方式對挖掘部件實現升降，整個履帶式三七收獲機在工作中都是由遠程遙控實現控制，使履帶式三七收獲機的自動化水平大幅度提升。

表1 履帶行走系統參數

在進行履帶式三七收獲機動力學仿真建模時，首先必須對履帶式三七收獲機進行必要的簡化，忽略相關焊縫和螺栓，去除對履帶式三七收獲機重心影響較小的設備（如遙控控制系統中的控制器、變頻器等）。參照所設計的履帶行走機構結構圖（見圖2）、履帶行走系統參數(表1)、收獲機的基本參數(表2)，利用Recurdyn軟件及Track/LM模塊對履帶式三七收獲機進行整體建模。履帶系統由左、右兩側履帶組成，每側履帶子系統由1個支撐架、1個驅動輪、1個引導輪、4個支重輪、1個托帶輪和48塊橡膠履帶板組成。

表2 履帶式三七收獲機參數

1.3 虛擬樣機施加約束與路面設置

在整個履帶式三七收獲機模型建立完成之后，需要定義收獲機虛擬樣機各部件之間的約束關系，使其能實現正常的動作。定義后的各個部件之間約束關系如表3所示。

表3 各部件對應約束關系

為了能更精確地對履帶式三七收獲機進行動力學仿真分析，結論更加準確，還在履帶系統各部件連接外定義了對應接觸力，以驅動輪與橡膠履帶接觸力參數定義為例，如表4所示。

表4 驅動輪與橡膠履帶接觸力參數履帶

以本課題的實驗基地石林地區收獲現場為主要研究對象，分析研究收獲機在三種不同工況下的性能。而地面模型認為土壤具有“記憶”功能[9]，即考慮加載歷史，每一履帶板與地面之間都有一個廣義力，并由一用戶子程序完成該廣義力的計算[10]。通過對實地調研及相關文獻的閱讀[11-16]，得出了收獲路面具體參數的取值，如表5所示。

表5 路面參數設置

2 履帶式三七收獲機動力學仿真分析

履帶式三七收獲機是一個復雜的非線性多體系統。履帶與地面的擠壓過程是屬于典型的接觸過程，應用Recurdyn軟件能求解此類大規模及復雜接觸的多體動力學問題，履帶式三七收獲機按照表5設置路面參數、按表6設置運動仿真參數。

表6 運動仿真參數

2.1 平地直行工況分析

履帶式三七收獲機的平地直行仿真模型如圖3所示，對其進行平地直行工況動力學仿真。在仿真模擬過程后，對仿真中的實驗數據進行提取和研究分析，主要針對驅動輪扭矩、支重輪垂向載荷、質心垂向加速度的大小及變化趨勢進行分析，仿真結果如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 平地直行仿真模型圖

收獲機在平地直行工況下，左右兩側驅動輪所受扭矩一樣，本文以一側的驅動輪為例。如圖4所示，可以發現：開始啟動時所需的驅動力矩較大，啟動后會進入相對較為平穩的狀態，在=5.13 s、=7.1 s、=8.9 s略有波動，這是因為驅動輪是通過輪齒與橡膠履帶進行嚙合，存在打滑現象，導致瞬間扭矩增大。但是整體而言，驅動輪扭矩的平均值接近200 Nm，驅動輪半徑116 mm，可知該側所需的牽引力為1724 N，同時可以發現啟動時驅動輪受到的力矩較大。因而在收獲作業中，為了避免啟動時出現的較大力矩，一是收獲前留有一小段距離的空載行駛作為緩沖，二是對驅動電機的控制方案可以采用逐漸增加電機轉速的方式。

圖5為履帶行走系統支重輪垂向受力情況，由圖可知：履帶行走系統的四個支重輪受力情況不同，靠近驅動輪的支重輪受力較大，穩定時該支重輪受力大小為5000 N、方向為負表示垂直向下，其余三個支重輪受力較小，原因在于前端支重輪上會受到驅動輪和履帶給與的作用力。當收獲機工作時受力較大的支重輪磨損較快，因此，使用過程中可將靠近驅動輪一端的支重輪與其余三個支重輪進行對調使用，以其可增加支重輪的使用壽命。

垂向加速度能夠衡量整機運行平穩性，圖6為收獲機質心的垂向加速度圖。可以發現垂向加速度一直圍繞零點上下波動，垂向加速度的范圍-20 m/s2～15 m/s2，反映出履帶行走系統作為一個機械系統，有著復雜的內部作用力，1 s內約有10次左右的加速度的方向變化，可知履帶機構產生的振動頻率約為10 Hz。

圖4 驅動輪扭矩

圖5 支重輪垂向力

圖6 質心垂向加速度

2.2 轉彎工況分析

選取履帶式三七收獲機為研究對象，對其進行轉彎動力學仿真，主要針對左驅動輪扭矩、右驅動輪扭矩、質心位移的變化趨勢進行分析，仿真結果如圖7、圖8所示。圖7（a）和圖7（b）為左右兩側驅動輪上受到的扭矩圖。左側驅動輪受到的力矩為0 Nm～750 Nm，但是平均扭矩為300 Nm；右側驅動輪受到的力矩為-750 Nm～0 Nm，平均轉矩-300 Nm。與平地直行工況比較可知，轉彎工況下需要的扭矩大于平地直行工況下的扭矩，仿真為驅動電機的選擇提供依據。同樣，在轉彎工況下，驅動電機的控制方案也可以采用逐漸增加電機轉速的方式，避免在開始啟動時產生較大力矩。

圖8為原地轉向情況下收獲機質心在水平面內的位移圖，由圖可得：質心位置會隨運動而發生變化，在轉向過程中存在滑移，收獲機旋轉一圈，質心位移移動范圍在100 mm直徑的圓形區域內，為溫室內狹窄空間的轉彎性能提供了參考。

圖7 轉彎時驅動輪扭矩

圖8 質心在水平面內的位移

2.3 越障工況分析

根據現場收獲地形特點，在軟件中建立寬為1500 mm、高為50 mm的虛擬種植槽，對收獲機的越障工況進行仿真分析，建立越障仿真模型如圖9所示。對收獲機在越障工況下的質心水平速度、質心垂直位移進行分析，仿真結果如圖10、圖11所示。

圖9 收獲機越障工況仿真模型

質心的變化情況體現了收獲機在此工況下的性能，如圖10、圖11所示。質心垂向位移的曲線剛開始迅速下降，之后快速上升，最后趨于平穩狀態，這樣的曲線分別對應了收獲機從一側的水平面上行駛入種植槽，從種植槽行駛到另一側水平面，最后平穩狀態運行。結果表明：收獲機能夠順利地穿越種植槽，履帶行走機構設計合理，該機構能夠適應一定的非結構化環境。在行駛速度為0.75 m/s時，收獲機垂直方向的位移幅度為160 mm，在收獲機剛進入種植槽時質心水平速度發生急劇變化，駛出種植時變化較小。水平前進速度波動較大，能夠反映收獲機穿過種植槽時穩定性較低，有較大的晃動幅度，此時可以考慮調節驅動電機的轉速，以增強越障行駛的穩定性。

圖10 質心的水平速度

圖11 質心的垂直位移

3 結論

針對三七收獲現場的路面情況，根據履帶式車輛的優點，設計了一款履帶式三七收獲機。基于Recurdyn建立了履帶式三七收獲機在不同工況下行走的簡化模型，施加約束、接觸力及運動關系，由仿真結果分析可知：

（1）在平地直行工況下，得到了驅動輪扭矩為200 Nm、支重輪承受載荷情況、質心垂向加速度的變化情況。由仿真結果分析可知，在收獲時整機性能良好；

（2）通過轉彎工況對收獲機左右驅動輪扭矩、質心在水平上的位移變化趨勢進行仿真分析，結果表明：得到了驅動輪扭矩為300 Nm，收獲機質心會發生滑轉現象，原地轉向一周時質心偏移量在直徑為100 mm的圓形范圍內，能夠滿足收獲場地的條件；

（3）收獲機的越障工況仿真結果表明：收獲機能夠順利通過種植槽，但收獲機在駛入種植槽時質心水平速度波動較大，意味著收獲機有較大晃動；

（4）利用多體動力學仿真軟件Recurdyn對履帶式三七收獲機在三種不同收獲工況下進行仿真分析，結果驗證了模型的正確性，滿足設計要求，同時也為履帶式三七收獲機的進一步改進與設計提供了理論參考依據。

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Performance Analysis of Tracked Panax Notoginseng Harvester under Different Operating Conditions Based on Recurdyn

LI Han-qing1,2, DU Zong-lin1,2, ZHANG Zhao-guo1,2*, TANG Jin-xin1,2, LIU Wei-jian1,2

1.650500,2.650500,

According to the topographic characteristics of Panax notoginseng harvesting site, a crawler type Panax notoginseng harvester was designed on the basis of traditional wheel type Panax notoginseng harvester. Track (LM), a subsystem of multi-body dynamics simulation software, is used to establish the dynamic model of this harvester. and the model is used to make simulation analyses including focus on the dynamic performance of the harvester under three different running conditions, the stability of a whole harvester is also evaluated. Under the condition of flat and straight running, the driving wheel torque, the force on the supporting wheel and the vertical acceleration of the center of mass of the harvester are simulated and analyzed; under the condition of turning, the driving wheel torque and the displacement of the center of mass in the horizontal are simulated and analyzed; under the condition of obstacle crossing, the horizontal velocity and the vertical displacement of the center of mass of the harvester are simulated and analyzed. The simulation results show that the whole machine model is valid and satisfied with the design requirement. Also, the harvester is relatively stable under three different conditions. Meanwhile, according to the analysis of the research results, several measures to prolong the life of track are proposed as well, which provides a theoretical reference for the development and use of the track harvester.

Panax notoginseng harvester; performance analysis

S225.7+9

A

1000-2324(2021)06-1028-07

2019-09-16

2019-11-12

三七機械化挖掘收獲工作機理與關鍵技術研究(51868023);克服三七連作障礙技術體系構建及應用(2016FZ001)

李漢青(1993-),男,碩士研究生,主要從事農業機械裝備設計與制造研究. E-mail:lhq199308@163.com

通訊作者:Author for correpondence. E-mail:zhaoguozhang@163.com