再生稻收獲機(jī)后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周 芃,劉偉健,曾 山

(1.貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院,貴陽(yáng) 55000;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,廣州 510642)

0 引言

再生稻是根據(jù)水稻的再生特性,采用特定的栽培管理措施,頭季水稻收割后利用稻樁上的休眠芽萌發(fā)生長(zhǎng)成穗再收割的一季水稻[1-4]。相比于常規(guī)水稻,再生稻具有生育期短、一種兩收、省種、節(jié)水、能充分利用光溫資源、稻米品質(zhì)好和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)[5]。再生稻種植模式與常規(guī)水稻不同,為了增加再生季的產(chǎn)量,必須盡可能減少收割頭季稻時(shí)對(duì)留茬造成的碾壓,同時(shí)盡可能保持留茬完整以及高度適宜[6-8]。普通履帶式收獲機(jī)履帶寬度為350～550 mm,履帶接地長(zhǎng)度長(zhǎng)度2000～2300mm,田頭轉(zhuǎn)向碾壓面積大,嚴(yán)重影響了再生季水稻產(chǎn)量。

為此,設(shè)計(jì)了三角履帶式再生稻收獲機(jī),采用三角履帶式底盤,履帶接地長(zhǎng)度僅800mm,履帶寬度280mm,大幅降低了直線碾壓率與轉(zhuǎn)向碾壓面積。由于采用后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng),且后橋上方承載再生稻收獲機(jī)上各個(gè)機(jī)構(gòu),后橋的可靠性關(guān)乎整機(jī)的安全,后橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)需避開發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率和路面激勵(lì)的主要頻率。

1 三角履帶式再生稻收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

三角履帶式再生稻收獲機(jī)底盤由三角履帶輪、液壓行走馬達(dá)、轉(zhuǎn)向油缸及仿形機(jī)構(gòu)等組成,如圖1所示。后橋上裝配脫粒清選裝置、輸送槽、割臺(tái)裝置、撥禾輪、糧箱、卸糧滾筒等工作裝置。三角履帶式再生稻收獲機(jī)底盤采用全液壓驅(qū)動(dòng),主泵將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能,液壓能傳遞至液壓行走馬達(dá),驅(qū)動(dòng)三角履帶輪行走,完成前進(jìn)及后退動(dòng)作;田間轉(zhuǎn)向由后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成,仿形機(jī)構(gòu)可根據(jù)地形起伏使履帶隨時(shí)緊貼地面,以保證充足的抓地力。

圖1 三角履帶式再生稻收獲機(jī)模型Fig.1 Model of triangular crawler type reclaimed rice harvester

2 后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

普通履帶式底盤采用差速轉(zhuǎn)向,可實(shí)現(xiàn)原地調(diào)頭,但轉(zhuǎn)向過(guò)程會(huì)進(jìn)一步增大履帶沉陷量。為增強(qiáng)底盤的轉(zhuǎn)向性能,減少履帶沉陷量及田頭轉(zhuǎn)向碾壓面積,采用后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由后橋、轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向油缸連接架等組成,如圖2所示。后橋與后橋主縱梁連接,兩個(gè)后履帶輪分別焊接在后橋兩側(cè),液壓油缸連接后橋與轉(zhuǎn)向油缸連接架,轉(zhuǎn)向油缸連接架與后橋主縱梁焊接。轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)使后履帶輪發(fā)生偏轉(zhuǎn),達(dá)到后履帶輪轉(zhuǎn)向的目的,可有效減小轉(zhuǎn)彎半徑,如圖2和圖3所示。

圖2 后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of rear axle steering system

圖3 后橋轉(zhuǎn)向示意圖Fig.3 Rear axle steering diagram

后橋作為三角履帶式再生稻收獲機(jī)的基礎(chǔ)承載部件,安裝有駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、糧箱、脫離清選裝置、割臺(tái)和卸糧滾筒等工作部件,承受著各工作部件產(chǎn)生的靜載荷及作業(yè)行駛過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng),故不僅需具備足夠的強(qiáng)度和剛度,還需擁有良好的動(dòng)態(tài)性能。后橋的固有頻率必須避開發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率和路面激勵(lì)的主要頻率,而模態(tài)分析可以通過(guò)計(jì)算獲取后橋的固有頻率,合理優(yōu)化后橋結(jié)構(gòu),避免共振現(xiàn)象的發(fā)生[9]。

3 基于Recurdyn的轉(zhuǎn)向仿真分析

在Recurdyn中搭建三角履帶式再生稻收獲機(jī)底盤模型,包括對(duì)驅(qū)動(dòng)輪、誘導(dǎo)輪、托帶輪以及履帶等建模,如圖4所示。對(duì)驅(qū)動(dòng)輪賦予運(yùn)動(dòng)屬性,建立仿真道路環(huán)境,對(duì)三角履帶式再生稻收獲機(jī)田間轉(zhuǎn)向進(jìn)行仿真分析,行走速度設(shè)置為2m/s,為驗(yàn)證后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)彎半徑的影響,進(jìn)行對(duì)比仿真試驗(yàn)。第1組試驗(yàn):兩側(cè)履帶采用差速轉(zhuǎn)向,設(shè)定右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速大于左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速,再生稻收獲機(jī)左轉(zhuǎn),關(guān)閉后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng),進(jìn)行轉(zhuǎn)向仿真試驗(yàn),記錄轉(zhuǎn)彎半徑;第2組試驗(yàn):保持兩側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速相同,開啟后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng),使后履帶與車身呈15°偏角,記錄轉(zhuǎn)彎半徑。

圖4 虛擬樣機(jī)模型Fig.4 Virtual prototype model

圖5為三角履帶式再生稻收獲機(jī)關(guān)閉/開啟后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎半徑變化情況。圖5中,1個(gè)周期曲線代表再生稻收獲機(jī)完成1周轉(zhuǎn)向。設(shè)定右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速大于左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速,再生稻收獲機(jī)左轉(zhuǎn)。由圖5可知:關(guān)閉后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí),轉(zhuǎn)向直徑為7900mm,開啟后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后轉(zhuǎn)向直徑減小為6600mm,后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有效減小轉(zhuǎn)彎半徑16.5%,使收獲機(jī)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中更加靈活。

圖5 轉(zhuǎn)彎半徑仿真圖Fig.5 Simulation diagram of turning radius

4 后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)分析

4.1 模型前處理

三角履帶式再生稻收獲機(jī)底盤后橋主要由鋼管及鋼板焊接而成。其中,后橋總長(zhǎng)為1141 mm,寬度為580mm。整個(gè)結(jié)構(gòu)包括2根縱梁、2根橫梁、4根下擺臂和1塊固定板組成。

將三角履帶式再生稻收獲機(jī)底盤后橋三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件時(shí),為了提高分析效率,需要在滿足計(jì)算精度的條件下對(duì)后橋三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,忽略焊接對(duì)后橋材料組織特性的影響、圓角、圓孔等工藝結(jié)構(gòu)以及一些不受力或者受力較小的零部件,將 模 型 導(dǎo) 入ANSYS Workbench有限元仿真軟件。定義材料,選用Q235鋼,彈性模量2.1×105MPa,泊松比0.3,密度7850kg/m3,屈服極限355MPa,抗拉強(qiáng)度600MPa。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),采用六面體和四面體的組合網(wǎng)格,單元尺寸設(shè)置為20mm,劃分為41 476個(gè)實(shí)體單元,單元節(jié)點(diǎn)共118 532個(gè)。

4.2 模態(tài)分析

由于在模態(tài)分析中只有低階模態(tài)才對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析具有實(shí)際的參考價(jià)值[10],故在 ANSYS Workbench中僅分析后橋的前6階模態(tài),結(jié)果如表1和圖6所示。

表1 后橋前6階固有頻率和振型Table 1 Front 6 natural frequencies and vibration modes of rear axle

圖6 后橋前六階自由模態(tài)固有振型Fig.5 Natural vibration mode of the first six free modes of the rear axle

三角履帶式再生稻收獲機(jī)底盤后橋的固有頻率主要處于132.28～437.88Hz之間,通常低階模態(tài)振型會(huì)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)產(chǎn)生較大影響,且田間路面不平度、履帶輪不平衡度和發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)是底盤后橋的外部激勵(lì)主要來(lái)源。路面比較平整時(shí),激勵(lì)頻率一般低于5 Hz;水田地面凹凸不平時(shí),激勵(lì)頻率一般低于10 Hz。由于履帶輪不平衡所引起的激勵(lì)一般較小,因此頻率低于3 Hz。

本機(jī)選用的發(fā)動(dòng)機(jī)為常柴4G33TC型四缸發(fā)動(dòng)機(jī),額定轉(zhuǎn)速為2600 r/min,由計(jì)算得額定轉(zhuǎn)速激勵(lì)頻率約為22 Hz。上述解析模態(tài)分析結(jié)果表明:三角履帶式再生稻收獲機(jī)底盤后橋的前6階固有頻率在132.28～437.88Hz之間,最低固有頻率為132.28 Hz,有效避開了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率和路面激勵(lì)的主要頻率,后橋工作時(shí)均不會(huì)發(fā)生共振,設(shè)計(jì)安全可靠。

5 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)采用本團(tuán)隊(duì)自主研制的再生稻收獲機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎半徑及窄履沉陷量測(cè)試,參數(shù)如表1所示。田間試驗(yàn)于2021年11月24日在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)試驗(yàn)基地試驗(yàn)田進(jìn)行,土壤質(zhì)地為壤土,含水率27.3%,堅(jiān)實(shí)度83.4kPa。

以三角履帶式再生稻收獲機(jī)底轉(zhuǎn)向過(guò)程中的轉(zhuǎn)彎半徑為測(cè)量指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。由于轉(zhuǎn)彎半徑無(wú)法提前設(shè)定,故采用先試驗(yàn)后測(cè)量的方法進(jìn)行。三角履帶式再生稻收獲機(jī)底轉(zhuǎn)向時(shí),形成軌跡圓,進(jìn)行兩組試驗(yàn)。第1組試驗(yàn):兩側(cè)履帶采用差速轉(zhuǎn)向,設(shè)定右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速大于左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速,再生稻收獲機(jī)左轉(zhuǎn),形成完整軌跡圓后,使用卷尺測(cè)量轉(zhuǎn)彎半徑,多次測(cè)量取平均值;第2組試驗(yàn):保持兩側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速相同,方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度,開啟后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng),使后履帶與車身呈一定偏角,記錄轉(zhuǎn)彎半徑。田間試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 田間試驗(yàn)Fig.7 Field test

田間試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 田間試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Field test result

通過(guò)對(duì)比轉(zhuǎn)彎半徑可知:開啟后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可有效減小轉(zhuǎn)彎半徑,提高再生稻收獲機(jī)田間機(jī)動(dòng)性。田間試驗(yàn)與仿真結(jié)果現(xiàn)象相符,說(shuō)明仿真模型可信程度較高,可以準(zhǔn)確反映再生稻收獲機(jī)田間轉(zhuǎn)彎特性。

6 結(jié)論

1) 針對(duì)履帶式再生稻收獲機(jī)田間轉(zhuǎn)彎半徑大的問題,設(shè)計(jì)了三角履帶式再生稻收獲機(jī)后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng),確定了后橋整體結(jié)構(gòu)。使用Recurdyn進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真分析,結(jié)果表明:后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可有效減小轉(zhuǎn)彎半徑16.5%。

2) 在ANSYS Workbench中對(duì)后橋進(jìn)行了前6階模態(tài)分析,后橋固有頻率在132.28～437.88Hz之間,避開了工作激振頻率,作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生共振,樣機(jī)設(shè)計(jì)安全可靠。

3)田間試驗(yàn)表明:后橋結(jié)構(gòu)可靠,開啟后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后再生稻收獲機(jī)田間行進(jìn)靈活性大幅提升,轉(zhuǎn)彎半徑減小幅度最大為19.53%,仿真結(jié)果較為可靠。