機電一體化在小型三行輪式玉米收獲機設計仿真中的應用

任 桔

（宜興高等職業技術學校，江蘇 無錫 214200）

農業機械設計制造是農業現代化發展的重要支撐，而機電一體化技術的快速發展為農業機械設計制造帶來了新的機遇和挑戰。“十四五”規劃中對農業現代化建設與發展提出了新的要求，即結合超大規模農產品的需求和超大規模人口的現實狀況，必須要將現代化科學技術引入其中，解決一些地區自然條件不足的問題。機電一體化技術將機械工程和電氣工程相結合，通過智能化控制與信息化技術的應用，實現農業機械的優化設計、自動化操作和智能化管理。基于此，討論了機電一體化在小型三行輪式玉米收獲機設計仿真中的應用，探討其對農業生產效率提升和農業現代化進程的推動作用。

1 機電一體化在農業機械設計制造中的價值

機電一體化將信息技術、電子技術、傳感器技術、信號轉換技術等先進的技術結合起來，具有一定的兼容性和普適性，結合農業生產需求和應用狀況，用于農業機械設計制造中，提升農業機械的性能和功能，使其更好地適應農業生產的需求。機電一體化在農業機械設計制造中的價值體現在以下幾方面。

第一，機電一體化可以實現對農業機械的智能化監控和控制，減少人工操作過程中的安全隱患。例如，通過傳感器和控制系統的聯動，可以實時監測農機的工作狀態和環境參數，及時發現并解決潛在危險[1]。

第二，機電一體化可以通過自動化和智能化的設計，簡化農機的操作流程，減輕操作人員的負擔，提高工作效率[2]。

第三，機電一體化可以實現遠程控制和監控功能，操作人員可以通過遠程終端對農機進行操作和監控，提高操作的靈活性和便捷性。

第四，機電一體化可以通過提高農機的工作效率和生產能力，實現農業生產的規模化和自動化。例如，通過機電一體化的設計，可以實現農機的智能化調度和協同作業，提高作業效率和作業質量。

第五，機電一體化還可以提高農機的精準性和穩定性，減少生產過程中的浪費和損失，進一步提升產能[3]。

2 機電一體化在小型三行輪式玉米收獲機設計仿真中的應用

2.1 調平機構模型構建

研究液壓油缸活塞伸縮長度與豎直方向升降位移的關系，需要在已設計的調平機構基礎上建立收獲機的機械結構調平模型，并進行分析。為了實現收獲機的左右橫向調平，要對左前側、右前側液壓油缸的伸縮長度進行調節，以改變左前輪和右前輪相對于車身上層安裝主架的位置。通過控制液壓油缸的活塞伸縮長度，可以實現左右輪的高低調節，從而實現收獲機的左右橫向平衡[4]。

收獲機底盤調平裝置右半部分的結構與連接關系、以P點為圓點建立的坐標系見圖1。圖1 中，BP為液壓油缸；PJ為下擺臂，在BR伸縮的情況下圍繞P點進行旋轉；P點為右前輪下擺臂和收獲機車身的連接點；B點為右前液壓油缸和收獲機上底盤架的連接點；R為油氣缸和下擺臂的連接點；J為右前輪和下擺臂的連接點，也代表垂直方向上的位移，即收獲機車身右前支撐點位置的升降量。同時，在坐標系中可以用ΔZj表示B支撐點的升降量，根據模型可以計算出，液壓油缸所需伸縮量ΔRR'，通過控制油氣缸伸縮量，可實現收獲機車身調平。

圖1 右前側調平機構示意圖Fig.1 Diagram of the right front levelling mechanism

在ΔPBR中，根據余弦定理可以得出：

由公式（1）得出：

PJ'是以P點為中心旋轉而來，設置J點坐標為(xj,zj)，J'點坐標為(xJ,zJ)，其中：

由旋轉矩陣式（5）可簡化為式（7），具體情況如下：

其中J'在Z軸的方向坐標可以根據J點在Z軸的方向坐標所需升降量獲取：

旋轉角φ大小為：

根據φ和ψ以及ΔPBR'中PB邊長和PR'邊長，根據余弦定理可以得出BR'邊長，也就是伸縮后油氣缸的長度：

根據三點便捷逐低調平模型，獲取收獲機車身調平各個支撐點所需垂直方向上的位移，再結合位移計算油氣缸伸縮長度，由控制器控制油氣缸動作完成調平運動。

2.2 懸掛系統設計與建模

盡管收獲機車身調平系統可以使收獲機實現大長斜坡中連續作業，然而油氣缸相對動作較慢，調平時間較長，當遇到田間坑洼不平的地面時，調平系統可能無法快速應對，導致收獲機的車輪在調平動作完成之前已經越過凸凹地面。這些無規律的小型凸凹會對駕駛員的駕駛作業產生影響，不僅使機手顛簸并容易疲勞，還會對脫粒清選等作業系統產生一定的影響，降低收獲機的作業質量[5]。對此，需要利用集成制造技術，在計算機輔助設計、制造、測試下，實現懸掛系統設計與建模。使用平行四桿機構，實現車身的穩定調平，使收獲機在不平地面上保持平穩。同時，油氣缸作為調平和減振元件，可以通過控制油氣缸的壓力和流量來調節左右前輪的位置和減振效果。油氣缸通常使用惰性氣體作為彈性元件，通過油液作為傳力介質來實現減振和車身調平功能。當車輛在輕微波動的路面上行駛時，惰性氣體的彈性能起到減振效果。當車輛行駛在傾斜角度較大的坡面時，油液會推動油氣缸內的活塞伸縮，實現車身的調平。油氣缸結構見圖2。

圖2 油氣缸結構圖Fig.2 Cylinder structure drawing

2.3 仿真分析

懸掛系統在收獲機田間行駛作業時主要負責小角度的快速微調，旨在提高收獲機行駛作業的穩定性。因此，在仿真驗證時，主要關注懸掛系統在小角度微調方面的性能表現。通過在AMEsim 中建立收獲機的懸掛系統模型，并設置適當的工況和路面條件，可以模擬收獲機在田間行駛作業時的實際工況。仿真流程：第一，在AMEsim 中創建一個新的仿真項目，并設置時間和步長參數；第二，在仿真模型中添加收獲機的前輪和雙后車輪，及懸架系統的相關部件，如前油氣懸架和后彈簧阻尼懸架；第三，設置前輪和后車輪的大小為0.05 m，并將激勵的持續時間設置為0.1 s；第四，在仿真模型中添加一個激勵信號，并將其應用于前輪和雙后車輪，設置激勵信號的開始時間為第4 s；第五，運行仿真，并觀察收獲機車輪和懸架的位移和速度情況。可以使用AMEsim 提供的圖形工具和結果分析功能來查看和分析仿真結果。收獲機前后輪胎的位移和速度見圖3。

圖3 收獲機前后輪胎的位移和速度Fig.3 The displacement and speed of the front and rear tires of the harvester

3 結語

以小型三行輪式玉米收獲機設計制造為例，探究了機電一體化的具體應用，通過數學模型，設計收獲機調平機構和懸掛系統，在減振方面，于收獲機前端設置了獨立性油氣懸掛，后端設置非獨立性彈簧阻尼懸架[6]。總之，機電一體化在小型三行輪式玉米收獲機設計仿真中的應用給農業生產帶來了變革和發展的機遇。小型三行輪式玉米收獲機是一種機電一體化的農業機械設備，它將機械結構、電子控制和傳感器技術相結合，實現自動化操作和高效的玉米收獲，提高農業機械的智能化水平，推動農業現代化的進程。