基于Recurdyn的履带式三七收获机不同收获工况性能分析

李汉青,杜宗霖,张兆国*,唐金鑫,刘伟健

基于Recurdyn的履带式三七收获机不同收获工况性能分析

李汉青1,2,杜宗霖1,2,张兆国1,2*,唐金鑫1,2,刘伟健1,2

1. 昆明理工大学农业与食品学院, 云南 昆明 650500 2. 云南省高校中药材机械化工程研究中心, 云南 昆明 650500

针对三七收获地形的特点，在传统轮式三七收获机的基础上，设计了一款履带式三七收获机。利用多体动力学仿真软件Recurdyn中的子系统Track (LM)建立该收获机的动力学模型，针对所建立的模型进行仿真分析，着重对收获机在三种不同行走工况下进行动态性能仿真，并判断整机的稳定性能。在平地直行工况下，对收获机的驱动轮扭矩、支重轮受力情况、质心垂向加速度进行仿真分析；在转弯工况下，对收获机的驱动轮扭矩、质心在水平内的位移变化进行仿真分析；在越障工况下，对收获机的质心水平速度、质心垂直位移变化进行仿真分析。仿真结果表明：整机模型有效，得出了收获机在三种不同工况下性能都较稳定，满足设计要求，同时，通过对本次研究结果的分析，提出了几点延长履带寿命的措施，为履带式收获机的研制和使用提供了理论参考。

三七收获机; 性能分析

近年来，随着三七产业的不断发展，三七收获机的开发需求正在不断的提升，随着科学技术的进步与三七种植农户对三七收获机需求的提高[1,2]，因此，履带式三七收获机的研制成为了当下最为重要的事情。根据三七收获环境现场调研结果及现场地形特点，在传统轮式收获机的基础上，设计了一款履带式三七收获机(图1)。

对履带式车辆的研究国内外学者均取得了一定的成果：Yamakawa J[3]针对履带式车辆在不同行驶路面，当车滑移率发生变化时对整车的加速性能及影响进行了分析，并采用了模型和试验相结合的方法进行验证；Matej J[4]对影响履带式车辆传动系统的非线性因素进行了分析，搭建了非线性动力学的模型，对不同载荷作用下的机器特性进行了分析研究；Valpolinip[5]采用Recurdyn软件搭建了履带式车辆的多体动力学模型，对软硬两种路面的运行情况及转向性能进行分析；卢进军等[6]搭建履带车辆的动力学模型，重点是对整车的高速运行在软质路面发生转向时的整车动力学特性进行了研究，为此类操作提供了一定的指导作用。

目前，用于履带式收获机动力学仿真的软件主要有ADAMS和Recurdyn两种，ADAMS专门有分析履带的模块，新一代多体动力学分析软件Recurdyn则提供了高速和低速履带建模工具[7,8]。而本文以研制的履带式三七收获机为研究对象（见图1），利用多体动力学仿真软件Recurdyn进行建模，对收获机在不同工况：平地直行、转弯、越障高度50 mm等虚拟地形情况进行仿真分析，主要对收获机在三种不同工况下驱动轮扭矩、支重轮受力情况、质心垂向加速度、质心水平位移、质心水平速度、质心垂直位移进行仿真分析。

1 履带式三七收获机动力学建模

1.1 履带行走系统设计

履带式三七收获机行走系统由两组橡胶履带机构组成，如图2所示，包括橡胶履带、驱动轮、引导轮、支重轮、托带轮、张紧装置和支撑架。由于挖掘装置的安装在收获机后方，驱动电机需要前置，因此驱动轮采用前置方式。

1.外部蒙皮；2.履带行走系统；3.挖掘装置；4.螺杆升降装置；5.控制装置

橡胶履带机构在运动过程中，通过履带的卷绕运动获得地面的摩擦力，方向与前进方向相同，推动收获机前进。其中驱动轮获得传动轴传递来的转矩，并将转矩传给履带使其卷绕，履带的卷绕通过履带内突齿将转矩变为地面摩擦力，从而带动轮系转动。支重轮在橡胶履带面上自由滚动、支撑收获机的重力，同时，也减弱路面行驶中的冲击。导向轮引导履带的绕转轨迹，防止履带跑偏。张紧机构防止履带的松弛与脱轨。托带轮能够约束松边使履带下垂。设计履带行走系统参数如表1所示。

1.驱动轮；2.橡胶履带；3.托带轮；4.支撑架；5.张紧装置；6.支重轮；7.引导轮

1.2 履带式系统参数化建模

履带式三七收获机是一种用于根茎类中药材作物收获作业的农用机械，根据农业机械的发展与要求，履带式三七收获机必须具备以下功能：（1）自动化水平较高；（2）整机结构必须紧凑。为达到上述目的，在履带式三七收获机车身处设计研发了一套遥控控制系统，采用螺杆平行升降的方式对挖掘部件实现升降，整个履带式三七收获机在工作中都是由远程遥控实现控制，使履带式三七收获机的自动化水平大幅度提升。

表1 履带行走系统参数

在进行履带式三七收获机动力学仿真建模时，首先必须对履带式三七收获机进行必要的简化，忽略相关焊缝和螺栓，去除对履带式三七收获机重心影响较小的设备（如遥控控制系统中的控制器、变频器等）。参照所设计的履带行走机构结构图（见图2）、履带行走系统参数(表1)、收获机的基本参数(表2)，利用Recurdyn软件及Track/LM模块对履带式三七收获机进行整体建模。履带系统由左、右两侧履带组成，每侧履带子系统由1个支撑架、1个驱动轮、1个引导轮、4个支重轮、1个托带轮和48块橡胶履带板组成。

表2 履带式三七收获机参数

1.3 虚拟样机施加约束与路面设置

在整个履带式三七收获机模型建立完成之后，需要定义收获机虚拟样机各部件之间的约束关系，使其能实现正常的动作。定义后的各个部件之间约束关系如表3所示。

表3 各部件对应约束关系

为了能更精确地对履带式三七收获机进行动力学仿真分析，结论更加准确，还在履带系统各部件连接外定义了对应接触力，以驱动轮与橡胶履带接触力参数定义为例，如表4所示。

表4 驱动轮与橡胶履带接触力参数履带

以本课题的实验基地石林地区收获现场为主要研究对象，分析研究收获机在三种不同工况下的性能。而地面模型认为土壤具有“记忆”功能[9]，即考虑加载历史，每一履带板与地面之间都有一个广义力，并由一用户子程序完成该广义力的计算[10]。通过对实地调研及相关文献的阅读[11-16]，得出了收获路面具体参数的取值，如表5所示。

表5 路面参数设置

2 履带式三七收获机动力学仿真分析

履带式三七收获机是一个复杂的非线性多体系统。履带与地面的挤压过程是属于典型的接触过程，应用Recurdyn软件能求解此类大规模及复杂接触的多体动力学问题，履带式三七收获机按照表5设置路面参数、按表6设置运动仿真参数。

表6 运动仿真参数

2.1 平地直行工况分析

履带式三七收获机的平地直行仿真模型如图3所示，对其进行平地直行工况动力学仿真。在仿真模拟过程后，对仿真中的实验数据进行提取和研究分析，主要针对驱动轮扭矩、支重轮垂向载荷、质心垂向加速度的大小及变化趋势进行分析，仿真结果如图4、图5、图6所示。

图3 平地直行仿真模型图

收获机在平地直行工况下，左右两侧驱动轮所受扭矩一样，本文以一侧的驱动轮为例。如图4所示，可以发现：开始启动时所需的驱动力矩较大，启动后会进入相对较为平稳的状态，在=5.13 s、=7.1 s、=8.9 s略有波动，这是因为驱动轮是通过轮齿与橡胶履带进行啮合，存在打滑现象，导致瞬间扭矩增大。但是整体而言，驱动轮扭矩的平均值接近200 Nm，驱动轮半径116 mm，可知该侧所需的牵引力为1724 N，同时可以发现启动时驱动轮受到的力矩较大。因而在收获作业中，为了避免启动时出现的较大力矩，一是收获前留有一小段距离的空载行驶作为缓冲，二是对驱动电机的控制方案可以采用逐渐增加电机转速的方式。

图5为履带行走系统支重轮垂向受力情况，由图可知：履带行走系统的四个支重轮受力情况不同，靠近驱动轮的支重轮受力较大，稳定时该支重轮受力大小为5000 N、方向为负表示垂直向下，其余三个支重轮受力较小，原因在于前端支重轮上会受到驱动轮和履带给与的作用力。当收获机工作时受力较大的支重轮磨损较快，因此，使用过程中可将靠近驱动轮一端的支重轮与其余三个支重轮进行对调使用，以其可增加支重轮的使用寿命。

垂向加速度能够衡量整机运行平稳性，图6为收获机质心的垂向加速度图。可以发现垂向加速度一直围绕零点上下波动，垂向加速度的范围-20 m/s2～15 m/s2，反映出履带行走系统作为一个机械系统，有着复杂的内部作用力，1 s内约有10次左右的加速度的方向变化，可知履带机构产生的振动频率约为10 Hz。

图4 驱动轮扭矩

图5 支重轮垂向力

图6 质心垂向加速度

2.2 转弯工况分析

选取履带式三七收获机为研究对象，对其进行转弯动力学仿真，主要针对左驱动轮扭矩、右驱动轮扭矩、质心位移的变化趋势进行分析，仿真结果如图7、图8所示。图7（a）和图7（b）为左右两侧驱动轮上受到的扭矩图。左侧驱动轮受到的力矩为0 Nm～750 Nm，但是平均扭矩为300 Nm；右侧驱动轮受到的力矩为-750 Nm～0 Nm，平均转矩-300 Nm。与平地直行工况比较可知，转弯工况下需要的扭矩大于平地直行工况下的扭矩，仿真为驱动电机的选择提供依据。同样，在转弯工况下，驱动电机的控制方案也可以采用逐渐增加电机转速的方式，避免在开始启动时产生较大力矩。

图8为原地转向情况下收获机质心在水平面内的位移图，由图可得：质心位置会随运动而发生变化，在转向过程中存在滑移，收获机旋转一圈，质心位移移动范围在100 mm直径的圆形区域内，为温室内狭窄空间的转弯性能提供了参考。

图7 转弯时驱动轮扭矩

图8 质心在水平面内的位移

2.3 越障工况分析

根据现场收获地形特点，在软件中建立宽为1500 mm、高为50 mm的虚拟种植槽，对收获机的越障工况进行仿真分析，建立越障仿真模型如图9所示。对收获机在越障工况下的质心水平速度、质心垂直位移进行分析，仿真结果如图10、图11所示。

图9 收获机越障工况仿真模型

质心的变化情况体现了收获机在此工况下的性能，如图10、图11所示。质心垂向位移的曲线刚开始迅速下降，之后快速上升，最后趋于平稳状态，这样的曲线分别对应了收获机从一侧的水平面上行驶入种植槽，从种植槽行驶到另一侧水平面，最后平稳状态运行。结果表明：收获机能够顺利地穿越种植槽，履带行走机构设计合理，该机构能够适应一定的非结构化环境。在行驶速度为0.75 m/s时，收获机垂直方向的位移幅度为160 mm，在收获机刚进入种植槽时质心水平速度发生急剧变化，驶出种植时变化较小。水平前进速度波动较大，能够反映收获机穿过种植槽时稳定性较低，有较大的晃动幅度，此时可以考虑调节驱动电机的转速，以增强越障行驶的稳定性。

图10 质心的水平速度

图11 质心的垂直位移

3 结论

针对三七收获现场的路面情况，根据履带式车辆的优点，设计了一款履带式三七收获机。基于Recurdyn建立了履带式三七收获机在不同工况下行走的简化模型，施加约束、接触力及运动关系，由仿真结果分析可知：

（1）在平地直行工况下，得到了驱动轮扭矩为200 Nm、支重轮承受载荷情况、质心垂向加速度的变化情况。由仿真结果分析可知，在收获时整机性能良好；

（2）通过转弯工况对收获机左右驱动轮扭矩、质心在水平上的位移变化趋势进行仿真分析，结果表明：得到了驱动轮扭矩为300 Nm，收获机质心会发生滑转现象，原地转向一周时质心偏移量在直径为100 mm的圆形范围内，能够满足收获场地的条件；

（3）收获机的越障工况仿真结果表明：收获机能够顺利通过种植槽，但收获机在驶入种植槽时质心水平速度波动较大，意味着收获机有较大晃动；

（4）利用多体动力学仿真软件Recurdyn对履带式三七收获机在三种不同收获工况下进行仿真分析，结果验证了模型的正确性，满足设计要求，同时也为履带式三七收获机的进一步改进与设计提供了理论参考依据。

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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

三七机械化挖掘收获工作机理与关键技术研究(51868023);克服三七连作障碍技术体系构建及应用(2016FZ001)

李汉青(1993-),男,硕士研究生,主要从事农业机械装备设计与制造研究. E-mail:lhq199308@163.com

通讯作者:Author for correpondence. E-mail:zhaoguozhang@163.com