再生稻收获机后桥转向系统设计与试验

周 芃,刘伟健,曾 山

(1.贵州农业职业学院,贵阳 55000;2.华南农业大学 工程学院,广州 510642)

0 引言

再生稻是根据水稻的再生特性,采用特定的栽培管理措施,头季水稻收割后利用稻桩上的休眠芽萌发生长成穗再收割的一季水稻[1-4]。相比于常规水稻,再生稻具有生育期短、一种两收、省种、节水、能充分利用光温资源、稻米品质好和经济效益高等优点[5]。再生稻种植模式与常规水稻不同,为了增加再生季的产量,必须尽可能减少收割头季稻时对留茬造成的碾压,同时尽可能保持留茬完整以及高度适宜[6-8]。普通履带式收获机履带宽度为350～550 mm,履带接地长度长度2000～2300mm,田头转向碾压面积大,严重影响了再生季水稻产量。

为此,设计了三角履带式再生稻收获机,采用三角履带式底盘,履带接地长度仅800mm,履带宽度280mm,大幅降低了直线碾压率与转向碾压面积。由于采用后桥转向系统,且后桥上方承载再生稻收获机上各个机构,后桥的可靠性关乎整机的安全,后桥转向机构需避开发动机的工作频率和路面激励的主要频率。

1 三角履带式再生稻收获机整机结构

三角履带式再生稻收获机底盘由三角履带轮、液压行走马达、转向油缸及仿形机构等组成,如图1所示。后桥上装配脱粒清选装置、输送槽、割台装置、拨禾轮、粮箱、卸粮滚筒等工作装置。三角履带式再生稻收获机底盘采用全液压驱动,主泵将发动机输出的机械能转化为液压能,液压能传递至液压行走马达,驱动三角履带轮行走,完成前进及后退动作;田间转向由后桥转向系统完成,仿形机构可根据地形起伏使履带随时紧贴地面,以保证充足的抓地力。

图1 三角履带式再生稻收获机模型Fig.1 Model of triangular crawler type reclaimed rice harvester

2 后桥转向系统设计

普通履带式底盘采用差速转向,可实现原地调头,但转向过程会进一步增大履带沉陷量。为增强底盘的转向性能,减少履带沉陷量及田头转向碾压面积,采用后桥转向系统。

后桥转向系统主要由后桥、转向油缸、转向油缸连接架等组成,如图2所示。后桥与后桥主纵梁连接,两个后履带轮分别焊接在后桥两侧,液压油缸连接后桥与转向油缸连接架,转向油缸连接架与后桥主纵梁焊接。转向时,转向油缸的伸缩运动使后履带轮发生偏转,达到后履带轮转向的目的,可有效减小转弯半径,如图2和图3所示。

图2 后桥转向系统结构示意图Fig.2 Structural diagram of rear axle steering system

图3 后桥转向示意图Fig.3 Rear axle steering diagram

后桥作为三角履带式再生稻收获机的基础承载部件,安装有驾驶室、发动机、粮箱、脱离清选装置、割台和卸粮滚筒等工作部件,承受着各工作部件产生的静载荷及作业行驶过程中产生的震动,故不仅需具备足够的强度和刚度,还需拥有良好的动态性能。后桥的固有频率必须避开发动机的工作频率和路面激励的主要频率,而模态分析可以通过计算获取后桥的固有频率,合理优化后桥结构,避免共振现象的发生[9]。

3 基于Recurdyn的转向仿真分析

在Recurdyn中搭建三角履带式再生稻收获机底盘模型,包括对驱动轮、诱导轮、托带轮以及履带等建模,如图4所示。对驱动轮赋予运动属性,建立仿真道路环境,对三角履带式再生稻收获机田间转向进行仿真分析,行走速度设置为2m/s,为验证后桥转向系统对转弯半径的影响,进行对比仿真试验。第1组试验:两侧履带采用差速转向,设定右侧驱动轮转速大于左侧驱动轮转速,再生稻收获机左转,关闭后桥转向系统,进行转向仿真试验,记录转弯半径;第2组试验:保持两侧履带驱动轮转速相同,开启后桥转向系统,使后履带与车身呈15°偏角,记录转弯半径。

图4 虚拟样机模型Fig.4 Virtual prototype model

图5为三角履带式再生稻收获机关闭/开启后桥转向系统转弯半径变化情况。图5中,1个周期曲线代表再生稻收获机完成1周转向。设定右侧驱动轮转速大于左侧驱动轮转速,再生稻收获机左转。由图5可知:关闭后桥转向系统时,转向直径为7900mm,开启后桥转向系统后转向直径减小为6600mm,后桥转向系统有效减小转弯半径16.5%,使收获机在转向过程中更加灵活。

图5 转弯半径仿真图Fig.5 Simulation diagram of turning radius

4 后桥转向系统模态分析

4.1 模型前处理

三角履带式再生稻收获机底盘后桥主要由钢管及钢板焊接而成。其中,后桥总长为1141 mm,宽度为580mm。整个结构包括2根纵梁、2根横梁、4根下摆臂和1块固定板组成。

将三角履带式再生稻收获机底盘后桥三维模型导入ANSYS Workbench有限元分析软件时,为了提高分析效率,需要在满足计算精度的条件下对后桥三维模型进行简化处理,忽略焊接对后桥材料组织特性的影响、圆角、圆孔等工艺结构以及一些不受力或者受力较小的零部件,将 模 型 导 入ANSYS Workbench有限元仿真软件。定义材料,选用Q235钢,弹性模量2.1×105MPa,泊松比0.3,密度7850kg/m3,屈服极限355MPa,抗拉强度600MPa。进行网格划分时,采用六面体和四面体的组合网格,单元尺寸设置为20mm,划分为41 476个实体单元,单元节点共118 532个。

4.2 模态分析

由于在模态分析中只有低阶模态才对结构的振动特性分析具有实际的参考价值[10],故在 ANSYS Workbench中仅分析后桥的前6阶模态,结果如表1和图6所示。

表1 后桥前6阶固有频率和振型Table 1 Front 6 natural frequencies and vibration modes of rear axle

图6 后桥前六阶自由模态固有振型Fig.5 Natural vibration mode of the first six free modes of the rear axle

三角履带式再生稻收获机底盘后桥的固有频率主要处于132.28～437.88Hz之间,通常低阶模态振型会对系统结构的振动产生较大影响,且田间路面不平度、履带轮不平衡度和发动机的振动是底盘后桥的外部激励主要来源。路面比较平整时,激励频率一般低于5 Hz;水田地面凹凸不平时,激励频率一般低于10 Hz。由于履带轮不平衡所引起的激励一般较小,因此频率低于3 Hz。

本机选用的发动机为常柴4G33TC型四缸发动机,额定转速为2600 r/min,由计算得额定转速激励频率约为22 Hz。上述解析模态分析结果表明:三角履带式再生稻收获机底盘后桥的前6阶固有频率在132.28～437.88Hz之间,最低固有频率为132.28 Hz,有效避开了发动机的工作频率和路面激励的主要频率,后桥工作时均不会发生共振,设计安全可靠。

5 田间试验

试验采用本团队自主研制的再生稻收获机进行转弯半径及窄履沉陷量测试,参数如表1所示。田间试验于2021年11月24日在华南农业大学增城教学试验基地试验田进行,土壤质地为壤土,含水率27.3%,坚实度83.4kPa。

以三角履带式再生稻收获机底转向过程中的转弯半径为测量指标进行试验。由于转弯半径无法提前设定,故采用先试验后测量的方法进行。三角履带式再生稻收获机底转向时,形成轨迹圆,进行两组试验。第1组试验:两侧履带采用差速转向,设定右侧驱动轮转速大于左侧驱动轮转速,再生稻收获机左转,形成完整轨迹圆后,使用卷尺测量转弯半径,多次测量取平均值;第2组试验:保持两侧履带驱动轮转速相同,方向盘转动一定角度,开启后桥转向系统,使后履带与车身呈一定偏角,记录转弯半径。田间试验如图7所示。

图7 田间试验Fig.7 Field test

田间试验结果如表2所示。

表2 田间试验结果Table 2 Field test result

通过对比转弯半径可知:开启后桥转向系统可有效减小转弯半径,提高再生稻收获机田间机动性。田间试验与仿真结果现象相符,说明仿真模型可信程度较高,可以准确反映再生稻收获机田间转弯特性。

6 结论

1) 针对履带式再生稻收获机田间转弯半径大的问题,设计了三角履带式再生稻收获机后桥转向系统,确定了后桥整体结构。使用Recurdyn进行虚拟样机仿真分析,结果表明:后桥转向系统可有效减小转弯半径16.5%。

2) 在ANSYS Workbench中对后桥进行了前6阶模态分析,后桥固有频率在132.28～437.88Hz之间,避开了工作激振频率,作业时不会发生共振,样机设计安全可靠。

3)田间试验表明:后桥结构可靠,开启后桥转向系统后再生稻收获机田间行进灵活性大幅提升,转弯半径减小幅度最大为19.53%,仿真结果较为可靠。