《Information Processing in Agriculture》：Dynamic energy consumption modeling of V-belt in combine harvesters
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为解决联合收割机V带在高负荷连续作业下易烧损失效的问题，本研究开展了动态能耗建模工作，通过解耦弯曲滞后、压缩变形、拉伸应变和外部滑动摩擦等多重生热机制，建立了综合考虑内外摩擦损耗的能耗模型。结合有限元分析与稳态传热框架，揭示了驱动轮转速和从动轮负载对温升行为的协同影响规律，为农业机械传动系统的故障诊断与预测性维护提供了机理依据。
在智能农业机械迅猛发展的背景下，联合收割机作为粮食高效收获的核心装备，其传动系统的可靠性直接关系到农业生产效率。然而，在恶劣的非结构化作业环境中，V带作为动力传递的关键部件，频繁出现高温碳化、表面硬化和橡胶开裂等严重烧损失效，导致设备停机维修，制约农业生产力。尽管数字孪生技术为农业装备实时监控提供了强大支持，但预测性维护策略的有效性依赖于对故障机理的深入理解。现有研究多集中于汽车前端附件驱动系统或工业变速传动，针对农业机械重载连续作业特点的V带动态能耗建模尚属空白，特别是多摩擦源协同作用对热积累的影响机制尚未明确。
为突破这一瓶颈，发表在《Information Processing in Agriculture》上的研究论文《Dynamic energy consumption modeling of V-belt in combine harvesters》通过多物理场耦合建模，系统量化了联合收割机V带在高强度连续工况下的能耗行为。研究团队采用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）表征内摩擦源的时空载荷特性，基于粘弹性理论（Viscoelastic Theory）和库仑摩擦定律（Coulomb Friction Law）建立能耗量化方法，并通过反演建模识别关键热边界参数。通过定制实验台架获取V带表面温度场数据，验证了集成热机模型的有效性。
研究方法的核心技术路径
- 1.
载荷特性有限元模拟：利用ABAQUS软件构建V带-滑轮系统非线性有限元模型，提取接触压力分布、滑移区演变和截面应变历史；
- 2.
多源能耗解耦计算：分别推导弯曲内摩擦能耗（基于梁弯曲理论）、压缩内摩擦能耗（含带形压缩与楔形压缩）及外摩擦能耗（基于弹性滑移理论）的数学模型；
- 3.
稳态温度场仿真：将能耗计算结果作为热源输入稳态传热模型，预测V带表面温度分布；
- 4.
实验验证设计：搭建双滑轮测试平台，通过变频电机控制驱动轮转速（300–1100 rpm），磁粉制动器施加负载扭矩（0–90 N·m），采用红外温度传感器监测V带表面温度。
研究结果
2.1. V带载荷特性分析
通过有限元模拟发现，V带在滑轮接触区域的弯曲应变呈梯形脉动循环特征，而压缩应变近似矩形脉动循环。在高速工况下（600–1500 rpm），弯曲应变的线性增减阶段可忽略，简化为矩形脉动模型。
2.2. 内摩擦能耗计算
弯曲内摩擦能耗与驱动轮转速呈正相关，例如转速从300 rpm升至1100 rpm时，单位体积能耗增长约2.5倍；而压缩内摩擦能耗主要集中于楔形滑轮接触区，虽绝对值较小，但在高频运行时易形成局部热点。
2.3. 外摩擦能耗计算
外摩擦能耗对负载变化高度敏感，当从动轮负载从0 N·m增至90 N·m时，滑移弧区域摩擦功率损失显著增加，成为温升主导因素。
3. 实验验证
在室温18.4°C、湿度46.7%的实验条件下，模型预测的稳态温度与实测值相对误差均低于5%。例如在1100 rpm空载工况下，模拟温度39.7°C与实测37.9°C的误差为4.8%，验证了模型的有效性。
4.2. 烧损失效特性与工况关联机制
研究表明，高驱动轮转速（加剧内滞后生热）与高从动轮负载（放大外摩擦损耗）的协同作用会导致V带稳态温度显著上升。在“1100 rpm + 90 N·m”工况下，温度较基准工况（300 rpm空载）升高约15°C，明确揭示了烧损失效的高风险条件。
结论与意义
本研究首次建立了针对农业机械V带传动的动态能耗闭环分析框架，明确了多摩擦源能耗分布与烧损失效的内在联系。通过量化转速与负载对温升的耦合影响，为联合收割机传动系统的优化设计提供了理论依据：在设计阶段需综合评估滑轮直径、张紧力与负载的兼容性；在运维中应避免长期超载运行。该模型的核心方法论可推广至工业设备、汽车辅助驱动等类似传动系统，为预测性维护策略的制定奠定了机理基础。未来工作可结合时温等效原理（Time-Temperature Superposition Principle）与疲劳累积损伤理论，进一步开发基于热历史的V带寿命预测模型。
