基于文档内容，为您提供以下分析结果： 中文标题 用于甘蔗切段铺放收割机的双指链集条机构的运动学建模与实验验证

《Industrial Crops and Products》：Kinematic modelling and experimental validation of a dual finger-chain windrowing mechanism for sugarcane cutter-windrower harvester

为解决现有甘蔗切段集铺收割机在甘蔗秆姿态控制不佳和根部长度偏差大等问题，研究人员对一种双指链集条机构的结构参数与作业条件进行了优化，通过整合运动学建模、多体动力学仿真与田间试验验证，建立了一套完整的运动学描述。结果表明，该优化显著提升了集铺均匀性与根部对齐精度，预测误差低于10%，为提升我国甘蔗机械化收割质量提供了理论框架与参数集。

　　

甘蔗是全球主要糖料作物之一，在中国广西、广东和云南等地广泛种植，是制糖和生物乙醇产业的重要原料。然而，由于我国甘蔗多种植在丘陵和山地，机械化收割的推广受到严重制约。据统计，中国的甘蔗机械化收割率仍低于6%，远低于美国、澳大利亚等国家近100%的水平。随着劳动力成本的不断上升，传统人工收割方式效率低下，进一步降低了种植户的收益和积极性。因此，开发适合复杂地形、分步收割的高效模式，成为推动我国甘蔗产业可持续发展的关键方向。

甘蔗切段铺放收割机需要完成“基部切断”和“成条铺放”两项核心作业。以往的研究重心大多放在“切断”环节，而对决定后续收集成败的“铺放”过程关注不足。铺放质量直接影响到后续人工或机械集运的效率，其性能的提升需求迫切。现有的单指链集条机构或弧面导向机构，在输送过程中对甘蔗秆的姿态约束能力有限，尤其在释放阶段易导致甘蔗秆滑动、翻滚，姿态失稳，进而造成铺放角度不一、根部参差不齐，大大影响了后续作业的顺畅度。因此，如何实现对甘蔗秆从收割、输送到铺放全过程的精确、稳定控制，成为了一个亟待解决的工程难题。

为了突破这一瓶颈，一项发表在《Industrial Crops and Products》上的研究，对一种新型双指链集条机构的运动学特性进行了深入探究，并成功通过多体动力学仿真与田间试验验证了其优化效果。

研究人员为了探究双指链机构对铺放性能的影响，主要采用了以下几种关键技术方法：首先，建立了甘蔗秆在输送、抛掷和着陆后旋转三个阶段完整的运动学模型，明确了机器前进速度V_t、指链速度V_a、链条倾角θ和抛掷垂直速度等参数对最终输送速度、释放角度和落点轨迹的决定性作用。其次，结合力学分析，确定了上下指链间合理的垂直间距与长度偏移，以增强输送过程中的姿态稳定性。在此基础上，在ADAMS软件中建立了甘蔗收割机与甘蔗秆的多体动力学模型，用于模拟多接触相互作用并评估集铺过程中的姿态演变。最后，通过田间试验量化了机器前进速度、指链链轮转速和切刀转速对铺放角度和根部长度偏差的影响，并利用响应面分析揭示了显著的主效应和交互效应，最终通过多目标优化得到了最优参数组合。

2.2. 集铺机构结构及工作原理分析

研究详细阐述了双指链甘蔗切段铺放收割机的整体结构。该机主要由基部切刀、双指链集条机构、导向轮、传动系统、机架和动力单元组成。其工作流程是：高速旋转的圆盘式切刀将甘蔗秆在近地表切断后，在机器前进运动与切刀前推力的协同作用下，甘蔗秆被引导进入由上下两根指链形成的夹持区。两根指链平行布置并保持固定垂直间距，其上均布多个拨指。在链轮的驱动下，两根链条以相同速度同向运动，通过拨指的夹持和推送作用，将甘蔗秆平稳地向集铺端输送。当甘蔗秆到达输送段末端时，在重力和拨指切向速度的共同作用下脱离指链，实现向一侧地面的成条铺放。

2.2. 茎秆输送过程运动学分析

在输送阶段，甘蔗秆的运动可简化为绕夹持点的受迫姿态调整。研究建立了甘蔗秆在向后输送和向右输送两个阶段的运动学方程，揭示了指链速度V_a、机器前进速度V_t和指链倾角θ对输送速度V_h和轨迹的联合影响。模型指出，当茎秆质心偏离夹持点时，重力会产生使其偏转的力矩；而合理的速度比可以确保平稳输送，避免堵塞或损伤。

2.2.2. 茎秆抛掷过程运动学分析

在抛掷瞬间，甘蔗秆同时具有机器前进速度V_t、沿指链方向的速度V_a以及因拨指接触产生的垂直初速度V_v。研究通过建立三维空间坐标系，将V_a分解，并推导出合速度V_p及其抛射轨迹方程。该模型阐明了各速度分量与空间角度（τ, φ, δ）共同决定了甘蔗秆的离链速度和初始抛射角。

2.2.3. 茎秆根部触地后运动分析

甘蔗秆离链后作抛射体运动，当其根部触地时，质心的平动速度降为零，运动转变为绕根部接触点的定轴旋转。研究建立了以根部接触点为原点的坐标系，将质心速度分解为轴向和横向分量，并应用角冲量-动量定理，推导出绕接触点的角速度ω公式。分析表明，质心速度与茎秆轴线的偏差角(η-χ)越大，旋转趋势越强；而茎秆越长，相同冲击速度产生的角速度越小。研究还进一步推导了茎秆下落时间及其水平铺放距离的表达式。

2.3. 双指链输送集铺机构结构设计

指链间距是影响甘蔗秆夹持稳定性和输送平顺性的关键设计参数。研究基于输送过程中甘蔗秆的受力特性，建立了力学平衡模型，考虑了上下指链施加的法向力F₁、F₂、导向轮的侧向力F_b、支承力F_n以及运动引起的附加力矩M。通过力学平衡方程和力矩平衡方程，求解了上下指链的受力，并推导出满足防滑、防倾翻和防脱离条件的指链间距设计公式，为结构优化提供了理论依据。

仿真与实验验证

研究利用ADAMS建立了收割机-甘蔗秆系统的多体动力学模型进行仿真。仿真结果清晰地展示了甘蔗秆进入调整、受约束输送和平稳释放的运动序列，证实了优化后链轮参数的有效性。随后进行的田间试验，量化了前进速度、指链链轮转速和切刀转速三个关键作业参数对铺放角度和根部长度偏差的影响。响应面分析表明，这些参数的主效应和交互效应均显著。通过多目标优化，研究得到了最优参数组合：前进速度0.36 m·s^?1、指链链轮转速30 r·min^?1、切刀转速600 r·min^?1，该组合下预测的铺放角度为87.5°，根部长度偏差为135.5毫米。验证试验显示，预测误差低于10%，证明了模型和优化结果的可靠性。

研究结论与意义

本研究通过集成理论建模、仿真分析和实验验证，系统优化了双指链甘蔗集铺机构。研究建立了一套完整的运动学模型，阐明了关键作业参数对输送、抛掷和铺放全过程的影响机制。力学分析为确定上下指链间的合理间距提供了理论指导。ADAMS多体动力学仿真揭示了机构与甘蔗秆间的相互作用和姿态演变过程。最终，通过田间试验和响应面优化，获得了能显著改善铺放均匀性和根部对齐精度的最佳作业参数组合。

该研究的意义在于，为解决现有单指链和弧面集铺机构在姿态控制方面的不足，提供了一种通过上下双指链协同作用实现精准约束的新思路和经过验证的优化设计方法。所提出的理论框架和参数集，为提高全秆式甘蔗切段铺放收割机的作业质量、推动我国丘陵山区甘蔗机械化收割技术的发展，提供了重要的理论依据和技术支撑。