液控式壟向區(qū)田筑垱機(jī)的設(shè)計及仿真

尹大慶，周 義，陳寶成

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

典型黑土區(qū)的水土流失主要發(fā)生在坡耕地，坡耕地的水土流失面積占黑土區(qū)水土流失總面積80.3%。黑龍江省坡耕地占全省總耕地面積60%。

壟向區(qū)田水土保持技術(shù)是在壟作坡耕地中，沿壟溝間隔一定距離修筑土，形成一個個小淺穴，起到就地攔蓄雨水的作用，是目前唯一能落實(shí)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的水土保持技術(shù)[1]。該技術(shù)有效緩解了土地的強(qiáng)降雨與弱入滲的矛盾，達(dá)到保水、保土、保肥和防治水土流失的效果，同時又可充分利用水資源、提高作物產(chǎn)量[2]，促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)、增收，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)有效措施[3]。壟向區(qū)田采用人工來修筑，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)質(zhì)量不易保證，并且效率低、誤農(nóng)時[4]。為了提高工作效率和作業(yè)質(zhì)量，本文設(shè)計了一種液壓控制式壟向區(qū)田筑機(jī)。通過Pro/E建模和ADAMS虛擬樣機(jī)運(yùn)動學(xué)分析，驗(yàn)證了其工作原理的可行性，為壟向區(qū)田技術(shù)提供了一種新機(jī)具。

1 液壓控制式壟向區(qū)田筑機(jī)的設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

④機(jī)具工作性能可靠，不刮壟肩和幼苗；

⑤作業(yè)速度4～6 km·h-1，距60～200 cm。

1.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 液壓控制式結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structure and principle diagram of mechanism controlled by Hydraulic

圖2 控制盒結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of control box

控制盒（見圖2）由小轉(zhuǎn)臂（12）、限位銷（13）、大轉(zhuǎn)臂（14）、控制盒體（15）和復(fù)位彈簧（16）等組成。在筑機(jī)工作時小轉(zhuǎn)臂住大轉(zhuǎn)臂，下鏟板摟起壟溝中的土壤，當(dāng)拉線拉動小轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過一定角度時，大轉(zhuǎn)臂被松開，擋滾在土壤推力的作用下抬起，鏟板被釋放形成土。接著大小轉(zhuǎn)臂在復(fù)位彈簧的作用下恢復(fù)原位，擋住下一鏟板。小轉(zhuǎn)臂的側(cè)壁形狀按大轉(zhuǎn)臂端部的運(yùn)動軌跡設(shè)計，使得大小轉(zhuǎn)臂在復(fù)位過程中，大轉(zhuǎn)臂的端部始終沿著小轉(zhuǎn)臂的側(cè)壁運(yùn)動，頂住小轉(zhuǎn)臂，保證大轉(zhuǎn)臂先復(fù)位，小轉(zhuǎn)臂后復(fù)位，防止大小轉(zhuǎn)臂在復(fù)位過程中卡死。同時在小轉(zhuǎn)臂的側(cè)壁設(shè)計一拐角與大轉(zhuǎn)臂的上壁平行，在大轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)到這一位置時產(chǎn)生一瞬時沖擊，改變其轉(zhuǎn)動方向，縮短復(fù)位時間，限制轉(zhuǎn)動角度防止產(chǎn)生撞擊。在大轉(zhuǎn)臂的下壁處設(shè)有限位銷，控制盒殼體呈前端開口狀，控制盒蓋通過五個螺釘與控制盒殼體固定形成封閉殼體，加黃油潤滑。此處為雙轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)，由于小轉(zhuǎn)臂輕巧，控制靈活，使整個機(jī)構(gòu)具有很好的靈敏性[5]，并運(yùn)用了省力杠桿原理，使工作時所需控制力小，加上良好的潤滑，可長期連續(xù)工作。

圖3 進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路Fig.3 Loop of the import reduces expenses to modulate velocity

2 三維建模及運(yùn)動學(xué)仿真

2.1 Pro/E三維建模

此設(shè)計中的凸輪機(jī)構(gòu)采用滾子擺動從動件平面凸輪機(jī)構(gòu)，在CAD中繪出所設(shè)計凸輪的輪廓曲線并導(dǎo)入Pro/E進(jìn)行拉伸形成三維實(shí)體（見圖4），并設(shè)計了擺桿、拉線、控制盒、擋滾、四葉板翻轉(zhuǎn)鏟等其他部件，將其進(jìn)行總體裝配，裝配后的模型如圖5所示。

2.2 應(yīng)用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析

鑒于ADAMS仿真功能的強(qiáng)大，將Pro/E模型導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析。在導(dǎo)入模型中定義各零件材料屬性，添加各部件間的連接副如表1所示（固定副在此省略）；施加載荷，在四葉板翻轉(zhuǎn)鏟上施加扭矩模擬作業(yè)中土壤的推力，并在大、小轉(zhuǎn)臂與固定彈簧螺栓間分別施加拉伸彈簧；在凸輪的旋轉(zhuǎn)副上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)，在犁鏵的移動副上添加移動驅(qū)動電機(jī)，開啟運(yùn)動學(xué)仿真。

圖4 凸輪三維實(shí)體模型Fig.4 Three-dimensional solid model of cam

圖5 筑垱機(jī)裝配模型Fig.5 Assembly model of dimming machine

表1 各部件間連接副Table 1 Connection of each part

通過運(yùn)動學(xué)仿真分析可知，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中無干涉現(xiàn)象，并得到上四葉板頂部點(diǎn)的運(yùn)動軌跡見圖6。

由圖6可以看出，此為四葉板翻轉(zhuǎn)一個周期360°的軌跡，軌跡1段表示上四葉板在上部保持不動，隨著拖拉機(jī)前進(jìn)，四葉板翻轉(zhuǎn)90°形成一土擋，上四葉板翻轉(zhuǎn)到前部得到軌跡2段，拖拉機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，上四葉板翻轉(zhuǎn)到下部得到軌跡3，筑出第二個土， 接著翻轉(zhuǎn)到后部得到軌跡4，筑出第三個土，然后翻轉(zhuǎn)到上部初始位置筑出第四個土。如此周期循環(huán)完成壟向區(qū)田筑作業(yè)，圖中S為所筑土的距，即根據(jù)不同坡度調(diào)節(jié)上述節(jié)流閥的通流面積，使得S滿足最佳距要求值。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的液控式壟向區(qū)田筑機(jī)能夠滿足預(yù)期的設(shè)計要求，工作原理可行。

圖6 上四葉板頂部點(diǎn)運(yùn)動軌跡Fig.6 Motion trajectory of top point to the four-leaf board upside

3 結(jié)論

[1]沈昌蒲,劉立意,王秋華,等.水土保持新技術(shù)—壟向區(qū)田的基本原理及運(yùn)用[J].中國水土保持,2007(10)∶19-21.

[2]李曉兵,于建水.1QD型壟向區(qū)田筑擋機(jī)及其在坡耕地的試驗(yàn)效果[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2003(2)∶39-40.

[3]張影微,劉立意,馮江,等.1QD型壟向區(qū)田筑擋機(jī)的原理與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2009(6)∶49-51.

[4]尹大慶,馮江,劉立意,等.1QD-3型壟向區(qū)田筑擋機(jī)的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究,2003(1)∶95-96.

[5]尹大慶,馮江,溫錦濤,等.1QD型壟向區(qū)田筑擋機(jī)控制機(jī)構(gòu)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009(1)∶240-242.