液控式壟向區田筑垱機的設計及仿真

尹大慶，周 義，陳寶成

（東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

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

壟向區田水土保持技術是在壟作坡耕地中，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，是目前唯一能落實于農業生產中的水土保持技術[1]。該技術有效緩解了土地的強降雨與弱入滲的矛盾，達到保水、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、提高作物產量[2]，促進農民增產、增收，是保護生態環境、促進農業可持續發展的一項有效措施[3]。壟向區田采用人工來修筑，勞動強度大，作業質量不易保證，并且效率低、誤農時[4]。為了提高工作效率和作業質量，本文設計了一種液壓控制式壟向區田筑機。通過Pro/E建模和ADAMS虛擬樣機運動學分析，驗證了其工作原理的可行性，為壟向區田技術提供了一種新機具。

1 液壓控制式壟向區田筑機的設計

1.1 設計要求

④機具工作性能可靠，不刮壟肩和幼苗；

⑤作業速度4～6 km·h-1，距60～200 cm。

1.2 結構及工作原理

圖1 液壓控制式結構原理Fig.1 Structure and principle diagram of mechanism controlled by Hydraulic

圖2 控制盒結構Fig.2 Structure diagram of control box

控制盒（見圖2）由小轉臂（12）、限位銷（13）、大轉臂（14）、控制盒體（15）和復位彈簧（16）等組成。在筑機工作時小轉臂住大轉臂，下鏟板摟起壟溝中的土壤，當拉線拉動小轉臂轉過一定角度時，大轉臂被松開，擋滾在土壤推力的作用下抬起，鏟板被釋放形成土。接著大小轉臂在復位彈簧的作用下恢復原位，擋住下一鏟板。小轉臂的側壁形狀按大轉臂端部的運動軌跡設計，使得大小轉臂在復位過程中，大轉臂的端部始終沿著小轉臂的側壁運動，頂住小轉臂，保證大轉臂先復位，小轉臂后復位，防止大小轉臂在復位過程中卡死。同時在小轉臂的側壁設計一拐角與大轉臂的上壁平行，在大轉臂轉到這一位置時產生一瞬時沖擊，改變其轉動方向，縮短復位時間，限制轉動角度防止產生撞擊。在大轉臂的下壁處設有限位銷，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。此處為雙轉臂機構，由于小轉臂輕巧，控制靈活，使整個機構具有很好的靈敏性[5]，并運用了省力杠桿原理，使工作時所需控制力小，加上良好的潤滑，可長期連續工作。

圖3 進口節流調速回路Fig.3 Loop of the import reduces expenses to modulate velocity

2 三維建模及運動學仿真

2.1 Pro/E三維建模

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

2.2 應用ADAMS進行運動學仿真分析

鑒于ADAMS仿真功能的強大，將Pro/E模型導入ADAMS進行運動學仿真分析。在導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，在四葉板翻轉鏟上施加扭矩模擬作業中土壤的推力，并在大、小轉臂與固定彈簧螺栓間分別施加拉伸彈簧；在凸輪的旋轉副上添加旋轉驅動電機，在犁鏵的移動副上添加移動驅動電機，開啟運動學仿真。

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

圖5 筑垱機裝配模型Fig.5 Assembly model of dimming machine

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

通過運動學仿真分析可知，機構在運動過程中無干涉現象，并得到上四葉板頂部點的運動軌跡見圖6。

由圖6可以看出，此為四葉板翻轉一個周期360°的軌跡，軌跡1段表示上四葉板在上部保持不動，隨著拖拉機前進，四葉板翻轉90°形成一土擋，上四葉板翻轉到前部得到軌跡2段，拖拉機繼續前進，上四葉板翻轉到下部得到軌跡3，筑出第二個土， 接著翻轉到后部得到軌跡4，筑出第三個土，然后翻轉到上部初始位置筑出第四個土。如此周期循環完成壟向區田筑作業，圖中S為所筑土的距，即根據不同坡度調節上述節流閥的通流面積，使得S滿足最佳距要求值。仿真結果表明，所設計的液控式壟向區田筑機能夠滿足預期的設計要求，工作原理可行。

圖6 上四葉板頂部點運動軌跡Fig.6 Motion trajectory of top point to the four-leaf board upside

3 結論

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

[2]李曉兵,于建水.1QD型壟向區田筑擋機及其在坡耕地的試驗效果[J].現代化農業,2003(2)∶39-40.

[3]張影微,劉立意,馮江,等.1QD型壟向區田筑擋機的原理與應用[J].農業科技與裝備,2009(6)∶49-51.

[4]尹大慶,馮江,劉立意,等.1QD-3型壟向區田筑擋機的研制[J].農機化研究,2003(1)∶95-96.

[5]尹大慶,馮江,溫錦濤,等.1QD型壟向區田筑擋機控制機構的研究[J].農機化研究,2009(1)∶240-242.