液控式垄向区田筑垱机的设计及仿真

尹大庆，周 义，陈宝成

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

典型黑土区的水土流失主要发生在坡耕地，坡耕地的水土流失面积占黑土区水土流失总面积80.3%。黑龙江省坡耕地占全省总耕地面积60%。

垄向区田水土保持技术是在垄作坡耕地中，沿垄沟间隔一定距离修筑土，形成一个个小浅穴，起到就地拦蓄雨水的作用，是目前唯一能落实于农业生产中的水土保持技术[1]。该技术有效缓解了土地的强降雨与弱入渗的矛盾，达到保水、保土、保肥和防治水土流失的效果，同时又可充分利用水资源、提高作物产量[2]，促进农民增产、增收，是保护生态环境、促进农业可持续发展的一项有效措施[3]。垄向区田采用人工来修筑，劳动强度大，作业质量不易保证，并且效率低、误农时[4]。为了提高工作效率和作业质量，本文设计了一种液压控制式垄向区田筑机。通过Pro/E建模和ADAMS虚拟样机运动学分析，验证了其工作原理的可行性，为垄向区田技术提供了一种新机具。

1 液压控制式垄向区田筑机的设计

1.1 设计要求

④机具工作性能可靠，不刮垄肩和幼苗；

⑤作业速度4～6 km·h-1，距60～200 cm。

1.2 结构及工作原理

图1 液压控制式结构原理Fig.1 Structure and principle diagram of mechanism controlled by Hydraulic

图2 控制盒结构Fig.2 Structure diagram of control box

控制盒（见图2）由小转臂（12）、限位销（13）、大转臂（14）、控制盒体（15）和复位弹簧（16）等组成。在筑机工作时小转臂住大转臂，下铲板搂起垄沟中的土壤，当拉线拉动小转臂转过一定角度时，大转臂被松开，挡滚在土壤推力的作用下抬起，铲板被释放形成土。接着大小转臂在复位弹簧的作用下恢复原位，挡住下一铲板。小转臂的侧壁形状按大转臂端部的运动轨迹设计，使得大小转臂在复位过程中，大转臂的端部始终沿着小转臂的侧壁运动，顶住小转臂，保证大转臂先复位，小转臂后复位，防止大小转臂在复位过程中卡死。同时在小转臂的侧壁设计一拐角与大转臂的上壁平行，在大转臂转到这一位置时产生一瞬时冲击，改变其转动方向，缩短复位时间，限制转动角度防止产生撞击。在大转臂的下壁处设有限位销，控制盒壳体呈前端开口状，控制盒盖通过五个螺钉与控制盒壳体固定形成封闭壳体，加黄油润滑。此处为双转臂机构，由于小转臂轻巧，控制灵活，使整个机构具有很好的灵敏性[5]，并运用了省力杠杆原理，使工作时所需控制力小，加上良好的润滑，可长期连续工作。

图3 进口节流调速回路Fig.3 Loop of the import reduces expenses to modulate velocity

2 三维建模及运动学仿真

2.1 Pro/E三维建模

此设计中的凸轮机构采用滚子摆动从动件平面凸轮机构，在CAD中绘出所设计凸轮的轮廓曲线并导入Pro/E进行拉伸形成三维实体（见图4），并设计了摆杆、拉线、控制盒、挡滚、四叶板翻转铲等其他部件，将其进行总体装配，装配后的模型如图5所示。

2.2 应用ADAMS进行运动学仿真分析

鉴于ADAMS仿真功能的强大，将Pro/E模型导入ADAMS进行运动学仿真分析。在导入模型中定义各零件材料属性，添加各部件间的连接副如表1所示（固定副在此省略）；施加载荷，在四叶板翻转铲上施加扭矩模拟作业中土壤的推力，并在大、小转臂与固定弹簧螺栓间分别施加拉伸弹簧；在凸轮的旋转副上添加旋转驱动电机，在犁铧的移动副上添加移动驱动电机，开启运动学仿真。

图4 凸轮三维实体模型Fig.4 Three-dimensional solid model of cam

图5 筑垱机装配模型Fig.5 Assembly model of dimming machine

表1 各部件间连接副Table 1 Connection of each part

通过运动学仿真分析可知，机构在运动过程中无干涉现象，并得到上四叶板顶部点的运动轨迹见图6。

由图6可以看出，此为四叶板翻转一个周期360°的轨迹，轨迹1段表示上四叶板在上部保持不动，随着拖拉机前进，四叶板翻转90°形成一土挡，上四叶板翻转到前部得到轨迹2段，拖拉机继续前进，上四叶板翻转到下部得到轨迹3，筑出第二个土， 接着翻转到后部得到轨迹4，筑出第三个土，然后翻转到上部初始位置筑出第四个土。如此周期循环完成垄向区田筑作业，图中S为所筑土的距，即根据不同坡度调节上述节流阀的通流面积，使得S满足最佳距要求值。仿真结果表明，所设计的液控式垄向区田筑机能够满足预期的设计要求，工作原理可行。

图6 上四叶板顶部点运动轨迹Fig.6 Motion trajectory of top point to the four-leaf board upside

3 结论

[1]沈昌蒲,刘立意,王秋华,等.水土保持新技术—垄向区田的基本原理及运用[J].中国水土保持,2007(10)∶19-21.

[2]李晓兵,于建水.1QD型垄向区田筑挡机及其在坡耕地的试验效果[J].现代化农业,2003(2)∶39-40.

[3]张影微,刘立意,冯江,等.1QD型垄向区田筑挡机的原理与应用[J].农业科技与装备,2009(6)∶49-51.

[4]尹大庆,冯江,刘立意,等.1QD-3型垄向区田筑挡机的研制[J].农机化研究,2003(1)∶95-96.

[5]尹大庆,冯江,温锦涛,等.1QD型垄向区田筑挡机控制机构的研究[J].农机化研究,2009(1)∶240-242.