机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真-学士毕业论文(编辑修改稿)

机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真-学士毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

保持技术的配套机具。 该机采用四叶板筑 挡 翻转机构 、先进的机电控制和电磁驱动技术，充分满足农艺要求，以达到保水、保土和增产的效果，实现了垄向区田作业的机械化和自动化 ，大幅度提高了作业效率，有效降低了劳动强度和作业成本。 但是，该机型也有一些不利的方面：首先，采用电控方式导致成本较高。 其次，采用电控方式， 挡 距除了手动调节外还与拖拉机的前进速度有关 ，很难保证所筑土 挡 均匀一致；再次，采用电控装置就必然需要拖拉机配有较大的发电机 ，这样就很难解决电磁开关产生的力与所需电流之间的 矛盾，因为电流过大会造成发电机所发的电量不足以补充电瓶的损耗； 电流过小会导致电磁开关所产生的力 不能 充分保证提起转臂使四叶板翻转铲翻转。 最后，电控装置的维护不如机械的方便和直观，不易被农民所掌握，不如机械的可靠性高。 因此，研究机械控制很有必要。 国内外研究状况综述 国外的 研究 情况 在国外，也有一些国家实施类似垄向区田的耕作措施，称浅穴耕作、沟中挖坑、沟中筑坝等。 这些措施都是在平作耕地的行间、播种前后开沟筑 挡 ，只选用坡度较小的耕地， 挡 距多为 2～ 3m。 美国在 20 世纪 70 年代由 w． M． Lyle 和 D． R． Dixon 研制了两种筑 挡 机具，在机具前部装有开沟的工作部件开沟，后用起落铲或四叶板翻转铲搂取沟中的松土，完成筑 挡 作业，工作部件都是由液压装置控制的。 后来的机具大多采用了四叶板翻转铲的型式。 英国国家机械研究所 (NIAE)为非洲研制的浅穴耕作机具，还在拖拉机前安装有破除土 挡 的工作部件，以期不影响后续的田间作业。 日本对坡耕地农业机械化作业问题也进行了许多研究，但没有防止水土流失的作业机械。 国外的浅穴耕作等防止坡耕地水土流失的机具多应用在坡度较小的平作耕地，对 挡 距也没有根据不同坡度提出定量的要求，且机器的结 构复杂、质量较大、成本高，每组筑 挡 部件约 150～ 300 美元，不适于我国垄作耕作的垄向区田作业。 图 11 为美国设计的四叶板式筑挡机原理图。 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 3 图 11 美国四叶板式筑挡机原理图 国内的研究情况 在国内， 我国自行研制的 1QD 垄向区田筑 挡 机达到了垄向区田筑 挡 的要求， 能实现筑 挡 机的筑 挡 与现有的垄作三铧犁的中耕同时完成作业。 该机采用电控方式，构思新颖，与国外的筑 挡 机相比结构轻便，可实现 挡 距的无级调节，所筑 土 挡 符合要求， 更加适合我国国情。 该机型已经取得了国家实用新型专利。 但是，该机型也有一些不利的方面： 首先，采用电控方式导致成本较高。 其次，采用电控方式， 挡 距除了手动调节外还与拖拉机的前进速度有关，很难保证所筑土 挡 均匀一致；再次， 采用电控装置就必然需要拖拉机配有较大的发电机，这样很难解决电磁开关产生的力与所需电流之间的矛盾， 因为电流过大会造成发电机所发的电量不足以补充电瓶的损耗； 电流过小会导致电磁开关所产生的力不能充分保证提起转臂使四叶板翻转铲翻转。 最后，电控装置的维护不如机械的方便和直观， 不易被农 民所掌握，不如机械的可靠性高。 因此，研究机械控制很有必要。 图 12 为国内设计的机械控制筑挡机原理图。 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 4 1. 地轮 图 12 机械控制筑挡机原理图 机械传动式垄向区田筑挡机的优缺点 通过改变 1QD 型垄向区田筑挡机电控方式为机械控制方式。 它能够满足工作要求，降低了生产和使用成本，易于使用和维护，提高了工作可靠性，在技术上是可行的。 机械传动式垄向区田筑挡机的优点 机械控制安全可靠，因 为地轮驱动可以产生较大的驱动力，能够充分保证转臂的正常开启和关闭，不会造成四叶板翻转铲的连翻和不翻。 而电控方式可能会出现上述情况，这是垄向区田技术最忌讳的。 机械控制使用寿命长，不会因为使用者的误操作而造成损坏。 而且即使出现了故障，也非常容易维修。 机械传动的缺点 1） 相比液压传动和电控，机械传动不具有科技性，略显过时。 2） 外观不够简化，比较笨重。 3） 挡距不可调节，只能适用于无需调节挡距的坡耕场合。 本 论文的研究 方向 现如今，在我国大部分采用垄向区田水土保持技术的地区 ，依旧采用人 工来修筑土挡 ，不仅劳动强度大 ，而且作业质量不易保证，并且效率低、误农时 ，顾急需一款 能够减小劳动强度并便于操作的垄向区田筑 挡 机， 而 机电传动式垄向区田筑 挡 机 有成本过高、很难保证土 挡 均匀一致和电流不易控制等诸多缺陷，所以进行机械传动式垄向区田筑 挡机的设计与研究。 而本论文的研究方向即是，在 1QD 垄向区田筑 挡 机的原理基础上，将原有的机电传动控制部分转变为机械传动控制装置，从而解决 机电传动控制的不利因素，使筑 挡 机的主要工作原理不发生改变，使筑 挡 机工作过程更加的简便且不必过度耗费电力 ，并且简化对机械的维护，从而大幅的提高 筑 挡 机的工作可靠性。 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 5 2 机械传动式垄向区田筑 挡 机 工作原理及 适用参数 机械传动式垄向区田筑 挡 机的的工作原理 图 21 机械传动式垄向区田筑 挡 机结构原理图 在 1QD型垄向区田筑 挡 机的基础上去掉电控部分，加装机械控制系统 （如图 21所示）。 其工作原理是： 拖拉机牵引配有机械传动式垄向区田筑 挡 机 的中耕机作业时，犁铧在垄沟中犁起松土 ，一部分土培于垄顶，一部分留在垄沟中对四叶板翻转铲形成土壤推力。 此时，四叶板对滚轮的作用力刚好通过转臂与机架 的联接点 和 滚轮轴的中心线，四叶板翻转铲处于死点位置， 转臂以这种方式挡住四叶板翻转铲使其不能转动，由最下面的铲板 将垄沟中的松土搂起，并随走随挤实。 在以上过程中，地轮与地面做纯滚动，带动凸轮转动 ，同时凸轮对转臂的另一端施力，当凸轮与转臂的接触点为行程的最高点时，转臂发生较大幅度的摆动，带动 转臂带有挡滚的一端产生相对位移，使挡滚与四叶板脱离，此时四叶板翻转； 当凸轮经过最高行程之后，转臂在自身重力和复位弹簧的复合作用下复位，滚轮继续挡住下一个铲板，此时四叶板翻转铲翻转 90176。 ，形成一个土 挡。 如此周而复始，完成垄向区田作业。 应用机械式垄向区田筑 挡 机的关键参数 土 挡 标准结构 机械传动式垄向区田筑 挡 机作业时，在垄沟中沿垄向每隔一段距离修筑一个土 挡 ，机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 6 其作用是拦蓄降雨及防止雨水落地后因垄沟过长而汇聚形成径流。 拦蓄效果及土 挡 能承受雨水压力的能力与土 挡 结构（高度、顶部厚度及土壤紧密程度）密切相关。 根据黑龙江省垄体的集合形状决定土 挡 在顺垄方向为倒梯形，横垄方向为正梯形。 为了最大限度地拦蓄 降雨 ，同时又不至于蓄水后破坏垄台，土 挡 在垄沟中的高度不能超过垄台，因此土 挡 的高度 取 14cm；土 挡 厚度则根据土 挡 承受浅穴中雨水的压力而定。 浅穴中储存的雨水产生的作用力分为向垄沟地步的垂直压力和作用在土 挡 侧面的水平推力，这个推力的大小可根据水坝的受力计算公式进行计算。 NMyhP 2/)2246( 22  式中， P 为作用在土 挡 侧面的推力； h 为土 挡 高度； y 为水的容积重量； M 为存储雨水的土 挡 面的平均高度。 由此可知，土 挡 若要承受 的雨水推力而不被推垮，则必须使土 挡 的重力大于。 整个土 挡 的重力等于土壤密度与土 挡 体积之积。 从理论上计算出土 挡 厚度的最小值为 7cm。 为了避 免新修筑土 挡 中存在部分空隙对土 挡 牢固性产生影响，设计出的土挡 顶部厚度为 14cm，土 挡 底部宽度为 45cm。 在土 挡 总体积为 16856cm179。 、土壤密度约为179。 或 g/cm179。 时， 土 挡 的重力等于 或 ，远大于。 所以，土 挡 顶部厚度为 14cm、底部宽度为 45cm 的设计是可靠的。 最佳土 挡 距离 机械传动式 垄向区田筑 挡 机的作业目的是使单位面积上所形成的浅穴能最大限度地拦截降雨。 在相同坡度情况下， 挡 距越大，浅穴容易越大，但不一定全容积都呢个储水； 挡 距越小，垄沟中 土 挡 数越多，可储水的容积就越少。 在土 挡 结构一定的情况下，根据坡度合理配置土 挡 间距可提高浅穴蓄降雨的能力，因此要使单位面积上能拦蓄最多降雨，就应采取最佳 挡 距。 图 22为同坡度最大 挡 距和最佳 挡 距储水容积比较图。 图 22 同坡度最大 挡 距和最佳 挡 距储水容积比较图 图 a、 b两图坡度相同，图 a为最大 挡 距筑 挡 ，它们的储水容积 如图中斜线部分所示。 图 c由图 a和图 b叠加而成。 经比较发现，同一坡度下以最佳 挡 距方式筑 挡 比最大 挡机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 7 距方式筑 挡 拦蓄降雨能力要强。 筑 挡 作业垄沟中的浅穴所拦 蓄到的降雨量与耕地的 坡度有关，每个坡度都有一个最佳 挡 距，据此建立 了 机械传动式 垄向区田筑 挡 机最佳 挡 距与坡度之间的数字模型，公式如下： L=αθδ 式中： L 为最佳 挡 距； θ 为坡度； α 为土 挡 高度； δ 为行距。 经计算，各种坡度的最佳 挡 距见图 23。 图 23 不同坡度的最佳挡距表和承受 29 mm/10 min雨强的时间表 临界坡度选择 将于引起水土流失的主要因素是瞬时雨强与降雨时长。 以黑龙江省宾县 20 年一遇的最大雨强 10min 降雨 29mm 为例。 如果土 挡 所形成的浅穴能拦蓄 29mm 的雨水，垄沟中将不会产生径流。 通过图 可查得各种坡度下按最佳 挡 距修筑土 挡 的可拦蓄雨量及承受时间。 如果某一坡度的可拦蓄雨量为 29mm 或承受时间为 10min，那么这个坡度就是运用机械传动式垄向区田筑 挡 机的临界坡度。 从图 23 中可知，小于等于 8176。 以下 的坡耕地都适合运用机械传动式垄向区田筑 挡 机。 3 机械传动式垄向区田筑挡机的主要部件设计 由于机械传动式垄向区田筑 挡 机的机械传动装置部分采用凸轮机构， 对于 挡 距的调节比较麻烦且不易实现，顾本文中主要研究在 1176。 的坡耕地上，采用 挡 距为 160cm时所应用的 机械式垄向区田筑 挡 机作为主要研究目标。 地轮的设 计 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 8 地轮在地面做纯滚动 1 周时，四叶翻转铲旋转 90176。 ，所以作业 挡 距 L 等于 L=C=2πR 式中 R—地轮地表面部分的半径（ mm） ； C—地轮周长（ mm）。 选取式中的 挡 距L=1600mm，根据上式可求出，地轮地表面部分的半径 R=，为便于生产，将地轮地表面部分的半径 R 初步定为 500mm。 因为 挡 距的大小与地轮带动凸轮运动有关，所以地轮的运动时间。