机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真-学士毕业论文

机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真-学士毕业论文 东北农业大学学士学位论文 学号:A0708254 机械传动式垄向区田筑挡机的 设计与仿真 学生姓名:王荣辉 指导教师: 所在院系:工程学院 所学专业:机械设计制造及其自动化 研究方向:机械设计 东 北 农 业 大 学 中国?哈尔滨 2014 年 5 月 NEAU Bachelor Degree Thesis Number: A07080254 Design and simulation of mechanical driver type basin tillage dimming machine Student: Wang Ronghui Graduate Teacher: DaqingInstitute: Engineering Institute Specialty: Mechanical design manufacturing and automation Research direction: Machine design Northeast Agricultural University Harbin?China May 2014 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 摘 要 我国坡耕地占耕地总面积的1/3，且水土流失严重。针对水土流失日益严重的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 提出采用垄向区田水土保护 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 进行治理。所谓垄向区田就是在坡耕地的垄沟内或在平耕地作物间修筑小土挡，将长长的垄沟或长长的行间截成许多小区段，以土挡拦截降水，以小区段(浅穴)贮存雨水，直到浅穴中的雨水全部渗入土壤，成为土壤水或深层土壤水，地面便没有了径流，这样就解决了强降雨和土壤渗透慢的矛盾，避免土壤被径流冲走，保证了土壤的结构和肥力的有效性，起到保水、保土、保肥的作用。垄向区田是最接近水土保持原则的措施，其理念就是“将每一滴雨水保留在它降落的地方”。这样岗不旱、洼不涝，作物生长繁茂一致，必然会增产显著。垄向区田技术对土挡尺寸、距离、拦蓄雨水的能力等在理论上进行了分析、计算，建立了最佳挡距数学模型，提出了在生产中的农艺要求和运用技术，并经过了生产实践的验证。 针对垄向区田筑挡技术，机电式垄向区田筑挡机被发明并设计出来，近而在机电式垄向区田筑挡机的基础上提出了机械控制筑挡机的可行性，并设计了机械式垄向区田筑挡机。在对其结构和工作原理的分析的基础上，对筑挡机各部件进行了受力分析，并且对主要部件进行了参数上的设计与仿真。 关键词:垄向区田技术;机械传动式垄向区田筑挡机;参数设计;仿真。 - I - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 Design and simulation of mechanical driver type basin tillage dimming machine Abstract Slope farmland possesses one third of the total area of cultivated land in China ,and the soil erosion problem is very serious now. Adopting the soil and water conservation measures of ridge pitting field is proposed to manage, aiming at the increasingly serious problem of soil and water loss. The so-called ridge pitting field is to build small solid dyke in the furrows of slope farmlands or between the crops on the flat farmlands, cutting the long furrows or the line spacing into a lot of sections, then the solid dykes could intercept the precipitations, and the sections(shallow holes) can also keep the rainwater in storage, until the rainwater in the shallow holes seep into the soil completely and become soil water or deep soil water, in this way, there is no runoff on the ground, and the contradiction between heavy rainfall and slow soil infiltration is solved like this, so that it can avoid the soil from being washed away by runoff, with ensuring the effectiveness of the structure and fertility of soil, making the water, soil and fertilizer conservation all work. Ridge pitting field technology is the closest measure of the principles of soil and water conservation, the idea is to “keep each raindrop in the place where it lands”. In this way, hillocks can not be arid nor hollows can be waterlogged, and the crops are lush consistent which certainly causes a significant growth. The ridge pitting field technology analyzed and calculated the size, distance and the ability to retain rainwater of the small dykes and so on in theory, and mathematical models of optimal dyke space were set up, agronomic requirements and applied techniques in production were also proposed, which were validated in the productive practice. Aiming at ridge pitting field technology, electromechanical basin tillage dimming machine was invented and designed, and then, feasibility of basin tillage dimming machine of mechanical control was put forward based on the electromechanical basin tillage dimming machine, after that, mechanical electromechanical basin tillage dimming machine was designed. On the basis of analysis on its structure and operational principles, force analysis on the parts of basin tillage dimming machine was investigated, furthermore, designed and simulated the main parts of the machine in parameter. Key words: Ridge pitting field technology; Mechanical driver type basin tillage dimming machine; Design in parameter; Simulation. - II - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 目 录 摘 要 .............................................................................................................................. I Abstract ...........................................................................................................................II 1 前言 ............................................................................................................................. 1 1.1 本研究的目的与意义 ......................................................................................... 1 1.1.1 垄向区田的技术原理 ............................................................................... 1 1.1.2 垄向区田的应用时间 ............................................................................... 1 1.1.3 垄向区田技术的应用范围 ........................................................................ 1 1.1.4 研究机械传动式垄向区田筑挡机的意义 .................................................. 2 1.2 国内外研究状况综述 ......................................................................................... 2 1.2.1 国外的研究情况....................................................................................... 2 1.2.2 国内的研究情况....................................................................................... 3 1.3 机械传动式垄向区田筑挡机的优缺点................................................................ 4 1.3.1机械传动式垄向区田筑挡机的优点 .......................................................... 4 1.3.2 机械传动的缺点....................................................................................... 4 1.4 本论文的研究方向 ............................................................................................. 4 5 2 机械传动式垄向区田筑挡机工作原理及适用参数 ....................................................... 2.1 机械传动式垄向区田筑挡机的的工作原理 ........................................................ 5 2.2 应用机械式垄向区田筑挡机的关键参数 ............................................................ 5 2.2.1 土挡标准结构 .......................................................................................... 5 2.2.2 最佳土挡距离 .......................................................................................... 6 2.2.3 临界坡度选择 .......................................................................................... 7 3 机械传动式垄向区田筑挡机的主要部件设计............................................................... 7 3.1 地轮的设计 ........................................................................................................ 7 3.2 四叶板翻转铲叶片的选择 .................................................................................. 8 3.3 凸轮的设计 ...................................................................................................... 10 3.3.1 凸轮轮廓计算数学模型.......................................................................... 10 3.3.2 优化求解................................................................................................ 12 3.3.3 结构设计与仿真..................................................................................... 13 4 机械传动式垄向区田筑挡机机架等部件设计............................................................. 14 4.1 机架的设计 ...................................................................................................... 14 4.2 联结器与支架的设计 ....................................................................................... 15 5 机械传动式垄向区田筑挡机的受力分析 .................................................................... 16 5.1 凸轮和转臂 ...................................................................................................... 16 5.1.1 运动状态I ............................................................................................. 16 5.1.2 运动状态II ............................................................................................ 16 - III - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 5.2 四叶翻转铲受力分析 ....................................................................................... 18 5.2.1 运动状态I ............................................................................................. 18 5.2.2 运动状态II ............................................................................................ 19 6 机械传动式垄向区田筑挡机的仿真 ........................................................................... 20 7 结论 ........................................................................................................................... 21 参考文献 ....................................................................................................................... 22 致 谢 ........................................................................................................................... 23 - IV - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 1 前言 1.1 本研究的目的与意义 1.1.1 垄向区田的技术原理 2黑龙江省坡耕地有400万hm，约占全省总耕地面积的50%。这些坡耕地自开垦以来，多采取顺坡垄种植，水土流失严重。即使改为横坡垄，也有被冲刷，出现断垄和隔裂土地的现象。更何况自然地形多为两面坡或多面坡，一块地中顺坡垄和横地垄同时存在，在高雨强时顺坡和横坡都会产生径流和冲刷。 垄向区田是指在坡耕地的垄沟中按一定距离修筑土挡，把垄沟分成许多小区段，形成许多小浅穴，用以拦蓄雨水而不产生径流，起到保水、保土、保肥的作用，从而有效地防治坡耕地水土流失。尤其是它的作业简易易行，不占耕地面积，动土量少，成本低，而且在筑挡当年即可增产20%以上，甚至成倍增产。所以它的生态、经济和社会效益都是较大的，在国内外已有采用的。 1.1.2 垄向区田的应用时间 修筑垄向区田一般应在中耕后，雨季前期，6月中、下旬为宜。垄向区田是利用垄沟中的小土挡，把雨季中的降雨有效地拦截，以土挡向形成的小区段存水，直到雨水全部渗透入土壤中，避免土壤被径流冲走，保证了土壤的结构和肥力的有效性，从而使旱地不旱，洼地不涝，有效解决了耕地的土流失问题。 1.1.3 垄向区田技术的应用范围 垄向区田的适用范围很广泛，横坡坡垄，顺坡坡垄，横顺坡垄兼有的坡耕地，漫岗地，平川地，皆适合。尤其适合干旱、半干旱地区、雨量分明的湿润地区，在保持水土的同时，也有防止干旱的作用。还可以在已经采取水土保持治理措施的坡耕地中运用，效果更好。 垄向区田技术的应用范围广泛: (1)平川地。一般所说的平川地很少是一点坡度都没有的，由于脚踩和机具行走、作业，常使地面宏观平坦、微观起伏，即大平小不平，因此在降雨或喷灌时，就看出有小的径流，使地面水层厚度不均匀，作物旱涝不均。东北农业大学试验场地平地垄向区田试验，在自然降雨条件下，大豆增产18%。因此不能忽视平原的水土流失，因为地形是动态变化的。 (2)垄作地。垄作地应用垄向区田技术最方便。垄作地的地块较小时，可采取人工筑挡。采取人工筑挡时，应把土挡随筑随踩实。 (3)其他用地。如有坡度的梯田、坡地茶园、退耕还林的幼林地、漫坡草原、灌溉蔬菜地均可应用垄向区田技术。 - 1 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 (4)不论是横坡还是顺坡耕作，均可采用该技术。不同的是，顺坡采用的是以土挡拦雨，如遇超强暴雨，雨水可越过土挡流向下一个浅穴，最多也只流向下一个浅穴，因为暴雨大都历时短;而横坡是以垄台和土挡两个方向拦雨，如遇超强暴雨，上下垄台之间是主坡，有可能拦不住过急的雨水，断垄出沟。此外，土层薄的地段和年降雨过于频繁的地区不宜采用本措施。 1.1.4 研究机械传动式垄向区田筑挡机的意义 之前，东北农业大学已经研制出了1QD型机电式垄向区田筑挡机，1QD型垄向区田筑挡机是东北农业大学研制开发的一项专利产品，属国内首创，是推广垄向区田水土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。 1.2 国内外研究状况综述 1.2.1 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1-1为美国设计的四叶板式筑挡机原理图。 - 2 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 1.螺纹提升杆 2.液压马达控制凸轮 3.支臂导管 4.可调挡臂 5.四叶板翻转铲 图1-1 美国四叶板式筑挡机原理图 1.2.2 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1-2为国内设计的机械控制筑挡机原理图。 - 3 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 1. 地轮 2.链轮 3.拨盘 4.拨杆 5.钢丝软拉筋 6.三铧犁 7.转臂 8.复位弹簧 9.挡滚 10.四叶板翻转铲 图1-2 机械控制筑挡机原理图 1.3 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。 1.3.1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。 1.3.2 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。 1.4 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。 - 4 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 2 机械传动式垄向区田筑挡机工作原理及适用参数 2.1 机械传动式垄向区田筑挡机的的工作原理 1.地轮 2.凸轮 3.转臂 4.机架 5.三铧犁 6.复位弹簧 7.挡滚 8.四叶板翻转铲 图2-1 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2-1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 滚轮轴的中心线，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 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90?，形成一个土挡。如此周而复始，完成垄向区田作业。 2.2 应用机械式垄向区田筑挡机的关键参数 2.2.1 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， - 5 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 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 14cm;土挡厚度则根据土挡承受浅穴中雨水的压力而定。能超过垄台，因此土挡的高度取 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。 22h,y,M14，0.001，(46，22)/2 P,，9.8,，9.8,32.65N22 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32.65N的雨水推力而不被推垮，则必须使土挡的重力大于32.65N。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16856cm?、土壤密度约为1.0g/cm?或1.4 g/cm?时，土挡的重力等于169.00N或236.00N，远大于32.65N。所以，土挡顶部厚度为14cm、底部宽度为45cm的设计是可靠的。 2.2.2 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 -2为同坡度最大挡距和最佳挡距储水容积比较图。 降雨，就应采取最佳挡距。图2 图2-2 同坡度最大挡距和最佳挡距储水容积比较图 图2.2中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 - 6 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 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=α?θδ 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2-3。 图2-3 不同坡度的最佳挡距 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 和承受29 mm/10 min雨强的时间表 2.2.3 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2.3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2-3中可知，小于等于8?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1?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。 3.1 地轮的设计 - 7 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 地轮在地面做纯滚动1周时，四叶翻转铲旋转90?，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=254.65mm，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(运动轨迹)需要相对准确的保证，而地轮在土地中需要进行纯滚动，所以要尽量减小地轮的滑转，使之与地面进行纯滚动。 减小地轮滑转的方法有:?加大轮子的直径和轮辋的宽度以减少轮子的下陷量，从而减小轮子的前进阻力;?在轮辋上加装轮爪，或制作适当的凸埂或花纹，或缠上锁链以增加土壤的切向反力;,在轮子上加配种以增加摩擦力。在本文设计的机械传动式垄向区田筑挡机中，由于土地环境的多变化，因此，本人决定采用了在行走轮辋的刚面加装轮爪，使其行走的切向反力增加，从而降低了行走轮的滑转系数。根据筑挡机的整体大小初步设定地轮的直径为50cm，形状如图3-1:。 图3-1 地轮的仿真 因为，地轮与地面做纯滚动，所以需要具备较高的耐磨能力，所以地轮的材料选择耐磨钢ZGMn13-1，加工方式采用立铣的加工方式。轮抓采用手工电弧焊的焊接方式与地轮相联接，这样可以及时更换，利于维修和使用。 3.2 四叶板翻转铲叶片的选择 因为叶片要在垄沟中作业，所以叶片的形状必须近似于地垄沟形状。因此，叶片设计成梯形，如图3-2所示: - 8 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 图3-2 叶片尺寸简图 图3-3 叶片组装仿真 为了便于安装以及运输，叶片大端有四个孔。四个叶片只需紧固在25×25的带孔的四方槽钢上，就可形成互成90度的四片翻转铲。 叶片用剪板机来加工而成。 由于叶片是在铧犁后面，所以接触的都是松散的土，受力并不大，叶片可选用45号钢，厚度为4mm。叶片的3D仿真图如3-3所示。 - 9 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 图3-4 叶片的仿真 3.3 凸轮的设计 3.3.1 凸轮轮廓计算数学模型 设计的设计的凸轮机构为滚子摆动从动件平面凸轮机构，综合考虑载荷、速度、工况条件、经济性等多方面的要求，从动件的运动规律采用等加速等减速运动规律。由于推程运动角和回程运动角较小，为满足设计精度的要求采用解析法进行凸轮轮廓的设计，建立数学模型，应用 C-Free 4.0软件编程求解凸轮轮廓曲线。 - 10 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 图3-5 凸轮轮廓解析设计 如图3-5所示，凸轮绕O点逆时针旋转角，从动件绕A点摆动角，压力角为,,α。设凸轮理论轮廓的基圆半径R，滚子半径R，中心距L,摆杆长度L凸轮理论轮brOAAB 角时，可列出矢量方程 廓上点的极坐标矢量可由矢量三角形OAB确定。凸轮转过, j,Bj，，，，,,,bj,,,,,b，,b，, ,e,Le,LeBOAAB 其中和, b是起始位置角 ,b 222,,R，L,LbOAAB,,,,arccos ,,,,0 ,, bb,,2RLbOA,, 222,,L，L,ROAABb,,,,arccos ,,,,0 ,, bb,,2LLOAAB,, 从而可以求得凸轮的理论轮廓坐标为 ,,,,,,,,,LsinLsin,,,，，，，，，,,OAbABbb,arctan,,,,B,,,,,, LcosLcos,,,，，，，，，,,,OAbABbb,, ,，，，，,,,Lcos,,,Lcos,,,,,,,,,,，，,BOAbBABbbB, ,,,,0 ,2, B 凸轮实际轮廓曲线上K点的极坐标矢量可由矢量三角形OBK确定，同理可以求得凸轮的实际轮廓极坐标为 - 11 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 ,,,,，，,,,,,,,,,Rsin，sin,，，，,,,,,,BBrbb,,2,,,,，，,,,arctan,,K,,，，,,,,,osR,,,,,,,c，cos,，，，, ,,,,,,0,2,BBrbb,,,K,,2,,，，,,, ,，，,,,，，,R,cos,，cos,，，，,,,,,,,,,,,,,,KBBKrbbK,,,2,,，，, 3.3.2 优化求解 (1) 参数确定 为了满足筑挡机作业要求，实现在时间上对四叶板翻转铲翻转的准确控制，避免在作业过程中出现连翻和不翻现象，保证工作可靠性，液压马达控制机构凸轮的设计参数如下:摆杆角度冲程为3.4?;推程运动角为45?、远休止角为 0?、回程运动角为 30?;推程许用压力角为 35º、回程许用压力角为 70º。 考虑整个液压马达控制机构的尺寸和装配位置，凸轮机构的尺寸参数为: mm ，。凸轮理论轮廓基圆半径通过凸轮轴心许用区域L,98.9mmRL,87mmOAbAB [6]来确定，得到基圆半径的允许范围为，取为,,RR,28.56mm,114.34mmR,47mmbbb了避免凸轮轮廓的冗切，滚子半径一般要满足，，，取。 R,0.1~0.5RR,10mmrbr 在满足设计参数的前提下，为保证凸轮运动不失真，最小曲率半径必须大于满足从动件运动要求所得到的最小值 10mm，同时必须满足许用压力角的要求。根据数学模型和设计参数，应用软件编程优化求解凸轮轮廓曲线。 (2) 计算机辅助求解 应用 C-Free 4.0 软件编写了凸轮轮廓曲线极坐标计算程序，程序的输入参数包括基圆半径 R，中心距 Loa，摆杆长度 Lab，滚子半径 Rr，推程角a，推程等加速段角a1，b 推程等减速段角a2，回程角b，回程等加速段角b1，回程等减速段角 b2，角度冲程 h。综合确定的参数，输入程序的参数如表3-1所示 表3-1 输入参数 通过程序的优化求解计算出凸轮轮廓的极坐标，根据得到的数据在 CAD 中绘制凸轮轮廓曲线如图 3-6所示。 - 12 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 图3-6 凸轮轮廓曲线 3.3.3 结构设计与仿真 将在 CAD 中绘制的凸轮轮廓曲线导入 Pro/E，用Pro/E 软件绘制出凸轮三维实体模型如图3-7所示。 图3-7 凸轮三维实体模型 干涉检查结果显示，设计的机械传动控制机构在运动过程中无干涉现象。对凸轮机构进行运动学分析，得出一个运动周期凸轮压力角和曲率变化曲线分别如图3-8和3-9所示。 - 13 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 图3-8 压力角变化曲线 图3-9 曲率变化曲线 如图3-8所示，凸轮运动一个周期，推程压力角变化范围 0º~18º，回程压力角变化范围 0º~26º，推程压力角和回程压力角均小于许用压力角。如图3-9所示，曲率的最大值为 0.081，故最小曲率半径为 12.3mm，满足要求。 凸轮因为要与连杆进行纯滑动摩擦且拆卸不便利，所以要求具备较高的耐磨性质且同时具有较高的刚度要求，所以凸轮的材料采用ZGMn13-1，加工方法选择立铣。 4 机械传动式垄向区田筑挡机机架等部件设计 4.1 机架的设计 由于叶片绕轴销旋转，所以机架的后部应以不干涉为基础，设计成类似于叶片的梯形，为了保证机架在作业中不变形，不跑偏，还应增加后部机架的强度;另外，四叶板的定时翻转是由机械转臂控制的，而与它相连的挡滚要与四叶板上部相接触，这些条件决定了需要在机架上再焊接一梯形梁，即可安装机械控制装置，又可加强机架的强度。 为了保证翻转铲能有效的搂住前方犁铧犁出的土，应使机架有一个向下的力作用，以克服土壤给翻转铲向上的力。在机架中部，加一道横梁，中间有一Φ13的孔。在支架与机架中部加装M12的螺栓，中部以上安装一加压弹簧。调节弹簧的长度就可以改变机架受力的大小，从而使该农具可以在不同土质的田间作业，增加了该农具的适应性能。 在机架的前部，以挂结销与联结器相连，机架整体受力不大，因此机架可用Q235作为材料，厚度为8mm，其接缝处采用手工电弧焊技术联接。其结构如图4-1所示。 - 14 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 图4-1 机架焊合图 4.2 联结器与支架的设计 联结器与机架相连接部分为了使机架可上下自由转动，所以联结器下部设计成直角梯形。在顶部，有两个M12的螺栓联结支架与联结器，并把联结器与支架固定在三铧犁的顺梁上。支架的一端用两个M12螺栓相连，另一端有Φ13的孔，便于安装加压弹簧及螺栓。其材料选择45钢，通过冲压技术获得工件，焊接方式选用手工电弧焊。 1.联结器前板 2.联结器侧板 3.联结器后板 4.联结器挂接管 图4-2联结器焊合图 - 15 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 5 机械传动式垄向区田筑挡机的受力分析 机械式垄向区田筑挡机的受力分析主要指凸轮转臂和四叶板翻转铲的受力情况，下面分别对各部分加以阐述 5.1 凸轮和转臂 凸轮和转臂的受力分为两种运动状态: 状态I 为四叶板对滚轮的作用力刚好通过A和B两转轴的中心线，四叶板翻转铲处于死点位置; 状态II 为筑挡机作业时，四叶板对转臂的阻力是变化的，并在翻转铲翻转瞬时最大，所以选取凸轮转动到最高行程时四叶板过死点这一时刻对各部件作受力分析。在分析转动过程中，各部件自身重力、铰链的摩擦阻力、凸轮、转臂以及滚轮处的摩擦阻力对分析结果影响较小，忽略不计。 5.1.1 运动状态I 四叶板翻转铲处于死点位置时受力情况如图5.1所示。 图5-1 四叶板死点位置受力简图 以摆杆为研究对象，列平衡方程得 F,0 F,F (1) ,xaxbx F,0F,F (2) ,yayby 接触点B所受的合力为四叶板对滚轮的作用力F与A点处的合力F 两力作用下B’A平衡。根据二力平衡原理，这两个力必定在同一直线上，且等值反向。F对B处的力矩A为0，此时机构将自动锁死。 5.1.2 运动状态II 当凸轮转动到最高行程时，摆臂转动四叶板翻转铲过死点位置，选取这一时刻对各部件进行受力分析，如图5-2所示。 - 16 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 图5-2 四叶板翻转铲过死点位置简图 列平衡方程得 M,0 ,A ，， (3) Ja，FL,Lcos,,FLsin,,FL,0Abx34by4N 其中，。 ，，L,L,Lcos,cos, 21 ，F,Fcos, (4) F,Fsin,bybx 将式(3) 、式(4) 代入上式力矩方程中，整理得凸轮与转臂的法向推力为 ,,Ja，FLsin,FLcos234AF, N，，L,Lcos,cos,21 2式中 J—转臂绕摆动中心A的转动惯量(kg/m)， A 由设计结构尺寸可求得; 2a—凸轮从动件运动的角加速度(rad/s); L1—摆臂I的几何尺寸(mm); L2—摆臂II的几何尺寸(mm); L3—摆臂III的几何尺寸(mm); L4—摆臂IV的几何尺寸(mm); F—四叶翻转铲对转臂的阻力( N); ,—凸轮机构压力角( ?); F—凸轮轮廓与转臂的法向推力( N)。 N - 17 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 5.2 四叶翻转铲受力分析 ,6,筑挡机工作时主要有2个运动过程:一是四叶板的角速度等于0时的直线运动;二是四叶板做加速翻转运动工作过程中，这两个运动交替出现，具体运动受力过程如图5-3所示。 图5-3 运动分析图 5.2.1 运动状态I 在第1种运动情况下，由于四叶板不翻转，其角速度和角加速度为0。该四叶板所受到的合外力按照力系平衡原理表达为 F,0 ,x Fcos,，f，Fcos,,F'sin,,0 (5) a F,0 ,, Fsin,,G,F，Fsin,，F'cos,,0 (6) aG M,0 ,0 (7) Fr，fcos,r,F'r,0 式中 F—机架对铲板的拉力(N) ; a F’—滚轮对铲板的支反力(N) G—铲板的重力(N) ; - 18 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 F—机架对铲板的作用力(N) ;G F—土壤对铲板的作用力(N) ; f—土壤对铲板的摩擦力; r—四叶板的半径(mm)。 5.2.2 运动状态II 在第2种运动情况下，四叶板要做翻转运动。根据地轮的工作周期、四叶板的分布和对该机组进行受力试验过程中所测量的板的支反力F 以及测得的作用时间t，分别确c 定了该四叶板的运动和受力情况，其运动情况为 ,1d2，，,,t ,,,t (8) dt2 ,已知t=0时;t=t’=0.2s时，,。由此可求得系数a=78(5rad/s。 ,,0,2 已知四叶板的翻转时间t=0.2s(四叶板在进行第2种运动时所对应的时刻)，四叶板叶片分布为圆周正交分布，翻转的初始角速度=0，其运动近似看作匀加速转动，如图, 5.4( a)所示。图线的斜率k即为角加速度由于四叶板在时间t=0.2s时刻的角速度未知，因此该曲线的表达式如图5(b) 所示。 图5-4 四叶板运动图像 根据动力学方程有 M,J, (9) ,0 四叶板的转动惯量，取J=1.318kg?m。 式中 J— 四叶板工作时，土挡对四叶板的作用力F和土对板的摩擦力f在不断变化，并且力F的作用点也在变化，因此采用公式(9) 进行理论计算，得 M,J,,1.318，78.5,103.463N?m ,0 从理论计算与实际测量结果看，两者差别不太大，因此该分析过程符合动力学分析结果。 - 19 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 6 机械传动式垄向区田筑挡机的仿真 本次针对机械传动式垄向区田筑挡机的设计所采用的三维软件PRO/E。机械传动式垄向区田筑挡机工作时由拨盘的转动带动拨杆的转动，再由拨杆的转动带动连杆。连杆带动转臂，从而在工作状态下，使四叶铲板转动90度。 通过对机械传动式垄向区田筑挡机的仿真设计，基本可以得出该机器在农业生产实践中能够满足工作需要。针对机械传动式垄向区田筑挡机的特点进行各个部件之间的配合和仿真运动，可知在机械传动式垄向区田筑挡机工作时能够完成垄向区田技术的需要，能够很好的起到保持水土的作用。 图6-1 机械传动式垄向区田筑挡机的仿真 - 20 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 7 结论 垄向区田可给农民带来很多效益:垄向区田技术可以防止水土流失，增强土壤的含水量与肥力—即基础效益;垄向区田可有效的改造中低产田，提高土地的生产能力，使农民增产增收—即经济效益;运用垄向区田技术，不但保护了耕地，还增加了农民的收入，增加了农民的积极性。同时还治理了水土流失，减轻了国家用于治理水土流失资金不足的压力，为山区半山区经济和生态环境的可持续发展，创造了有力的条件—即生态效益。 机械传动式垄向区田筑挡机，是对1QD型垄向区田筑挡机的进一步改进，改变它的电磁控制方式为机械控制方式。 机械传动式垄向区田筑挡机使用非常方便 ,易于掌握，而且可以达到精确的最佳挡距。 本课题所研究的筑挡机结构简单、精度要求不高、成本低、易于生产，便于普及推广，实用于我国国情。以保证其有较大的承雨能力;相邻垄沟的土挡要交错排列;筑挡后的垄沟要有坐土和浮土;土挡要紧实;机具不伤垄台上的幼苗，不刮垄肩;行距为60,200cm;作业速度大约为7km/h。 由以上可知，在考虑适用性等因素的情况下，机械传动式垄向区田筑挡机能够满足农业生产工作要求，易于使用和维护，能给人们带来很大的效益。 - 21 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 参考文献 [1] 沈昌蒲(坡耕地垄作区田最佳挡距数学模型及其检验[J](水土保持通报,1997,17(3): 1—4( [2] 中国农业机械化科学研究院(农业机械设计手册(上册)[M](北京:机械工业出版 社,1988( [3] 吴守一(农业机械学(下册)[M](北京:中国农业机械化出版社,1987( [4] 甘肃省天水水土保持科学实验站(水土保持耕作法的研究和评价[A](黄河水利委员 会耕作保持水土论文集[C](兰州:甘肃农业出版社, 1980:133—139( [5] Geread(C(J(,Sexton P(D(Conover D(M(Effect of furrow diking[J].sub soiling and slope position on crop Yields Agronomy J( 1984,76:945—950 [6] Harris B(L,Krishna J(H Furrow diking to comserve moisture [J](of soil and water comservation,1(1989,(4): 271—273( [7] 田边一( 坡地农业机械化问题[J]( 山地农机化,1987, (增刊):30—32( [8] Lyle W.M.,Dixon D.R. 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[20] 冯江,冯进成.垄向区田筑挡机关键部件—四叶板的有限元分析的研究[J].农机化研 究,2011,33(9):85—88. - 22 - 机械传动式垄向区田筑挡机的设计与仿真 致 谢 大学的快乐时光随着毕业设计的结束也将落下帷幕。而做毕业设计的这几个月,是我大学生涯过的最充实的一段时间。在这短短的几个月里,我不仅掌握了以前没有完全掌握的专业知识和研究方法,以及绘图方法,同时更让我对机械专业有了更深一步的了解和认知。 本论文是在尹大庆老师的悉心指导和耐心帮助下完成的。在毕业课题设计的过程中,我始终得到了尹大庆老师的热心指导。尹大庆老师在设计的过程中给予的无私帮助和指导是我完成设计的前提和基础。尹老师在在工作上认真负责,对人的态度上平易近人,同时尹大庆老师的诙谐幽默让我有一种朋友之间相处的感觉。在论文完成之际向帮助过我的尹大庆老师和同学们表示衷心的感谢～ 在论文研究的过程中,也得到机械教研组多位老师的热心帮助和指导,这些老师在工作中团结奋进、不断进取的精神使我受益匪浅。在此也向他们表示感谢～ 最后再次感谢大学期间指导和帮助过我的老师和同学们。是你们的鼓励和帮助陪伴我走过了最美好的大学时光。在此由衷的感谢你们,祝福你们身体健康,事业顺利～ - 23 -