一種新型多功能田園管理機(jī)的設(shè)計(jì)

王海寧 劉磊 贠瑩瑩 張開興

摘 要：隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)村勞動(dòng)力明顯不足，在一定程度上制約著中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。同時(shí)，一些農(nóng)業(yè)田園管理機(jī)械體型笨重，作業(yè)效率不高，性價(jià)比低也成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的瓶頸。那么，革新一款新型多功能的田園管理機(jī)就十分必要。本新型多功能田園管理機(jī)在普通田園管理機(jī)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和優(yōu)化，充分結(jié)合自動(dòng)化與智能化，考慮人與機(jī)器、土地環(huán)境的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)旋耕、開溝、培土、除草、播種、覆膜等功能。本機(jī)主要由控制系統(tǒng)（360°可旋轉(zhuǎn)把手、檔位控制把手、離合器把手等）、傳動(dòng)系統(tǒng)（帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)）、功能執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成。且擁有多功能、高效率，一體化的特點(diǎn)，極大的提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。本設(shè)計(jì)主要是利用三維建模軟件建模，裝配與分析，節(jié)省了人力物力，縮短了設(shè)計(jì)周期。

關(guān)鍵詞：田園管理機(jī)；多功能；高效；播種；CAD/CAE/CAM

1設(shè)計(jì)背景

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的中國國情要求中國農(nóng)業(yè)種植的精耕細(xì)作，同時(shí)也導(dǎo)致大量勞動(dòng)力的輸出，一方面科學(xué)種田的步伐減緩，另一方面影響農(nóng)民的收入。中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，使許多勞動(dòng)力輸入到大城市，農(nóng)村的勞動(dòng)力明顯不足，并且農(nóng)業(yè)種植更加的講究效率和科學(xué)。以解放勞動(dòng)力、科學(xué)種植、多功能耕作等為目的的小型農(nóng)業(yè)機(jī)械得到空前發(fā)展，尤其是改良創(chuàng)新過的多功能田園管理機(jī)被迫切需求。

然而目前市場上的一些田園管理機(jī)功能單一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重，不易操作，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)限制了農(nóng)民的購買熱度，也從一定程度上限制了田園管理機(jī)的革新與發(fā)展，在這種大背景下，集旋耕、開溝、培土、除草、播種、覆膜為一體的新型多功能田園管理機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

2設(shè)計(jì)意義

本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有田園管理機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。改良后的田園管理機(jī)具有以下特點(diǎn)：第一，實(shí)現(xiàn)多功能，主要包括開溝、起壟、翻地、旋耕、播種、除草、覆膜等，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用和節(jié)省成本的目的；第二，機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，本設(shè)計(jì)優(yōu)化車把轉(zhuǎn)向和受力機(jī)構(gòu)，在機(jī)器工作時(shí)能滿足人機(jī)工程學(xué)，也能提高田園管理機(jī)的使用壽命；第三，設(shè)計(jì)出多套刀具和輪具，能夠彌補(bǔ)有些田園管理機(jī)在特殊工作環(huán)境下工作不良的情況。

3設(shè)計(jì)方法

本新型多功能田園管理機(jī)的設(shè)計(jì)采用Solidworks三維建模軟件完成本設(shè)計(jì)零件和裝配圖建造，包括控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、功能執(zhí)行系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上完成虛擬樣機(jī)制作，運(yùn)動(dòng)仿真，動(dòng)畫制作等。采用計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，利用Solidworks Simulation對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析，得出其最大應(yīng)力應(yīng)變，為產(chǎn)品后期優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

4功能與使用說明

4.1多功能田園管理機(jī)的主要功能

該田園管理機(jī)適用于菜園、果園、茶園、玉米園等開溝、培土、覆膜、除草、旋耕多功能作業(yè)。本產(chǎn)品主要有馬力大、結(jié)實(shí)耐用及功能齊全等特點(diǎn)，而且最重要的是對(duì)于農(nóng)民單人操作非常方便，做到一機(jī)多用。主要特點(diǎn)：

1、采用Robin EY28B汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，馬力大，省油。

2、采用皮帶張力輪自調(diào)離合器，可避免超負(fù)荷機(jī)件損壞。

3、本機(jī)主把手360°回轉(zhuǎn)，并有多處定位孔，有利于實(shí)現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)和固定的效果，達(dá)到在不同方向操縱機(jī)器的目的。

4、本機(jī)有多種檔位，包括控制刀具運(yùn)行的一檔、二檔、空擋、倒檔，控制車輪運(yùn)動(dòng)的一檔、二檔、空擋、倒檔，實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同的操作環(huán)境速度變換的效果。

4.2新型多功能田園管理機(jī)的使用說明

本機(jī)器為手扶式農(nóng)用機(jī)械，依靠汽油發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)。

該機(jī)的最前方是導(dǎo)向輪，通過導(dǎo)向輪的把手可以調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)向和導(dǎo)向輪的深度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向進(jìn)行不同深度的操作；導(dǎo)向輪后面安裝旋耕刀具，并有兩翼可讓旋耕所得的土落在固定位置，進(jìn)而得到規(guī)整的溝；中間通過承載梁將不同的傳動(dòng)裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)連在一起，既簡單有效，又節(jié)省一定的空間，合理安排了重心。

安裝后輪的傳動(dòng)裝置與約長200 mm的輪軸通過銷連接在一起，并且輪軸上有四對(duì)銷孔，有利于根據(jù)實(shí)際情況決定輪的安裝位置，而且輪和輪軸只是通過銷孔連接的，可以根據(jù)執(zhí)行功能的不同更換驅(qū)動(dòng)輪或覆膜輪等；

主把手是通過三維空間內(nèi)多角度彎曲實(shí)現(xiàn)高度寬度的同時(shí)滿足要求，并且通過橫梁上的控制閘可以使把手實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，讓農(nóng)民可以在不同方向?qū)υ摍C(jī)器進(jìn)行操作，方便，舒適，節(jié)省空間，主把手上還安裝離合控制器可以隨時(shí)控制帶傳動(dòng)輪的狀態(tài)。

5多功能田園管理機(jī)的裝配和優(yōu)化

應(yīng)用SolidWorks軟件驚醒裝配體設(shè)計(jì)的思路是，首先應(yīng)把我裝配體的主體結(jié)構(gòu)，即對(duì)應(yīng)的主體零件，先插入或生成主題零件，再插入或生成其他零件，病依據(jù)其間的配合關(guān)系裝配各個(gè)零件，最后完成裝配體設(shè)計(jì)。[1]

正確的裝配是實(shí)現(xiàn)后期運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵步驟。由于該多功能田園管理機(jī)結(jié)構(gòu)繁瑣復(fù)雜，并且運(yùn)動(dòng)也較傳統(tǒng)田園管理機(jī)多樣，所以要求各部分配合要嚴(yán)謹(jǐn)緊密。這樣，該田園管理機(jī)的裝配顯得至關(guān)重要。

6運(yùn)動(dòng)模擬仿真

機(jī)械傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模擬一般采用自動(dòng)式或交互式。[2] Solidworks提供一種運(yùn)動(dòng)仿真的運(yùn)動(dòng)算例。正確裝配多功能田園管理機(jī)后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在該多功能田園管理機(jī)的設(shè)計(jì)中，導(dǎo)向輪、擋土蓋，覆膜播種等結(jié)構(gòu)在執(zhí)行不同功能時(shí)所處的狀態(tài)不同，通過運(yùn)動(dòng)算例實(shí)現(xiàn)其不同狀態(tài)下的模擬仿真運(yùn)動(dòng)。通過運(yùn)動(dòng)模擬仿真可以直觀的觀察到設(shè)計(jì)產(chǎn)品的操作運(yùn)行狀態(tài)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供直觀依據(jù)。

7結(jié)論

與傳統(tǒng)田園管理機(jī)相比，該新型多功能田園管理機(jī)在普通田園管理機(jī)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，充分結(jié)合自動(dòng)化與智能化，考慮人與機(jī)器、土地環(huán)境的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)集旋耕、開溝、培土、播種、覆膜多功能的特點(diǎn)。本機(jī)主要由控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、功能執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成，優(yōu)化的設(shè)計(jì)不僅提高農(nóng)田工作的質(zhì)量和效率，還提高了性價(jià)比。

前部田園管理機(jī)擁有多套刀具和輪具，可以根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行更換。且其通過三級(jí)傳動(dòng)，牽引力大，多檔位設(shè)置，適于不同的工作環(huán)境。掛載部分可以實(shí)現(xiàn)精量播種和定位覆膜，這些體現(xiàn)了產(chǎn)品的先進(jìn)性。一機(jī)多用，即換即用，精量播種定位覆膜體現(xiàn)了本機(jī)的創(chuàng)新性。

使用Solidworks進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、裝配，通過直觀展示完成一些列的樣機(jī)外形改進(jìn)。使用CAE有限元分析軟件對(duì)承載梁及犁片進(jìn)一系列分析，通過應(yīng)力云圖、位移云圖、應(yīng)變云圖進(jìn)行校核，簡化計(jì)算過程，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。使用CAM進(jìn)行數(shù)控加工模擬仿真技術(shù)，用軟件進(jìn)行零件加工軌跡模擬，避免了直接在機(jī)床試加工時(shí)浪費(fèi)材料、人力，以及破壞機(jī)器的風(fēng)險(xiǎn)。Solidworks軟件中CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的使用，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，保證了設(shè)計(jì)者可以隨時(shí)觀察、優(yōu)化和修改設(shè)計(jì)產(chǎn)品，縮短了設(shè)計(jì)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊國新，王定標(biāo).基于Solidworks的機(jī)械零部件虛擬裝配體設(shè)計(jì)技術(shù)[J].煤礦機(jī)械，2007，07：75-77.

[2]任柏林，羅寧，王永泉.Solidworks環(huán)境下機(jī)械傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模擬[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，03：41-43.