免耕播種機關鍵件三維建模分析

孟宇 羅紅旗 李曉晴 石矛

[摘要]針對免耕種植機械化需求，進行免耕播種機關鍵件設計，運用SolidWorks軟件建立導肥管和排種器機構的三維模型，為播種機整體結構設計和機械性能分析提供支撐。

[關鍵詞]播種機;Solidworks;導肥管;排種器

[中圖分類號]S223.2[文獻標識碼]A

1 前言

免耕播種機能夠在未翻耙整地的條件下播種，其單體設計主要包括機架連接、開溝器、種肥箱、排種排肥器、地輪、覆土鎮壓器、深淺調節機構、傳動系統等，也可以組合多個單體結構形成各種適應不同農藝條件的壟作免耕播種機。本文擬利用SolidWorks軟件對壟作免耕播種機的單體結構關鍵部件進行三維建模，組合式排種器通用性強，可以調整排種寬度控制排種量，有利于根據農藝條件滿足播種數量。播種機單體功能多樣性，播種機單體能夠一次性完成開溝、施肥、播種、覆土、鎮壓等各項播種工作，減少播種機器下地次數，實現聯合作業，降低作業成本，提高生產效率，更好地保證播種質量。本文以播種機單體中導肥管和排種器為例，進行SolidWorks軟件構建播種機關鍵件三維模型分析。

2 三維模型的建立

隨著計算機技術的發展，各種制圖軟件得到了有效的推廣，為工程設計與施工提供了極大的便利。SolidWorks是基于Windows開發的三維CAD系統，具有功能強大、操作簡單和易學易用等特點。其作為專業的三維CAD建模軟件已經在工程領域得到了廣泛應用，部分有限元分析軟件也為SolidWorks提供了應用接口。

SolidWorks是第三代CAD建模軟件，包含零件設計、裝配體設計和工程圖生成三大基本功能，其建模的過程一般為繪制草圖——生成實體——導出工程圖。繪制草圖時先需要選擇基準面，SolidWorks中默認的基準面分別是前后視、上下視和左右視，對于一些結構復雜的模型的繪制還需要通過添加建立的參考基準面來實現。然后通過對草圖拉伸、旋轉、切除、放樣、掃描等特征操作完成對象的三維實體建模。對于復雜的結構，需要將其分解為幾部分繪制，最后通過裝配獲得模型。在使用SolidWorks建立三維模型時，盡可能在一個單獨的零件中完成，而不是通過裝配得到。雖然兩者創建的三維模型在外觀上沒有絲毫差別，但是裝配得到的實體往往容易產生冗余的線段，且塊體之間的相貫性得不到充分的表現，對工程圖的生成及處理帶來不便。

2.1導肥管三維模型建立

2.1.1 構建直槽口。由于此直槽口底面與上視基準面不平行，需要添加參考基準面。具體做法是：在上視基準面畫一條直線，以此直線為第一參考，關系是重合，以右視基準面為第二參考，關系是旋轉68°，即可得到參考基準面1。在此基準面上繪制草圖，選擇中心直槽口命令，在中心繪制一個直槽口，并添加尺寸約束，然后退出草圖，點擊拉伸凸臺/基體命令，拉伸一定高度。

2.1.2 創建圓柱體。由于圓柱體底面既不與上視、前視、右視基準面重合，也不與新建立的基準面1重合，所以新建參考基準面3。具體做法是：以參考基準面1為參考，向上平移一定距離得到參考基準面2，在參考基準面2內繪制草圖——一條直線，以此直線為參考一，關系為重合，以參考基準面2為參考二，關系為選擇235度，即可得到參考基準面3。在此基準面上繪制草圖，選擇圓命令，在中心繪制一個圓，并添加尺寸約束，然后退出草圖，點擊拉伸凸臺/基體命令，拉伸一定高度，即可得到圓柱體。

2.1.3 創建不規則圓柱體。由于此圓柱體有斜面，形狀不規則，考慮在前視基準面上繪制草圖，然后利用選擇命令得到一個規則的圓柱體，由于前面所作的圓柱體與參考基準面2有一定的傾斜角度，而此不規則圓柱體正好與前面所做的圓柱體相接，且其底面與參考基準面2平行，所以旋轉得到的圓柱體會被前一圓柱體遮擋一部分，正好得到一個所需要的帶有斜面的不規則圓柱體。

2.1.4 放樣。目前為止，直槽口離不規則圓柱體有一段距離，現需得到一個完整的實體，由于直槽口和圓柱體輪廓形狀不一樣，所以需要通過放樣命令補全實體。點擊放樣命令，在輪廓中選擇不規則圓柱體的下邊線和直槽口所形成的上底面即可。

2.1.5 完善實體與抽殼。直接在前視基準面繪制草圖，通過拉伸切除多余部分得到所需的形狀，再用抽殼命令，選擇圓柱上底面和直槽口下底面，得到最終實體模型。

導肥管的三維模型如圖1所示。導種管的創建過程與導肥管相似，并分別與鏟尖、施肥開溝器鏟柄、施種開溝器鏟柄結合得到施肥開溝器和施種開溝器。施肥開溝器安裝在播種開溝器后面，實現種肥分施，先施肥，后播種。

2.2排種器三維模型的建立

排種器為免耕播種機中較為重要的結構，其可以與其他零件組裝成排種器，排種器結構如下：排種器主要由種箱、供種機構、排種器、清種刷、刮種裝置等組成。排種器常見工作原理如下：種箱內的種子在重力作用下以均勻速度流入定向供種機構中，定向供種機構通過振動使種子實現沿長軸方向首尾相連地均勻連續定向排序穩態輸送。當種子運動至尾部輸出口時通過橫向運動入排種器型孔中，經刷種輪和護種裝置到達投種位置后在重力與慣性力作用下下落，沒有及時掉落的種子由刮種裝置強制脫落。播種裝置通過控制種子運動姿態實現稻種沿長軸方向均勻連續定向排序的穩態輸送和沿型孔輪軸向橫向分布供種，為降低每穴種子粒數、提高單粒充填率提供了可能。

2.2.1 構建排種器主體。具體建模過程如下：選擇前視基準面，并在其上做出一個直徑為60mm的圓，作為排種器的初始的外輪廓;通過“拉伸凸臺/基體”命令創造一個高為51mm，直徑為60mm的圓柱體，此即排種器的主體。

2.2.2 通過拉伸切除制作排種器內部不規則形狀空腔。通過對主視圖空腔輪廓以及左視圖中排種器邊緣內壁直徑的數據進行分析，可以確定空腔各邊緣的位置與尺寸關系。具體建模過程如下：先選擇前視基準面，并在已做好的排種器主體的中心作出一條中心線作為確定空腔位置的基準;作出空腔的內邊緣與外邊緣，二者分別在直徑為25mm和55mm的圓弧上;再根據各空腔邊緣間的關系，創建一段和外邊緣相交，在底面與直徑為38mm的圓相切的圓弧，并通過直線閉合輪廓，之后通過裁剪工具對輪廓進行合理修剪;至此，半邊的空腔輪廓已經完成，將其關于中心線進行鏡像便得到一個完整的空腔輪廓;將一個空腔輪廓以圓心為參考點進行圓周草圖陣列，得到六個均勻分布的空腔輪廓;以空腔輪廓作為邊線進行拉伸切除，使其在一個方向上貫穿實體，而在相反方向上與實體保有一定距離，則空腔建模完成。

空腔制作完成之后，由于空腔并非通孔，并且在之后的建模過程中也存在不關于前視基準面對稱的要素，因此在之后的建模過程中應注意不同要素與圓柱體兩個底面分別的位置關系。

2.2.3 制作排種器通孔與鍵槽。在空腔制作完成之后，則主視圖中要素基本完成，可以觀察與之方向相反的后視圖，并對其上的主要要素進行建模。通過對后視圖觀察并分析其上數據可以發現其主要要素包括中間的通孔與鍵槽。應當注意的是根據左視圖，鍵槽并不貫穿形體，而是與另一面保持一定的距離。具體建模過程如下：先做出直徑為16.5mm和23mm的圓各一個，其為鍵槽的內外邊緣;過圓心做豎直中心線;通過豎直線將內外兩圓弧相連并通過智能尺寸使此豎直線與中心線的距離在3mm;至此，一個鍵槽的半邊輪廓已經完成，將其以中心線為參考進行對稱，使得構造出一個鍵槽的完整輪廓，對輪廓進行適當裁剪;將輪廓以圓心為參考進行圓周草圖陣列使四個輪廓圍繞圓心均勻分布;以鍵槽輪廓為邊界進行拉伸切除使其貫穿至一個底面，而與另一底面保持一定距離;以小圓輪廓為邊界對實體進行拉伸切除貫穿整個實體。

2.2.4 對排種器型孔進行建模。對后視圖進行分析，發現其上關鍵要素還有排種器型孔。具體建模過程如下：做半徑為8mm的圓，并使其與底面直徑為42mm的圓相交;調整其位置，使其與底面豎直中心線保持一定角度;以底面中心為參考點對型孔輪廓進行圓周草圖陣列，使六個型孔輪廓圍繞底面圓心均勻分布;通過“拉伸切除”指令，使型孔貫穿至一個底面，而與另一底面保持一定距離。

2.2.5 對細節進行處理，切除實體中多余部分，并進行倒圓角工作，使其符合實際需要，排種器的三維模型如圖2（a）、（b）、（c）所示。

3 結論

在本文中，利用SolidWorks軟件對播種機單體的導肥管和排種器進行三維建模并對其過程進行了詳細的分析，為后續播種機單體結構的機械性能分析提供支撐。

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[收稿日期]2018-11-26

[基金項目]國家質量基礎的共性技術研究與應用（2017YFF0207200），北京市大學生科研與創業行動計劃項目（201810011096）。

[作者簡介]孟宇（1997—），女，湖南岳陽人，在讀本科生。