CAD技術在農業機械工程設計中的應用

宋 玲

(懷化職業技術學院，湖南 懷化 418000)

隨著農業機械化的高速發展，農業機械在促進農業產業發展中起著越來越重要的作用。農業機械面臨著快速投入市場、高質量、高效率、自動化、精密化的巨大挑戰，傳統手工制圖存在制圖速度慢、改型困難、精度差、設計還原度差等許多方面的不足，研究計算機輔助設計CAD技術在農業機械工程設計中的應用，具有重要實踐意義。

1 機械制圖和計算機輔助設計CAD

1.1 機械制圖

機械制圖是用圖樣表示結構尺寸、工作原理和技術要求的學科，機械制圖的工作產品是圖樣（圖紙），是表達設計意圖和制造要求的重要技術文件。符合工程設計要求的機械制圖至少應包含如下兩個方面的內容：1）遵守國家標準[1]。在我國，國家標準對機械圖樣有嚴格的規定，圖紙幅面、標題欄、比例、字體、圖線、尺寸標注等具有明確標準規范。嚴格執行規范，圖樣才具有普適性和可讀性，才能做到盡可能減少制造環節的理解歧義。2）嚴格執行正投影法和三視圖要求[2]。正投影法是繪制和識讀圖樣的理論基礎，三視圖是機械設計的制圖技術基礎。正投影法投影線垂直與投影面，能夠表達物體的真實形狀和比例。主視圖、俯視圖、左視圖將立體器物用三個方向的投影平面視圖繪制出來，構成實物結構、尺寸的完整表達。

1.2 計算機輔助設計CAD

CAD讓機械設計從鉛筆、直尺畫圖的繁瑣勞動中解脫出來，讓設計人員真正做到關注設計與構思。CAD繪圖軟件構建并保存大量的標準件庫、零件庫、部件庫、常用件庫等，且擔負計算、信息存儲等工作，極大提高了工程設計制圖的效率。CAD技術在設計中的主要應用如下：1）豐富的圖形及符號庫。機械設計中，標準的圖形符號會經常用到，一方面，CAD繪圖軟件提供大量的標準件庫；另一方面，工程設計中可以不斷積累行業所用的圖形符號，形成自制件庫。這些圖形符號可以隨用隨調，通過圖形符號的組合，“搭積木”式的構造工程設計構思和圖樣。2）高效的制圖效率。制圖是設計中將設計構思轉化為制造圖紙的途徑，是機械設計中最為關鍵的步驟。傳統基于紙媒介的手工繪制，任何一次設計或設計改型，必須一筆一劃從頭做起，耗時、工作效率低下。CAD軟件提供了豐富的基礎庫，存儲了應用模板等強大功能，使制圖工作變得高效，準確并規范。對于設計改型類工作，更是可以調出原有圖樣，進行適應性修改即可得到新的圖樣，極大提高了新型改良機械設計效率。

2 農業機械工程設計的特點

2.1 農業機械種類繁多

農業機械設計手冊根據我國農業機械發展現狀，收錄了二十五類農業機械[2]。其中包括以下幾個方面：1）農業動力機械。包含拖拉機、農船掛槳掛機、農田基建機械。2）農田作業機械。包含耕地機械、整地機械、播種機械、水稻種植機械、中耕施肥機械、植保機械、噴灌微灌設備、潛水電泵、谷物棉花等多種類植物收獲機械。3）畜禽機械。包含牧草青飼收儲機械、飼料加工機械、畜禽飼養機械。以播種機械為例，又可細分為谷物條播機、精密播種機、旋耕播種機、鋪膜播種機、免耕播種機、小區播種機等。僅谷物條播排種器就可分為外槽輪式、內槽輪式、滾齒式、擺桿式、紋盤式、離心式等多種類型。

2.2 涉及機械工程設計所有子系統

農業機械幾乎包含機械工程設計所涉及的全部子系統，如動力系統、傳動系統、執行系統、操縱和控制系統等。以農業機械拖拉機機組為例，拖拉機將動力傳遞到農機具，構成拖拉機—農機作業機組，這個系統包含了液壓懸掛裝置、牽引和拖掛裝置、動力輸出軸以及動力輸出帶輪等復雜子系統，而其中的液壓懸掛裝置就由懸掛裝置、液壓系統、操作和耕深控制機構組成。由此可知，農業機械工程設計需要具有較高的系統構建能力、系統分解能力和工程設計水平。

3 拖拉機液壓懸掛裝置CAD工程設計實踐

CAD輔助工程設計，分為三大主要步驟，一是原理分析和方案設計，二是結構總體設計，三是繪圖試制和分析。

3.1 原理分析

以農業機械設計手冊為參考，液壓懸掛裝置是掛接和升降機具，并向作業機具傳遞牽引力。液壓懸掛裝置設計要求包括：1）連桿位置和尺寸應符合國家標準，以保證牽引裝置和不同農機具接口的互換性；2）應產生足夠的牽引力，保證農機具具有良好的入土動能，能在較短擺動距離達到所需力量要求，并且保持穩定的牽引力；3）擺動不能超過一定范圍，應設計限位機構；4）機具靜態固定位置應滿足運輸要求。

3.2 拖拉機懸掛裝置組成圖——方案設計

通常采用三點懸掛（有三個鉸鏈），在履帶式拖拉機中也有采用兩點懸掛的，裝置構成圖如圖1所示[2]。各裝置部件的作用如下：下拉桿提升農具、傳遞牽引力；上拉桿調節農具縱向平面的俯仰；提升臂帶動提升桿和下拉桿上升（下降是靠農具的重力）；提升桿傳遞提升牽引力的中間部件。

圖1 拖拉機的懸掛裝置

3.3 結構設計

結構設計是在原理圖基礎上明確構形、定材料、定尺寸等，并對功能面變形、聯接變形、材料變形等做出規定。在拖拉機液壓懸掛裝置設計中，需要明確以下幾個方面：1）后置三點懸掛裝置與拖拉機有關的懸掛點尺寸。包括上下懸掛點的聯接銷直徑、球接頭寬度、鎖銷孔距離，以及下懸掛點到拖拉機中心平面的橫向距離，下懸掛點的橫向擺動量，下拉桿水平時動力輸出末端至下懸掛點的距離等參數規范。2）提升高度、提升行程及水平調節范圍。包括下懸掛點最低高度、水平調節范圍、提升高度、運輸高度（下懸掛點軸線與地面完全平行）、下懸掛點間隙、立柱調節范圍、最高位置時最小高度、最低位置時最大高度、自由扭轉浮動量等參數規范。3）懸掛桿件瞬心位置。包括水平匯聚距離和垂直匯聚距離尺寸規定。根據不同的拖拉機規格進行相應的參數選擇，具體可以查看農業機械設計手冊，當使用特殊農具時，可以改變部分尺寸。

3.4 CAD輔助繪圖與分析

3.4.1 平面設計

利用二維平面三視圖繪制圖樣文件，主要包括以下文件：1）繪制原理圖；2）繪制各零件圖；3）繪制部件裝配圖；4）繪制總裝配圖；5）形成其他種類技術文件。

3.4.2 三維立體設計

必要情況下可進行三維模型繪制，三維模型繪制可用于計算機模擬裝配，更能及早發現設計中的缺陷，有利于設計改正。三維模型繪制分層級包含：1）三維實體造型設計；2）三維零件設計；3）三維零件模擬裝配；4）三維模擬裝配實體動態行為仿真。

3.4.3 計算機輔助有限元分析

參考農業機械設計手冊規定，利用結構剛度矩陣的組集，進行適當的邊界條件處理，對農機機架、接頭進行有限元建模，利用位移函數和剛度矩陣對機架梁、接頭等承力部件進行有限元分析。由于邊界條件的不同處理方式會對有限元方程所求解產生較大的影響，一般要求工程設計中保持相對一致的邊界條件處理，并盡可能形成邊界條件處理規范。

4 CAD技術在農業機械工程設計中應用建議

4.1 加強標準件、通用件的使用

農業機械使用的鉸鏈以及組裝接口部件要求選用標準件、通用件。盡量采用符合國家標準規范的連接部件，有保證農業機械組裝靈活、適應性強、操作簡便、獲取和使用成本低等優勢。若采用特殊規范自制件，接口普適性差，加工周期難以保證，制作成本高，且質量難以保證[3]。

4.2 關注性能成本設計要素

農業機械要求功能合用，性能合理，結構緊湊，強度配比科學。設計中應注意評估農機具性能和安全余量，避免功能性能過剩引起不必要的使用成本浪費[4]。成本控制是一個綜合因素，它體現在材料選用、結構用料、制作工藝、使用效率、保養維護等各個環節，關注設計中的成本控制，良好的設計成本控制是設計者知識和技能的充分體現。

4.3 關注設計工藝性

農業機械工程設計輸出圖樣是農機具制造和加工的依據，設計工藝性決定了工程設計的可制造性。設計工藝性是功能性能、生產加工、生命周期成本、可靠性、安全性、維護性等綜合平衡的體現，采用符合現有生產條件、零部件規范、裝配簡潔的工藝性設計方法是成功設計和經濟、合理、可靠制作設備的關鍵。

5 結束語

在農業科技高速發展的今天，CAD計算機輔助設計在農業機械工程設計中已經普及，CAD技術給機械設計帶來極大方便，但作為一名高職院機械專業的教師，仍需要不斷跟蹤國家新標準新規范要求，深入農業應用實踐，借助計算機輔助設計CAD軟件，綜合實施功能性能、結構工藝、成本等設計技術手段，推動農業機械設計向先進性、工藝性、實用性、高性價比等方向不斷發展進步。