明　哲，權世華

(1.吉林農業(yè)科技學院，吉林 吉林　132101；2吉林市宇光科技有限公司，吉林 吉林　132000)

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基于CATIA的滅茬起壟耕整機樣機建模

明哲1，權世華2

(1.吉林農業(yè)科技學院，吉林 吉林132101；2吉林市宇光科技有限公司，吉林 吉林132000)

摘要：針對我國目前已有的滅茬起壟耕整機的使用、研發(fā)現狀及虛擬樣機技術在農業(yè)機械設計上的應用，研究了基于CATIA技術，設計研發(fā)一種新型滅茬起壟耕整機。該機具徹底打破現有滅茬起壟耕整機的“滅茬、起壟”分開進行的設計技術，可依靠螺旋形刀輥實現滅茬、起壟作業(yè)，動力消耗低，滅茬起壟效果好。通過利用CATIA三維參數化造型軟件對機器各零部件進行三維建模和虛擬裝配，使整個機具的外形和零件間的組裝情況能夠直觀地表達出來。另外，從三維模型可自動生成平面二維工程圖，用于生產與加工，大大提高了滅茬起壟耕整機的開發(fā)效率。

關鍵詞：CATIA；滅茬起壟機；虛擬設計

0引言

在東北地區(qū)(尤其在北方旱地)，保護性耕作的重要環(huán)節(jié)之一是依靠滅茬機來完成將農作物根茬粉碎還田作業(yè)[1-2]。在機具研發(fā)過程中，如經過設計、制作、試驗、改進4個傳統的設計步驟，開發(fā)過程成本高、設計時間長，且很多是憑借設計者的經驗來確定參數，嚴重的影響了產品質量。近幾年，虛擬樣機技術作為一項新技術[3]，廣泛應用于農業(yè)機械產品開發(fā)中，顯著改善了這種狀況。

通過對國內外資料的查詢了解到目前對滅茬、起壟機報道較多，也有很多發(fā)明專利、實用新型專利出現。經查新，目前已有的滅茬、起壟機仍然局限于滅茬和起壟分開作業(yè)，主要原因是滅茬刀具和起壟裝置缺乏創(chuàng)新。

IBM和Dassauh System公司合作推出的CATIA是一種CAD/CAE/CAM一體化軟件，其功能涉及所有的機械產品設計和機械制造，在農業(yè)機械的設計和研發(fā)方面完全可以應用該技術[4]。本研究針對我國滅茬起壟耕整機的使用和研發(fā)存在的主要瓶頸，基于CATIA技術，設計研發(fā)一種“滅茬、旋耕、起壟”作業(yè)集中于一個部件的新型滅茬起壟耕整機，徹底打破現有滅茬起壟耕整機的設計技術。該機可一次進地完成滅茬、深耕、起壟作業(yè)，滅茬、起壟效果好，動力消耗低。

1滅茬起壟耕整機建模設計

1.1組成與設計要求

滅茬起壟耕整機主要由機架、離合器、變速箱、旋轉軸、螺旋形刀架、刀片、壟溝修理裝置、壟形控制板、定位輪、機蓋、調節(jié)螺栓、定位輪調節(jié)手柄及升降裝置等組成。其中,在機架前面設計有與拖拉機連接的裝置，機架上安裝有變速箱和離合器，拖拉機的動力輸出軸通過離合器連接在變速箱輸入軸上。在機架的中部安裝旋轉軸，并連接在變速箱的輸出軸上;旋轉軸上并排安裝6個(左右各3個)交錯設置的左右螺旋形刀架，在螺旋形刀架上沿著其外側邊沿安裝多個刀片。梳理壟溝裝置的兩側設有分土控制板及調節(jié)螺栓，螺旋形刀架最下方的刀片向下伸出的長度大于壟溝梳理器的尖端向下伸出的長度。機蓋與機架蓋合，在上方遮蔽旋轉軸、螺旋形刀架、刀片及壟溝梳理器。升降裝置的底部設有定位輪，定位輪通過調節(jié)手柄可以控制定位輪的高低;升降裝置連接在機架上，安裝在壟溝梳理裝置的后面。

1.2虛擬樣機設計方案

根據組成結構和設計要求，虛擬樣機設計路線如圖1所示。

1.3總體設計

機器整體結構主要包括滅茬起壟系統、動力傳遞、離合器及升降調節(jié)裝置,結構如圖2所示。

圖1　設計思路

1.牽引座　2.后機架　3.刀輥　4.刀片　5. 梳理壟溝裝置

主要技術參數如下：

外形尺寸/mm： 1 100×600×750

滅茬深度/mm：230

旋耕深度/mm：280

起壟高度/mm：250

滅茬破碎率/%：98

1.4使用特點

1) 機器作業(yè)時，不會改變土壤層，耕層結構不含生土、平整、疏松、結構良好;土壤緊密適中，保證土壤的三相比例持久而適當，其熱、氣、水、肥能夠協調，使農作物的生長和發(fā)育適應農藝要求。在地表營養(yǎng)土不被破壞的前提下， 土壤耕作層適當加厚， 充足的營養(yǎng)、水分和熱量提供給農作物生長。

2)機器作業(yè)時，保證發(fā)芽環(huán)境良好，播種部位的土壤緊密，能夠保墑，促進發(fā)芽，覆蓋層松軟，便于透氣透水，利于出苗。

3)機器作業(yè)時，可保證田間的殘茬和雜草被充分破碎，使土壤的有機質含量增加。據有關資料指出：玉米根莖稈物質中養(yǎng)料豐富，有機質含量高達75%～85%，含鉀0.90%、磷0.60%、氮0.75%。因此，玉米根茬破碎還田，不僅有效降低農業(yè)生產成本，而且可以使糧食有大幅度的增產。

4)機器作業(yè)時，可一次完成滅茬、松土、起壟及旋耕作業(yè)，既可提高勞動效率、減輕勞動強度，又可使機器的進地次數減少，土壤的壓實程度得以減輕；可節(jié)省油料50%，有效降低作業(yè)成本。

2滅茬起壟耕整機的虛擬裝配設計

2.1零部件建模

滅茬起壟耕整機的主要零部件包括機架、離合器、傳動軸、變速箱、刀架主軸總成、壟溝梳理器、分土控制板及機蓋等，其主要零部件的建模如圖3～圖11所示。

圖3　刀片

圖4　左螺旋形刀架

圖5　右螺旋形刀架

圖6　刀輥裝配圖

圖7　壟溝梳理器

圖8　壟溝梳理器裝配圖

圖9　滅茬輪軸

圖11　被動鏈輪

2.2虛擬安裝

將組成機器的所有零部件經過三維建模后在虛擬環(huán)境下裝配在一起就是虛擬安裝，進而形成完整機器的模型，如圖12所示。

圖12　整機三維模型

3生成工程圖

完成滅茬起壟耕整機三維模型的建立后，用CATIA繪圖模式中的3D模型直接生成工程圖，如圖13所示。

圖13　滅茬起壟耕整機裝配圖

4動力傳輸系統的設計

動力傳輸系統流程如圖14所示，主要靠帶傳動和鏈條傳動來實現耕地操作。

圖14　動力傳輸系統

5主要工藝流程

1)主軸總成工藝流程如圖15所示。

圖15　主軸工藝流程

2)擋土罩小總成工藝流程如圖16所示。

3)定位輪調節(jié)鋼板工藝流程如圖17所示。

4)變速箱支承鋼板工藝流程如圖18所示。

5)牽引懸掛裝置工藝流程如圖19所示。

圖16　擋土罩工藝流程

圖17　定位輪調節(jié)鋼板工藝流程

圖18　變速箱支承鋼板工藝流程

圖19　牽引懸掛裝置工藝流程

6樣機及安裝

制造樣機如圖20所示，樣機與拖拉機安裝效果如圖21所示。

圖20　滅茬起壟耕整機樣機

圖21　樣機與拖拉機安裝效果圖

7結論

1)應用CATIA軟件對滅茬起壟耕整機進行虛擬設計，提高了機具的研發(fā)速度，縮短開發(fā)周期，提高了產品設計質量。

2)該機器融合滅茬、起壟工作為一體，突破傳統的設計結構。其利用獨特的“螺旋型”刀架將直刀片安裝在120°曲面螺旋板上，在保證工作時刀架和刀片硬度和剛度情況下，由于刀片工作方向與其運動方向相同，因此受到地面阻力較小，提高生產效率。同時，最優(yōu)的曲面設計對功率消耗和疏松土地有一定的效果，加上梳理器，便可以到起壟的作用。分土板的創(chuàng)新可以控制土壤飛灑，不同的場合可以調節(jié)分土板角度來控制壟的寬度。

3)該機具采用獨特的尾輪調節(jié)桿可以任意調節(jié)尾輪高度，從而調節(jié)刀片入土深度，以改變工作效果，適用于不同的農作物田地。

參考文獻：

[1]高煥文，李文盈，李洪文.中國特色保護性耕作技術[J]．農業(yè)工程學報，2003，19(3)：1-4．

[2]師江瀾，劉建忠，吳發(fā)啟．保護性耕作研究進展與評述[J]．干旱地區(qū)農業(yè)研究，2006，24(1)：205-212．

[3]賈長治.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通[M] ．北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[4]孫健.基于CATIA的玉米播種機樣機建模[J].長江大學學報：自然科學版，2012，9(8)：42-45.

Stubble Ridging Tillage Machine Prototype Modeling Based on CATIA

Ming Zhe1， Quan Shihua2

(1.Jilin Agricultural Science and Technology University，Jilin 132101,China；2 Jilin Yuguang Technology Limited Company,Jilin 132000,China)

Abstract：According to the existing in our country the use and research and development status of stubble ridging tillage machine, and the application of virtual prototype technology in agricultural machinery design, this paper mainly studied the technology based on CATIA,designed and developed a new type of stubble ridging tillage machine,the design completely break the existing stubble ridging tillage machine of the stubble, ridging separately design technology, depending on the machine spiral knife roller to achieve the stubble, ridging,low power consumption, low stubble ridging effect is good.By using CATIA 3 d parameterized modeling software for 3 d modeling and virtual machine parts assembly,the whole assembly condition between the appearance of machines and parts can be visually expressed.In addition,from the 3 d model can automatically generate a two-dimensional engineering drawing,used in the production and processing,greatly improving the development efficiency of stubble ridging tillage machine.

Key words：CATIA; stubble ridger machine; virtual design

文章編號：1003-188X(2016)03-0139-05

中圖分類號：S222.4

文獻標識碼：A

作者簡介：明哲(1972-)，男，吉林吉林人，副教授，博士研究生，(E-mail)jlnkjxgc@126.com。

基金項目：吉林省教育廳“十二五”科學技術研究資助項目(吉教科合字[2015]第369號)；吉林市科技創(chuàng)新發(fā)展計劃項目(201424006)；吉林農業(yè)科技學院種子基金項目資助吉農院合字[2014]第Z06號

收稿日期：2015-05-18