明　哲，權(quán)世華

(1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)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(jī)樣機(jī)建模

明哲1，權(quán)世華2

(1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)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(jī)的使用、研發(fā)現(xiàn)狀及虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計上的應(yīng)用，研究了基于CATIA技術(shù)，設(shè)計研發(fā)一種新型滅茬起壟耕整機(jī)。該機(jī)具徹底打破現(xiàn)有滅茬起壟耕整機(jī)的“滅茬、起壟”分開進(jìn)行的設(shè)計技術(shù)，可依靠螺旋形刀輥實(shí)現(xiàn)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(shù)化造型軟件對機(jī)器各零部件進(jìn)行三維建模和虛擬裝配，使整個機(jī)具的外形和零件間的組裝情況能夠直觀地表達(dá)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(chǎn)與加工，大大提高了滅茬起壟耕整機(jī)的開發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：CATIA；滅茬起壟機(jī)；虛擬設(shè)計

0引言

在東北地區(qū)(尤其在北方旱地)，保護(hù)性耕作的重要環(huán)節(jié)之一是依靠滅茬機(jī)來完成將農(nóng)作物根茬粉碎還田作業(yè)[1-2]。在機(jī)具研發(fā)過程中，如經(jīng)過設(shè)計、制作、試驗(yàn)、改進(jìn)4個傳統(tǒng)的設(shè)計步驟，開發(fā)過程成本高、設(shè)計時間長，且很多是憑借設(shè)計者的經(jīng)驗(yàn)來確定參數(shù)，嚴(yán)重的影響了產(chǎn)品質(zhì)量。近幾年，虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)[3]，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中，顯著改善了這種狀況。

通過對國內(nèi)外資料的查詢了解到目前對滅茬、起壟機(jī)報道較多，也有很多發(fā)明專利、實(shí)用新型專利出現(xiàn)。經(jīng)查新，目前已有的滅茬、起壟機(jī)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(jī)械產(chǎn)品設(shè)計和機(jī)械制造，在農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計和研發(fā)方面完全可以應(yīng)用該技術(shù)[4]。本研究針對我國滅茬起壟耕整機(jī)的使用和研發(fā)存在的主要瓶頸，基于CATIA技術(shù)，設(shè)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(jī)，徹底打破現(xiàn)有滅茬起壟耕整機(jī)的設(shè)計技術(shù)。該機(jī)可一次進(jìn)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(jī)建模設(shè)計

1.1組成與設(shè)計要求

滅茬起壟耕整機(jī)主要由機(jī)架、離合器、變速箱、旋轉(zhuǎn)軸、螺旋形刀架、刀片、壟溝修理裝置、壟形控制板、定位輪、機(jī)蓋、調(diào)節(jié)螺栓、定位輪調(diào)節(jié)手柄及升降裝置等組成。其中,在機(jī)架前面設(shè)計有與拖拉機(jī)連接的裝置，機(jī)架上安裝有變速箱和離合器，拖拉機(jī)的動力輸出軸通過離合器連接在變速箱輸入軸上。在機(jī)架的中部安裝旋轉(zhuǎn)軸，并連接在變速箱的輸出軸上;旋轉(zhuǎn)軸上并排安裝6個(左右各3個)交錯設(shè)置的左右螺旋形刀架，在螺旋形刀架上沿著其外側(cè)邊沿安裝多個刀片。梳理壟溝裝置的兩側(cè)設(shè)有分土控制板及調(diào)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(jī)蓋與機(jī)架蓋合，在上方遮蔽旋轉(zhuǎn)軸、螺旋形刀架、刀片及壟溝梳理器。升降裝置的底部設(shè)有定位輪，定位輪通過調(diào)節(jié)手柄可以控制定位輪的高低;升降裝置連接在機(jī)架上，安裝在壟溝梳理裝置的后面。

1.2虛擬樣機(jī)設(shè)計方案

根據(jù)組成結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求，虛擬樣機(jī)設(shè)計路線如圖1所示。

1.3總體設(shè)計

機(jī)器整體結(jié)構(gòu)主要包括滅茬起壟系統(tǒng)、動力傳遞、離合器及升降調(diào)節(jié)裝置,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　設(shè)計思路

1.牽引座　2.后機(jī)架　3.刀輥　4.刀片　5. 梳理壟溝裝置

主要技術(shù)參數(shù)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(diǎn)

1) 機(jī)器作業(yè)時，不會改變土壤層，耕層結(jié)構(gòu)不含生土、平整、疏松、結(jié)構(gòu)良好;土壤緊密適中，保證土壤的三相比例持久而適當(dāng)，其熱、氣、水、肥能夠協(xié)調(diào)，使農(nóng)作物的生長和發(fā)育適應(yīng)農(nóng)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(dāng)加厚， 充足的營養(yǎng)、水分和熱量提供給農(nóng)作物生長。

2)機(jī)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(jìn)發(fā)芽，覆蓋層松軟，便于透氣透水，利于出苗。

3)機(jī)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(jī)質(zhì)含量增加。據(jù)有關(guān)資料指出：玉米根莖稈物質(zhì)中養(yǎng)料豐富，有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，而且可以使糧食有大幅度的增產(chǎn)。

4)機(jī)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(qiáng)度，又可使機(jī)器的進(jìn)地次數(shù)減少，土壤的壓實(shí)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(jī)的虛擬裝配設(shè)計

2.1零部件建模

滅茬起壟耕整機(jī)的主要零部件包括機(jī)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(jī)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(jī)器的所有零部件經(jīng)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(jìn)而形成完整機(jī)器的模型，如圖12所示。

圖12　整機(jī)三維模型

3生成工程圖

完成滅茬起壟耕整機(jī)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(jī)裝配圖

4動力傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

動力傳輸系統(tǒng)流程如圖14所示，主要靠帶傳動和鏈條傳動來實(shí)現(xiàn)耕地操作。

圖14　動力傳輸系統(tǒng)

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(diào)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(diào)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(jī)及安裝

制造樣機(jī)如圖20所示，樣機(jī)與拖拉機(jī)安裝效果如圖21所示。

圖20　滅茬起壟耕整機(jī)樣機(jī)

圖21　樣機(jī)與拖拉機(jī)安裝效果圖

7結(jié)論

1)應(yīng)用CATIA軟件對滅茬起壟耕整機(jī)進(jìn)行虛擬設(shè)計，提高了機(jī)具的研發(fā)速度，縮短開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。

2)該機(jī)器融合滅茬、起壟工作為一體，突破傳統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)。其利用獨(dú)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(yùn)動方向相同，因此受到地面阻力較小，提高生產(chǎn)效率。同時，最優(yōu)的曲面設(shè)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(diào)節(jié)分土板角度來控制壟的寬度。

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

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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(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(吉教科合字[2015]第369號)；吉林市科技創(chuàng)新發(fā)展計劃項(xiàng)目(201424006)；吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院種子基金項(xiàng)目資助吉農(nóng)院合字[2014]第Z06號

收稿日期：2015-05-18