農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計CAD技術(shù)應(yīng)用

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摘要：文章以機(jī)械制圖和CAD計算機(jī)輔助設(shè)計基礎(chǔ)為切入點(diǎn)，分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計的特征，以拖拉機(jī)液壓懸掛裝置為例,闡述了cad在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用實(shí)踐，對CAD技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計中的應(yīng)用提出了相關(guān)建議,僅供參考。

關(guān)鍵詞：CAD；農(nóng)業(yè)機(jī)械；機(jī)械工程設(shè)計

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械在促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起著越來越重要的作用。農(nóng)業(yè)機(jī)械面臨著快速投入市場、高質(zhì)量、高效率、自動化、精密化的巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)手工制圖存在制圖速度慢、改型困難、精度差、設(shè)計還原度差等許多方面的不足，研究計算機(jī)輔助設(shè)計CAD技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計中的應(yīng)用，具有重要實(shí)踐意義。

1機(jī)械制圖和計算機(jī)輔助設(shè)計CAD

1.1機(jī)械制圖

機(jī)械制圖是用圖樣表示結(jié)構(gòu)尺寸、工作原理和技術(shù)要求的學(xué)科，機(jī)械制圖的工作產(chǎn)品是圖樣（圖紙），是表達(dá)設(shè)計意圖和制造要求的重要技術(shù)文件。符合工程設(shè)計要求的機(jī)械制圖至少應(yīng)包含如下兩個方面的內(nèi)容：1）遵守國家標(biāo)準(zhǔn)[1]。在我國，國家標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)械圖樣有嚴(yán)格的規(guī)定，圖紙幅面、標(biāo)題欄、比例、字體、圖線、尺寸標(biāo)注等具有明確標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)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(huán)節(jié)的理解歧義。2）嚴(yán)格執(zhí)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(chǔ)，三視圖是機(jī)械設(shè)計的制圖技術(shù)基礎(chǔ)。正投影法投影線垂直與投影面，能夠表達(dá)物體的真實(shí)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(gòu)成實(shí)物結(jié)構(gòu)、尺寸的完整表達(dá)。

1.2計算機(jī)輔助設(shè)計

CADCAD讓機(jī)械設(shè)計從鉛筆、直尺畫圖的繁瑣勞動中解脫出來，讓設(shè)計人員真正做到關(guān)注設(shè)計與構(gòu)思。CAD繪圖軟件構(gòu)建并保存大量的標(biāo)準(zhǔn)件庫、零件庫、部件庫、常用件庫等，且擔(dān)負(fù)計算、信息存儲等工作，極大提高了工程設(shè)計制圖的效率。CAD技術(shù)在設(shè)計中的主要應(yīng)用如下：1）豐富的圖形及符號庫。機(jī)械設(shè)計中，標(biāo)準(zhǔn)的圖形符號會經(jīng)常用到，一方面，CAD繪圖軟件提供大量的標(biāo)準(zhǔn)件庫；另一方面，工程設(shè)計中可以不斷積累行業(yè)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(diào)，通過圖形符號的組合，“搭積木”式的構(gòu)造工程設(shè)計構(gòu)思和圖樣。2）高效的制圖效率。制圖是設(shè)計中將設(shè)計構(gòu)思轉(zhuǎn)化為制造圖紙的途徑，是機(jī)械設(shè)計中最為關(guān)鍵的步驟。傳統(tǒng)基于紙媒介的手工繪制，任何一次設(shè)計或設(shè)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(chǔ)庫，存儲了應(yīng)用模板等強(qiáng)大功能，使制圖工作變得高效，準(zhǔn)確并規(guī)范。對于設(shè)計改型類工作，更是可以調(diào)出原有圖樣，進(jìn)行適應(yīng)性修改即可得到新的圖樣，極大提高了新型改良機(jī)械設(shè)計效率。

2農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計的特點(diǎn)

2.1農(nóng)業(yè)機(jī)械種類繁多

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊根據(jù)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀，收錄了二十五類農(nóng)業(yè)機(jī)械[2]。其中包括以下幾個方面：1）農(nóng)業(yè)動力機(jī)械。包含拖拉機(jī)、農(nóng)船掛槳掛機(jī)、農(nóng)田基建機(jī)械。2）農(nóng)田作業(yè)機(jī)械。包含耕地機(jī)械、整地機(jī)械、播種機(jī)械、水稻種植機(jī)械、中耕施肥機(jī)械、植保機(jī)械、噴灌微灌設(shè)備、潛水電泵、谷物棉花等多種類植物收獲機(jī)械。3）畜禽機(jī)械。包含牧草青飼收儲機(jī)械、飼料加工機(jī)械、畜禽飼養(yǎng)機(jī)械。以播種機(jī)械為例，又可細(xì)分為谷物條播機(jī)、精密播種機(jī)、旋耕播種機(jī)、鋪膜播種機(jī)、免耕播種機(jī)、小區(qū)播種機(jī)等。僅谷物條播排種器就可分為外槽輪式、內(nèi)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(jī)械工程設(shè)計所有子系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)機(jī)械幾乎包含機(jī)械工程設(shè)計所涉及的全部子系統(tǒng)，如動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、操縱和控制系統(tǒng)等。以農(nóng)業(yè)機(jī)械拖拉機(jī)機(jī)組為例，拖拉機(jī)將動力傳遞到農(nóng)機(jī)具，構(gòu)成拖拉機(jī)—農(nóng)機(jī)作業(yè)機(jī)組，這個系統(tǒng)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(fù)雜子系統(tǒng)，而其中的液壓懸掛裝置就由懸掛裝置、液壓系統(tǒng)、操作和耕深控制機(jī)構(gòu)組成。由此可知，農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計需要具有較高的系統(tǒng)構(gòu)建能力、系統(tǒng)分解能力和工程設(shè)計水平。

3拖拉機(jī)液壓懸掛裝置CAD工程設(shè)計實(shí)踐

CAD輔助工程設(shè)計，分為三大主要步驟，一是原理分析和方案設(shè)計，二是結(jié)構(gòu)總體設(shè)計，三是繪圖試制和分析。

3.1原理分析

以農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊為參考，液壓懸掛裝置是掛接和升降機(jī)具，并向作業(yè)機(jī)具傳遞牽引力。液壓懸掛裝置設(shè)計要求包括：1）連桿位置和尺寸應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，以保證牽引裝置和不同農(nóng)機(jī)具接口的互換性；2）應(yīng)產(chǎn)生足夠的牽引力，保證農(nóng)機(jī)具具有良好的入土動能，能在較短擺動距離達(dá)到所需力量要求，并且保持穩(wěn)定的牽引力；3）擺動不能超過一定范圍，應(yīng)設(shè)計限位機(jī)構(gòu)；4）機(jī)具靜態(tài)固定位置應(yīng)滿足運(yùn)輸要求。

3.2拖拉機(jī)懸掛裝置組成圖——方案設(shè)計

通常采用三點(diǎn)懸掛（有三個鉸鏈），在履帶式拖拉機(jī)中也有采用兩點(diǎn)懸掛的，裝置構(gòu)成圖如圖1所示[2]。各裝置部件的作用如下：下拉桿提升農(nóng)具、傳遞牽引力；上拉桿調(diào)節(jié)農(nóng)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(nóng)具的重力）；提升桿傳遞提升牽引力的中間部件。

3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計是在原理圖基礎(chǔ)上明確構(gòu)形、定材料、定尺寸等，并對功能面變形、聯(lián)接變形、材料變形等做出規(guī)定。在拖拉機(jī)液壓懸掛裝置設(shè)計中，需要明確以下幾個方面：1）后置三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)有關(guān)的懸掛點(diǎn)尺寸。包括上下懸掛點(diǎn)的聯(lián)接銷直徑、球接頭寬度、鎖銷孔距離，以及下懸掛點(diǎn)到拖拉機(jī)中心平面的橫向距離，下懸掛點(diǎn)的橫向擺動量，下拉桿水平時動力輸出末端至下懸掛點(diǎn)的距離等參數(shù)規(guī)范。2）提升高度、提升行程及水平調(diào)節(jié)范圍。包括下懸掛點(diǎn)最低高度、水平調(diào)節(jié)范圍、提升高度、運(yùn)輸高度（下懸掛點(diǎn)軸線與地面完全平行）、下懸掛點(diǎn)間隙、立柱調(diào)節(jié)范圍、最高位置時最小高度、最低位置時最大高度、自由扭轉(zhuǎn)浮動量等參數(shù)規(guī)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(guī)定。根據(jù)不同的拖拉機(jī)規(guī)格進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)選擇，具體可以查看農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊，當(dāng)使用特殊農(nóng)具時，可以改變部分尺寸。

3.4CAD輔助繪圖與分析

3.4.1平面設(shè)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(shù)文件。

3.4.2三維立體設(shè)計必要情況下可進(jìn)行三維模型繪制，三維模型繪制可用于計算機(jī)模擬裝配，更能及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷，有利于設(shè)計改正。三維模型繪制分層級包含：1）三維實(shí)體造型設(shè)計；2）三維零件設(shè)計；3）三維零件模擬裝配；4）三維模擬裝配實(shí)體動態(tài)行為仿真。

3.4.3計算機(jī)輔助有限元分析參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊規(guī)定，利用結(jié)構(gòu)剛度矩陣的組集，進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件處理，對農(nóng)機(jī)機(jī)架、接頭進(jìn)行有限元建模，利用位移函數(shù)和剛度矩陣對機(jī)架梁、接頭等承力部件進(jìn)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(chǎn)生較大的影響，一般要求工程設(shè)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(guī)范。

4CAD技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計中應(yīng)用建議

4.1加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)件、通用件的使用

農(nóng)業(yè)機(jī)械使用的鉸鏈以及組裝接口部件要求選用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件。盡量采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的連接部件，有保證農(nóng)業(yè)機(jī)械組裝靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡便、獲取和使用成本低等優(yōu)勢。若采用特殊規(guī)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(zhì)量難以保證[3]。

4.2關(guān)注性能成本設(shè)計要素

農(nóng)業(yè)機(jī)械要求功能合用，性能合理，結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度配比科學(xué)。設(shè)計中應(yīng)注意評估農(nóng)機(jī)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(fèi)[4]。成本控制是一個綜合因素，它體現(xiàn)在材料選用、結(jié)構(gòu)用料、制作工藝、使用效率、保養(yǎng)維護(hù)等各個環(huán)節(jié)，關(guān)注設(shè)計中的成本控制，良好的設(shè)計成本控制是設(shè)計者知識和技能的充分體現(xiàn)。

4.3關(guān)注設(shè)計工藝性

農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計輸出圖樣是農(nóng)機(jī)具制造和加工的依據(jù)，設(shè)計工藝性決定了工程設(shè)計的可制造性。設(shè)計工藝性是功能性能、生產(chǎn)加工、生命周期成本、可靠性、安全性、維護(hù)性等綜合平衡的體現(xiàn)，采用符合現(xiàn)有生產(chǎn)條件、零部件規(guī)范、裝配簡潔的工藝性設(shè)計方法是成功設(shè)計和經(jīng)濟(jì)、合理、可靠制作設(shè)備的關(guān)鍵。

5結(jié)束語

在農(nóng)業(yè)科技高速發(fā)展的今天，CAD計算機(jī)輔助設(shè)計在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程設(shè)計中已經(jīng)普及，CAD技術(shù)給機(jī)械設(shè)計帶來極大方便，但作為一名高職院機(jī)械專業(yè)的教師，仍需要不斷跟蹤國家新標(biāo)準(zhǔn)新規(guī)范要求，深入農(nóng)業(yè)應(yīng)用實(shí)踐，借助計算機(jī)輔助設(shè)計CAD軟件，綜合實(shí)施功能性能、結(jié)構(gòu)工藝、成本等設(shè)計技術(shù)手段，推動農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計向先進(jìn)性、工藝性、實(shí)用性、高性價比等方向不斷發(fā)展進(jìn)步。

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作者：宋玲 單位：懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院