农业机械工程设计CAD技术应用

摘要：文章以机械制图和CAD计算机辅助设计基础为切入点，分析了农业机械工程设计的特征，以拖拉机液压悬挂装置为例,阐述了CAD在农业机械设计中的应用实践，对CAD技术在农业机械工程设计中的应用提出了相关建议,仅供参考。

关键词：CAD；农业机械；机械工程设计

随着农业机械化的高速发展，农业机械在促进农业产业发展中起着越来越重要的作用。农业机械面临着快速投入市场、高质量、高效率、自动化、精密化的巨大挑战，传统手工制图存在制图速度慢、改型困难、精度差、设计还原度差等许多方面的不足，研究计算机辅助设计CAD技术在农业机械工程设计中的应用，具有重要实践意义。

1机械制图和计算机辅助设计CAD

1.1机械制图

机械制图是用图样表示结构尺寸、工作原理和技术要求的学科，机械制图的工作产品是图样（图纸），是表达设计意图和制造要求的重要技术文件。符合工程设计要求的机械制图至少应包含如下两个方面的内容：1）遵守国家标准[1]。在我国，国家标准对机械图样有严格的规定，图纸幅面、标题栏、比例、字体、图线、尺寸标注等具有明确标准规范。严格执行规范，图样才具有普适性和可读性，才能做到尽可能减少制造环节的理解歧义。2）严格执行正投影法和三视图要求[2]。正投影法是绘制和识读图样的理论基础，三视图是机械设计的制图技术基础。正投影法投影线垂直与投影面，能够表达物体的真实形状和比例。主视图、俯视图、左视图将立体器物用三个方向的投影平面视图绘制出来，构成实物结构、尺寸的完整表达。

1.2计算机辅助设计

CADCAD让机械设计从铅笔、直尺画图的繁琐劳动中解脱出来，让设计人员真正做到关注设计与构思。CAD绘图软件构建并保存大量的标准件库、零件库、部件库、常用件库等，且担负计算、信息存储等工作，极大提高了工程设计制图的效率。CAD技术在设计中的主要应用如下：1）丰富的图形及符号库。机械设计中，标准的图形符号会经常用到，一方面，CAD绘图软件提供大量的标准件库；另一方面，工程设计中可以不断积累行业所用的图形符号，形成自制件库。这些图形符号可以随用随调，通过图形符号的组合，“搭积木”式的构造工程设计构思和图样。2）高效的制图效率。制图是设计中将设计构思转化为制造图纸的途径，是机械设计中最为关键的步骤。传统基于纸媒介的手工绘制，任何一次设计或设计改型，必须一笔一划从头做起，耗时、工作效率低下。CAD软件提供了丰富的基础库，存储了应用模板等强大功能，使制图工作变得高效，准确并规范。对于设计改型类工作，更是可以调出原有图样，进行适应性修改即可得到新的图样，极大提高了新型改良机械设计效率。

2农业机械工程设计的特点

2.1农业机械种类繁多

农业机械设计手册根据我国农业机械发展现状，收录了二十五类农业机械[2]。其中包括以下几个方面：1）农业动力机械。包含拖拉机、农船挂桨挂机、农田基建机械。2）农田作业机械。包含耕地机械、整地机械、播种机械、水稻种植机械、中耕施肥机械、植保机械、喷灌微灌设备、潜水电泵、谷物棉花等多种类植物收获机械。3）畜禽机械。包含牧草青饲收储机械、饲料加工机械、畜禽饲养机械。以播种机械为例，又可细分为谷物条播机、精密播种机、旋耕播种机、铺膜播种机、免耕播种机、小区播种机等。仅谷物条播排种器就可分为外槽轮式、内槽轮式、滚齿式、摆杆式、纹盘式、离心式等多种类型。

2.2涉及机械工程设计所有子系统

农业机械几乎包含机械工程设计所涉及的全部子系统，如动力系统、传动系统、执行系统、操纵和控制系统等。以农业机械拖拉机机组为例，拖拉机将动力传递到农机具，构成拖拉机—农机作业机组，这个系统包含了液压悬挂装置、牵引和拖挂装置、动力输出轴以及动力输出带轮等复杂子系统，而其中的液压悬挂装置就由悬挂装置、液压系统、操作和耕深控制机构组成。由此可知，农业机械工程设计需要具有较高的系统构建能力、系统分解能力和工程设计水平。

3拖拉机液压悬挂装置CAD工程设计实践

CAD辅助工程设计，分为三大主要步骤，一是原理分析和方案设计，二是结构总体设计，三是绘图试制和分析。

3.1原理分析

以农业机械设计手册为参考，液压悬挂装置是挂接和升降机具，并向作业机具传递牵引力。液压悬挂装置设计要求包括：1）连杆位置和尺寸应符合国家标准，以保证牵引装置和不同农机具接口的互换性；2）应产生足够的牵引力，保证农机具具有良好的入土动能，能在较短摆动距离达到所需力量要求，并且保持稳定的牵引力；3）摆动不能超过一定范围，应设计限位机构；4）机具静态固定位置应满足运输要求。

3.2拖拉机悬挂装置组成图——方案设计

通常采用三点悬挂（有三个铰链），在履带式拖拉机中也有采用两点悬挂的，装置构成图如图1所示[2]。各装置部件的作用如下：下拉杆提升农具、传递牵引力；上拉杆调节农具纵向平面的俯仰；提升臂带动提升杆和下拉杆上升（下降是靠农具的重力）；提升杆传递提升牵引力的中间部件。

3.3结构设计

结构设计是在原理图基础上明确构形、定材料、定尺寸等，并对功能面变形、联接变形、材料变形等做出规定。在拖拉机液压悬挂装置设计中，需要明确以下几个方面：1）后置三点悬挂装置与拖拉机有关的悬挂点尺寸。包括上下悬挂点的联接销直径、球接头宽度、锁销孔距离，以及下悬挂点到拖拉机中心平面的横向距离，下悬挂点的横向摆动量，下拉杆水平时动力输出末端至下悬挂点的距离等参数规范。2）提升高度、提升行程及水平调节范围。包括下悬挂点最低高度、水平调节范围、提升高度、运输高度（下悬挂点轴线与地面完全平行）、下悬挂点间隙、立柱调节范围、最高位置时最小高度、最低位置时最大高度、自由扭转浮动量等参数规范。3）悬挂杆件瞬心位置。包括水平汇聚距离和垂直汇聚距离尺寸规定。根据不同的拖拉机规格进行相应的参数选择，具体可以查看农业机械设计手册，当使用特殊农具时，可以改变部分尺寸。

3.4CAD辅助绘图与分析

3.4.1平面设计利用二维平面三视图绘制图样文件，主要包括以下文件：1）绘制原理图；2）绘制各零件图；3）绘制部件装配图；4）绘制总装配图；5）形成其他种类技术文件。

3.4.2三维立体设计必要情况下可进行三维模型绘制，三维模型绘制可用于计算机模拟装配，更能及早发现设计中的缺陷，有利于设计改正。三维模型绘制分层级包含：1）三维实体造型设计；2）三维零件设计；3）三维零件模拟装配；4）三维模拟装配实体动态行为仿真。

3.4.3计算机辅助有限元分析参考农业机械设计手册规定，利用结构刚度矩阵的组集，进行适当的边界条件处理，对农机机架、接头进行有限元建模，利用位移函数和刚度矩阵对机架梁、接头等承力部件进行有限元分析。由于边界条件的不同处理方式会对有限元方程所求解产生较大的影响，一般要求工程设计中保持相对一致的边界条件处理，并尽可能形成边界条件处理规范。

4CAD技术在农业机械工程设计中应用建议

4.1加强标准件、通用件的使用

农业机械使用的铰链以及组装接口部件要求选用标准件、通用件。尽量采用符合国家标准规范的连接部件，有保证农业机械组装灵活、适应性强、操作简便、获取和使用成本低等优势。若采用特殊规范自制件，接口普适性差，加工周期难以保证，制作成本高，且质量难以保证[3]。

4.2关注性能成本设计要素

农业机械要求功能合用，性能合理，结构紧凑，强度配比科学。设计中应注意评估农机具性能和安全余量，避免功能性能过剩引起不必要的使用成本浪费[4]。成本控制是一个综合因素，它体现在材料选用、结构用料、制作工艺、使用效率、保养维护等各个环节，关注设计中的成本控制，良好的设计成本控制是设计者知识和技能的充分体现。

4.3关注设计工艺性

农业机械工程设计输出图样是农机具制造和加工的依据，设计工艺性决定了工程设计的可制造性。设计工艺性是功能性能、生产加工、生命周期成本、可靠性、安全性、维护性等综合平衡的体现，采用符合现有生产条件、零部件规范、装配简洁的工艺性设计方法是成功设计和经济、合理、可靠制作设备的关键。

5结束语

在农业科技高速发展的今天，CAD计算机辅助设计在农业机械工程设计中已经普及，CAD技术给机械设计带来极大方便，但作为一名高职院机械专业的教师，仍需要不断跟踪国家新标准新规范要求，深入农业应用实践，借助计算机辅助设计CAD软件，综合实施功能性能、结构工艺、成本等设计技术手段，推动农业机械设计向先进性、工艺性、实用性、高性价比等方向不断发展进步。

参考文献：

[1]黄春永.机械制图[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2]农业机械设计手册（上，下）[M].北京：中国农业科学技术出版社，2007.

[3]刘欢.智能CAD技术在农业机械设计中的应用[J/OL].

[4]孙裕晶，马成林，杨建丽.智能CAD技术在农业机械设计中的应用[C]//农业机械化与全面建设小康社会：中国农业机械学会成立40周年庆典暨2003年学术年会论文集.2003.

作者：宋玲 单位：怀化职业技术学院