基于CATIA的灭茬起垄耕整机样机建模

明　哲，权世华

(1.吉林农业科技学院，吉林 吉林　132101；2吉林市宇光科技有限公司，吉林 吉林　132000)



基于CATIA的灭茬起垄耕整机样机建模

明哲1，权世华2

(1.吉林农业科技学院，吉林 吉林132101；2吉林市宇光科技有限公司，吉林 吉林132000)

摘要：针对我国目前已有的灭茬起垄耕整机的使用、研发现状及虚拟样机技术在农业机械设计上的应用，研究了基于CATIA技术，设计研发一种新型灭茬起垄耕整机。该机具彻底打破现有灭茬起垄耕整机的“灭茬、起垄”分开进行的设计技术，可依靠螺旋形刀辊实现灭茬、起垄作业，动力消耗低，灭茬起垄效果好。通过利用CATIA三维参数化造型软件对机器各零部件进行三维建模和虚拟装配，使整个机具的外形和零件间的组装情况能够直观地表达出来。另外，从三维模型可自动生成平面二维工程图，用于生产与加工，大大提高了灭茬起垄耕整机的开发效率。

关键词：CATIA；灭茬起垄机；虚拟设计

0引言

在东北地区(尤其在北方旱地)，保护性耕作的重要环节之一是依靠灭茬机来完成将农作物根茬粉碎还田作业[1-2]。在机具研发过程中，如经过设计、制作、试验、改进4个传统的设计步骤，开发过程成本高、设计时间长，且很多是凭借设计者的经验来确定参数，严重的影响了产品质量。近几年，虚拟样机技术作为一项新技术[3]，广泛应用于农业机械产品开发中，显著改善了这种状况。

通过对国内外资料的查询了解到目前对灭茬、起垄机报道较多，也有很多发明专利、实用新型专利出现。经查新，目前已有的灭茬、起垄机仍然局限于灭茬和起垄分开作业，主要原因是灭茬刀具和起垄装置缺乏创新。

IBM和Dassauh System公司合作推出的CATIA是一种CAD/CAE/CAM一体化软件，其功能涉及所有的机械产品设计和机械制造，在农业机械的设计和研发方面完全可以应用该技术[4]。本研究针对我国灭茬起垄耕整机的使用和研发存在的主要瓶颈，基于CATIA技术，设计研发一种“灭茬、旋耕、起垄”作业集中于一个部件的新型灭茬起垄耕整机，彻底打破现有灭茬起垄耕整机的设计技术。该机可一次进地完成灭茬、深耕、起垄作业，灭茬、起垄效果好，动力消耗低。

1灭茬起垄耕整机建模设计

1.1组成与设计要求

灭茬起垄耕整机主要由机架、离合器、变速箱、旋转轴、螺旋形刀架、刀片、垄沟修理装置、垄形控制板、定位轮、机盖、调节螺栓、定位轮调节手柄及升降装置等组成。其中,在机架前面设计有与拖拉机连接的装置，机架上安装有变速箱和离合器，拖拉机的动力输出轴通过离合器连接在变速箱输入轴上。在机架的中部安装旋转轴，并连接在变速箱的输出轴上;旋转轴上并排安装6个(左右各3个)交错设置的左右螺旋形刀架，在螺旋形刀架上沿着其外侧边沿安装多个刀片。梳理垄沟装置的两侧设有分土控制板及调节螺栓，螺旋形刀架最下方的刀片向下伸出的长度大于垄沟梳理器的尖端向下伸出的长度。机盖与机架盖合，在上方遮蔽旋转轴、螺旋形刀架、刀片及垄沟梳理器。升降装置的底部设有定位轮，定位轮通过调节手柄可以控制定位轮的高低;升降装置连接在机架上，安装在垄沟梳理装置的后面。

1.2虚拟样机设计方案

根据组成结构和设计要求，虚拟样机设计路线如图1所示。

1.3总体设计

机器整体结构主要包括灭茬起垄系统、动力传递、离合器及升降调节装置,结构如图2所示。

图1　设计思路

1.牵引座　2.后机架　3.刀辊　4.刀片　5. 梳理垄沟装置

主要技术参数如下：

外形尺寸/mm： 1 100×600×750

灭茬深度/mm：230

旋耕深度/mm：280

起垄高度/mm：250

灭茬破碎率/%：98

1.4使用特点

1) 机器作业时，不会改变土壤层，耕层结构不含生土、平整、疏松、结构良好;土壤紧密适中，保证土壤的三相比例持久而适当，其热、气、水、肥能够协调，使农作物的生长和发育适应农艺要求。在地表营养土不被破坏的前提下， 土壤耕作层适当加厚， 充足的营养、水分和热量提供给农作物生长。

2)机器作业时，保证发芽环境良好，播种部位的土壤紧密，能够保墒，促进发芽，覆盖层松软，便于透气透水，利于出苗。

3)机器作业时，可保证田间的残茬和杂草被充分破碎，使土壤的有机质含量增加。据有关资料指出：玉米根茎秆物质中养料丰富，有机质含量高达75%～85%，含钾0.90%、磷0.60%、氮0.75%。因此，玉米根茬破碎还田，不仅有效降低农业生产成本，而且可以使粮食有大幅度的增产。

4)机器作业时，可一次完成灭茬、松土、起垄及旋耕作业，既可提高劳动效率、减轻劳动强度，又可使机器的进地次数减少，土壤的压实程度得以减轻；可节省油料50%，有效降低作业成本。

2灭茬起垄耕整机的虚拟装配设计

2.1零部件建模

灭茬起垄耕整机的主要零部件包括机架、离合器、传动轴、变速箱、刀架主轴总成、垄沟梳理器、分土控制板及机盖等，其主要零部件的建模如图3～图11所示。

图3　刀片

图4　左螺旋形刀架

图5　右螺旋形刀架

图6　刀辊装配图

图7　垄沟梳理器

图8　垄沟梳理器装配图

图9　灭茬轮轴

图11　被动链轮

2.2虚拟安装

将组成机器的所有零部件经过三维建模后在虚拟环境下装配在一起就是虚拟安装，进而形成完整机器的模型，如图12所示。

图12　整机三维模型

3生成工程图

完成灭茬起垄耕整机三维模型的建立后，用CATIA绘图模式中的3D模型直接生成工程图，如图13所示。

图13　灭茬起垄耕整机装配图

4动力传输系统的设计

动力传输系统流程如图14所示，主要靠带传动和链条传动来实现耕地操作。

图14　动力传输系统

5主要工艺流程

1)主轴总成工艺流程如图15所示。

图15　主轴工艺流程

2)挡土罩小总成工艺流程如图16所示。

3)定位轮调节钢板工艺流程如图17所示。

4)变速箱支承钢板工艺流程如图18所示。

5)牵引悬挂装置工艺流程如图19所示。

图16　挡土罩工艺流程

图17　定位轮调节钢板工艺流程

图18　变速箱支承钢板工艺流程

图19　牵引悬挂装置工艺流程

6样机及安装

制造样机如图20所示，样机与拖拉机安装效果如图21所示。

图20　灭茬起垄耕整机样机

图21　样机与拖拉机安装效果图

7结论

1)应用CATIA软件对灭茬起垄耕整机进行虚拟设计，提高了机具的研发速度，缩短开发周期，提高了产品设计质量。

2)该机器融合灭茬、起垄工作为一体，突破传统的设计结构。其利用独特的“螺旋型”刀架将直刀片安装在120°曲面螺旋板上，在保证工作时刀架和刀片硬度和刚度情况下，由于刀片工作方向与其运动方向相同，因此受到地面阻力较小，提高生产效率。同时，最优的曲面设计对功率消耗和疏松土地有一定的效果，加上梳理器，便可以到起垄的作用。分土板的创新可以控制土壤飞洒，不同的场合可以调节分土板角度来控制垄的宽度。

3)该机具采用独特的尾轮调节杆可以任意调节尾轮高度，从而调节刀片入土深度，以改变工作效果，适用于不同的农作物田地。

参考文献：

[1]高焕文，李文盈，李洪文.中国特色保护性耕作技术[J]．农业工程学报，2003，19(3)：1-4．

[2]师江澜，刘建忠，吴发启．保护性耕作研究进展与评述[J]．干旱地区农业研究，2006，24(1)：205-212．

[3]贾长治.MD ADAMS虚拟样机从入门到精通[M] ．北京：机械工业出版社，2010.

[4]孙健.基于CATIA的玉米播种机样机建模[J].长江大学学报：自然科学版，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

文章编号：1003-188X(2016)03-0139-05

中图分类号：S222.4

文献标识码：A

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

基金项目：吉林省教育厅“十二五”科学技术研究资助项目(吉教科合字[2015]第369号)；吉林市科技创新发展计划项目(201424006)；吉林农业科技学院种子基金项目资助吉农院合字[2014]第Z06号

收稿日期：2015-05-18