基于CATIA的滅茬起壟機的設計

明 哲 ，權世華

（1.中國礦業大學，徐州 221008；2.吉林農業科技學院，吉林 132101；3.吉林市宇光科技有限公司，吉林 132100）

0 引言

近年來，農機與農藝結合對提高農業綜合生產能力，保障糧食安全，增加農民收入的意義已經得到社會的廣泛認可。作物根茬粉碎還田是保護性耕作的重要環節[1,2]，因此滅茬機在我國(尤其在北方旱地)被廣泛使用。隨著計算機技術的飛速發展，虛擬樣機技術已經成為當前設計制造領域的一項新技術[3]，運用虛擬樣機技術開發農業機械產品，可以使這種狀況得到顯著改善。CATIA是IBM和Dassauh System公司合作推出的CAD/CAE/CAM一體化軟件，它的集成解決方案覆蓋所有的產品設計與制造領域，該技術完全可以應用到農業機械的設計研發上。使用該技術，利用三維設計軟件對零部件進行特征建模和虛擬安裝[4]，可以得到與實際機器一致的虛擬機器。再通過運動仿真，模擬機器實際工作時各零部件的靜力學和運動學關系，對出現的問題可以直接在計算機上處理，最終根據虛擬樣機制造出實際樣機。這樣既大大縮短了機器開發時間，又降低了產品研發成本。

目前國內外對耕整機的研究報道較多，這些機器中均包含滅茬和起壟兩個裝置，雖然可以同步完成滅茬起壟作業，但是工作動力消耗大，工作效率低，依靠一個部件即可完成滅茬、起壟的耕整機的研究報道還沒有。本文針對普通農戶實際滅茬、起壟需要，并對現有市場上的耕整機存在的問題進行深入分析，應用CATIA技術設計了一種新型耕整機，所設計的耕整機采用一個滅茬刀輥總成，該機器一次進地，即可完成“滅茬、旋耕、起壟”作業，也可以與施肥器、播種器聯合進行施肥、播種、鎮壓等多項作業。

1 設計要求

設計過程中，主要考慮以下三點：

1）現有耕整機結構復雜，成本較高，機器重復進地，難以實現“滅茬、深耕、起壟”等聯合作業，不利于實施保護性耕作；

2）適應農作物生長發育的農藝要求，在不破壞地表營養土的前提下，加厚土壤耕作層，為農作物生長提供充足的營養、水分和熱量；

3）保證播種部位的土壤比較緊密，利于保墑，促進種子發芽，而覆蓋的土層則要求松軟，以利于透水透氣，促進發芽出苗。

2 總體結構設計

2.1 主要技術參數

外形尺寸/mm：1100×600×750；

滅茬深度/mm：230；

旋耕深度/mm：280；

起壟高度/mm：250；

滅茬破碎率：98%。

2.2 工作原理

整機總體結構如圖1所示，主要由機架、離合器、變速箱、旋轉軸、螺旋形刀架、刀片、壟溝梳理器、分土控制板、調節螺栓、機蓋、定位輪、升降裝置及定位輪調節手柄等組成。機具與功率為8.7～20馬力的拖拉機配套使用，作業時，各工作部件以組合式裝配在耕整機機架上，根據不同作業要求，可聯合施肥器、播種器完成滅茬、起壟、深耕、深施肥、播種、施口肥、鎮壓等聯合作業。

圖1 滅茬起壟耕整機結構示意圖

耕整機的基本工作原理如下：機器工作時與配套拖拉機連接，機架的前端設有與牽引連接座，離合器和變速箱設置于機架上，變速箱的輸入軸通過離合器與拖拉機的動力輸出軸連接。旋轉軸設置于機架的中部與變速箱的輸出軸連接。在滅茬起壟刀輥總成旋轉作用下，可使作物根茬粉碎，同時完成旋耕和起壟作業，壟的寬度通過分土控制板和調節螺栓控制，壟的形狀依靠壟溝梳理器修正。

3 基于CATIA的樣機建模

3.1 關鍵部件設計

1）螺旋形滅茬起壟刀輥裝置設計。刀輥裝置的結構如圖2所示，主要由旋轉軸、軸套、左（右）螺旋形刀架、刀片等組成。整個裝置做圓周運動，利用螺旋板與刀片共同作用實現滅茬、旋耕、起壟作業。

2) 壟形修理裝置設計。壟形修理裝置采用的結構如圖3所示，主要由壟溝梳理器、固定板、分土控制板組成。壟溝梳理器為前表面凹進而后表面凸出，形狀呈倒三角形的圓滑過渡曲面板，設置于機架的后端，其尖端朝向機架的中部并位于二個螺旋形刀架之間，壟溝梳理器的尖端向下伸出的長度略小于螺旋形刀架最下方的刀片向下伸出的長度。整個裝置順著壟溝沿著及其前進方向做直線運動，將旋耕后的土梳理到壟的兩側，與分土控制板共同能夠作用實現壟形修理作業。

3）定位輪調節裝置設計。定位輪調節裝置的結構如圖4所示，主要由尾輪、尾輪叉、調節架、尾輪活動外套管、尾輪內滑動管、尾輪升降絲桿、調節手柄等組成。定位輪設置于升降裝置的底部；定位輪調節手柄設置于升降裝置的頂部，升降裝置與機架連接，并位于壟溝梳理器的后方。此裝置可以起到調節滅茬旋耕深度以及保證機器平穩前進的作用。

3.2 動力傳遞系統設計

動力傳遞系統如圖5所示，主要由帶輪、軸一、離合器、主動鏈輪、從動鏈輪、傳動鏈、軸二（刀輥軸）等組成。工作時，拖拉機動力通過帶傳動傳遞給軸一，再經離合器和鏈傳動帶動軸二（刀輥軸）旋轉，進而帶動螺旋形刀輥工作。

圖2 刀輥裝配圖

圖3 壟溝梳理器裝配圖

圖4 尾輪裝配圖

圖5 動力傳遞系統

3.3 基于CATIA的虛擬樣機安裝

虛擬安裝就是將組成機器的所有零部件建模后虛擬裝配在一起，形成整機的三維模型。通過運動仿真與虛擬樣機技術在計算機上實現全過程裝配，包括機器的工藝、制作、安裝以及試驗。產品的虛擬安裝方法主要有兩種：一是自下而上，即先完成各零部件的三維建模，再裝配成整機；二是自上而下，即從機器功能要求考慮，進行虛擬安裝的整體設計，建立添加約束后的機器三維模型，通過添加的約束求解，從而得到滿足機器功能要求的產品[5]。本研究采用了自下而上的裝配方法，圖6為滅茬起壟機的三維造型，通過虛擬裝配模型可以直觀地觀察整個機具的外形與各種零部件間的相互位置與關系，檢查干涉，檢查零件間間隙是否合理，如果不合理則回到主模型進行修改，直至裝配符合要求，避免生產中由于裝配不合理而造成的浪費。

圖6 滅茬起壟機三維造型

4 生成工程圖

完成滅茬起壟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7所示。

5 結論

圖7 滅茬起壟機裝配圖

1）應用CATIA軟件對滅茬起壟耕整機進行的整機和各個零部件的三位實體建模及虛擬安裝，可以直觀的表達出滅茬起壟耕整機中各零部件的相互位置關系，大大提高了機器的研發速度，開發周期大大縮短，產品的設計質量得到明顯提高，降低了產品的開發成本。可以方便地產生滅茬起壟機及各個零件的二維工程圖，便于三維實體與二維圖形的關聯修改，確保三維實體和二維工程圖的數據統一。同時也為CATIA軟件在其它機構設計過程中的應用提供了一定的參考和借鑒。

2）該機器刀架設計成左右螺旋形，并排交叉焊接在旋轉軸上，在螺旋形刀架上安滅茬刀片，形成獨特的滅茬起壟裝置。在這個裝置作用下，即可以實現滅茬、旋耕、起壟一次完成，從而減少機器進地次數，提高工作效率，降低動力消耗。

3）螺旋形刀架的彎曲程度以及刀片的配置有待于通過土槽實驗進一步優化。

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

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

[3]賈長治.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通[M].北京.北京機械工業出版社.2010.

[4]丁時鋒,李清香,賈寓詞,等.基于Pro/Engineer的多桿臥式制缽機設計[J].中國農機化學報,2014,35(1):138-140.

[5]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.