農業機械設計中CAD技術的應用研究

孫穎慧

（山西開放大學，山西 太原 030027）

傳統農業機械設計存在手工制圖速度緩慢、精度差等問題，難以滿足時代的發展需求，需朝高質量、自動化方向發展[1]。故此，需提高農業機械工程設計水平，就應加強先進技術的應用。CAD技術（Computer Aided Design，計算機輔助設計技術）能為農業機械工程設計的發展形成有效推動力。對農業機械工程設計中CAD技術的相關應用展開進一步研究，具有較強的現實意義。

1 農業機械工程設計中CAD技術的應用價值

1.1 CAD技術簡介

CAD繪圖能完成大量部件庫、零件庫與標準件庫等建設與保存，同時能完成信息存儲和計算等工作，對工程設計制圖效率的提升形成有效促進。CAD技術的優勢主要體現在以下兩點：其一，符號與圖形庫十分豐富。CAD可提供眾多標準件庫，同時，在工程設計中能對行業所用圖形符號做持續積累，形成自制件庫。而這些符號圖形能隨時調用，且能通過搭積木的方式，完成具體工程設計圖樣的構建。其二，制圖更為高效。制圖是有效轉化設計構思為直觀形式的過程，是機械設計的重要部分[3]。傳統手工繪制主要依托于紙媒介，任何一次設計修改或改型，都要從頭再畫，工作效率低，耗時長。CAD軟件則擁有豐富的資源庫，應用模板眾多，能提高制圖工作效率，更規范、準確。修改或改型時，調出原有圖樣，適當修改就能獲得新圖樣，效率顯著提升。

1.2 應用價值

要想保證農業機械設計質量，使產品生命周期進一步延長，需要設計人員展開設計前，加強產品環節的研究，并對產品環節做嚴格控制，使之在達到我國設計標準的同時，能實現運行能源消耗的減少，進而實現綠色設計。在我國提倡“兩碳”戰略的當下綠色設計至關重要。需要在設計中嚴控環境指標，采用科學、合理的方式挑選原料，以免出現能源消耗過大的情況。而應用CAD技術，既能滿足綠色設計要求，也能實現設計成本的節約。CAD軟件擁有一定的成本控制能力[4]。CAD所具有的評價決策系統，能在模擬仿真活動后，為后續農機調整提供豐富的數據和資源，以實現相關系數優化，使機械設計質量更佳，完成高可靠度、低成本、高質量的生產。

2 農業機械工程設計中CAD技術的應用實踐

以拖拉機液壓懸掛裝置的設計為例，CAD輔助工程設計主要分為原理分析、方案設計、結構設計、繪圖制作與分析4步。

2.1 原理分析

結合農業機械設計手冊，液壓懸掛裝置為升降與掛接機具，同時向作業機具傳遞牽引力。設計液壓懸掛裝置，要滿足如下要求：連桿尺寸與位置要與國家標準相符合，確保牽引裝置能良好適應不同農機具的接口；為確保農機具的入土動能良好，產生的牽引力要足夠；重視限位機構的設計，以免擺動超出相應范圍；機具要能夠順利運輸。

2.2 方案設計

一般情況下采用三個鉸鏈，也就是三點懸掛，但也有應用兩點懸掛的情況，如履帶式拖拉機，圖1為拖拉機懸掛裝置構成圖。各裝置部件的實際作用：傳遞提升牽引力的中間部件，就是提升桿；提升臂帶動下拉桿與提升桿上升；下拉桿能傳遞牽引力、提升農具；農具縱向平面俯仰調節則依靠上拉桿。

圖1 拖拉機懸掛裝置構成圖Fig.1 Tractor suspension device composition diagram

2.3 結構設計

以原理圖為基礎展開結構設計，定尺寸、定材料、明確構形等，同時規定材料變形、連接變形及功能面變形等方面。在具體設計過程中，應注意如下幾點內容：第一，上下懸掛點的鎖銷孔距離和連接銷直徑，下拉桿水平時動力輸出末端到下懸掛點的距離，下懸掛點到拖拉機中心平面的橫向距離等拖拉機有關的懸掛點與后置三點懸掛裝置尺寸；第二，提升高度、提升水平調節范圍及行程。主要包含下懸掛點水平調節范圍、最低高度、自由扭轉浮動量、下懸掛點間隙、運輸高度、提升高度等參數規范；第三，水平和垂直匯聚距離尺寸規定[5]。結合拖拉機的不同規格，合理選擇參數，詳細可結合農業機械設計手冊，在采用特殊農具時，可對部分尺寸進行更改。

2.4 CAD輔助繪圖和分析

2.4.1 平面設計

圖樣文件繪制選用二維平面三視圖，具體文件有各零件圖繪制；總裝配圖繪制；部件裝配圖繪制；原理圖繪制及其他種類技術文件的形成。

2.4.2 三維立體設計

必要時可繪制三維模型，計算機模擬裝配結合三維模型繪制，有助于改正設計，保證設計缺陷能及時發現。三維模型繪制分層有三維零件設計、三維實體造型設計及三維零件模擬裝配等。

2.4.3 計算機輔助有限元分析

用結構剛度矩陣組集，展開合理邊界條件處理，對農機接頭和機架做有限元建模，通過剛度矩陣、位移函數對承力部件展開有限元分析，如機架梁與接頭等。因為處理邊界條件的方式不同，也會影響有限元方程求解，所以工程設計中應盡量保證邊界條件處理相對一致，以提高處理的規范性。

3 農業機械設計中CAD技術的應用建議

3.1 注重性能成本設計要素

農業機械要求強度配比科學、結構緊湊、性能優異、功能合用。展開具體設計時，為避免發生功能性能過剩，導致無端浪費使用成本的情況，應加強農機具性能的科學評估。控制成本需要考慮的因素較多，如保養維護、制作工藝、選用的材料等，都會給成本產生直接影響，而設計成本的控制情況，充分體現了設計者的技能與知識儲備。

3.2 竭力體現設計的工藝性

農機具制作與加工的重要依據，即工程設計輸出圖樣。而決定工程設計可制造性的重點，則為設計工藝性。其是農機生產加工及功能性能、生命周期成本及安全性等眾多方面的綜合體現，應用與當前裝配簡潔、零部件規范、生產條件相符合的工藝性設計方法，是設計和制作可靠、合理及經濟設備的重點。

3.3 積極應用標準件和通用件

農業機械所用的組裝接口部件與鉸鏈，應選擇通用件和標準件。盡可能使用與國家標準規范相符合的連接部件，如此能夠進一步確保農業機械操作簡便、適應性強、組裝靈活、使用及獲取成本低。如果使用特殊的自制件，則無法保證接口的普適性，難以保證加工周期，也會提升制作成本，更難保證質量。

4 結語

農業機械設計中善用CAD技術，體現了設計理念和產品結構的互補性、兼容性，有助于減少勞動成本，故此，設計人員應充分掌握CAD軟件技術，對其展開合理應用，以設計出質量更佳的農業機械產品。