基于CATIA的灭茬起垄机的设计

明 哲 ，权世华

（1.中国矿业大学，徐州 221008；2.吉林农业科技学院，吉林 132101；3.吉林市宇光科技有限公司，吉林 132100）

0 引言

近年来，农机与农艺结合对提高农业综合生产能力，保障粮食安全，增加农民收入的意义已经得到社会的广泛认可。作物根茬粉碎还田是保护性耕作的重要环节[1,2]，因此灭茬机在我国(尤其在北方旱地)被广泛使用。随着计算机技术的飞速发展，虚拟样机技术已经成为当前设计制造领域的一项新技术[3]，运用虚拟样机技术开发农业机械产品，可以使这种状况得到显著改善。CATIA是IBM和Dassauh System公司合作推出的CAD/CAE/CAM一体化软件，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，该技术完全可以应用到农业机械的设计研发上。使用该技术，利用三维设计软件对零部件进行特征建模和虚拟安装[4]，可以得到与实际机器一致的虚拟机器。再通过运动仿真，模拟机器实际工作时各零部件的静力学和运动学关系，对出现的问题可以直接在计算机上处理，最终根据虚拟样机制造出实际样机。这样既大大缩短了机器开发时间，又降低了产品研发成本。

目前国内外对耕整机的研究报道较多，这些机器中均包含灭茬和起垄两个装置，虽然可以同步完成灭茬起垄作业，但是工作动力消耗大，工作效率低，依靠一个部件即可完成灭茬、起垄的耕整机的研究报道还没有。本文针对普通农户实际灭茬、起垄需要，并对现有市场上的耕整机存在的问题进行深入分析，应用CATIA技术设计了一种新型耕整机，所设计的耕整机采用一个灭茬刀辊总成，该机器一次进地，即可完成“灭茬、旋耕、起垄”作业，也可以与施肥器、播种器联合进行施肥、播种、镇压等多项作业。

1 设计要求

设计过程中，主要考虑以下三点：

1）现有耕整机结构复杂，成本较高，机器重复进地，难以实现“灭茬、深耕、起垄”等联合作业，不利于实施保护性耕作；

2）适应农作物生长发育的农艺要求，在不破坏地表营养土的前提下，加厚土壤耕作层，为农作物生长提供充足的营养、水分和热量；

3）保证播种部位的土壤比较紧密，利于保墒，促进种子发芽，而覆盖的土层则要求松软，以利于透水透气，促进发芽出苗。

2 总体结构设计

2.1 主要技术参数

外形尺寸/mm：1100×600×750；

灭茬深度/mm：230；

旋耕深度/mm：280；

起垄高度/mm：250；

灭茬破碎率：98%。

2.2 工作原理

整机总体结构如图1所示，主要由机架、离合器、变速箱、旋转轴、螺旋形刀架、刀片、垄沟梳理器、分土控制板、调节螺栓、机盖、定位轮、升降装置及定位轮调节手柄等组成。机具与功率为8.7～20马力的拖拉机配套使用，作业时，各工作部件以组合式装配在耕整机机架上，根据不同作业要求，可联合施肥器、播种器完成灭茬、起垄、深耕、深施肥、播种、施口肥、镇压等联合作业。

图1 灭茬起垄耕整机结构示意图

耕整机的基本工作原理如下：机器工作时与配套拖拉机连接，机架的前端设有与牵引连接座，离合器和变速箱设置于机架上，变速箱的输入轴通过离合器与拖拉机的动力输出轴连接。旋转轴设置于机架的中部与变速箱的输出轴连接。在灭茬起垄刀辊总成旋转作用下，可使作物根茬粉碎，同时完成旋耕和起垄作业，垄的宽度通过分土控制板和调节螺栓控制，垄的形状依靠垄沟梳理器修正。

3 基于CATIA的样机建模

3.1 关键部件设计

1）螺旋形灭茬起垄刀辊装置设计。刀辊装置的结构如图2所示，主要由旋转轴、轴套、左（右）螺旋形刀架、刀片等组成。整个装置做圆周运动，利用螺旋板与刀片共同作用实现灭茬、旋耕、起垄作业。

2) 垄形修理装置设计。垄形修理装置采用的结构如图3所示，主要由垄沟梳理器、固定板、分土控制板组成。垄沟梳理器为前表面凹进而后表面凸出，形状呈倒三角形的圆滑过渡曲面板，设置于机架的后端，其尖端朝向机架的中部并位于二个螺旋形刀架之间，垄沟梳理器的尖端向下伸出的长度略小于螺旋形刀架最下方的刀片向下伸出的长度。整个装置顺着垄沟沿着及其前进方向做直线运动，将旋耕后的土梳理到垄的两侧，与分土控制板共同能够作用实现垄形修理作业。

3）定位轮调节装置设计。定位轮调节装置的结构如图4所示，主要由尾轮、尾轮叉、调节架、尾轮活动外套管、尾轮内滑动管、尾轮升降丝杆、调节手柄等组成。定位轮设置于升降装置的底部；定位轮调节手柄设置于升降装置的顶部，升降装置与机架连接，并位于垄沟梳理器的后方。此装置可以起到调节灭茬旋耕深度以及保证机器平稳前进的作用。

3.2 动力传递系统设计

动力传递系统如图5所示，主要由带轮、轴一、离合器、主动链轮、从动链轮、传动链、轴二（刀辊轴）等组成。工作时，拖拉机动力通过带传动传递给轴一，再经离合器和链传动带动轴二（刀辊轴）旋转，进而带动螺旋形刀辊工作。

图2 刀辊装配图

图3 垄沟梳理器装配图

图4 尾轮装配图

图5 动力传递系统

3.3 基于CATIA的虚拟样机安装

虚拟安装就是将组成机器的所有零部件建模后虚拟装配在一起，形成整机的三维模型。通过运动仿真与虚拟样机技术在计算机上实现全过程装配，包括机器的工艺、制作、安装以及试验。产品的虚拟安装方法主要有两种：一是自下而上，即先完成各零部件的三维建模，再装配成整机；二是自上而下，即从机器功能要求考虑，进行虚拟安装的整体设计，建立添加约束后的机器三维模型，通过添加的约束求解，从而得到满足机器功能要求的产品[5]。本研究采用了自下而上的装配方法，图6为灭茬起垄机的三维造型，通过虚拟装配模型可以直观地观察整个机具的外形与各种零部件间的相互位置与关系，检查干涉，检查零件间间隙是否合理，如果不合理则回到主模型进行修改，直至装配符合要求，避免生产中由于装配不合理而造成的浪费。

图6 灭茬起垄机三维造型

4 生成工程图

完成灭茬起垄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7所示。

5 结论

图7 灭茬起垄机装配图

1）应用CATIA软件对灭茬起垄耕整机进行的整机和各个零部件的三位实体建模及虚拟安装，可以直观的表达出灭茬起垄耕整机中各零部件的相互位置关系，大大提高了机器的研发速度，开发周期大大缩短，产品的设计质量得到明显提高，降低了产品的开发成本。可以方便地产生灭茬起垄机及各个零件的二维工程图，便于三维实体与二维图形的关联修改，确保三维实体和二维工程图的数据统一。同时也为CATIA软件在其它机构设计过程中的应用提供了一定的参考和借鉴。

2）该机器刀架设计成左右螺旋形，并排交叉焊接在旋转轴上，在螺旋形刀架上安灭茬刀片，形成独特的灭茬起垄装置。在这个装置作用下，即可以实现灭茬、旋耕、起垄一次完成，从而减少机器进地次数，提高工作效率，降低动力消耗。

3）螺旋形刀架的弯曲程度以及刀片的配置有待于通过土槽实验进一步优化。

[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.北京机械工业出版社.2010.

[4]丁时锋,李清香,贾寓词,等.基于Pro/Engineer的多杆卧式制钵机设计[J].中国农机化学报,2014,35(1):138-140.

[5]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.