农业机械设计中CAD技术的应用研究

孙颖慧

（山西开放大学，山西 太原 030027）

传统农业机械设计存在手工制图速度缓慢、精度差等问题，难以满足时代的发展需求，需朝高质量、自动化方向发展[1]。故此，需提高农业机械工程设计水平，就应加强先进技术的应用。CAD技术（Computer Aided Design，计算机辅助设计技术）能为农业机械工程设计的发展形成有效推动力。对农业机械工程设计中CAD技术的相关应用展开进一步研究，具有较强的现实意义。

1 农业机械工程设计中CAD技术的应用价值

1.1 CAD技术简介

CAD绘图能完成大量部件库、零件库与标准件库等建设与保存，同时能完成信息存储和计算等工作，对工程设计制图效率的提升形成有效促进。CAD技术的优势主要体现在以下两点：其一，符号与图形库十分丰富。CAD可提供众多标准件库，同时，在工程设计中能对行业所用图形符号做持续积累，形成自制件库。而这些符号图形能随时调用，且能通过搭积木的方式，完成具体工程设计图样的构建。其二，制图更为高效。制图是有效转化设计构思为直观形式的过程，是机械设计的重要部分[3]。传统手工绘制主要依托于纸媒介，任何一次设计修改或改型，都要从头再画，工作效率低，耗时长。CAD软件则拥有丰富的资源库，应用模板众多，能提高制图工作效率，更规范、准确。修改或改型时，调出原有图样，适当修改就能获得新图样，效率显著提升。

1.2 应用价值

要想保证农业机械设计质量，使产品生命周期进一步延长，需要设计人员展开设计前，加强产品环节的研究，并对产品环节做严格控制，使之在达到我国设计标准的同时，能实现运行能源消耗的减少，进而实现绿色设计。在我国提倡“两碳”战略的当下绿色设计至关重要。需要在设计中严控环境指标，采用科学、合理的方式挑选原料，以免出现能源消耗过大的情况。而应用CAD技术，既能满足绿色设计要求，也能实现设计成本的节约。CAD软件拥有一定的成本控制能力[4]。CAD所具有的评价决策系统，能在模拟仿真活动后，为后续农机调整提供丰富的数据和资源，以实现相关系数优化，使机械设计质量更佳，完成高可靠度、低成本、高质量的生产。

2 农业机械工程设计中CAD技术的应用实践

以拖拉机液压悬挂装置的设计为例，CAD辅助工程设计主要分为原理分析、方案设计、结构设计、绘图制作与分析4步。

2.1 原理分析

结合农业机械设计手册，液压悬挂装置为升降与挂接机具，同时向作业机具传递牵引力。设计液压悬挂装置，要满足如下要求：连杆尺寸与位置要与国家标准相符合，确保牵引装置能良好适应不同农机具的接口；为确保农机具的入土动能良好，产生的牵引力要足够；重视限位机构的设计，以免摆动超出相应范围；机具要能够顺利运输。

2.2 方案设计

一般情况下采用三个铰链，也就是三点悬挂，但也有应用两点悬挂的情况，如履带式拖拉机，图1为拖拉机悬挂装置构成图。各装置部件的实际作用：传递提升牵引力的中间部件，就是提升杆；提升臂带动下拉杆与提升杆上升；下拉杆能传递牵引力、提升农具；农具纵向平面俯仰调节则依靠上拉杆。

图1 拖拉机悬挂装置构成图Fig.1 Tractor suspension device composition diagram

2.3 结构设计

以原理图为基础展开结构设计，定尺寸、定材料、明确构形等，同时规定材料变形、连接变形及功能面变形等方面。在具体设计过程中，应注意如下几点内容：第一，上下悬挂点的锁销孔距离和连接销直径，下拉杆水平时动力输出末端到下悬挂点的距离，下悬挂点到拖拉机中心平面的横向距离等拖拉机有关的悬挂点与后置三点悬挂装置尺寸；第二，提升高度、提升水平调节范围及行程。主要包含下悬挂点水平调节范围、最低高度、自由扭转浮动量、下悬挂点间隙、运输高度、提升高度等参数规范；第三，水平和垂直汇聚距离尺寸规定[5]。结合拖拉机的不同规格，合理选择参数，详细可结合农业机械设计手册，在采用特殊农具时，可对部分尺寸进行更改。

2.4 CAD辅助绘图和分析

2.4.1 平面设计

图样文件绘制选用二维平面三视图，具体文件有各零件图绘制；总装配图绘制；部件装配图绘制；原理图绘制及其他种类技术文件的形成。

2.4.2 三维立体设计

必要时可绘制三维模型，计算机模拟装配结合三维模型绘制，有助于改正设计，保证设计缺陷能及时发现。三维模型绘制分层有三维零件设计、三维实体造型设计及三维零件模拟装配等。

2.4.3 计算机辅助有限元分析

用结构刚度矩阵组集，展开合理边界条件处理，对农机接头和机架做有限元建模，通过刚度矩阵、位移函数对承力部件展开有限元分析，如机架梁与接头等。因为处理边界条件的方式不同，也会影响有限元方程求解，所以工程设计中应尽量保证边界条件处理相对一致，以提高处理的规范性。

3 农业机械设计中CAD技术的应用建议

3.1 注重性能成本设计要素

农业机械要求强度配比科学、结构紧凑、性能优异、功能合用。展开具体设计时，为避免发生功能性能过剩，导致无端浪费使用成本的情况，应加强农机具性能的科学评估。控制成本需要考虑的因素较多，如保养维护、制作工艺、选用的材料等，都会给成本产生直接影响，而设计成本的控制情况，充分体现了设计者的技能与知识储备。

3.2 竭力体现设计的工艺性

农机具制作与加工的重要依据，即工程设计输出图样。而决定工程设计可制造性的重点，则为设计工艺性。其是农机生产加工及功能性能、生命周期成本及安全性等众多方面的综合体现，应用与当前装配简洁、零部件规范、生产条件相符合的工艺性设计方法，是设计和制作可靠、合理及经济设备的重点。

3.3 积极应用标准件和通用件

农业机械所用的组装接口部件与铰链，应选择通用件和标准件。尽可能使用与国家标准规范相符合的连接部件，如此能够进一步确保农业机械操作简便、适应性强、组装灵活、使用及获取成本低。如果使用特殊的自制件，则无法保证接口的普适性，难以保证加工周期，也会提升制作成本，更难保证质量。

4 结语

农业机械设计中善用CAD技术，体现了设计理念和产品结构的互补性、兼容性，有助于减少劳动成本，故此，设计人员应充分掌握CAD软件技术，对其展开合理应用，以设计出质量更佳的农业机械产品。