CAD技术在农业机械设计中的应用

摘 要 在信息化时代背景下，农业机械的工作环境更为复杂，其使用会受到农作物和土壤等多方面因素的影响。将计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术应用在农业机械工程设计中可以降低设计难度、提高产品质量。以机械制图和CAD技术为切入点，分析农业机械工程设计的特征，并以拖拉机液压悬挂装置为例，阐述CAD在农业机械设计中的应用实践，对CAD技术在农业机械工程设计中的应用提出相关建议。

关键词 农业机械;计算机辅助设计;机械工程设计

中图分类号：S220.2 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.36.055

信息化的发展给农业机械化提供巨大的发展空间，农业机械在促进农业生产过程中具有非常重要的意义。农业机械正在面对非常严峻的挑战，传统农业机械已经无法满足时代需求，必须向自动化、高质量方面发展，传统手工制图存在精度差、制图速度慢等问题，因此利用计算机作为载体，以计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术为基础，合理设计农业机械工程，具有非常重要的意义。基于此，分析CAD技术在农业机械设计中实际应用，为后续研究打下坚实基础。

1 机械制图和CAD技术

1.1 机械制图

机械制图是以图样作为核心，将机械工作原理、技术要求、结构尺寸等内容完全呈现出来，而将整个机械图纸作为机械制图重要组成部分，尽可能展现制造要求与设计要求。想要设计出真正符合设计要求的机械制图，要满足以下2个方面的内容。1）严格按照我国国际标准。我国对于机械图样有着非常严格的标准，如尺寸标注、比例、标题栏及圖纸幅面等都需要明确标注，只有严格按照规定进行实施，才能让整个图样具有可读性与实用性，减少制造环节的意见。2）严格实行三视图与正投影法标准。正投影法是了解图样形态的重要途径，而三视图则是作为机械设计制图技术的基础，合理利用正投影法能完整呈现出物体最真实比例与形状。俯视图、左视图、主视图是将立体物品通过3个方向来绘制，将物体的实际尺寸与结构完整表达出来。

1.2 CAD技术

CAD技术能够让机械设计彻底突破传统画图限制，让设计人员能深入了解机械设计所表达的结构和意图。通过专业的CAD绘图软件，能确保部件库、标准件库、常用件库等储存大量数据资源并完成计算工作，给工程设计和制图工作带来极大助力。可以看出，CAD技术可应用于设计以下2个方面。1）丰富符号库与图形。在往常机械设计中，通常会用到图形符合，而CAD绘图软件则是利用多种标准件库，并且在工程设计为机械设计提供丰富的图形与符号，从而组成自制件库。通过不断组合图形符号，能采用搭积木的方式构建详细的工程设计图样。2）提高制图效率与质量。制图是以设计者灵活思维为基础，设计出专业的图纸，是整个机械设计中最为关键的元素，而在传统机械设计过程中，通常使用纸作为载体，无论是设计改型还是其他方面的设计，都需要专业人员一笔一划进行，会浪费大量时间，绘图效率较低。而CAD软件内含有多样化资源库，库内存在大量应用模板，能提高制图工作效率与科学性。在面对更改设计方案工作任务，可利用原有图样，对图样进行科学修改，从而提高新型改良机械效率。

2 农业机械工程设计特点

2.1 农业机械种类繁多

农业机械种类繁多，大概有20种，所涉及的范围非常广泛，按照使用价值不同，可分为以下3个方面：1）农业动力机械，如农田基建机械、拖拉机等;2）家禽机械，如饲料加工机械、牧草收割机械;3）农田作业机械，如水稻种植机械、播种机械、耕地机械等。以播种机械为例，可将其分为小区播种机、精密播种机、铺膜播种机、谷物条播种机等[1]。

2.2 涉及机械工程设计所有子系统

农业机械内部结构非常复杂，其涉及范围较广，如农机动力系统、驱动系统等。以农业拖拉机为例，其是将动力系统安装在农机结构上，从而构成高效拖拉机农机作业机组，此系统具有动力输出轴、牵引和拖挂装置、液压悬挂装置等;液压悬挂装置则是由液压系统、控制系统、悬挂装置等构成。因此，想要设计出高质量农业机械，必须要拥有很强的专业能力及丰富的设计经验[2]。

3 拖拉机液压悬挂装置CAD工程设计实践

3.1 优化设计

在农业机械工程设计时，先要研究农机各方面数据信息，再合理运用信息数据作为设计载体，从备选方案中选择一套效率最高的方案，以满足现代农机设计所有需求。在正常设计过程中，若无特殊情况，要严格按照机械设计规范标准、设计理论设计数学模型，最后得到机械设计的实时数据。虽然传统设计技术具有合理的设计环节，但设计应用范围较窄，只能应用于一些老式农机中，无法满足现代一些新型农机应用。而CAD技术是在传统设计基础上进行优化，利用多方面优化技术扩大农机应用范围、增加农机种类，同时给农机工程设计提供各种数据信息支持。只需要使用计算机就能及时找到机器所需要的所有零件，再按照机器指令点击相对命令，显示屏上就会出现操作的详细说明[3]。

3.2 绿色设计

绿色设计可提高产品质量和延长产品生命周期，想要确保机械设计质量和水平，设计人员就必须在设计前研究产品环境，从而严格控制产品环节，让其在满足我国设计标准的同时减少设备运行能源消耗。除此之外，在设计过程时要严格控制环境指标，使用最先进、最科学的方式挑选产品原料，能有效降低能源消耗，防止在绿色设计时出现任何其他不良反应。在整个农业机械设计过程中，对材料实施循环利用或通过拆卸方式来实现材料重复利用，从而达到提高效率、节约能源的目的。例如，雷沃农机工程生产企业以绿色理念作为基础，CAD软件本身就具备一定的成本控制能力，能引导用户在最短时间内熟练掌握软件的设计方法。而评价决策系统作为整个CAD技术中的首要位置，通常应用于模拟活动后，后构建农业机械提供丰富资源与数据，提高元受力控制力和优化系数，提高机械设计质量，降低设计成本，生产最具有较高稳定性、可靠性的产品[4]。

3.3 系统设计

现如今，我国农业机械种类趋向于多样化，结构形式同样非常复杂，要利用全方位控制系统，来提高农机运行的准确度。农机机械则是由传动系统、执行系统、操纵系统等部分构成[5]。再以CAD技术为基础，对影响农业机械质量内外因素实施针对性研究，分析出影响因素与问题之间必然联系，再利用科学的CAD模型完成解答任务。除此之外，工作人员还要构建健全的预测评价系统，对产品质量和外观进行公平、公正的评价，合理规范系统设计。基础的CAD三维实体模型设计中具有6种形状，即三角形、方形、球形、柱形、锥形及棱台等。因此，在设计过程中，要将数据参数化，同时进行模拟仿真，让整个设计方案具有稳定性与可靠性。除此之外，CAD技术将设计中的建模技术与软、硬件技术有效结合，是我国目前技术的重要体现[6]。

3.4 拖拉机悬挂装置组成图——方案设计

机械设计是使用三点悬挂法完成整个设计动作，而履带式拖拉机要比机械设计少一点，采用两点悬挂的方式。拖拉机各装置下拉杆提高农具牵引力与传递力;上拉杆控制农具纵向作用力;提升臂带动下拉杆上升与，而下降是受到农具重力控制;提升杆控制传递力，应用于提高牵引力（如图1所示）。

3.5 结构设计

结构设计以原理图为基础，同时添加了定尺寸、构形、定材料等元素，让材料、功能面、联接都具有变形功能。此外，在整个拖拉机液压悬挂装置设计中，拖拉机相关与后置三点悬挂装置尺寸，下悬挂点到拖拉机中心平面的横向距离与横向摆动量，下拉杆水动力输出末端到下悬挂点的距离等数据规范;提高水平调节、高度、行程范围，如水平调节范围、运输高度、立柱调节范围等参数。

4 CAD辅助绘图与分析

4.1 三维立体设计

在必要情况下，设计人员可进行三维模型绘制，三维模型绘制可用于计算机模拟装配，便于设计人员可及时探测到设计问题，在第一时间提出能解决的方案，降低企业将要承受的经济损失。三维模型绘制分层包含：三维零件模拟装配、三维零件设计、三维模拟装配、三维实体造型设计等。

4.2 计算机辅助有限元分析

要进一步分析农业机械设计手册内容，严格按照内容标准来实施，合理应用刚度矩阵，来处理边界要素，對农机机架、接头采用建模措施，充分利用位移函数与刚度矩阵对一些承力部件同样利用有限元进行深入研究。由于边界条件不同，所运用的处理方式会出现较大差异，所造成的有限元方程所求解值带来一定影响，会给工程设计中带来标准要求，规定必须要对一致边界条件进行专业处理，从而形成边界条件处理规范。

5 CAD技术在农业机械工程设计中的应用建议

5.1 加强标准件、通用件的使用

农业机械的组装通常是采用通用件与标准件两种零件，同时要严格按照我国标准规范，而连接部件主要功能是连接这两种零件之间的距离，确保农业机械组织的灵活性与适应性，其具有成本价格低廉、制造质量高等优点，如果使用其他自制件，会引发一系列问题，如接口适用性差、加工周期长等问题，很难确保农业机械的质量。

5.2 关注性能成本设计要素

农业机械要求性价比高、性能强、结构紧凑。因此，在设计过程中要提高农机性能与安全余量评估的重视程度，避免出现功能性能过剩情况，从而带来使用成本浪费情况。成本控制作为农业机械生产的重要环节，它主要体现在保养维护、制作工艺、材料选择等方面，合理控制设计成本，是设计者能力与知识的体现。

6 结语

在农业科技飞速发展的今天，CAD软件设计在整个机械设计中发挥着极其重要的作用，并逐渐普及在农业机械工程设计中，给机械设计提供丰富的资源数据与专业模板。进一步探索CAD技术在机械设计的实践应用，充分借助CAD技术，提高产品功能性，降低生产成本，促进农业机械设计的进程。

参考文献：

[1] 尹超义.关于CAD技术在农业机械工程设计中的应用研究[J].河北农机，2021（14）：12-13.

[2] 刘玉芹.CAD技术在农业机械工程设计中的应用研究[J].南方农机，2021，52（1）：62-63.

[3] 都晨.CAD技术在农业机械工程设计中的应用分析[J].现代农机，2020（5）：26-27.

[4] 陈红.农业机械数字化设计平台研究：基于微信公众平台和移动学习[J].农机化研究，2020，42（2）：125-129.

[5] 顾冰洁.针对现代数字化设计制造技术在农业机械设计制造上的应用研究[J].中国机械，2019（6）：7.

[6] 杜岳峰，傅生辉，毛恩荣，等.农业机械智能化设计技术发展现状与展望[J].农业机械学报，2019，50（9）：1-17.

收稿日期：2021-11-15

作者简介：刘磊（1974—），男，山东济宁人，大专，工程师，研究方向为农业机械等。E-mail：15054717166@139.com。