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1、 附表清单 表 2-1 玉米播种机主要参数 11 表 5-1 土壤的犁耕比阻取值表26 表 5-2 开沟铲的材料属性表 26 VI 1 绪论 1.1 研究内容的来源及提出的背景和意义 随着人类面临能源危机和农业生产可持续发展的挑战， 我国农业发展由传统的粗 放式向现代集约方式转变。农业机械是发展现代农业的重要物质基础，农业机械化是 农业现代化的重要标志。我国正处于工业化、城镇化加速推进的新阶段和传统农业向 现代农业转型升级的关键时期，农村劳动力结构和农业生产方式正在发生深刻变化， 对农业机械化和农机工业提出了新的更高的要求， 亟需进一步加快发展农业机械化和 农机工业，提高农业装备水平，增强农业
2、综合生产能力，加快建设现代农业1。 为提高我国农业装备制造业的科技创新能力和核心竞争力， 缩小与发达国家农机 水平的差距，引领我国农业装备制造业跨越发展，为我国农业现代化和社会主义新农 村建设提供强大的技术装备支撑，科技部启动了“十一五”国家科技支撑计划“多功 能农业装备与设施研制”等重大项目。发展现代农业装备意义重大，主要体现在以下 几方面: (l)现代农业装备与技术是发展优质、高产、高效的生态农业的客观条件 黑龙江地区引进国外现代农业装备的三十年经验表明:现代农业装备对发展优 质、高产、高效的生态农业具有显著效果。使用现代农业装备可以实现联合作业，打 破坚实的犁底层，减轻对土壤的压实程度，
3、改善土壤内部生态环境，确保旱涝增产增 收；可以有效争抢农时，增强农业抵御风险能力；可以实现高质量的保护性耕作，减 少了水土流失和土壤风蚀，保护和改善农业生态环境2。 (2)现代农业装备与技术是我国粮食生产安全的物质保障 现代农业装备是农业产业化的支撑，是农业机械化的基础，是农业现代化粮食生 产的物质保障。伴随着我国经济的快速发展，农村劳动力向二、三产业转移，农村劳 动力紧缺问题已经十分严重，劳动力短缺问题在播种和收获季节更为明显。通过利用 现代农业装备与技术来武装农业，能切实解决农村劳动力短缺问题，稳定农业生产。 (3)现代农业装备与技术是实现我国农业可持续发展及农业安全的技术支撑 在我国农业
4、可持续发展过程中，各项农业高新技术得以有效实施和推广应用，起 到了不可或缺的作用。如松整地联合作业机具、少免耕播种机等保护性作业机具使得 保护性耕作技术得到发展，减轻了对土壤的压实破坏，改善了土壤的生态环境。 (4)现代农业装备与技术是增加农民收入、减轻农民负担的有效途径 现代农业装备不仅降低了农民的劳动强度，而且也增加了农民收入、减轻了农民 的负担。以水稻的生产为例，种植和收获两个环节实现机械化作业可分别减少劳动用 工量 45%和 76%，提高单产 375 公斤/公顷以上，节本增效 700 元/公顷。 1 目前机械化作业中还存在很多亟待解决的问题，一是机具作用单一；二是由于机 具多次进地，造
5、成土壤被压实，使得土壤的透气透水性下降，保墒陪肥的作用明显降 低3。保护性耕作是相对于传统翻耕的一种新型耕作技术，保护性耕作用大量秸杆根 茬，覆盖地表，将耕作减少到能保证种子发芽即可，并主要用农药来控制杂草和病虫 害的一种耕作技术4。我国北方地区在秋、冬、春三季的风沙大，气温低,降水少， 生态环境非常脆弱，加上农田耕作主要是在秋季以铧式犁翻耕为主，翻耕裸露的土壤 经过漫长的秋、冬、春三季，严重失墒，风蚀、沙化严重5。不科学的耕作方式造成 了农田水土流失和土壤沙化，严重地影响了农业及生态环境的可持续发展。保护性耕 作作为一项重要的农田防护治理措施，与现有的退耕还林、水土保持等生态环境建设 项目互
6、为补充，各有侧重6。保护性耕作的推广普及，对于改革耕种方式，提高抗旱 能力，改善生态环境,促进农业可持续发展，具有重要的意义。 保护性耕作主要包括四项技术内容7： 一、改革以铧式犁翻耕土壤为主的传统耕作方式，实行少耕或免耕； 二、利用秸杆残茬覆盖地表，在培肥地力的同时，用秸杆盖土来保护土壤，减少 水分的过度蒸发，提高天然降水的利用率； 三、采用免耕播种，实现开沟、播种、施肥、覆土作业一次性完成，减少农业机 械进地次数以降低成本； 四、以翻耕控制杂草,喷洒除草剂来控制杂草。 保护性耕作技术通过免耕播种机一次性完成秸杆残茬处理、开沟播种、施肥、覆 土、镇压等多项工作程序，是一项集秸杆覆盖，化肥深施
7、和玉米精播等多项节水增产 措施于一体的综合性技术8 。 因此，安徽省科技攻关项目（07020304096） “玉米新型播种机的研制” ，把研 制免耕播种机的开沟和排种一体化列为重要内容，在此基础上达到减轻结构质量、减 少材料消耗、降低制造成本的目标。本研究即选题于此。 1.2 免耕播种机的国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 国外保护性耕作的研究从 20 世纪 40 年代初就开始了， 已经拥有较为成熟的技术 和配套机具。由于国外农场的土地面积较大，拖拉机的功率也较大，所以国外的免耕 播种机一般是牵引式的，而且大多采用多梁结构和多排开沟器，各开沟器之间间隔较 大， 防堵性能较好911。 世界
8、上著名的农机公司有加拿大的 Flexicoil， 美国的 Case、 John Deere、Great plains，澳大利亚的 John Shearer，巴西的 Balda 等，他们所设计研 发出来的免耕播种机，大多与先进的动力机成套配备，进行联合作业，一次性完成破 茬、松土、开沟、播种、施肥、撒药等多项作业，并广泛采用电子监控技术和气力式 排种器， 以及用于实施精准作业的数据采集系统12。 下面列举两种国外常用的免耕播 2 种机。 图 1-1 为美国 Case 公司生产的 SDX30 型免耕播种机，该机采用的是单元盘开沟 器和气力式排种器，开沟压力大，对土壤扰动小，可以在高茬覆盖地进行高速
9、播种作 业，但是采用气力式输种价格昂贵，整机重量大难以在我国的农业生产中应用13。 图 1-2 为美国 John Deere 公司生产的 1560 免耕条播机，该机的工作幅宽有三种 类型，可以适应不同作业要求。该机采用的也是单元盘开沟器，机架离地间隙大，秸 秆通过性好,但种肥不能分施，机器较为笨重，价格昂贵。 图 1-1 Case SDX30 型免耕播种机 图 1-2 John Deere 1560 免耕条播机 Fig.1-1Case SDX30 no tillage drill Fig.1-2 John Deere 1560 no tillage drill 总之，国外的保护性耕作已大型化、
10、系列化，形成了配套的农机具14。然而，由 于国外的免耕播种机其种植方式、土地条件和经济发展等因素与我国有明显不同，其 结构和工作性能均不能适应我国的生产条件， 但我们可以但借鉴参照其原理和联合作 业的需要进行研制和创新。 1.2.2 国内研究现状 我国保护性耕作技术和农机具的研究起步较晚，与国外比较起来有较大差距。我 国正处在从耕作制度到农机具的认知、发展、完善和推广阶段15。 20 世纪 90 年代初， 由原北京农业大学的胡鸿烈等人研究的 2BQM-6 气吸式免耕 播种机，采用的是双圆盘开沟器和四杆仿形机构，该机开沟深度比较稳定，是比较成 熟的免耕播种机。之后，张晋国、高焕文等人研制了带粉碎
11、装置的 2BMDY-4 型玉米 免耕播种机，为 4 行悬挂式，种肥垂直分施，具有较好的防堵功能16。由吉林省农机 院研制的 2BM4 免耕播种机适用于我国旱作农业地区的秸秆粉碎还田地、 秸秆覆盖 地和传统耕作地进行玉米的精密播种，能一次性完成开沟、深施肥、播种、覆土、镇 压等作业。该机的播种、施肥深度和行距均可调节，较为先进，但该机不具有碎茬功 能。山西新绛机械厂生产的 2BMF-4（2）型玉米免耕播种机，采用的是双圆盘分草 器， 可以避免开沟器的堵塞， 采用两个开沟器， 一个施肥， 一个下种， 间距在 810cm。 中国农业大学研制的 2BMQF-4C 轮齿拨草型玉米免耕施肥精播机，采用了尖
12、角形开 沟器，开沟窄、入土性能好、自动回土性好；种肥垂直分施，施肥量大，不烧种，种 3 4 肥分施间距调节方便17。 从目前情况看，免耕播种已经在我国得到一定的推广和应用，但是仍存在不成熟 的地方，不适应生产需要。国外免耕播种机虽比较成熟，却不适应我国的实际情况。 分析我国现有的播种机的使用情况，结合我国地块小、拖拉机动力小和我国农民购买 力低等状况知， 悬挂式小型免耕播种对我国比较实用。 为了满足我国实际生产的需要， 研制小型玉米免耕播种机是十分是必要的。 我们所研制的玉米免耕播种机是保护性耕作中的配套机具， 该机可以一次性完成 开沟、施肥、播种、覆土等一系列作业18。 1.3 本论文研究的
13、主要内容 玉米播种机总体方案的设计是在调研、了解、收集国内现有播种机及国外免耕播 种机基本性能和参数基础上，针对国内外现有机具的优缺点，吸取有关免耕机具的使 用经验，征求有关专家们的意见而确定的。 本论文主要分为五章对玉米播种机进行研究分析，从而得出优化的结构。 第一部分绪论主要针对该论文研究内容的来源、提出的背景、意义以及国内外免 耕播种机的研究现状作了阐述。列举了两种国外的免耕播种机，同时也介绍了我国的 免耕播种机研究现状，并阐述了保护性耕作实施的重要意义。 第二部分是整机的设计。根据玉米播种机的基本设计原则和机具要求，对玉米播 种机的排种器、开沟器、传动装置、覆土器以及地轮装置进行了分析
14、设计，得出了各 零部件的几何参数，为后续基于 Pro/E 的三维参数化建模提供了理论依据。 第三部分是采用三维参数化造型软件 Pro/E 对各零部件仿真建模，并装配各零部 件进行干涉检查。虚拟装配可以直观显示了玉米播种机中所有零部件的组装情况，为 实物装配路径的制定提供了参考，提高了设计速度。 第四部分是关键部件的有限元分析。 为了充分了解玉米播种机关键部件在作业过 程中的受力状况， 运用 ANSYS Workbench 11.0 对开沟铲和悬挂装置进行有限元分析， 找出薄弱部分并提出优化方案。 本文最后一章对全文进行总结和展望。 2 玉米播种机的零部件设计 2.1 玉米播种机的整机结构设计
15、2.1.1 整机设计原则和要求 （1）要结合我国农业机械马力小的特点和实际的农艺情况，来设计满足我国使 用需要的玉米播种机； （2）为了避免土壤被压实，要减少播种机进入土地的作业次数，采用复式作业， 将开沟、施肥、播种、镇压等工作一次性完成； （3）要求播种机有良好的仿形功能和稳定性，播量和播深均匀，具有播深调节 装置，能实现整体和微量的调节19； （4）要求做到种肥分施，避免烧苗，且种子与肥料之间至少有 3cm 厚度的垂直 土层； （5）要求播种机上要设计相应的镇压机构，以保证农田水分的要求，避免土壤 水分的流失； （6）为了方便作业和降低成本，要在满足功能要求和强度要求的前提下，尽量 将整
16、机结构设计紧凑，减轻整机的重量，节约使用材料，便于悬挂和田间运输20。 2.1.2 玉米播种机的结构及工作原理 本文所设计的玉米播种机采用三点悬挂挂接在小型拖拉机上，该机主要由种箱、 肥箱、机架、开沟器、排种器、排肥器、覆土器、地轮和挂接板等部分组成，具体结 构如图 2-1 所示。 机架用于支持整机及安装各种工作部件，用型钢焊接成框架式。播种机挂接板通 过与销孔与拖拉机实现挂结。开沟器和排种器间是可动连接，通过螺栓改变限深板的 上下位置可以调节两者的距离和高度。开沟器能够迅速破茬入土开沟，土层从下到上 顺序回落覆土，实现种肥垂直分层种施，保证种肥土壤间层。每个排肥器配置一个插 板，可以改变行距
17、21。 玉米播种机采用链传动装置,其主要工作可分为开沟，排种，覆土三个过程。地 轮通过链轮驱动排种（肥）轴，由排种（肥）盒排下种子顺着导种（肥）管、开沟器 播下种子（肥料） 。导肥管末端紧跟着开沟器铲尖，通过开沟器尖角部位开出种沟， 将经过排肥器、输肥管送至开沟器的肥料铺撒在沟底，实现深施化肥的目的。在开沟 器后角的作用下，肥沟沟壁回落覆土，覆土后种子落下，实现种肥垂直分层种施的目 的。紧接着由排种器、输种管送到开沟器的种子下落到种沟内，由链环式覆土器覆盖 种子，实现了湿土覆盖，有利于种子发芽出苗，至此完成播种作业。 5 图2-1 玉米播种机结构图 Fig.2-1 Structure of t
18、he corn planter 1开沟铲 2 地轮 3 肥箱 4 种箱 5 排种器 6 链条 7 覆土环 2.2 排种器设计 2.2.1 排种过程 排种器是播种机的主要工作部件之一，配置在种子箱底和开沟器上方。这里采用 的是外槽轮式排种器，其排量与工作长度成直线关系，主要靠改变槽轮工作长度来调 节播量，结构简单，容易制造，国内外已标准化。对大、小粒种子有较好的适应性， 广泛用于谷物条播机，亦可用于颗粒化肥、固体杀虫剂的排施。本设计中排种器和排 肥器用的都是外槽轮式排种器，它主要由排种盒、排种轴、外槽轮、阻塞套及毛刷刮 种器等组成。排种轴转动时，槽轮和内齿形挡圈一起转动，而阻塞套不转，阻塞套与
19、内齿形挡盘可防止种子从种子盒两个侧壁漏出22。 其排种过程是这样的， 种子在重力 场的作用下，由种箱进入排种盒内的槽轮凹槽，地轮通过链轮驱动排种轴，排种轴带 着槽轮和凹槽内的种子一起转动， 当凹槽运动到排种盒底部时， 种子从被排出排种盒， 顺着输种管落到种沟内23。未充入槽轮凹槽的种子，由毛刷刮种器留在排种盒内。排 种量的调整可以通过改变槽轮工作长度来实现，增大槽轮工作长度可以增大排种量。 2.2.2 排种器参数 影响外槽轮式排种器工作性能的参数有：槽轮转速、槽轮直径、工作长度、凹槽 断面形状和槽数等24。 6 槽轮直径过大，排种器尺寸增加，在相同播量下转速和工作长度就相应减小，这 会影响排种
20、均匀性；过小，同播量下就必须提高转速，会增高种子损伤率，在此选取 槽轮直径尺寸为 40mm25。 据试验表明，外槽轮排种器的槽轮适宜转速在 960r/min 范围内排量较稳定。 若转速过高，则槽轮外端线速度过大，对凹槽中的充种性能造成影响。据研究，当排 种器的槽轮转速高于 60r/min 时，充种性能明显降低。槽轮凹槽断面形状设计要便于 种子的充填和排出26。 根据此原则设计了槽轮截面形状设计成弓形， 以便于种子充填 和排出。凹槽的深度最浅不应小于种子厚度的 1/2，最深取种子厚度的 23 倍，槽数 的多少也关系到排种的均匀性和种子的损伤率，在此选择槽数为 6，槽轮的截面如图 2-2 所示。
21、图 2-2 外槽轮截面示意图 Fig.2-2 Section of outer groove-wheel 2.3 开沟器设计 2.3.1 开沟器布置 国内对免耕播种机的开沟器做了很多研究， 开沟器的结构型式直接影响播种机的 开沟和播种质量，对作物的出苗也有重要影响27。免耕播种机对开沟器的要求有： 入土能力强、对土壤扰动小、防堵性能好等。 播种幅宽应满足幅宽配套的要求， 即农具作业幅宽应大于或等于拖拉机轮子外廓 宽度，以避免拖拉机轮子压实已完成作业的地面，并保证农具可以作业到地边。各种 播种机一般按照开沟器梁长度 L 和行距 b 来确定行数 n28。 1/nbL (2-1) 7 在松散的土壤层
22、中移动时，开沟器前方会出现前丘，它均匀分布在开沟器前面和 两侧并与之相隔一定距离。开沟器通过土壤表面区域具有一定的形状，其纵向和横向 尺寸取决于开沟器的结构和土壤的状态。 开沟器前丘的宽度决定了同一排开沟器之间 的最小距离，因为必须保持相邻开沟器间距大于前丘宽度。当一排开沟器间距逐渐靠 近到前丘宽度时，开沟器前相邻的前丘会接合并且形成连续的小田埂，开沟器开始垄 土，种沟形成过程被破坏。开沟器之间的间距对种沟的形成和种子覆土过程有较大影 响，在此取开沟器的间距b=300mm，开沟器梁长度L=1200mm，将开沟器前后错开配 置排成两排，排间距取 400mm，播种机的行数 n=5。开沟器对称安装于
23、机组中心线， 为了防止堵塞播种机，开沟器呈前后错开排列。 图 2-3 开沟器示意图 Fig.2-3 Structure of the planter opener 1 开沟铲 2 导肥管 3 导种管 4 限深板 2.3.2 开沟铲选择 目前，我国常用的开沟器可分为滚动动式和移动式两大类。滚动式分为单圆盘和 双圆盘两种形式。 滚动式开沟器的通过性良好， 土壤扰动性小， 种沟深度变异系数小， 但需要较大的垂直压力，不适合于我国中小型播种机。移动式开沟器随机器的前进方 向平动，考铲尖部位与地面形成的一定夹角或者外加压力入土，破土能力强、回土性 能好、不易搅混土层，适于整地良好、地表杂物少且播种时土壤
24、墒情好的地区和轻便 型的播种机上使用29。 针对移动式开沟器的特点以及小型玉米播种机的需要， 在此我们选择的是为移动 式尖角开沟器，它以钢管做柄柱兼做种子导管，靠铲尖部位与地面形成一定的夹角或 8 外加压力入土， 两开沟面底面夹角为 30， 开出的种沟宽度为 34cm,开沟深度为 6 8cm。 2.4 传动装置设计 该播种机的地轮通过链传动驱动排种、排肥部件，它与带传动和齿轮传动相比的 主要主要优点是：没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比，传动效率较高； 链条不需要像带传动那样张得很紧，所以压轴力较小；能适应多尘、油污和高强度场 合等恶劣环境，在低速重载下较好工作。但链传动也有一些缺点：
25、如瞬时链速和瞬时 传动比不为常数，工作中有冲击和噪声，磨损后易发生跳齿，不宜在载荷变化很大和 急速反向的传动中应用等30。 链传动由两个链轮和绕在两轮上的中间挠性件链条所组成。 靠链条与链轮之间 的啮合来传递两平行轴之间的运动和动力，属于具有啮合性质的强迫传动。其中，应 用最广泛的是滚子链传动。 滚子链由内链板、外链板、销轴、套筒和滚子组成。销轴与外链板、套筒与内链 板分别用过盈配合联接。而销轴与套筒、滚子与套筒之间则为间隙配合，所以，当链 条与链轮轮齿啮合时，滚子与轮齿间基本上为滚动摩擦。套筒与销轴间、滚子与套筒 间为滑动摩擦。链板一般做成 8 字形，以使各截面接近等强度，并可减轻重量和运动
26、 时的惯性。 链条除了接头和链节外，各链节都是不可分离的。链的长度用链节数表示，为了 使链条连成环形时，正好是外链板与内链板相连接，所以链节数最好为偶数。 图 2-4 滚子链结构图 Fig.2-4 Structure of the roller chains 1 内链板 2 外链板 3 销轴 4 套筒 5 滚子 2.5 覆土器设计 开沟器只能使少量湿土覆盖种子，不能满足覆土厚度的要求，通常还需要在开沟 9 器后面安装覆土器。对覆土器的要求是覆土深度一致，在覆土时不改变种子在种沟内 的位置31。谷物条播机上常用的覆土器有链环式、拖杆式、弹齿式和爪盘式，本设计 中采用的是链环式覆土器，链环的直径为
27、 200mm，链环截面直径是 20mm。 2.6 地轮装置设计 在免耕播种机中，地轮不仅起到限深的作用，而且是排种、排肥的主动轮。因而 在设计时，地轮不仅要满足强度、刚度等机械性能要求，还要对地表的起伏有较强的 适应性，以免在地表高低不平的情况下，出现地轮被架空不能转动，造成种肥无法排 出的问题32。 刚性地轮在地面上稳定运动时的受力分析如下： 0 x RP （2-2） 0 y RG 0MaRrR ydx 其中，P牵引力 Rx 行走阻力 G轮轴载荷 Ry 垂直反力 rd地面反力作用点至轮心距离 r 地轮半径 Rya地轮滚动阻力矩 M 总阻力矩 图 2-5 地轮分析受力示意图 Fig.2-5 F
28、orce analysis of the ground wheel 设 rdr，由以上方程知：MGrRxa 我们知道总阻力矩是排种机构施加的， 必须使 Rxr 足够大， 克服 Ga+M 的力矩， 10 11 才能使地轮转动，带动排种机构排种。地轮半径越大，Rxr 增大，其转动越容易， 从而打滑率就越小，因此半径越大播种越均匀。为了减小地轮的打滑系数，在地轮上 还增加了抓地板。根据机具空间，将地轮直径设计为 300mm，宽度为 80mm。本机采用 的是同轴固定式铁轮。 2.7 玉米播种机的主要技术参数 表 2-1 玉米播种机主要参数 Tab.2-1 Main parameters of the
29、corn planter 外形尺寸（长宽高） （mm） 14201300900 机具质量（kg） 100 作业行数 5 行距（mm） 300 种子箱容积（L） 50 化肥箱容积（L） 50 播种深（cm） 68 种沟宽（cm） 34 2.8 本章小结 本章根据玉米播种机的基本设计原则和机具要求，对玉米播种机的排种器、开沟 器、传动装置、覆土器以及地轮装置进行了分析设计，得出了各零部件的几何参数， 为后续的参数化建模做下铺垫。 3 基于特征的玉米播种机虚拟建模及装配实践 3.1 虚拟样机技术 3.1.1 虚拟样机的产生 随着世界经济和科学技术的飞速发展，全球性市场竞争日益激烈。产品的消费结 构不
30、断向多元化、 个性化方向发展。 面对不断发展的市场需求， 企业为了提高竞争力， 必需尽快更新品种、进行创新性设计，缩短新产品的研发周期，提高产品设计质量， 降低产品研发成本33。 传统的基于物理样机的设计制造方式已无法满足这些要求。 在 这种迫切需要下，虚拟样机技术产生了。 传统的播种机设计过程要经过样机设计、样机试制、田间试验、改进设计、再试 制等多个步骤。这种设计方法存在的缺点有：产品研制周期长、成本高，机构参数只 能靠设计人员根据经验确定，在制造之前看不到零部件实物，许多问题只有在制造出 产品以后才能发现， 且不能进行预装配和干涉检验34。 运用虚拟样机技术不仅可以缩 短产品的开发周期，
31、降低开发成本，还可以提高设计精度，改善产品质量，增强产品 的竞争力。 3.1.2 虚拟样机概述 虚拟样机技术是为了解决传统的设计弊端，在产品开发过程中，利用现代计算机 仿真技术,在计算机上建造出产品的整体模型，预测产品的整体性能，改进产品设计 的一种技术35。使用该技术，工程师可以使用计算机软件对零部件进行特征建模，在 计算机上定义零部件间的连接关系并进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机。 然后在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动， 观察并试验各组成部件的相互运动情 况。使用这种方法可以在计算机上方便地修改设计缺陷，直至获得最优设计方案后， 再制造出物理样机。 虚拟样机技术以三维实体建模技
32、术、 动力学模拟仿真技术和有限元分析技术为核 心理论，利用三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，形成各零部件的设计 特征，是一种全新的研发设计方法36。 3.1.3 虚拟样机设计方案 结合本课题的设计步骤，概括出本课题的虚拟样机设计路线,如图3-1： 12 图 3-1 虚拟样机设计路线 Fig.3-1 Design route of the virtual prototype 3.2 Pro/E 软件介绍 工程上三维模型的建立，一般是为后续的各种类型分析做准备，因此为保证分析 结果的可靠性， 对三维几何模型的建立要求十分严格， 必须充分了解各零部件的形状、 结构及相对位置关系，严格按照实
33、际的尺寸进行建模。当然，在做分析时，可根据实 际情况对模型做适当简化。本章主要介绍选换档系统几何模型的建立及其虚拟装配， 为后续结构设计与分析提供依据。 大型工程软件如SolidWorks、Unigraphics、Pro/E等都具有功能相当完善的实体 建模模块，可以快速准确地完成复杂系统的实体建模。本课题根据客观条件及Pro/E 软件的特点，采用Pro/E 3.0进行播种机主要零部件及整机的三维实体建模37。 Pro/E 3.0是由美国参数技术公司PTC推出的一套三维参数化软件系统，它的内 容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿 真、工程图的输出、生产加工成
34、品的全过程，应用领域包括航天航空、汽车、机械、 数控加工、电子等诸多行业。 它的主要特点有:Pro/E的模块具有全相关性， 在产品开发过程中对某一处进行修 改，能够扩展到整个设计中,同时自动更新装配体、设计图纸以及制造数据所有的工 程文档，方便快捷；Pro/E使用用户熟悉的几何特征作为模型的构造要素，并且可以 13 通过修改这些特征参数来进行零部件的更新设计，方便易用；Pro/E便于装配管理， 它可以利用一些简单直观的命令，实现零件的装配，支持大型复杂装配体的构造和管 理，为工程设计人员的工作提供很大便利；Pro/E具有多种数据接口支持，如：IGES， DWG，STEP，STL，ASC等，可以
35、在CAD软件间轻松进行数据转换和传递38。 3.3 基于特征的参数化设计 CAD 技术从最初的二维视图到现在的特征造型， CAD 技术已经得到了显著的发展。 造型特征化使计算机辅助制造和生产管理实现真正的集成化成为可能。 在以Pro/E3.0为技术平台的零件实体建模技术中， 特征是组成零件实体模型的基 本元素，是描述产品信息的集合，也是设计或制造零部件的基本几何体。 虚拟设计中零件实体建模技术中的特征详细划分如图 3-2 所示： 图 3-2 特征分类图 草图特征 几何特征 直接生成特征 阵列特征 倒角特征 抽壳特征 拉伸特征 旋转特征 放样特征 扫描特征 辅助特征 特征 Fig.3-2 Fea
36、ture classification 3.3.1 辅助特征 辅助特征主要包括工作轴、工作平面、工作点、构造特征和特征管理树，是进行 基于特征的零件实体建模设计的辅助工具。 3.3.2 几何特征 根据创建方式的不同，几何特征可分为直接生成特征和草图特征39。 直接生成特征主要包括倒角特征、 肋板特征、 阵列特征、 镜像特征和抽壳特征等， 是直接在实体模型上创建的特征，是系统已定义好的参数化特征。直接生成特征的关 键是要进行特征定位和定义特征变量化。在建模时，只需进行特征定位和输入特征变 化量值即可形成该特征，大大提高了设计效率。草图特征是将草绘出二维轮廓线或横 截面进行拉伸、旋转、扫描和放样形
37、成的特征40。现列举利用抽壳特征和扫描特征完 成的零件图，如图 3-3，3-4 所示。 14 图 3-3 用抽壳特征完成的机架图 3-4 用扫描特征完成的圆环 Fig.3-3 Frame design used in shell feature tool Fig.3-4 Ring model design used in scan feature tool 3.4 基于特征的零件实体建模流程 基于特征的零件实体建模流程如图 3-5 所示。 图 3-5 零件实体建模流程图 Fig.3-5 Flow chart of part model design 3.5 零部件的实体建模 播种机的主要零部件
38、包括开沟器、排种器、机架、覆土器、种肥箱、地轮和传动 装置等，其主要零部件的实体建模如下41。 图 3-6 开沟器装配图 图 3-7 开沟器布置图 Fig.3-6 Assembly diagram of the furrower opener Fig.3-7 Diagram of the furrower opener location 15 图 3-8 排种器装配图 Fig.3-8 Assembly diagram of the seed sowing device 图 3-9 外槽轮模型 图 3-10 地轮装配图 Fig.3-9 Diagram of the fluted-wheel so
39、wer Fig.3-10 Assembly diagram of the ground wheel 图 3-11 链条装配图 Fig.3-11 Assembly diagram of the chain 16 图 3-12 覆土器装配图 Fig.3-12 Assembly diagram of the soil covering device 图 3-13 种肥箱三维图 Fig.3-13 Assembly diagram of the seed and fertilizer box 3.6 玉米播种机的虚拟装配 3.6.1 虚拟装配定义 虚拟装配就是将各零部件按照一定的设计关系组装在一起， 使
40、装配体能完成某一 项功能。虚拟装配采用计算机仿真与虚拟现实技术在计算机上仿真装配的全过程，实 现产品的工艺规划、加工制造，装配和调试42。虚拟装配允许设计人员考虑可行的 装配序列，自动生成装配规划，使产品的制造向着自动化、数字化的方向发展， 虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。 17 在Pro/E中，零件装配是通过定义零件模型之间的装配约束关系来实现的。对于 复杂装配体的虚拟装配设计，首先要通过对复杂系统进行结构分析，将其分解成若干 功能模块，分别进行装配。虚拟装配的顺序则是按照复杂系统划分的逆序进行，即先 装配最底层最简单的子系统，然后将其作为一个整体装配到上一个较为复杂的模块。 最后
41、完成总装配和干涉检验，一进一步检测虚拟装配的可靠性43。 目前，产品的装配设计有两种方法：一种是自底向上的设计，即先完成零部件的 实体造型， 然后装配成产品； 另一种是自顶向下的设计， 即从产品的功能的要求出发， 先进行概念设计，然后进行装配结构设计，建立起约束驱动的产品设计模型，通过约 束求解，获得满足功能要求的产品设计。 3.6.2 玉米播种机的虚拟装配方法 对于复杂装配体的虚拟装配设计，首先要对复杂系统进行结构分析，将其分解成 若干个功能模块，然后分别进行装配。若某些功能模块结构仍较复杂，可重复分解， 直至得到一系列简单的子系统。虚拟装配的顺序是先装配最底层也是最简单的子系 统，然后将其
42、作为一个整体装配到上一个较为复杂的功能模块。按照此法，分别完成 各功能模块的装配，最后完成总装和干涉检验，以进一步检测虚拟装配的可靠性。此 装配方法，经实践检验，可有效地提高设计和装配效率。 在现实中用铆接、焊接、螺栓连接等方式来实现装配，而虚拟装配则采用面与面 之间的对齐、匹配、垂直以及销钉连接、圆柱连接、槽连接等装配关系来实现44。在 虚拟装配过程中应注意零件之间的约束关系，考虑零件在装配后应有的自由度，装配 的结果直接影响后续的有限元分析和动态仿真。 基于以上的分析和讨论，作者在玉米播种机的设计过程中，采用了自底向上的装 配方法。在虚拟装配前，首先对其进行结构分析，其系统的主要组成模块如
43、图3-14 所示；其次，完成开沟器、排种器、机架和地轮等全部零件设计和建模，然后分别独 立完成其虚拟装配，并保存为相应组件，这就完成了系统最底层的虚拟装配；最后将 各个模块的装配体汇总装配即可。玉米播种机总装配如图 3-15 所示45。 18 玉米播种机 开 沟 器 机 架 覆 土 器 排 种 排 肥 器 排 种 排 肥 槽 轮 内 齿 形 挡 盘 限 深 板 导 种 导 肥 管 开 沟 铲 地 轮 种 肥 箱 排 种 盒 传 动 装 置 图 3-14 玉米播种机组成模块图 Fig.3-14 Module form of the corn planter 图 3-15 玉米播种机总装配图 Fi
44、g.3-15 Assembly diagram of the corn planter 3.7 动态干涉检查 干涉检查是对虚拟装配效果的有效评价， 对播种机装配体进行干涉检查可初步评 价其结构设计是否合理，若无干涉则可以在现实中完成装配，否则需要通过公差分析 来检验零件的干涉情况。发现问题时，可对模型进行修改，直到或得满意的结果，并 可动态模拟装配体上零件的运动效果。 通过虚拟装配可以及早的发现并以较小的代价 19 20 解决来解决问题。 在Pro/E 3.0平台上，通过对各部件的运动分析，利用干涉检查工具对播种机装 配体进行全局干涉检查， 发现整机运转正常， 未出现有干涉的区域， 表明不存在
45、干涉， 整机结构设计合理，只要各零件在加工时工艺得到保证就可以顺利的完成现场装配。 3.8 本章小结 本章首先介绍了虚拟样机的基本知识和基于特征的实体建模方法， 然后对玉米播 种机进行零部件虚拟设计，最后完成了虚拟装配设计和干涉检查。以较直观的方式显 示了玉米播种机中零部件的组装状况，优化了装配路径，有效的提高了设计速度。 4 有限元法 4.1 有限元技术简介 4.1.1 有限元的定义 有限元法的基本概念是用简单问题来代替复杂问题后再进行求解， 它将求解域看 成是由有限个的互连的单元组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解 这个域总的满足条件，从而得到问题的解。实践证明，这是一种有效
46、的数值分析方法 46。 有限元的核心思想是将实际结构离散为有限个规则的单元， 且单元间相互连接在 有限个节点上，承受等效的节点载荷。采用离散化的方法可以将无限自由度的求解问 题转化为有限自由度的问题， 再根据平衡条件和变形协调条件把离散化的单元重新组 合起来，最后建立数学方程求得有限自由度的解。运用此种方法可以解决许多采用理 论分析无法求解的复杂工程问题47。 理论研究证明， 只要将结构对象离散为足够小的 单元，有限元求解结果就能精确地逼近真实解48。 4.1.2 ANSYS软件的特点 当今世界上的主流有限元分析软件有：ABAQUS、ADINA、ANSYS、COMOS 等产品。ABAQUS定位
47、于结构的非线性分析，具有强大的非线性分析功能，但 ABAQUS的通用性和图形用户界面不如ANSYS好。ADINA是一个古老的有限元软 件,它只有基本的计算功能，没有前后处理。COSMOS号称为世界上最快的有限元分 析软件，其中的COSMOSWorks、COSMOSMotion、COSMOSFloworks等模块都做 为标准插件集成在SolidWorks中，本文中的三维建模是在Pro/E3.0的基础上，不适 合采用此种分析软件。本文采用的是与Pro/E3.0有无缝接口的ANSYS Workbench 11.0。 ANSYS是CAE领域较为领先的软件公司49。ANSYS主要用于结构、流体、电 场、
48、磁场及声场等物理独立或耦合分析,功能强大、应用广泛、便于学习和使用，是 一个优秀的有限元分析软件。软件提供的分析类型有：结构静力学分析、结构动力学 分析、结构非线性分析、电磁场分析、热分析、流体动力学分析、声场分析等，为广 大工程设计人员提供了一个很好的设计分析平台50。它主要具有以下特点： (1)它可以与大多数CAD软件接口，实现数据的传递和交换，如CATIA、Pro/E、 SolidWorks、AutoCAD等，是现代产品中的高级CAD工具之一。 (2)ANSYS分析软件具有直接求解器， 可计算出线性联立方程组的精确解， 如波 前求解器。ANSYS还提供了一个既可以用于线性分析又可以用于非线性分析的稀疏 21 矩阵求解器，它在既要求求解精度又要求求解时间的静态及瞬态分析中，可替代迭代 求解器。与波前求解器和其它直接求解器相比，稀疏矩阵求解器能够显著提高求解速 度。 (3) ANSYS分析软件主要包括前处理模块、求解模块和后处理模块这三个部分。 前处理模块主要实现三项功能，即参数定义、实体建模及网格划分工具。 求解模块可以完成对已生成的有限元模型进行分析