0 引言

    挖掘是馬鈴薯收獲過(guò)程的首要工序，挖掘鏟是馬鈴薯收獲機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其性能參數(shù)直接影響馬鈴薯的挖掘性能和工作可靠性。只有正確選擇挖掘鏟的性能參數(shù)，才能降低傷署率和牽引阻力，同時(shí)提高挖凈率、明薯率及挖掘效率。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行挖掘鏟研究和設(shè)計(jì)過(guò)程中的難題之一是如何降低挖掘阻力。近些年，國(guó)內(nèi)很多單位都在研究設(shè)計(jì)挖掘鏟，設(shè)計(jì)手段多采用CAD二維設(shè)計(jì)，在完成挖掘鏟參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，如果進(jìn)行產(chǎn)品改型和改進(jìn)設(shè)計(jì)則比較困難。鑒于此，利用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件CATIA對(duì)挖掘鏟進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建馬鈴薯挖掘鏟的性能參數(shù)，從而更加清晰地表達(dá)實(shí)物。由于所建模型的參數(shù)能很好地反應(yīng)馬鈴薯挖掘鏟的特征參數(shù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要，利用所建立挖掘鏟模型的參數(shù)、公式等特征驅(qū)動(dòng)三維圖形，及時(shí)方便地更改零部件的設(shè)計(jì)圖紙，以解決傳統(tǒng)CAD二維設(shè)計(jì)中的諸多不足，提高挖掘鏟改進(jìn)設(shè)計(jì)效率。

1 挖掘鏟設(shè)計(jì)參數(shù)

    馬鈴薯挖掘機(jī)的挖掘裝置由鏟片及鏟片固定架等組成。挖掘鏟的鏟尖角度通常設(shè)計(jì)為鈍角，目的是降低挖掘時(shí)的無(wú)效動(dòng)力消耗，減小挖掘鏟的鏟前入土深度，如圖1確定。

圖1 挖掘鏟受力分析

    挖掘鏟正常工作時(shí)，土壤在鏟刃上的滑切力應(yīng)能克服摩擦力，即

    其中，P為作用在鏟刃的阻力；Ff為土壤作用于鏟面的摩擦力，F(xiàn)f=Ntgφ；φ為摩擦角。

    根據(jù)摩擦定律可知：Ff=Ntgφ，N=Pcos(90°-γ)。

    由上式推導(dǎo)得：γ<90°-φ。

    對(duì)于挖掘鏟所使用的鋼質(zhì)材料，一般土壤所對(duì)應(yīng)的摩擦角為φ= 26. 5°～ 35°，因此，本文選取γ=50°。

    對(duì)圖1(b)進(jìn)行受力分析，可求出挖掘鏟的傾角δ、長(zhǎng)度L等參數(shù)。如果忽略不計(jì)土壤的純切削阻力，則

    式中W-機(jī)具牽引力；

    N-土壤作用于鏟面的法向載荷；

    Fa-土壤作用于鏟面的附著力；

    Ff-土壤作用于鏟面的摩擦力。

    式中μ1一壤與挖掘鏟摩擦因數(shù)；

    S-挖掘鏟面積(cm2)；

    Ca-土壤附著力因數(shù)(N/cm2)。

    根據(jù)試驗(yàn)地具體數(shù)據(jù)可計(jì)算得到挖掘鏟的傾角δ。

    如圖2(a)所示，挖掘鏟的長(zhǎng)度L可由挖掘深度h與挖掘鏟的傾角δ計(jì)算得到，即L=h/sinδ。

圖2 挖掘鏟模型的特征參數(shù)圖

    由農(nóng)藝條件可知：當(dāng)挖掘深度為15～18cm時(shí)，挖掘鏟才能在不損傷馬鈴薯的情況下將馬鈴薯完全從土壤里挖掘出來(lái)。本文選取h為17cm。馬鈴薯種植平均行距為40cm，故挖掘鏟的寬度B取40cm。

2 CATIA中挖掘鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)

    2.1 鏟片的基本參數(shù)

    本文所設(shè)計(jì)的挖掘鏟是由多片鏟片共同安裝構(gòu)成，鏟片與鏟片之間留有一定間隙，這樣可以減輕整體挖掘鏟的質(zhì)量，防止挖掘鏟鏟尖的下陷。根據(jù)上述計(jì)算得到的挖掘鏟鏟片的基本參數(shù)，在CATIA中構(gòu)建鏟片的基本參數(shù)包括鏟厚H、鏟的長(zhǎng)度L、鏟寬B、鏟刃傾角α、鏟刃斜角γ及其安裝固定孔的位置尺寸B1，L1，L2，如圖2(a)所示，建好的鏟片模型如圖2(b)所示。在圖2(b)左側(cè)特征樹(shù)中，鏟片模型定義時(shí)的尺寸特征參數(shù)及相應(yīng)的公式都由CATIA自動(dòng)提煉出來(lái)。如需改變鏟片的設(shè)計(jì)寬度，只需雙擊特征數(shù)中“鏟寬度B”，改變其數(shù)值即可完成設(shè)計(jì)更改。“鏟寬度B”即為設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)鏟寬時(shí)在草圖中建立的尺寸約束值，而相應(yīng)的鏟片上安裝孔的位置則由特征樹(shù)中的公式(9)～(11)確定，它隨著“鏟寬度B”的修改而自動(dòng)驅(qū)動(dòng)模型改變孔的安裝位置。

    2.2 鏟片安裝位置的計(jì)算

    根據(jù)馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)要求，挖掘鏟架在設(shè)計(jì)中保持整體長(zhǎng)度L3不變。如圖3(a)所示，如果設(shè)計(jì)過(guò)程中改變挖掘鏟的鏟片寬度B，則挖掘鏟的安裝位置將隨鏟片寬度B、鏟片安裝的起始位置L5及鏟片與鏟片安裝位置之間的距離L6而改變。圖3中，L4為橫梁安裝長(zhǎng)度，設(shè)鏟片與鏟片之間的間距為L(zhǎng)7，挖掘鏟鏟數(shù)為k，則挖掘鏟的安裝位置計(jì)算公式為L(zhǎng)5=L5+L8，L6=B+L7。

    其中，L8=(L3-2L4-2L5)-K(B+L7)(L8為在計(jì)算陣列數(shù)時(shí)余下的長(zhǎng)度)；K=(L3-2/4-2L5)/(B+L7)(K取整數(shù))；B，L，L1，L2，d，α，β，L3，L4，L5根據(jù)設(shè)計(jì)所需附值。

    完成上述用戶參數(shù)定義及公式編輯后，如果改變特征參數(shù)“鏟寬度B”的值，則鏟片固定架的安裝孔位置將根據(jù)f(x)建立的公式進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而改變鏟架的結(jié)構(gòu)尺寸。鏟架模型如圖3(b)所示。

圖3 挖掘鏟安裝位置示意圖

    完成鏟架與鏟片及連接件設(shè)計(jì)后，利用CATIA的裝配設(shè)計(jì)模塊可完成挖掘鏟的總裝，利用總裝模型可進(jìn)行結(jié)構(gòu)干涉及模型靜力學(xué)分析。圖4所示是鏟寬分別為8cm與13cm時(shí)的挖掘鏟總裝模型，該模型的改變只需在鏟片模型（見(jiàn)圖2）中更改“鏟寬度B”的值即可實(shí)現(xiàn)。

圖4 挖掘鏟總成裝配圖

3 結(jié)論

    挖掘鏟的性能參數(shù)需要根據(jù)土壤和鏟體的動(dòng)力學(xué)模擬分析以及大量的田間試驗(yàn)才能達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)值。因此，在設(shè)計(jì)中常需根據(jù)工作條件及挖掘要求進(jìn)行參數(shù)更改，利用CATIA軟件中可視化工具建立挖掘鏟三維參數(shù)化模型的方法，能夠方便地調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以驅(qū)動(dòng)模型變化。裝配設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的預(yù)裝配，可以完成結(jié)構(gòu)的干涉分析，提高了產(chǎn)品改型和改進(jìn)設(shè)計(jì)的效率。

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本文標(biāo)題：基于CATIA的馬鈴薯挖掘鏟參數(shù)化建模

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