農業(yè)機械結構設計中的軟件應用

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摘要：機械專業(yè)中的不少學科都有專門的軟件來輔佐進行分析設計。農業(yè)機械結構設計的主要任務和重點工作傳動系統(tǒng)設計。目前傳動系統(tǒng)設計的傳統(tǒng)方法及主要問題。介紹齒輪傳動系統(tǒng)設計的相關軟件，采用專業(yè)的設計軟件有助于提高工作效率、首次成功率和設計水平。

關鍵詞：結構設計；傳動系統(tǒng)設計；設計軟件

0引言

我們處的信息時代，很多專業(yè)都有專門的軟件來輔佐我們進行分析設計，機械專業(yè)中的不少學科也是如此。例如，對于“機械制圖”，有AUTOCADMECHANICAL，UG，PRO/E，SOLIDWORKS，CATIA，INVENTOR，CAXA等一堆軟件來輔佐我們繪圖；對于“機械原理”和“理論力學”，有ADAMS來輔助我們做機械系統(tǒng)的動力學分析，做方案設計；對于“材料力學”，有NASTRAN，ABAQUS，ANSYS等軟件來進行構件的強度剛度分析；對于“流體力學”，有CFX，F(xiàn)LUENT，ADINA等軟件進行流體的壓力，速度計算，那么對于農業(yè)機械設計，是否有相關的軟件來幫助我們進行結構設計。

1農業(yè)機械結構設計的主要任務

要弄清楚這一點，我們首先需要知道，農業(yè)機械設備開發(fā)設計過程中涉及哪些零部件，從而看看軟件可以為它提供哪些服務。機械設計主要談到四類零部件的設計。

1.1傳動件的設計

就是齒輪、鏈輪、帶輪、摩擦輪這一套。我們知道，一般機器由四部分構成：動力部分、執(zhí)行部分、傳動部分和控制部分。動力部分一般就是發(fā)動機或電機，而執(zhí)行部分主要考察“機械原理”，控制部分則涉及到電氣的相關知識，那么傳動部分呢？這就是“機械設計”的任務了。由于機械傳動在農業(yè)機械設備中占據(jù)著重要的位置，所以傳動件的設計占據(jù)了機械設計中一大部分的工作內容。

1.2軸系的設計

由于上述傳動件總是要安裝在軸上，而軸則通過軸承與機架相連。因此軸的設計以及滾動軸承、滑動軸承的選擇也就必不可少了，這也成為“機械設計”的重要內容。

1.3聯(lián)接件的設計

軸與軸上的傳動件該如何聯(lián)接呢？這就是所謂的軸轂聯(lián)接的問題，鍵和花鍵是最常見的軸轂聯(lián)接方式。實際上聯(lián)接不僅發(fā)生在軸與其上的傳動件之間，還發(fā)生在很多地方。只要兩個零件要發(fā)生關系，就需要進行聯(lián)接。這種聯(lián)接總體上分為可拆聯(lián)接和不可拆聯(lián)接。螺紋聯(lián)接就是可拆聯(lián)接中最常見的一種。而焊接、鉚接、粘接則成為不可拆聯(lián)接的主要形式。這樣，軸轂聯(lián)接、螺紋聯(lián)接、焊接、鉚接、粘接就成了構成聯(lián)接件設計的主要組成部分。

1.4其它零部件的設計

包括結構件（機架、箱體等）的設計，還有彈簧的設計，聯(lián)軸器，離合器，制動器，密封等問題。在上述四種內容中，傳動件的設計和軸系的設計占據(jù)著重要地位，也成為機械設計的重點。

2傳動系統(tǒng)設計的傳統(tǒng)方法及主要問題

那么，在機械設計中，對于傳動件是如何設計的呢？仔細考察齒輪、鏈輪、帶輪的設計過程，我們就可以看到，其設計流程中雖然看似步步有計算，好像很嚴密，很有數(shù)學根據(jù)的樣子。但其實每一步幾乎都需要查表。我們需要查閱一堆堆的手冊，表格，曲線，才能得到一個可行解，并且需要反復多次求解。但是你若問一名機械設計師，該解是否最優(yōu)？他是沒有底氣的。實際上，按照機械設計中所談的設計程序，我們可能可以得到可行解，但是基本上不會是最優(yōu)解。而且，即便我們設計完畢，對于該傳動的力學性能，我們也是很茫然的，很多情況我們都是在憑經(jīng)驗設計的。而至于軸系的設計，主要包含兩個問題，第一是軸的設計，第二是軸承的選型。軸的設計首先根據(jù)扭矩和功率計算最小直徑，接著是結構設計。而結構設計完畢后需要進行強度剛度的校核。這需要在給定軸的受力及約束以后，使用材料力學的方法繪制其彎矩圖、扭矩圖，然后彎扭合成，計算其應力，進行疲勞強度的校核。在進行疲勞強度計算時，為了確定危險點的持久極限，同樣需要查閱一堆表格，來確定一些系數(shù)。軸承的選型則是根據(jù)其布置形式，由其承受的力來計算壽命?？梢?，在傳動系統(tǒng)設計過程中，無論是傳動件還是軸系的設計，都需要大量查表。查表是什么意思呢？那就是查表了，似乎沒有什么意思。但是我們要追問，表是從哪里來的？實際上，這些復雜的表格曲線，是大量試驗、經(jīng)驗所總結的結果。所以，我們明白了，傳統(tǒng)的設計方法是基于經(jīng)驗的設計，這就帶來幾個問題：1）只能得到可行解而非最優(yōu)解；2）對于設計的結果，其力學性能如何，我們心中無數(shù)；3）設計過程中的計算量巨大，占據(jù)了整個傳動系統(tǒng)設計的大部分時間。

3目前傳動系統(tǒng)設計的相關軟件

這些問題自始至終一直在困擾著我們，影響著我們的設計過程。通過查閱很多資料，并考察了一些國、內外齒輪設計類的相關軟件，發(fā)現(xiàn)了一些起步較早、相對先進的齒輪傳動系統(tǒng)設計類的軟件，目前主要有RomaxDesigner，KISSsoft，MASTA，ZGCAD等，應用在齒輪傳動系統(tǒng)虛擬樣機的設計、分析、優(yōu)化過程中，可為系統(tǒng)、齒輪、軸承、花鍵乃至包括載荷在內的整體傳動體系提供完整、全面的設計、分析，并以可視化的方法提供二維、三維結果。這些軟件在車輛、工程機械、風力發(fā)電等領域的齒輪傳動系統(tǒng)的設計中應用很廣。這些傳動系統(tǒng)設計軟件的應用可極大地避免手工設計的繁瑣計算和盲目性，不僅能大幅度提高設計效率，大大加速傳動系統(tǒng)的設計和開發(fā)流程，而且可以對結果進行精確的計算，能基于其高可靠性直接分析判斷創(chuàng)新結果的可行性，并基于此而做優(yōu)化設計，從而做到設計者對于所設計的結構心中有數(shù)。這些軟件主要功能有：完善的傳動件建模功能，多種分析與優(yōu)化功能（包括系統(tǒng)級的、零部件級別的），具有傳動系統(tǒng)整體的振動噪聲分析（NVH），有的具有齒輪制造模擬和分析功能。

4結語

隨著我國農業(yè)機械化全程全面發(fā)展的不斷推進，各種農業(yè)機械設備的需求越來越強勁，應用功能越來越多樣化，勢必機械結構也越來越復雜。為了加快各種農業(yè)機械設備的開發(fā)速度采用專業(yè)的設計軟件勢在必行，這將有助于提高農機產(chǎn)品開發(fā)的首次成功率，提高農機產(chǎn)品設計水平。

參考文獻

[1]邱宣懷等.機械設計（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1992.

[2]馬瑞伍，郭永.國內外齒輪設計軟件功能概述[A].全國小模數(shù)齒輪技術研討會論文集[C].2012：23-29.

作者：張燕剛 單位：常州漢森機械有限公司