農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的軟件應(yīng)用

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摘要：機(jī)械專業(yè)中的不少學(xué)科都有專門(mén)的軟件來(lái)輔佐進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和重點(diǎn)工作傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法及主要問(wèn)題。介紹齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件，采用專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件有助于提高工作效率、首次成功率和設(shè)計(jì)水平。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)軟件

0引言

我們處的信息時(shí)代，很多專業(yè)都有專門(mén)的軟件來(lái)輔佐我們進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，機(jī)械專業(yè)中的不少學(xué)科也是如此。例如，對(duì)于“機(jī)械制圖”，有AUTOCADMECHANICAL，UG，PRO/E，SOLIDWORKS，CATIA，INVENTOR，CAXA等一堆軟件來(lái)輔佐我們繪圖；對(duì)于“機(jī)械原理”和“理論力學(xué)”，有ADAMS來(lái)輔助我們做機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，做方案設(shè)計(jì)；對(duì)于“材料力學(xué)”，有NASTRAN，ABAQUS，ANSYS等軟件來(lái)進(jìn)行構(gòu)件的強(qiáng)度剛度分析；對(duì)于“流體力學(xué)”，有CFX，F(xiàn)LUENT，ADINA等軟件進(jìn)行流體的壓力，速度計(jì)算，那么對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)，是否有相關(guān)的軟件來(lái)幫助我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呢？

1農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)

要弄清楚這一點(diǎn)，我們首先需要知道，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)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(wù)。農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在做什么呢？機(jī)械設(shè)計(jì)主要談到四類零部件的設(shè)計(jì)。1）傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)。就是齒輪、鏈輪、帶輪、摩擦輪這一套。我們知道，一般機(jī)器由四部分構(gòu)成：動(dòng)力部分、執(zhí)行部分、傳動(dòng)部分和控制部分。動(dòng)力部分一般就是發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)，而執(zhí)行部分主要考察“機(jī)械原理”，控制部分則涉及到電氣的相關(guān)知識(shí)，那么傳動(dòng)部分呢？這就是“機(jī)械設(shè)計(jì)”的任務(wù)了。由于機(jī)械傳動(dòng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備中占據(jù)著重要的位置，所以傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)占據(jù)了機(jī)械設(shè)計(jì)中一大部分的工作內(nèi)容。2）軸系的設(shè)計(jì)。由于上述傳動(dòng)件總是要安裝在軸上，而軸則通過(guò)軸承與機(jī)架相連。因此軸的設(shè)計(jì)以及滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承的選擇也就必不可少了，這也成為“機(jī)械設(shè)計(jì)”的重要內(nèi)容。3）聯(lián)接件的設(shè)計(jì)。軸與軸上的傳動(dòng)件該如何聯(lián)接呢？這就是所謂的軸轂聯(lián)接的問(wèn)題，鍵和花鍵是最常見(jiàn)的軸轂聯(lián)接方式。實(shí)際上聯(lián)接不僅發(fā)生在軸與其上的傳動(dòng)件之間，還發(fā)生在很多地方。只要兩個(gè)零件要發(fā)生關(guān)系，就需要進(jìn)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(jiàn)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(gòu)成聯(lián)接件設(shè)計(jì)的主要組成部分。4）其它零部件的設(shè)計(jì)。包括結(jié)構(gòu)件（機(jī)架、箱體等）的設(shè)計(jì)，還有彈簧的設(shè)計(jì)，聯(lián)軸器，離合器，制動(dòng)器，密封等問(wèn)題。在上述四種內(nèi)容中，傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)和軸系的設(shè)計(jì)占據(jù)著重要地位，也成為機(jī)械設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法及主要問(wèn)題

那么，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，對(duì)于傳動(dòng)件是如何設(shè)計(jì)的呢？仔細(xì)考察齒輪、鏈輪、帶輪的設(shè)計(jì)過(guò)程，我們就可以看到，其設(shè)計(jì)流程中雖然看似步步有計(jì)算，好像很?chē)?yán)密，很有數(shù)學(xué)根據(jù)的樣子。但其實(shí)每一步幾乎都需要查表。我們需要查閱一堆堆的手冊(cè)，表格，曲線，才能得到一個(gè)可行解，并且需要反復(fù)多次求解。但是你若問(wèn)一名機(jī)械設(shè)計(jì)師，該解是否最優(yōu)？他是沒(méi)有底氣的。實(shí)際上，按照機(jī)械設(shè)計(jì)中所談的設(shè)計(jì)程序，我們可能可以得到可行解，但是基本上不會(huì)是最優(yōu)解。而且，即便我們?cè)O(shè)計(jì)完畢，對(duì)于該傳動(dòng)的力學(xué)性能，我們也是很茫然的，很多情況我們都是在憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的。而至于軸系的設(shè)計(jì)，主要包含兩個(gè)問(wèn)題，第一是軸的設(shè)計(jì)，第二是軸承的選型。軸的設(shè)計(jì)首先根據(jù)扭矩和功率計(jì)算最小直徑，接著是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后需要進(jìn)行強(qiáng)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(xué)的方法繪制其彎矩圖、扭矩圖，然后彎扭合成，計(jì)算其應(yīng)力，進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的校核。在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，為了確定危險(xiǎn)點(diǎn)的持久極限，同樣需要查閱一堆表格，來(lái)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(lái)計(jì)算壽命?？梢?jiàn)，在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)論是傳動(dòng)件還是軸系的設(shè)計(jì)，都需要大量查表。查表是什么意思呢？那就是查表了，似乎沒(méi)有什么意思。但是我們要追問(wèn)，表是從哪里來(lái)的？實(shí)際上，這些復(fù)雜的表格曲線，是大量試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)所總結(jié)的結(jié)果。所以，我們明白了，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，這就帶來(lái)幾個(gè)問(wèn)題：1）只能得到可行解而非最優(yōu)解；2）對(duì)于設(shè)計(jì)的結(jié)果，其力學(xué)性能如何，我們心中無(wú)數(shù)；3）設(shè)計(jì)過(guò)程中的計(jì)算量巨大，占據(jù)了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大部分時(shí)間。

3目前傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件

這些問(wèn)題自始自終一直在困擾著我們，影響著我們的設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)查閱很多資料，并考察了一些國(guó)、內(nèi)外齒輪設(shè)計(jì)類的相關(guān)軟件，發(fā)現(xiàn)了一些起步較早、相對(duì)先進(jìn)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)類的軟件，目前主要有RomaxDesigner，KISSsoft，MASTA，ZGCAD等，應(yīng)用在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化過(guò)程中，可為系統(tǒng)、齒輪、軸承、花鍵乃至包括載荷在內(nèi)的整體傳動(dòng)體系提供完整、全面的設(shè)計(jì)、分析，并以可視化的方法提供二維、三維結(jié)果。這些軟件在車(chē)輛、工程機(jī)械、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用很廣。這些傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用可極大地避免手工設(shè)計(jì)的繁瑣計(jì)算和盲目性，不僅能大幅度提高設(shè)計(jì)效率，大大加速傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)流程，而且可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行精確的計(jì)算，能基于其高可靠性直接分析判斷創(chuàng)新結(jié)果的可行性，并基于此而做優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而做到設(shè)計(jì)者對(duì)于所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)心中有數(shù)。這些軟件主要功能有：完善的傳動(dòng)件建模功能，多種分析與優(yōu)化功能（包括系統(tǒng)級(jí)的、零部件級(jí)別的），具有傳動(dòng)系統(tǒng)整體的振動(dòng)噪聲分析（NVH），有的具有齒輪制造模擬和分析功能。

4結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化全程全面發(fā)展的不斷推進(jìn)，各種農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的需求越來(lái)越強(qiáng)勁，應(yīng)用功能越來(lái)越多樣化，勢(shì)必機(jī)械結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。為了加快各種農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的開(kāi)發(fā)速度采用專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件勢(shì)在必行，這將有助于提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的首次成功率，提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]邱宣懷等.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].（第三版）.北京：高等教育出版社，1992.

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作者：張燕剛 單位：常州漢森機(jī)械有限公司