0 引言

    挖掘是馬鈴薯收獲過程的首要工序，挖掘鏟是馬鈴薯收獲機的關鍵部件之一，其性能參數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，才能降低傷署率和牽引阻力，同時提高挖凈率、明薯率及挖掘效率。因此，國內外學者在進行挖掘鏟研究和設計過程中的難題之一是如何降低挖掘阻力。近些年，國內很多單位都在研究設計挖掘鏟，設計手段多采用CAD二維設計，在完成挖掘鏟參數優化設計后，如果進行產品改型和改進設計則比較困難。鑒于此，利用三維參數化設計軟件CATIA對挖掘鏟進行參數化設計，構建馬鈴薯挖掘鏟的性能參數，從而更加清晰地表達實物。由于所建模型的參數能很好地反應馬鈴薯挖掘鏟的特征參數，在實際設計過程中，可以根據設計需要，利用所建立挖掘鏟模型的參數、公式等特征驅動三維圖形，及時方便地更改零部件的設計圖紙，以解決傳統CAD二維設計中的諸多不足，提高挖掘鏟改進設計效率。

1 挖掘鏟設計參數

    馬鈴薯挖掘機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計為鈍角，目的是降低挖掘時的無效動力消耗，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，土壤在鏟刃上的滑切力應能克服摩擦力，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，Ff=Ntgφ；φ為摩擦角。

    根據摩擦定律可知：Ff=Ntgφ，N=Pcos(90°-γ)。

    由上式推導得：γ<90°-φ。

    對于挖掘鏟所使用的鋼質材料，一般土壤所對應的摩擦角為φ= 26. 5°～ 35°，因此，本文選取γ=50°。

    對圖1(b)進行受力分析，可求出挖掘鏟的傾角δ、長度L等參數。如果忽略不計土壤的純切削阻力，則

    式中W-機具牽引力；

    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；

    S-挖掘鏟面積(cm2)；

    Ca-土壤附著力因數(N/cm2)。

    根據試驗地具體數據可計算得到挖掘鏟的傾角δ。

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

圖2 挖掘鏟模型的特征參數圖

    由農藝條件可知：當挖掘深度為15～18cm時，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。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中挖掘鏟結構參數化設計

    2.1 鏟片的基本參數

    本文所設計的挖掘鏟是由多片鏟片共同安裝構成，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量，防止挖掘鏟鏟尖的下陷。根據上述計算得到的挖掘鏟鏟片的基本參數，在CATIA中構建鏟片的基本參數包括鏟厚H、鏟的長度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)左側特征樹中，鏟片模型定義時的尺寸特征參數及相應的公式都由CATIA自動提煉出來。如需改變鏟片的設計寬度，只需雙擊特征數中“鏟寬度B”，改變其數值即可完成設計更改。“鏟寬度B”即為設計者在設計鏟寬時在草圖中建立的尺寸約束值，而相應的鏟片上安裝孔的位置則由特征樹中的公式(9)～(11)確定，它隨著“鏟寬度B”的修改而自動驅動模型改變孔的安裝位置。

    2.2 鏟片安裝位置的計算

    根據馬鈴薯收獲機的設計要求，挖掘鏟架在設計中保持整體長度L3不變。如圖3(a)所示，如果設計過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為橫梁安裝長度，設鏟片與鏟片之間的間距為L7，挖掘鏟鏟數為k，則挖掘鏟的安裝位置計算公式為L5=L5+L8，L6=B+L7。

    其中，L8=(L3-2L4-2L5)-K(B+L7)(L8為在計算陣列數時余下的長度)；K=(L3-2/4-2L5)/(B+L7)(K取整數)；B，L，L1，L2，d，α，β，L3，L4，L5根據設計所需附值。

    完成上述用戶參數定義及公式編輯后，如果改變特征參數“鏟寬度B”的值，則鏟片固定架的安裝孔位置將根據f(x)建立的公式進行參數驅動，進而改變鏟架的結構尺寸。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計后，利用CATIA的裝配設計模塊可完成挖掘鏟的總裝，利用總裝模型可進行結構干涉及模型靜力學分析。圖4所示是鏟寬分別為8cm與13cm時的挖掘鏟總裝模型，該模型的改變只需在鏟片模型（見圖2）中更改“鏟寬度B”的值即可實現。

圖4 挖掘鏟總成裝配圖

3 結論

    挖掘鏟的性能參數需要根據土壤和鏟體的動力學模擬分析以及大量的田間試驗才能達到最優的設計值。因此，在設計中常需根據工作條件及挖掘要求進行參數更改，利用CATIA軟件中可視化工具建立挖掘鏟三維參數化模型的方法，能夠方便地調整設計參數以驅動模型變化。裝配設計模塊實現了產品的預裝配，可以完成結構的干涉分析，提高了產品改型和改進設計的效率。

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本文標題：基于CATIA的馬鈴薯挖掘鏟參數化建模

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