甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 趙彥軍

1 我國(guó)農(nóng)機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外農(nóng)機(jī)技術(shù)仍處于機(jī)械化階段

國(guó)外農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展速度快、水平高，目前由從糧食種植到收割的全過程機(jī)械化向高智能的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)種植發(fā)展[1]。

當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備技術(shù)發(fā)展速度慢，個(gè)別地區(qū)還處于人畜耕作和農(nóng)機(jī)種植的混合模式。部分發(fā)達(dá)地區(qū)正處于機(jī)械化種植階段，專家學(xué)者正在致力于將智控技術(shù)及北斗導(dǎo)航技術(shù)引入未來農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，使其向著以信息技術(shù)為核心的智能化農(nóng)機(jī)領(lǐng)域發(fā)展。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備制造領(lǐng)域還存在著基礎(chǔ)共性技術(shù)薄弱、農(nóng)機(jī)制造企業(yè)的設(shè)計(jì)水平低下、產(chǎn)品知名品牌不多、核心競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)等問題[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年我國(guó)農(nóng)業(yè)綜合機(jī)械化率69%，機(jī)耕率、機(jī)播率、機(jī)收率84%、56%和61%，農(nóng)業(yè)機(jī)械化在逐漸普及。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已從主要依靠人力畜力轉(zhuǎn)向主要依靠機(jī)械動(dòng)力，進(jìn)入了以機(jī)械化為主導(dǎo)的新階段[3]。

1.2 農(nóng)民購(gòu)置農(nóng)機(jī)意愿不強(qiáng)烈

現(xiàn)階段，我國(guó)部分農(nóng)產(chǎn)品在具體的生產(chǎn)作業(yè)過程中所配備的農(nóng)機(jī)裝備有著很大的差異，從整體上來看，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度和質(zhì)量都不夠高，機(jī)械化水平與農(nóng)作物生產(chǎn)需求不夠吻合，不能有效滿足具體要求，導(dǎo)致農(nóng)民購(gòu)置農(nóng)機(jī)意愿不強(qiáng)烈[4]。

農(nóng)機(jī)設(shè)備更新速度緩慢，設(shè)備柔性化功能欠缺，不能較好地滿足不同地域、面積、作物及農(nóng)耕階段的需求，通用性較差，尤其在全自動(dòng)化、智能作業(yè)化程度上有明顯的短板，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械與自動(dòng)化技術(shù)的融合程度還比較低，農(nóng)民不愿購(gòu)買[5]。

購(gòu)置一輛小型農(nóng)機(jī)所需費(fèi)用約1 萬元以上，加上燃油價(jià)格持續(xù)上漲，農(nóng)用車使用成本大幅增加，致使農(nóng)民購(gòu)買力不足，農(nóng)機(jī)銷售不暢，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度推廣緩慢。

據(jù)調(diào)查顯示[6]，農(nóng)民購(gòu)買農(nóng)機(jī)時(shí)最先考慮的因素是農(nóng)機(jī)功能實(shí)用性、農(nóng)機(jī)價(jià)格、農(nóng)機(jī)品質(zhì)。其中農(nóng)機(jī)的實(shí)用性，也就是農(nóng)機(jī)能否減輕農(nóng)民勞動(dòng)力，解決生產(chǎn)需求，有無很好的利用率和性價(jià)比是農(nóng)民最關(guān)心、最能吸引農(nóng)民購(gòu)買欲望的主要因素。當(dāng)前，部分農(nóng)機(jī)功能單一、利用率低且價(jià)格昂貴，這也制約了農(nóng)民購(gòu)買農(nóng)機(jī)的意愿。

傳統(tǒng)的人畜耕作效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度高（圖1）。由于養(yǎng)殖牲畜所需成本較低、利用率高，所以這種耕作方式多年來一直受農(nóng)戶青睞，沿用至今。（圖2）所示的農(nóng)機(jī)耕作，雖能減輕體力勞動(dòng)，但其購(gòu)置成本高功能單一，長(zhǎng)期處于閑置狀態(tài)，并未普及。

圖1 傳統(tǒng)的人畜耕作

圖2 小型農(nóng)機(jī)耕作

1.3 科研成果稀缺

當(dāng)前，在我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，越來越需要農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，而很多機(jī)械設(shè)備有著特別長(zhǎng)的研發(fā)周期，滿足需求的農(nóng)機(jī)投產(chǎn)緩慢[7]。另外，農(nóng)業(yè)方面科研投入相對(duì)薄弱，科研成果較少，故而滿足農(nóng)戶需求的新型農(nóng)機(jī)稀缺。

2 多功能農(nóng)機(jī)研發(fā)可行性分析

《中華人民共和國(guó)道路交通安全法》于2004 年5 月1 日開始明確定義了農(nóng)用機(jī)動(dòng)車的稱謂問題，結(jié)合其功能且綜合考慮使用安全的基礎(chǔ)上，將農(nóng)用三輪車命名為“三輪汽車”，納入交通安全管理。

本文中多功能農(nóng)機(jī)的研發(fā)，是在以農(nóng)民廣泛應(yīng)用的三輪汽車為主機(jī)的基礎(chǔ)上，在不改變?nèi)喥嚂r(shí)速及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)前提下，研制具有耕地、播種、噴霧、除草等相應(yīng)功能的輔機(jī)。日常應(yīng)用中，只需在從事某項(xiàng)農(nóng)業(yè)種植工作時(shí)，在主機(jī)三輪汽車上安裝配套的輔機(jī)即可。如此，原來功能單一的農(nóng)具用動(dòng)力源、運(yùn)輸及傳動(dòng)裝置都將依托三輪汽車動(dòng)力源、運(yùn)輸及傳動(dòng)裝置來完成，這便在極大程度上減少了因制造動(dòng)力源、運(yùn)輸及傳動(dòng)裝置產(chǎn)生的材料消耗及農(nóng)民重復(fù)購(gòu)置它們的成本，同時(shí)主機(jī)的利用率將大幅提高。隨著三輪汽車功能的增強(qiáng)及其性價(jià)比的提高，農(nóng)民購(gòu)置農(nóng)機(jī)的需求將隨之提高，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度也將呈現(xiàn)生機(jī)勃勃的發(fā)展態(tài)勢(shì)，故本文研究多功能農(nóng)機(jī)的設(shè)想是可行的。

2.1 技術(shù)可行性分析

關(guān)于農(nóng)用三輪車上使用配套農(nóng)具的動(dòng)力輸出問題和給農(nóng)用三輪車增添撒肥機(jī)功能的改造已有學(xué)者進(jìn)行了研究，并成功申請(qǐng)了相關(guān)專利[8，9]。目前，相關(guān)企業(yè)已生產(chǎn)出了多功能生活用三輪汽車。所以，研制多功能新型農(nóng)用三輪汽車是完全可行的。

2.2 研究路線

為確保成功研制出多功能農(nóng)用三輪汽車，特制定如圖3 所示研究路線，以促使研究過程有序、合理開展。本研究路線中，只要最終樣機(jī)能滿足安全、易操控、利用率高、性價(jià)比高的特點(diǎn)，農(nóng)機(jī)研發(fā)即為成功，否則重復(fù)進(jìn)行多功能三輪汽車的研制及輔機(jī)優(yōu)化，直至滿足要求即可。

2.3 研究方法及內(nèi)容

①研究初期先調(diào)查農(nóng)業(yè)種植工作現(xiàn)狀及農(nóng)民對(duì)所需農(nóng)機(jī)設(shè)備的要求。②在學(xué)習(xí)相關(guān)工具書并查閱對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)資料，借鑒并掌握農(nóng)機(jī)的研發(fā)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)。③結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)制造技術(shù)，對(duì)常見農(nóng)業(yè)種植農(nóng)機(jī)裝置進(jìn)行比較、分析，選擇最佳材料來研制最優(yōu)結(jié)構(gòu)的輔機(jī)。④分別采用CAE 類數(shù)字化軟件，對(duì)多功能農(nóng)具輔機(jī)裝置及其配件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能核算、數(shù)字化優(yōu)化分析，在確保使用性能的前提下，完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。⑤對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的輔機(jī)采用相關(guān)技術(shù)，購(gòu)置相應(yīng)配件及材料完成樣機(jī)的生產(chǎn)、安裝，隨后將它們分別與主機(jī)連接，完成樣機(jī)的生產(chǎn)。⑥將樣機(jī)投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法，以驗(yàn)證其性價(jià)比、操控性、生產(chǎn)效率是否滿足農(nóng)民需求，能否達(dá)到研發(fā)效果。

圖3 多功能農(nóng)機(jī)研制路線

2.4 研究成果推廣

樣機(jī)試驗(yàn)通過后，可先依托相關(guān)部門完成多功能農(nóng)機(jī)批量生產(chǎn)，接著利用農(nóng)機(jī)市場(chǎng)的銷售路徑將其推廣給更多的農(nóng)民，進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)業(yè)種植的機(jī)械化發(fā)展。

當(dāng)然，新產(chǎn)品的使用不是一成不變的，隨著農(nóng)業(yè)種植面積、機(jī)械制造技術(shù)等影響因素的不斷發(fā)展變化，農(nóng)機(jī)又將進(jìn)行新一輪的升級(jí)換代或新產(chǎn)品的更替，新型農(nóng)機(jī)必將出現(xiàn)，其更新過程如圖4 所示。

圖4 農(nóng)機(jī)循環(huán)更新模式

2.5 研究成果展望

本研究成果將研發(fā)出果樹噴霧、追肥、除草功能于一身的農(nóng)用三輪汽車，本研究成果將極大地降低農(nóng)民采購(gòu)農(nóng)機(jī)的成本提高農(nóng)民的工作效率和應(yīng)用農(nóng)機(jī)的積極性。本成果的推廣應(yīng)用，將對(duì)農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)生以下作用和影響。

提高農(nóng)民對(duì)農(nóng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用的重視。增強(qiáng)農(nóng)民購(gòu)置農(nóng)機(jī)的欲望，推進(jìn)甘肅省農(nóng)業(yè)種植機(jī)械化規(guī)模的發(fā)展。

吸引更多的科研人員進(jìn)行農(nóng)機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和改進(jìn)研發(fā)，在推動(dòng)新型農(nóng)機(jī)持續(xù)生產(chǎn)更新的前提下帶動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和發(fā)展水平快速發(fā)展。

促進(jìn)土地面貌平整化、連片化工作的深入推進(jìn)，以便大中型農(nóng)機(jī)的作業(yè)應(yīng)用。

多功能農(nóng)機(jī)的研發(fā)將原來的多臺(tái)農(nóng)機(jī)功能集成于一臺(tái)農(nóng)機(jī)上，減少部分零部件的重復(fù)使用，將有效節(jié)約資源。

多功能農(nóng)機(jī)的使用將有效減輕勞動(dòng)力、提高種植效率，吸引更多的農(nóng)民投身于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，減少土地荒蕪，提高植被綠化率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，改善農(nóng)業(yè)種植生態(tài)環(huán)境。

農(nóng)業(yè)實(shí)用技術(shù)和農(nóng)業(yè)機(jī)械有機(jī)融合推廣使用，將會(huì)出現(xiàn)大批農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園。

結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化后的“耕地、播種、噴霧、施肥、收割”等輔機(jī)的使用穩(wěn)定性和壽命會(huì)大幅度提升，既能達(dá)到“節(jié)能環(huán)?！钡脑O(shè)計(jì)理念又能促進(jìn)“循環(huán)農(nóng)業(yè)”的發(fā)展。

3 多功能農(nóng)機(jī)研發(fā)意義

在擴(kuò)大三輪汽車功能且提高其性價(jià)比的同時(shí)，為農(nóng)機(jī)數(shù)字化研發(fā)指引方向，吸引更多學(xué)者及相關(guān)企業(yè)投身于市場(chǎng)前景巨大的農(nóng)機(jī)行業(yè)。

多功能農(nóng)機(jī)滿足了農(nóng)民對(duì)農(nóng)機(jī)“實(shí)用性”的需求，由此將引發(fā)相關(guān)連鎖效應(yīng)：農(nóng)民購(gòu)機(jī)欲望增強(qiáng)、農(nóng)民體力勞動(dòng)減輕、農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及、農(nóng)耕效率提高、土地荒蕪現(xiàn)象減少、糧食產(chǎn)量逐步提升等現(xiàn)象。

隨著數(shù)字化技術(shù)在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用，農(nóng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、使用安全性、操控簡(jiǎn)便性及免維護(hù)和高壽命現(xiàn)象有望實(shí)現(xiàn)，隨著以上技術(shù)的日趨成熟，智能農(nóng)機(jī)也將誕生。

4 多功能農(nóng)機(jī)研發(fā)效益展望

本研究成果將研發(fā)出集果樹噴霧、追肥、除草功能于一身的農(nóng)用三輪車，將產(chǎn)生以下社會(huì)效益。

推進(jìn)農(nóng)業(yè)種植模式機(jī)械化的發(fā)展。

吸引更多的科研人員投身于農(nóng)機(jī)研發(fā)。

多功能農(nóng)機(jī)的使用，將有效節(jié)約原材料。

多功能農(nóng)機(jī)的使用能減輕果農(nóng)勞動(dòng)力提高種植效率。更多的果農(nóng)將投身于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，減少土地荒蕪，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，促進(jìn)土地面貌平整化、連片的推進(jìn)。隨著農(nóng)業(yè)種植生態(tài)環(huán)境的改善，出現(xiàn)大批農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園。

結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化后的多功能農(nóng)機(jī)輔具的使用穩(wěn)定性和壽命會(huì)大幅度提升，在降低原材料損耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)理念且由于其使用壽命的延長(zhǎng)又能促進(jìn)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)語

多功能農(nóng)機(jī)的研制在技術(shù)上是可行的，在使用中既能滿足農(nóng)民使用需求，又能提高農(nóng)機(jī)的綜合功能、性價(jià)比及材料損耗，此研究成果可推進(jìn)農(nóng)機(jī)技術(shù)的數(shù)字化、柔性化制造，為智能農(nóng)機(jī)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。