劉樹峰，張廣玲，呂釗欽，李光提，李玉道，束 鈺

（山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，271018，山東泰安）

近年來，我國通過不斷引進國外先進的農(nóng)機裝備機型和生產(chǎn)先進技術的方法來提高農(nóng)機裝備技術[1]，這在一定程度上可以縮小我國農(nóng)機與國外的水平差距。但國外的農(nóng)業(yè)種植情況與國內并不完全相同，要實現(xiàn)國外先進技術的本土化還需要對農(nóng)機進行適合我國農(nóng)業(yè)的優(yōu)化設計[2]，一些零部件的尺寸可能需要更改，甚至一些結構需要重新設計，然而目前國內并沒有系統(tǒng)的設計方法體系來指導這一設計過程。我國在農(nóng)機的研發(fā)技術方面能力較弱，大多數(shù)農(nóng)機企業(yè)的研發(fā)費用比例較低，農(nóng)機企業(yè)的部分研發(fā)工作也主要體現(xiàn)在現(xiàn)有成熟農(nóng)機產(chǎn)品的改進與改型，現(xiàn)代的農(nóng)機設計方法和配套的模擬試驗方法的應用仍不夠成熟，反而又造成農(nóng)機企業(yè)產(chǎn)品更新慢，不能滿足農(nóng)機市場需求[3]。目前農(nóng)業(yè)機械設計存在的各種問題大多也與研究技術階段相關，利用系統(tǒng)工程思想對農(nóng)業(yè)機械進行的相關研究非常少[4]。農(nóng)業(yè)機械是一個復雜的系統(tǒng)[5]，通過系統(tǒng)工程原理來指導研究農(nóng)業(yè)機械設計方法是一個新的視角。本文基于系統(tǒng)工程視角對薯類農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)的設計方法開展探索性研究。

1 薯類機械系統(tǒng)設計環(huán)境

在田間生產(chǎn)過程中，農(nóng)業(yè)機械要完成各項田間作業(yè)任務，長期處于“土壤-機器-植物”的復雜系統(tǒng)之中。土壤是植物生長的必需要素[6]，是農(nóng)業(yè)機械作用的對象之一，不同土壤的成分和結構差異很大，農(nóng)機工作時部件與不同土壤接觸也會產(chǎn)生不同的作業(yè)效果，且水分、溫度等條件對土壤特征影響明顯。另外，土壤作為農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)環(huán)境因素之一，作業(yè)過程中激起的飛塵對農(nóng)業(yè)機械有一定的影響作用，而農(nóng)業(yè)機械也對土壤有壓實等破壞作用，土壤的黏性、含水率等屬性又直接影響了農(nóng)業(yè)機械行走機構等部件的設計。

植物是農(nóng)作物生產(chǎn)的主要目標，是決定生產(chǎn)效益的直接因素。植物作為生命體，其生長狀況不完全一致，難以通過簡單的模型來進行描述，給設計帶來較大難度。植物硬度普遍偏小，很容易遭到損傷，在針對植物的作業(yè)過程中，要充分考慮農(nóng)業(yè)機械作業(yè)的完成率和對作物的破損率等問題，同時也要考慮植物對農(nóng)業(yè)機械的磨損、堵塞等作用。此外，農(nóng)機與農(nóng)藝的關系緊密，對農(nóng)機的設計而言，要考慮與農(nóng)藝特點相適應，例如種植地區(qū)、種植行距、株距、收割高度、收獲季節(jié)等因素。且農(nóng)機作業(yè)受地區(qū)影響嚴重，地區(qū)氣候、地形地貌、土壤條件、作物生長狀況等各有特點，農(nóng)機的適應性面臨較大挑戰(zhàn)。

由于作業(yè)對象種類繁多，農(nóng)業(yè)機械要完成的功能也極其多樣。以馬鈴薯全程機械化為例，主要包括播前處理、土地深耕平整、施肥、馬鈴薯播種、中耕培土、植保、澆灌、收獲等多種通用或專用的土壤耕作機械和農(nóng)田生產(chǎn)機械。而土壤耕作機械又可以根據(jù)翻耕、深松等不同目的選擇鏵犁或旋耕機。針對作物作業(yè)的農(nóng)業(yè)機械可以分為播種、施肥、植保、收獲等機械幾大類，馬鈴薯收獲作業(yè)對象是地表下植株根部的馬鈴薯，而馬鈴薯殺秧機作業(yè)對象是地表上的植株莖葉部分。而農(nóng)作物具備多樣性，而且作物需要進行的田間管理、收獲的方式也具有很大差異，從而造成農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)的設計環(huán)境多種多樣。農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計環(huán)境影響因素如圖1 所示。

圖1 農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計環(huán)境影響因素

2 薯類農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計試驗方法

薯類農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計過程可以分為6 個主要步驟，以單行甘薯秧蔓回收機為例。

第一步，針對處于“土壤-機器-植物”環(huán)境中的農(nóng)業(yè)機械特點，分析農(nóng)業(yè)機械設計的環(huán)境影響因素，從農(nóng)業(yè)機械的需求和農(nóng)業(yè)機械技術發(fā)展方向，根據(jù)土壤、機器、植物的特點確定設計階段需求，保障農(nóng)業(yè)機械的環(huán)境適應性。甘薯秧蔓生長旺盛，交錯纏繞[7]，蔓長1.5～2.5 m，最長可達4 m 以上，壟溝全部覆蓋，且秧蔓具有較高的韌性，工作環(huán)境如圖2 所示；單行單壟作業(yè)模式可以滿足通用動力機械的要求，單壟單行作業(yè)模式如圖3 所示。

圖2 工作環(huán)境

圖3 單壟單行作業(yè)模式

第二步，根據(jù)農(nóng)業(yè)機械用戶需求，結合環(huán)境影響因素需求，確定農(nóng)產(chǎn)品設計需求，分別對農(nóng)業(yè)機械性能要求、完成動作進行動態(tài)性分析，分析農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)復雜工況下的動態(tài)特性以及系統(tǒng)內外的實時變化。根據(jù)甘薯秧蔓回收需求，首先研究了甘薯秧蔓對農(nóng)業(yè)機械的性能要求，通過秧蔓拉伸試驗研究了秧蔓的力學物理特性，再通過構建甘薯秧蔓各向異性彈性材料模型進行進一步影響因素分析，甘薯秧蔓拉伸試驗如圖4 所示。結合甘薯秧蔓貼伏地表且壟溝皆有秧蔓的特點，設計挑秧裝置將秧蔓挑起，挑秧裝置結構簡圖如圖5 所示。

圖4 甘薯秧蔓拉伸試驗

圖5 挑秧裝置結構簡圖

第三步，農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)通過設計參數(shù)來實現(xiàn)機械功能之外，還需要有設計約束來進一步規(guī)范設計，以不偏離設計目的性為原則，在能耗、成本、安全、環(huán)保、可靠性等約束條件下，設計功能完成設計動作，并確定技術參數(shù)。根據(jù)壟頂、溝底等不同工作位置，設計殺秧刀輥，并結合建立的甘薯秧蔓材料模型[8]，完成刀輥的力學性能分析，綜合確定刀輥的結構設計和工作參數(shù)，殺秧刀輥模型如圖6 所示。

圖6 殺秧刀輥模型

第四步，以系統(tǒng)工程視角對農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)進行描述，然后對設計功能進行細化分解，分別從物料流、能量流、信息流三個部分進一步細化到供料、定位、輸送、傳動、動力、執(zhí)行、控制、操縱等不同裝置，然后對每一部分進行設計完善，并確定總體方案設計。秧蔓回收機能量流皆來源于發(fā)動機，通過皮帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等方式將能量傳遞到其他裝置[9]，能量流如圖7。

圖7 能量流設計

第五步，利用現(xiàn)有的成熟的設計方法和設計步驟，對總體設計方案進行進一步分析，通過試制樣機和試驗對方案進行驗證分析，以達到設計的整體性能。對于薯類機械，樣機試驗可以發(fā)現(xiàn)設計中不易發(fā)現(xiàn)的問題。

第六步，根據(jù)試驗結果、樣機試制等發(fā)現(xiàn)問題，針對問題對產(chǎn)品影響環(huán)境因素需求、農(nóng)機產(chǎn)品設計需求、系統(tǒng)設計及系統(tǒng)細化分解等進行反饋驗證，根據(jù)驗證結果對總體方案進行優(yōu)化，達到設計最優(yōu)。

3 總結

以薯類農(nóng)業(yè)機械為例，分析了農(nóng)業(yè)機械設計過程中存在的問題，針對薯類農(nóng)業(yè)機械的工作特點，建立了土壤-植物-機械共同影響下的農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計環(huán)境；以單行甘薯秧蔓回收機設計過程為例，并基于實際研究經(jīng)驗，構建了薯類農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計方法和步驟。