薛 輝

（湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘西州 416000）

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是助力農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化高質(zhì)量發(fā)展的主要方式，近年來(lái)，隨著我國(guó)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的貫徹落實(shí)，科學(xué)改善并轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及發(fā)展方式已經(jīng)成為新時(shí)期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。其中，農(nóng)業(yè)機(jī)械化是促進(jìn)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收及高質(zhì)量發(fā)展的重要保障，要求我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域緊抓農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展問(wèn)題，深刻意識(shí)到農(nóng)業(yè)機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的前提條件。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平得到了顯著提高，為助力我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供了良好的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。目前，為進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，研究人員主動(dòng)應(yīng)用新興技術(shù)（如模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)），針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)設(shè)備生產(chǎn)制造體系進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，進(jìn)一步提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用效率。

1 小型農(nóng)機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀及模塊化設(shè)計(jì)可行性分析

新時(shí)期我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)邁入了以機(jī)械化為主導(dǎo)的發(fā)展階段，農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造水平呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的態(tài)勢(shì)，集中表現(xiàn)在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品保有量持續(xù)增加、農(nóng)機(jī)作業(yè)能力顯著提高、農(nóng)作物生產(chǎn)方式逐漸向機(jī)械化靠攏等方面[1]。然而，由于目前農(nóng)機(jī)產(chǎn)品功能需求多樣化以及作業(yè)環(huán)境復(fù)雜化等特征相對(duì)突出，再加上我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期以來(lái)比較依賴于人工作業(yè)，農(nóng)機(jī)產(chǎn)品機(jī)械化生產(chǎn)制造水平尚未達(dá)到預(yù)期高度，存在科研創(chuàng)新能力薄弱以及研發(fā)水平滯后等問(wèn)題。最重要的是，部分地區(qū)受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及其他因素制約，農(nóng)機(jī)產(chǎn)品有效供給明顯不足或存在售價(jià)偏高的現(xiàn)象，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。

以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常用的小型農(nóng)機(jī)為例，長(zhǎng)期以來(lái)，小型農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)習(xí)慣依賴于過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并未對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法進(jìn)行大膽創(chuàng)新與實(shí)踐應(yīng)用，導(dǎo)致零部件重復(fù)性設(shè)計(jì)問(wèn)題偏多且資源共享性較差，難以保障小型農(nóng)機(jī)高效使用。為解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品功能個(gè)性化與科研水平不高之間的矛盾，研究人員主動(dòng)將模塊化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到小型農(nóng)機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)工作當(dāng)中。模塊化設(shè)計(jì)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)體系的重要方法，主要通過(guò)結(jié)合先進(jìn)的應(yīng)用理論以及實(shí)踐方法，統(tǒng)籌考慮不同耕作方式的多樣化特征以及不同地區(qū)農(nóng)作物的生產(chǎn)需求，對(duì)傳統(tǒng)小型農(nóng)機(jī)生產(chǎn)設(shè)計(jì)以及制造體系方面的短板問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化完善。針對(duì)多樣化需求特征，快速設(shè)計(jì)并配置出適用于農(nóng)作物生產(chǎn)作業(yè)的小型農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，可行性相對(duì)較高。

2 模塊化設(shè)計(jì)的概念及特點(diǎn)分析

2.1 模塊化設(shè)計(jì)的概念

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，農(nóng)機(jī)的需求和更新?lián)Q代的速度也越來(lái)越快，因此，如何提高農(nóng)機(jī)裝備的靈活性、可操作性、適應(yīng)性、可靠性并降低生產(chǎn)成本成為關(guān)鍵問(wèn)題。模塊化設(shè)計(jì)作為一種新型的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造方法，可以有效地解決這些問(wèn)題，因此在農(nóng)機(jī)裝備制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。模塊化設(shè)計(jì)可以理解為通過(guò)統(tǒng)籌組合產(chǎn)品中的某些要素，科學(xué)構(gòu)建具有特定功能的子系統(tǒng)，所構(gòu)建出的子系統(tǒng)可以用于具備通用性特征的模塊以及其他產(chǎn)品要素的組合當(dāng)中，經(jīng)過(guò)一系列處理之后，可以構(gòu)建全新的系統(tǒng)模式，完成對(duì)多種不同功能或者相同功能系列產(chǎn)品的高質(zhì)量生產(chǎn)與應(yīng)用。在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域，模塊化設(shè)計(jì)主要有以下幾種：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化設(shè)計(jì)。將發(fā)動(dòng)機(jī)分解成若干個(gè)獨(dú)立的模塊，如進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等，各個(gè)模塊之間具有明確的功能和接口，可以相互組合。這種設(shè)計(jì)方法可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本和維修成本，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性。

2）傳動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)。將傳動(dòng)系統(tǒng)分解成若干個(gè)獨(dú)立的模塊，如變速箱、離合器、軸承等，各個(gè)模塊之間具有明確的功能和接口，可以相互組合。這種設(shè)計(jì)方法可以更好地滿足不同客戶的需求，并且提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性[2]。

3）操縱系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)。將操縱系統(tǒng)分解成若干個(gè)獨(dú)立的模塊，如駕駛艙、操縱桿、控制面板等，各個(gè)模塊之間具有明確的功能和接口，可以相互組合。這種設(shè)計(jì)方法可以提高農(nóng)機(jī)的靈活性和可操作性，降低了人工操作的難度。

4）電氣系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)。將電氣系統(tǒng)分解成若干個(gè)獨(dú)立的模塊，如電路板、電機(jī)、傳感器等，各個(gè)模塊之間具有明確的功能和接口，可以相互組合。這種設(shè)計(jì)方法可以降低農(nóng)機(jī)故障率，提高裝備的耐久性。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

模塊化設(shè)計(jì)通常會(huì)涉及模塊劃分與模塊組合兩個(gè)流程。其中，模塊作為模塊化產(chǎn)品的基本組成單元，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該不僅面向某一個(gè)產(chǎn)品，而是需要面向整個(gè)產(chǎn)品族進(jìn)行合理生產(chǎn)與設(shè)計(jì)制造。

從核心特點(diǎn)上來(lái)看，模塊化設(shè)計(jì)所具備的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：1）結(jié)合生產(chǎn)需求，科學(xué)構(gòu)建滿足產(chǎn)品系列設(shè)計(jì)要求的模塊系統(tǒng)；2）結(jié)合用戶個(gè)性化需求，借助模塊系統(tǒng)中的模塊快速拼裝等功能優(yōu)勢(shì)，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊化產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。其中，科學(xué)構(gòu)建模塊化系統(tǒng)可以視為實(shí)現(xiàn)模塊快速組合與拼裝的重要前提。

從生產(chǎn)設(shè)計(jì)步驟上來(lái)看，模塊化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)步驟為：1）需要結(jié)合模塊系統(tǒng)的總體規(guī)劃要求，針對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)功能以及產(chǎn)品布局方案進(jìn)行深入研究與分析；2）通過(guò)合理劃分模塊，完成對(duì)模塊的系列規(guī)劃；3）通過(guò)模塊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊功能、設(shè)計(jì)方案等方面的分析，提高生產(chǎn)速度，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求。

3 模塊化設(shè)計(jì)在小型農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用分析

3.1 小型農(nóng)機(jī)功能模塊劃分

基于模塊化設(shè)計(jì)的小型農(nóng)機(jī)具備多功能作業(yè)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，不僅可以解決長(zhǎng)期以來(lái)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高的短板問(wèn)題，還可以助力實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)目標(biāo)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收[3]。模塊化設(shè)計(jì)主要將小型農(nóng)機(jī)劃分為多個(gè)功能模塊，分別為動(dòng)力模塊、傳動(dòng)模塊、行走模塊以及執(zhí)行模塊。在模塊組合與應(yīng)用過(guò)程中，可以將動(dòng)力模塊、傳動(dòng)模塊以及行走模塊組合起來(lái)，通過(guò)對(duì)不同執(zhí)行模塊的組合滿足小型農(nóng)機(jī)不同功能性需求。模塊化設(shè)計(jì)中比較常見(jiàn)的有小型山地旋耕機(jī)、小型山地水稻聯(lián)合收割機(jī)等[4]。需要注意的是，在模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該結(jié)合小型農(nóng)機(jī)的使用需求對(duì)其組成部分的功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，科學(xué)制成不同的標(biāo)準(zhǔn)模塊，在使用時(shí)再進(jìn)行組裝處理，以完成不同的農(nóng)業(yè)作業(yè)。

3.2 小型農(nóng)機(jī)裝置組成及功能應(yīng)用

小型農(nóng)機(jī)在裝置組成上主要可以圍繞操縱裝置、行走裝置、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置以及執(zhí)行裝置等進(jìn)行研究分析。這幾種裝置作為農(nóng)機(jī)常用的通用裝置，也可以視為農(nóng)機(jī)模塊化設(shè)計(jì)中的通用模塊，可以結(jié)合不同裝置的功能應(yīng)用設(shè)計(jì)多個(gè)模塊，來(lái)滿足農(nóng)機(jī)生產(chǎn)的多樣化需求[5-7]。

從功能應(yīng)用上來(lái)看，執(zhí)行裝置更多體現(xiàn)在旋耕、聯(lián)合收割以及施肥等模塊功能上，在使用過(guò)程中并不具備通用性，所以需要將其設(shè)計(jì)成為相對(duì)獨(dú)立的專用模塊進(jìn)行使用。在設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，需要借助接口方式實(shí)現(xiàn)對(duì)通用模塊與專用模塊的連接處理。通用模塊能夠滿足多個(gè)農(nóng)機(jī)的功能需求，而專用模塊是個(gè)別農(nóng)機(jī)所采用的模塊，是為了滿足特定的需求而采用的模塊。值得注意的是，一個(gè)通用模塊通常需要與多個(gè)專用模塊進(jìn)行組合應(yīng)用，目的在于打造不同的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程?；诖?，每個(gè)接口在一定使用范圍內(nèi)應(yīng)該具備通用性特征，通過(guò)不斷減少使用的接口數(shù)量，提高模塊功能應(yīng)用效果。

3.3 模塊接口方式設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)的全過(guò)程都比較依賴于模塊組合與劃分，為確保模塊組合與劃分效果達(dá)到預(yù)期，研究人員需要高度關(guān)注模塊之間的接口設(shè)置問(wèn)題。在優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)該提前分析模塊化產(chǎn)品中的接口信息以及相關(guān)數(shù)據(jù)，為確保不同功能模塊組合以及相同功能模塊之間可以滿足互換要求，所設(shè)置應(yīng)用的模塊必須具備可組合性、可互換性等重要特征[8]。模塊之間的接口可以理解為部分零件或者部件之間的接口，包含直接式接口和間接式接口兩種：1）直接式接口。可以理解為模塊本身所攜帶的接口，通常具備直接連接以及傳遞等功能優(yōu)勢(shì)[9]，需要注意的是，這種接口結(jié)構(gòu)只能單純傳遞信息或者參數(shù)，無(wú)法對(duì)信息或者參數(shù)進(jìn)行處理。如機(jī)械互連中的各種連接零件（螺釘、鉚釘?shù)龋┩ǔ?huì)選擇直接式接口進(jìn)行設(shè)置應(yīng)用[10]。2）間接式接口。可以理解為是兩個(gè)功能模塊間通過(guò)接口模塊連接的方式實(shí)現(xiàn)安全連接，可完成對(duì)信息或者參數(shù)的直接處理。

對(duì)于小型農(nóng)機(jī)，在接口方式的選擇上應(yīng)該優(yōu)先以間接式接口為主。在使用過(guò)程中，應(yīng)該結(jié)合小型農(nóng)機(jī)專用模塊如旋耕模塊、聯(lián)合收割模塊等的使用要求，在合適位置設(shè)置幾個(gè)接口；再通過(guò)適當(dāng)旋轉(zhuǎn)，確保通用模塊可以配以不同的專用模塊進(jìn)行高效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且功能需求逐漸多樣化。在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，工作人員需要結(jié)合農(nóng)機(jī)產(chǎn)品使用以及功能結(jié)構(gòu)需求，適當(dāng)應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊精準(zhǔn)快速劃分，確保各結(jié)構(gòu)模塊的使用功能可以滿足農(nóng)機(jī)的多樣化需求。本文所研究的基于模塊化設(shè)計(jì)的小型農(nóng)機(jī)可以結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行功能劃分，不僅可以全面提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，同時(shí)也有助于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收目標(biāo)，可行性價(jià)值相對(duì)突出?；诖?，建議研究人員加強(qiáng)對(duì)模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)動(dòng)態(tài)發(fā)展情況的合理捕捉，通過(guò)完善并健全生產(chǎn)制造體系，進(jìn)一步提升小型農(nóng)機(jī)設(shè)備的使用效率。