模塊化全喂入式聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)

錢峰 紀(jì)建林

摘? 要： 針對(duì)現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)聯(lián)合收割機(jī)的使用問題，提出相應(yīng)的解決方案，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率與資源整合利用率的目的，從而提高用戶體驗(yàn)和使用需求。運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)手法，根據(jù)不同的工作部件所屬的功能以及結(jié)構(gòu)的不同，將其分成六大模塊，進(jìn)而理清模塊間的相同模塊與相關(guān)模塊，進(jìn)行再設(shè)計(jì)。最終，通過模塊間的排列、組合、替換形成一件全新的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 聯(lián)合收割機(jī); 模塊化再設(shè)計(jì); 模塊理清; 人因工程; 資源整合; 實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類號(hào)： TN609?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）18?0172?03

Abstract： In allusion to the shortcomings of the existing domestic combine?harvesters， the corresponding solutions are proposed to improve the production efficiency and resource integration utilization， and thus boost user experience and usage requirements. The combine?harvester is divided into six modules according to the different functions and structures of each working part and by means of the modular design method， and then the same modules and related modules among modules are sorted out and redesigned. A brand?new product is formed by means of the arrangement， combination and replacement of modules. The experimental results show that this design reaches the anticipated goal.

Keywords： combine harvester; modular redesign; module clarification; human factors engineering; resource integration; experimental analysis

0? 引? 言

模塊化設(shè)計(jì)是在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)不同需求的設(shè)計(jì)方法[1?2]。

模塊化的設(shè)計(jì)包括橫系列模塊化設(shè)計(jì)、縱系列模塊化設(shè)計(jì)、橫系列和跨系列模塊化設(shè)計(jì)、全系列模塊化設(shè)計(jì)以及全系列和跨系列模塊化設(shè)計(jì)5種設(shè)計(jì)方式[3]。其三大特征包括相對(duì)獨(dú)立性，即可對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、修改等，便于產(chǎn)品的零件由不同企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn);通用性，即模塊尺寸和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，從而容易實(shí)現(xiàn)模塊間的互換[4];互換性，即橫系列、縱系列產(chǎn)品之間的模塊通用，實(shí)現(xiàn)跨系列產(chǎn)品間的模塊通用[5]。

1? 國(guó)內(nèi)聯(lián)合收割機(jī)存在的相關(guān)問題

1.1? 外觀造型

產(chǎn)品外觀合理與否，直接影響使用者的視覺體驗(yàn)與使用體驗(yàn)。就農(nóng)業(yè)聯(lián)合收割機(jī)而言，現(xiàn)階段的聯(lián)合收割機(jī)開發(fā)者的關(guān)注點(diǎn)主要還是集中在產(chǎn)品功能創(chuàng)新層面，對(duì)用戶體驗(yàn)和產(chǎn)品的形態(tài)美學(xué)關(guān)注度不夠，以至于產(chǎn)品整體感過于冷漠、缺乏美感與親和力，使用者在使用的過程中缺乏良好的用戶體驗(yàn)，一定程度上降低了聯(lián)合收割機(jī)的實(shí)際使用效率。

1.2? 人因工程

聯(lián)合收割機(jī)屬于操作極其復(fù)雜的收割機(jī)械，操作者操作過程中，需要不斷地接收外部信息，監(jiān)視儀表運(yùn)行與機(jī)械作業(yè)情況，并根據(jù)實(shí)際需求操作機(jī)器，以便更好地完成客戶的收割需求。從收割機(jī)人群使用調(diào)查得知，由于操作間內(nèi)各操作元件分布不合理，座椅、操作臺(tái)尺寸不協(xié)調(diào)，有25%的使用者感覺手臂及頭腦疲勞，50%的使用者感覺頸椎及以下部位疼痛，最后竟有高達(dá)80%的使用者感覺腰膝酸軟乏力[6]。由此可見，對(duì)操作間內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化改良是極其有必要的，它不僅影響著收割機(jī)的實(shí)際使用效率，更關(guān)系到使用者的身體健康與作業(yè)需求。

1.3? 秸稈粉碎

2008年，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用的意見》（國(guó)辦發(fā)[2008]105號(hào)）以來[7]，秸稈粉碎還田作為最直接有效的手段不斷地被大眾所接受。但秸稈粉碎過程中的弊端也是不容忽視的，在晴朗干燥的天氣實(shí)施秸稈粉碎，容易造成粉塵滿天飛的局面。當(dāng)農(nóng)作物拋入田間，土壤和農(nóng)作物處于分離狀態(tài)，從而使農(nóng)作物不能夠正常發(fā)芽。另外，秸稈中容易攜帶一些病原體和金龜子、菜青蟲等害蟲卵，在秸稈粉碎的過程中很難被消滅，還田之后，會(huì)增加農(nóng)作物患病蟲害的概率，使農(nóng)作物的產(chǎn)量大大降低。

1.4? 跨區(qū)作業(yè)

隨著聯(lián)合收割機(jī)跨區(qū)域作業(yè)的逐步開展，各種問題也開始逐步的凸顯出來。

1） 田地大多集中分布，距離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)，駕駛員住宿飲食比較困難。

2） 在外出過程中，攔機(jī)、截機(jī)現(xiàn)象屢禁不止。

3） 跨區(qū)作業(yè)的聯(lián)合收割機(jī)大多白天進(jìn)行收割，夜晚轉(zhuǎn)移收割地域，在行駛途中也存在一定的安全隱患。

2? 聯(lián)合收割機(jī)的優(yōu)化構(gòu)思

通過以上聯(lián)合收割機(jī)存在的相關(guān)問題，進(jìn)行創(chuàng)意頭腦風(fēng)暴、思維導(dǎo)圖探究以及用戶旅程研究分析，如圖1所示。

對(duì)產(chǎn)品的功能、工藝、結(jié)構(gòu)、搭配等進(jìn)行充分的研究，并且結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，提出以下的幾點(diǎn)優(yōu)化構(gòu)思：

1） 根據(jù)現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)聯(lián)合收割機(jī)的開發(fā)者大多注重于內(nèi)在性能方面，而忽略操作間舒適性，進(jìn)而對(duì)操作間的人機(jī)工程展開研究，進(jìn)行大量的實(shí)際調(diào)研工作，搜集一定量樣本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立相關(guān)的人機(jī)模型并通過CATIA軟件進(jìn)行分析和評(píng)價(jià);

2） 利用仿生學(xué)的相關(guān)原理，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的外觀造型進(jìn)行優(yōu)化，賦予其新的語義特征，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行色彩提取比對(duì)，進(jìn)而進(jìn)行輔助色彩優(yōu)化設(shè)計(jì);

3） 對(duì)跨區(qū)作業(yè)人員進(jìn)行大量的樣本搜集，建立數(shù)據(jù)庫，了解其在作業(yè)中遇到的棘手問題，如住宿難題、路況難適應(yīng)等，進(jìn)而展開研究;

4） 將聯(lián)合收割機(jī)與打捆機(jī)相應(yīng)的整合設(shè)計(jì)，目的在于減少秸稈粉碎所帶來的一些問題，增加秸稈的回收綜合再利用。

3? 模塊化背景下的聯(lián)合收割機(jī)再設(shè)計(jì)

3.1? 聯(lián)合收割機(jī)的造型設(shè)計(jì)

3.1.1? 仿生思維

仿生學(xué)是模仿生物系統(tǒng)的原理來建造技術(shù)系統(tǒng)的科學(xué)， 是人們有意識(shí)地將自然原理加以推廣應(yīng)用的一種思維方法[8]。仿生學(xué)的應(yīng)用，可以改善現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)械造型不足的劣勢(shì)，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)機(jī)械的外觀識(shí)別性，使用戶在使用過程中形成良好的情感認(rèn)知。

3.1.2? 造型推演

以“Field Harvest J121稻麥聯(lián)合收割機(jī)”為例，在設(shè)計(jì)過程中，選擇了蟋蟀、天牛、金龜子、蝗蟲、螳螂等田間常見的昆蟲作為仿生對(duì)象，通過對(duì)它們的自然形態(tài)、生活習(xí)性以及與產(chǎn)品間的聯(lián)系等方面進(jìn)行分析，最終選擇了被譽(yù)為“生命收割機(jī)”的螳螂作為仿生對(duì)象。進(jìn)而對(duì)提取的形態(tài)進(jìn)行由具體到抽象的概括總結(jié)，最后推導(dǎo)出聯(lián)合收割機(jī)的基本外觀造型。

3.2? 聯(lián)合收割機(jī)駕駛室設(shè)計(jì)

3.2.1? 人機(jī)分析

根據(jù)人與機(jī)器之間的人機(jī)工程學(xué)原理，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研資料數(shù)據(jù)以及各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)[8]，以此來確定聯(lián)合收割機(jī)操作間座椅、腳踏板、操縱桿等元件的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)。操作間人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要表現(xiàn)在：座椅、操縱臺(tái)、方向盤、腳踏板等部件的舒適性、可調(diào)節(jié)性以及各部件之間距離的研究。

3.2.2? 人機(jī)設(shè)計(jì)

1） 腳踏板的設(shè)計(jì)。不同的腳踏板，其工作效率也不盡相同，如圖2所示。在相同時(shí)間內(nèi)，分別對(duì)圖2中的a）～e）5種不同類型的踏板進(jìn)行多次測(cè)試，最終數(shù)據(jù)表明a）踏板（懸空式）使用時(shí)最省力，故本設(shè)計(jì)最終選擇a）踏板形式。關(guān)于尺度的選擇，考慮到使用者為穿鞋使用，最終將踏板寬取130 mm，離合長(zhǎng)取270 mm，制動(dòng)為90 mm，并且腳踏表面設(shè)計(jì)有防滑條紋，增大接觸面摩擦力，防止踏觸時(shí)滑脫。

2） 操縱桿的角度設(shè)定。聯(lián)合收割機(jī)操縱桿的操縱角度要在一定的范圍之內(nèi)，否則會(huì)讓使用者的手臂移動(dòng)量增加，容易使手臂疲勞，且操縱起來也極其不便。如圖3所示，操縱桿的前后角度不超過90°，位移不宜超過350 mm;左右角度不宜超過45°，位移不宜超過150 mm。操縱角度一般以30°～60°為宜，不宜超過90°。

3.3? 聯(lián)合收割機(jī)配套秸稈打捆機(jī)的整合設(shè)計(jì)

3.3.1? 合理的性能匹配

在聯(lián)合收割機(jī)配套秸稈打捆機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，性能參數(shù)是否合理，決定著其能否在實(shí)際使用中達(dá)到設(shè)計(jì)師預(yù)期效果。以該收割機(jī)的工作參數(shù)為例，聯(lián)合收割機(jī)的喂入量為12.6 kg，前進(jìn)速度為1.5～20.3 km/h，收割效率為0.5～1.0 hm2/h，配套功率為59 kW，設(shè)定秸稈打捆機(jī)的打捆效率為0.7～1.0 m2/s，打捆機(jī)的密度符合“圓草捆打捆機(jī)GB/T 14290?2008”所規(guī)定的稻麥秸稈草捆密度大于等于100 kg/m3。

鑒于聯(lián)合收割機(jī)整體尺寸為9.2 m×5.7 m×3.8 m，所以設(shè)定秸稈打捆機(jī)的整體尺寸為3.7 m×2.9 m×2.8 m，草捆尺寸為0.45 m2×π×1.2 m。

3.3.2? 連接結(jié)構(gòu)和喂入機(jī)構(gòu)

在進(jìn)行聯(lián)合收割機(jī)配套秸稈打捆機(jī)的整合設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)品之間的安裝連接是產(chǎn)品研發(fā)的重要內(nèi)容之一?；谀承┺r(nóng)戶沒有秸稈打捆的需求，決定將兩者之間的連接方式設(shè)計(jì)成可拆卸式的，秸稈打捆機(jī)的進(jìn)草口與聯(lián)合收割機(jī)的排草口進(jìn)行對(duì)接。秸稈粉碎之后，通過排草口送入連接輸送帶，輸送帶設(shè)有喂入機(jī)構(gòu)，秸稈通過喂入機(jī)構(gòu)壓送至打捆機(jī)的入草口，協(xié)助活塞將秸稈送入成捆室，并擋住聯(lián)合收割機(jī)排草口隨后排出的秸稈，避免秸稈影響活塞的運(yùn)動(dòng)，造成堵塞。

3.4? 聯(lián)合收割機(jī)的暫住設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)兩側(cè)的蓋板分為內(nèi)外兩層，外側(cè)蓋板由前后2塊分蓋板、蓋板軌道、蓋板滑槽、滑輪及蓋板鎖組成，當(dāng)作業(yè)人員有住宿使用需求時(shí)，可將外側(cè)前蓋板由上端的蓋板滑槽向后拉開，使之移至外側(cè)后蓋板前方，從而露出外側(cè)前蓋板后的住宿裝置。繼而可轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)合收割機(jī)的前端扶梯，角度大概為-135°，作業(yè)人員可爬上扶梯，打開住宿底板固定鎖，住宿底板采用三角形固定結(jié)構(gòu)，底部設(shè)有滑槽及滑槽固定裝置，有利于底板使用的便捷性和放平之后的穩(wěn)固性。最后作業(yè)人員可爬上底板，抽出三端隱藏在底板內(nèi)部的護(hù)欄裝置，從而確保作息過程中的安全性。

4? 結(jié)? 語

模塊化設(shè)計(jì)是一種效果顯著而又應(yīng)用廣泛的設(shè)計(jì)方法，在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中主要從模塊化設(shè)計(jì)的獨(dú)立性、通用性、互換性3個(gè)特征出發(fā)，結(jié)合產(chǎn)品形態(tài)語義學(xué)、仿生學(xué)、人機(jī)工程學(xué)以及用戶研究法等產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法展開創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，最終完成對(duì)Field Harvest J121稻麥聯(lián)合收割整合機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

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