基于系統(tǒng)工程原理的農(nóng)業(yè)機械設計方法研究

劉樹峰，張廣玲*，呂釗欽，李光提，李玉道，束 鈺

（1.山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，山東泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安 271018）

關鍵字：系統(tǒng)工程；農(nóng)業(yè)機械；設計方法；機械描述

0 引言

農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品的性能取決于設計，農(nóng)業(yè)機械也有其專有的工程特性，從設計方法進行研究也是促進農(nóng)業(yè)機械發(fā)展進步的重要手段。目前，農(nóng)業(yè)機械的設計仍主要是基于重要功能部分零部件，并以改變零部件的特性為重點，其結(jié)果是更注重零部件的細節(jié)設計，對其他部分乃至整個系統(tǒng)的設計關注較少，往往造成設計的農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品故障率高、可靠性低、工作性能不理想等問題[1]。而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械已發(fā)展成為機、電、液一體化的技術系統(tǒng)，信息化程度也不斷增高，傳統(tǒng)意義上的農(nóng)業(yè)機械，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)當中只是被稱作“機械部分”，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械設計方法已無法完整描述現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械[2]。

因此，本文提出根據(jù)系統(tǒng)工程原理進行農(nóng)業(yè)機械設計的觀點，研究農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)工程特性，分析農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)的組成，研究探索一套結(jié)合農(nóng)業(yè)機械設計環(huán)境、農(nóng)機產(chǎn)品設計需求、農(nóng)機產(chǎn)品系統(tǒng)設計、農(nóng)機系統(tǒng)細化分解、現(xiàn)有設計方法及反饋驗證六部分組成的農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計方法。

1 農(nóng)業(yè)機械設計方法現(xiàn)狀

國外農(nóng)機產(chǎn)品與國內(nèi)相比，國外農(nóng)機產(chǎn)品的機型普遍較大，可以實現(xiàn)多種機具牽引，外形設計較為美觀，安全創(chuàng)新等方面重視程度高，在農(nóng)業(yè)機械設計的精巧程度和設計水平較國內(nèi)相同產(chǎn)品展現(xiàn)出一定優(yōu)勢[3]。而且農(nóng)機發(fā)達國家的相關企業(yè)為了保證農(nóng)機質(zhì)量，非常關注農(nóng)業(yè)機械的設計過程。發(fā)達國家農(nóng)機企業(yè)可以利用規(guī)模優(yōu)勢不斷將最新的設計方法和技術應用到農(nóng)機設計，使其設計生產(chǎn)的農(nóng)機裝備不斷向智能裝備發(fā)展，并結(jié)合本企業(yè)的生產(chǎn)加工，分別構建出來了自身企業(yè)特色的設計系統(tǒng)，結(jié)合先進的數(shù)字化設計手段完善出設計制作平臺[4]。

機械總體方案設計的通用設計方法：整機結(jié)構設計→各系統(tǒng)設計→組成系統(tǒng)的部件設計→零件強度校核。結(jié)合農(nóng)業(yè)機械設計目標，從逆向工程為主要視角和方案，根據(jù)目前的機械理論，分析設計農(nóng)業(yè)機械的結(jié)構和原理，并參照設計需求確定農(nóng)業(yè)機械的工作參數(shù)。一般會形成多套的設計方案，然后通過試驗對比分析方案的優(yōu)良，最后再整合優(yōu)化形成一套完整的設計方案。

現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機械設計思路已經(jīng)較為完善，主要分為以下幾個步驟：分析設計目的、匯總已有方案、對比現(xiàn)有的問題、優(yōu)化設計、優(yōu)化分析、樣機加工制作、開展試驗研究。農(nóng)業(yè)機械設計依據(jù)設計手冊和設計方法理論等相關技術知識的指導，形成了一套簡單形象且容易操作的設計思路。對于農(nóng)業(yè)機械的內(nèi)部結(jié)構也已經(jīng)形成了固定的設計模板：對機構進行功能分析→枚舉已有的方案→初步選取確定一種機構形式→分析并開展相關計算→對作物的相關物理特性進行分析→試驗分析對比計算結(jié)果→對形成的方案進行可行性分析→確定設計參數(shù)。

2 農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計方法

目前，我國的農(nóng)業(yè)機械設計還是基本的設計構型方面，主要通過設計經(jīng)驗形成一定的概念，然后通過利用一定的較為現(xiàn)代的設計方法和理念對農(nóng)業(yè)機械對象開展設計工作，而且一般是對農(nóng)業(yè)機械內(nèi)部的具體某一機構。現(xiàn)有傳統(tǒng)的研究模式存在較多的問題，較為嚴重的問題是設計過程當中對現(xiàn)有的方案參考程度過高，造成了農(nóng)業(yè)機械的設計存在嚴重的同質(zhì)化，直接就導致了所設計的產(chǎn)品創(chuàng)新性不夠，而且過分的依賴設計經(jīng)驗。雖然經(jīng)驗設計可以提高設計效率，規(guī)避設計問題，但這也進一步限制了農(nóng)業(yè)機械的多樣化發(fā)展，更不能夠優(yōu)選出最佳的設計方案。另外，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機械設計工作絕大多數(shù)都是圍繞一定的具體設計對象，著眼于一項具體目標和問題來開展改進或者是優(yōu)化，以現(xiàn)有較為成熟的技術和固化的設計參數(shù)開展研究工作。近年來，隨著我國技術水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)機械的研究機構和相關企業(yè)也在，不斷采用先進的農(nóng)業(yè)機械設計方法并開展了系列卓有成效的工作。然而先進的農(nóng)業(yè)機械設計手段雖然在不斷推廣，但是核心的設計模式仍然不夠系統(tǒng)，設計過程以及理論研究仍然主要拘泥于解決單一機構或機型，缺乏通用理念和系統(tǒng)思維。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)組成和農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)環(huán)境影響因素，結(jié)合現(xiàn)有的成熟設計方法和設計流程，重新建立農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)的設計方法，如圖1所示。農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計理念：在系統(tǒng)工程理論指導下，結(jié)合系統(tǒng)環(huán)境影響因素，并借鑒現(xiàn)有的成熟的設計方法和流程，以需求為根本目標，采用系統(tǒng)設計、細分化解、反饋驗證等方法設計開發(fā)農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)，具體主要設計步驟如下：第一步，在農(nóng)機農(nóng)藝相互結(jié)合的基礎上，針對機械、植物、土壤特點不同，構建農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)的設計環(huán)境；第二步，依據(jù)農(nóng)業(yè)機械的設計目的要求，并細化性能指標以及具體分步驟完成動作；第三步，從農(nóng)機產(chǎn)品功能要求出發(fā)，設置設計約束條件，從成本、能耗等多方面約束規(guī)范設計；第四步，對農(nóng)機系統(tǒng)進行細化分解，利用系統(tǒng)工程視角對農(nóng)業(yè)機械進行描述，分解為物料流、能量流、信息流，并進一步功能分解；第五步，利用現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機械設計方法，對樣機進行試制、試驗，并對試驗結(jié)果進行分析，確定初步設計方案；第六步，根據(jù)試驗結(jié)果，結(jié)合農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計環(huán)境、農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品設計需求、約束條件等多項反饋信息下優(yōu)化完成農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)的設計。

圖1 農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計方法

3 結(jié)語

1）分析了現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機械研發(fā)設計過程當中存在的問題，結(jié)合農(nóng)業(yè)機械特點，建立了土壤-植物-機械的共同影響下農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計環(huán)境。

2）根據(jù)農(nóng)業(yè)機械工程設計影響環(huán)境、設計理念、系統(tǒng)組成等，建立了物料流、能量流、信息流的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)組成和系統(tǒng)研究邊界，設計了包含了農(nóng)業(yè)機械設計環(huán)境、農(nóng)機產(chǎn)品設計需求、農(nóng)機產(chǎn)品系統(tǒng)設計、農(nóng)機系統(tǒng)細化分解、現(xiàn)有設計方法及反饋驗證六部分組成的農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)設計試驗方法。