現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用綜述

樂治后 王琳 吳家葵

南昌工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江西 南昌

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)水平對提高農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)量與性能，縮短研制周期以及提高經(jīng)濟(jì)效益具有重大意義。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展需要，因此，大量現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中被不斷應(yīng)用[1]。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的狀況及特點(diǎn)

與國外先進(jìn)水平比較，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程相對滯后，農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)人員相對匱乏。此外，農(nóng)機(jī)使用區(qū)域具有較強(qiáng)的季節(jié)因素、地理環(huán)境復(fù)雜、農(nóng)作物類別廣泛等，增加了農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)難度。

1）農(nóng)作物生長具有季節(jié)性，農(nóng)業(yè)機(jī)械田間試驗(yàn)需要根據(jù)農(nóng)作物生長周期來決定，錯(cuò)過了生長周期就無法試驗(yàn)，因而增長了研制周期。

2）農(nóng)業(yè)機(jī)械要求適應(yīng)性寬泛，在不同場景、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都希望能使用，而地理環(huán)境相對復(fù)雜，必然提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)要求和難度。

3）相對其它工程機(jī)械和精密機(jī)械來說，農(nóng)業(yè)機(jī)械利潤空間較低，對于企業(yè)來講開發(fā)生產(chǎn)成本較高、銷量較小，利潤無法保證。

2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢

現(xiàn)代方法學(xué)是將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與CAD 相結(jié)合的產(chǎn)物。CAD是將硬件、軟件以及數(shù)學(xué)建模有機(jī)地結(jié)合在一起的一種設(shè)計(jì)方法[2-3]。近幾年來，多個(gè)學(xué)科的相互結(jié)合已被廣泛地運(yùn)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中。一是提高了工作效率和精度。以參數(shù)優(yōu)化、虛擬制造為中心，以試驗(yàn)與測試為主要手段，具有時(shí)間短、成本低、精度高等特點(diǎn)[2]。二是不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的綜合利用?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法具備一定的綜合性，根據(jù)各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念和方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，將各種設(shè)計(jì)產(chǎn)品的優(yōu)勢和參數(shù)結(jié)合起來，從而可以設(shè)計(jì)出更好的農(nóng)業(yè)機(jī)械。利用計(jì)算機(jī)模擬與仿真技術(shù)，針對不同的產(chǎn)品，其具有的特性具有一定的優(yōu)越性，然后持續(xù)地對其進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，從而在實(shí)際操作過程中，可以提升其機(jī)械特性與工作效率[2]。

3 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

所謂現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法，就是將現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想與方法引入機(jī)械設(shè)計(jì)之中，并取得某種效果[2]。近年來，常用的設(shè)計(jì)方法有：離散元法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、可靠性設(shè)計(jì)方法、反求工程設(shè)計(jì)法、有限元法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法等[3-6]。

3.1 離散元法

將介質(zhì)視為一組離散的、相互分離的運(yùn)動單元，利用其自身的離散特征，通過對其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械工作過程模擬[2，4]。馬躍進(jìn)等[7]運(yùn)用離散元法分析不同耕深和速度對深松耕作阻力的影響，并以國標(biāo)深松鏟為比較對象，分析了凸圓刃式深松鏟的減阻效果，為進(jìn)一步優(yōu)化深松鏟結(jié)構(gòu)提供參考。熊平原等[8]基于離散元顆粒接觸理論，構(gòu)建了適應(yīng)南方土質(zhì)環(huán)境的旋耕刀-土壤相互作用仿真模型，分析了旋耕刀所受三向工作阻力及其變化規(guī)律。

離散元法有利于建立土質(zhì)環(huán)境和農(nóng)業(yè)機(jī)械間的相互作用模型，模擬機(jī)器的工作過程，進(jìn)行仿真分析，可視性好，可提供詳細(xì)的直觀信息和數(shù)據(jù)，在一定程度上替代復(fù)雜的田間試驗(yàn)，能降低研制成本。同時(shí)離散元法對于不連續(xù)體運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)響應(yīng)上模型保真度高、仿真結(jié)果準(zhǔn)確度高。對于現(xiàn)代大型化、復(fù)合化農(nóng)業(yè)機(jī)械來說，采用離散元法進(jìn)行關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)優(yōu)勢明顯。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

所謂系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法就是需要統(tǒng)觀整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)來獲取設(shè)計(jì)思路。劉樹峰[9-10]等人從系統(tǒng)的角度對馬鈴薯農(nóng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行了剖析，以單行甘薯秧蔓回收機(jī)為實(shí)例，建立了薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟，并給出了農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以系統(tǒng)的視角構(gòu)建土壤-植物-機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境，有利于綜合各種影響因素，重塑農(nóng)業(yè)機(jī)械的形態(tài)、材料和結(jié)構(gòu)，從多個(gè)科學(xué)角度來考慮問題，實(shí)現(xiàn)人-機(jī)-環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度、合理性和可靠性。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

優(yōu)化設(shè)計(jì)方法就是根據(jù)現(xiàn)有的各種設(shè)計(jì)方法，通過最大限度地改進(jìn)原有的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)。當(dāng)前，最常用的技術(shù)是采用數(shù)字化設(shè)計(jì)與動態(tài)優(yōu)化方法[11]。采用動態(tài)優(yōu)化方法，可達(dá)到降低機(jī)械振動，實(shí)時(shí)去除噪音，達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。王霖寬等[12]，以最小的體積和最大的傳動效率為目的，通過MATLAB 編制遺傳算法，對機(jī)械各項(xiàng)性能進(jìn)行優(yōu)化，提高傳動效率的周時(shí)，減小了體積。

優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能通過約束條件尋找到抗振值、最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸，使設(shè)備處于最優(yōu)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，滿足結(jié)構(gòu)特性需求，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作效率。同時(shí)，還可以依據(jù)數(shù)字變量需求，優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械尺寸、重量或體積，降低研制成本。數(shù)字量優(yōu)化還有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械的現(xiàn)代化和信息化發(fā)展。

3.4 可靠性設(shè)計(jì)方法

機(jī)械可靠性是指機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定使用條件、規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。張立香等[13]對4LZ-2 稻麥聯(lián)合收割機(jī)經(jīng)改進(jìn)后的驅(qū)動橋殼進(jìn)行剛度和強(qiáng)度可靠性分析，為農(nóng)機(jī)底盤驅(qū)動橋殼等關(guān)鍵零件的精益設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。陳超等[14]提出了一種基于改進(jìn)IFM 的農(nóng)業(yè)機(jī)械可靠性分配方法，為農(nóng)機(jī)可靠性分配提供參考，為農(nóng)機(jī)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

可靠性設(shè)計(jì)能建立農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)化模型，分析關(guān)鍵部件的剛度和強(qiáng)度，為農(nóng)業(yè)機(jī)械精益設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)?？煽啃栽O(shè)計(jì)可減少農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)生故障的時(shí)間和頻率，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械使用率，減少農(nóng)業(yè)機(jī)械維修費(fèi)用，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量信譽(yù)度，贏得市場競爭力。

3.5 反求工程設(shè)計(jì)法

反求工程設(shè)計(jì)是通過實(shí)物與技術(shù)資料對已有先進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行分析、解剖、試驗(yàn)，了解其材料、組成、結(jié)構(gòu)、性能、功能，掌握其工藝原理和工作原理，以進(jìn)行消化、改進(jìn)或發(fā)展、創(chuàng)造新產(chǎn)品的一種工藝和技術(shù)[15]。彭智[15]對油菜割捆機(jī)割臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)剖析和參數(shù)反求。張永昌[16]利用反求設(shè)計(jì)方法得到非圓齒輪行星輪系取苗機(jī)構(gòu)，并開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動仿真和試驗(yàn)研究。周麗莎[17]建立了基于等徑凸輪的強(qiáng)制推秧機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)反求模型。王金武等[18]提出了基于Matlab GUI 開發(fā)平臺的非圓齒輪行星系扎穴機(jī)構(gòu)反求設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)仿真分析方法。

反求工程設(shè)計(jì)方法能快速獲得農(nóng)業(yè)機(jī)械已有產(chǎn)品資料的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行反求設(shè)計(jì)，通過修改和在設(shè)計(jì)獲得新的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于新農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，大大提高設(shè)計(jì)速度。反求工程設(shè)計(jì)方法具有開拓性、實(shí)用性和綜合性，在農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)中，市場前景極為廣闊。

3.6 有限元設(shè)計(jì)

有限元分析是將一個(gè)復(fù)雜的體系分解成若干個(gè)簡單的單元，然后對其進(jìn)行綜合分析，從而得到準(zhǔn)確的結(jié)果[5]。潘彥江[19]利用SOLIDWORKS軟件，對方草捆撿拾壓捆機(jī)的機(jī)械性能進(jìn)行了有限元分析。連璞[20]利用有限元法，對農(nóng)業(yè)機(jī)械空間薄壁桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果表明有限元分析方法可以優(yōu)化機(jī)械性，縮短研制周期，降低研制費(fèi)用。

有限元方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中主要包括四個(gè)方面應(yīng)用：結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)、動態(tài)分析和振動控制、接觸問題和非線性分析以及流體動力學(xué)分析。應(yīng)用有限元設(shè)計(jì)方法，能對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行近似計(jì)算，得到精確值，并對農(nóng)業(yè)機(jī)械全面性能進(jìn)行檢測，幫助設(shè)計(jì)者更好地理解機(jī)械的力學(xué)、動力學(xué)和流體動力學(xué)行為，優(yōu)化機(jī)械的結(jié)構(gòu)、性能和可靠性，替代了大量復(fù)雜的田間試驗(yàn)，大大減少農(nóng)業(yè)機(jī)械研制時(shí)間和研制成本。

3.7 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)指的是對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)圖進(jìn)行繪制，利用3D 立體圖形將零部件形狀、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)參數(shù)展現(xiàn)出來，從而讓設(shè)計(jì)工作變得更加方便有效，同時(shí)還可以提升設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，降低生產(chǎn)中的錯(cuò)誤[6，21]。例如：農(nóng)業(yè)動力機(jī)械，家禽機(jī)械，農(nóng)田作業(yè)機(jī)械等，都可以通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法來完成。劉磊[22]應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，對拖拉機(jī)液壓懸掛裝置進(jìn)行了研究。張佩[23]利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法完成了犁體、旋耕機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法能實(shí)現(xiàn)工程圖紙的自動繪制和修改，有效提高制圖效率和質(zhì)量，為后續(xù)的有限元分析和模擬提供數(shù)據(jù)模型，便于不同部門之間信息交流和共享，提高機(jī)械產(chǎn)品的精度和效率，使得設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更能滿足市場需求，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

4 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景

隨著應(yīng)用場景和應(yīng)用群體的變化，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一多種應(yīng)用需求。根據(jù)應(yīng)用群體的多種需要進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能和特性更加多元化、個(gè)性化，更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)增長。

4.1 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方向主要包括虛擬設(shè)計(jì)及模擬、用戶交互體驗(yàn)、遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)和教育培訓(xùn)與技能提升等。通過結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的效率和品質(zhì)將得到顯著提升。

4.2 參數(shù)化

參數(shù)化設(shè)計(jì)將成為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動設(shè)計(jì)、動力設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)以及智能化參數(shù)等，建立一個(gè)參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺，在設(shè)計(jì)過程中只需要更改其中的參數(shù)即可完成新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中具有廣泛應(yīng)用前景，可進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械性能、效率和智能化水平，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化進(jìn)程。

4.3 集成化

農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的功能將更加多元化、集成化。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中集成化應(yīng)用方向包括多元化設(shè)計(jì)、智能化技術(shù)、模塊化生產(chǎn)、一體化制造和高效能利用等。通過將多種功能和技術(shù)集成到一臺機(jī)械中，可減小農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和體積，降低成本，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、簡化生產(chǎn)流程、提高作業(yè)效率。

4.4 智能化

智能化設(shè)計(jì)技術(shù)將成為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。智能設(shè)計(jì)技術(shù)運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，包括遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化和改進(jìn)，以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能和研制效率[24]。農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化主要應(yīng)用方向包括自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、導(dǎo)航與定位技術(shù)等，為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)帶來了無限的可能性和巨大的發(fā)展機(jī)遇。

4.5 網(wǎng)絡(luò)化

未來農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)將面向網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，通過網(wǎng)絡(luò)共享設(shè)計(jì)技術(shù)資料等資源。網(wǎng)絡(luò)化的具體呈現(xiàn)方向包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用、遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷、數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策支持、智能化作業(yè)調(diào)度、農(nóng)業(yè)信息化管理、農(nóng)業(yè)技術(shù)交流與合作、農(nóng)業(yè)電子商務(wù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)教育與培訓(xùn)、農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測等。網(wǎng)絡(luò)化為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)帶來了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，可進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化、信息化和高效化。

4.6 標(biāo)準(zhǔn)化

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，基本零件設(shè)計(jì)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，便于農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及維護(hù)。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化主要應(yīng)用方向包括設(shè)計(jì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、材料和工藝的標(biāo)準(zhǔn)化、安全性能的標(biāo)準(zhǔn)化、制造過程的標(biāo)準(zhǔn)化、測試與評價(jià)方法的標(biāo)準(zhǔn)化、包裝與運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品全生命周期管理的標(biāo)準(zhǔn)化及維護(hù)與保養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化，通過標(biāo)準(zhǔn)化，可推動農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)規(guī)范、高效和可持續(xù)發(fā)展。

4.7 綠色化

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)將轉(zhuǎn)向綠色和環(huán)保。設(shè)計(jì)者首先要了解產(chǎn)品工作環(huán)境，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)最先進(jìn)、最科學(xué)的方式選擇產(chǎn)品材料，控制產(chǎn)品質(zhì)量，較少能量消耗[24]，對材料可循環(huán)利用或重復(fù)利用，以提高效率和節(jié)約能源。

5 結(jié)語

在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法，可以有效縮短農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)周期、改善設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少研制成本。廣大技術(shù)人員應(yīng)不斷更新設(shè)計(jì)思維，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和開發(fā)能力。