新材料在農業機械輕量化設計中的應用

郭子楊 唐 茂 曾 健 陳禹臻 吳柏強

（成都大學機械工程學院，四川 成都 610100）

0 引言

推進農業機械化是助力實施鄉村振興戰略的關鍵措施。鑒于生態環境形勢日益嚴峻，降低農業機械能源消耗成為農業機械裝備制造方面必須解決的問題。輕量化是降低農業機械能源損耗的重要手段。實踐表明，影響農業機械質量的主要因素是結構設計、制造材料及制造工藝，其中制造材料是影響農業機械質量的重要因素。所以，基于人工智能、3D 打印等技術的發展，推進輕量化新材料在農業機械設計中的應用成為降低農業機械能源消耗的重要措施。

1 農業機械輕量化設計的原因

1.1 減少對土壤結構的破壞

雖然農業機械在農業生產中的應用能提高作業效率，但是由于農業機械自重較大，其在作業過程中會壓實土壤，導致土壤的透水性較差，從而影響農作物生長。而通過優化農業機械設計，減輕農業機械的自重，可以有效降低對農田土壤的壓實度，避免對土壤結構的破壞。例如，在水稻種植中應用輕量化農業機械，可以避免農業機械因自重較大導致輪胎下陷、打滑及對土壤犁底層造成破壞，保證水稻生長環境良好，從而提高水稻產量。

1.2 降低驅動能耗

農業機械的質量和結構直接影響農業機械動力裝配，質量越大的農業機械所需的動力總成越高，其能源消耗也就越大。而農業機械輕量化設計可以在保證農業機械強度和安全性能的基礎上，采取優化結構、使用新材料等工藝手段，降低農業機械設備的整體質量，從而降低對動力輸出的要求。這樣不僅能滿足綠色節能設計要求，而且能減少能源消耗，為農業機械使用者節省大筆支出。

1.3 提高農業機械操作性能

農業機械一般具有旋轉、沖擊或者直線運動等功能。農業機械質量越大，操作難度就會越高，在農業機械使用過程中易受諸多因素影響而發生安全事故。采用農業機械輕量化設計則可降低農業機械的操作難度，便于機械使用者靈活操作，減少或避免安全事故發生。例如，在梯田和山地進行農業生產時，輕量化農業機械的使用更加輕便，可減少或避免因地形結構復雜而發生安全事故。

1.4 提高機械生產企業市場競爭力

電池是農業機械運行的主要動力，因此，農業機械作業往往受電池續航里程較短等因素的制約。農業機械制造企業必須從質量上入手，通過使用輕量化材料減少電池荷載力，以此延長電池的續航里程，從而提升農業機械生產水平，增強農業機械生產企業的市場競爭力。

2 新材料在農業機械輕量化設計中的應用

目前，農業機械輕量化設計研究主要集中在3 個方面：一是農業機械結構輕量化設計，二是材料輕量化設計，三是工藝輕量化設計。其中，材料輕量化設計是農業機械輕量化設計的研究重點。尤其是隨著大數據技術、人工智能、機器人及3D 打印技術的發展，各種新材料的性能不斷完善，使得如高強度鋼、鋁合金、鈦合金及復合材料等在農業機械輕量化設計中得到了廣泛應用。

2.1 高強度鋼在農業機械輕量化設計中的應用

制造材料直接關系農業機械的使用壽命和使用性能。農業機械在作業過程中長期受土壤、肥料、農藥等的影響，導致其使用壽命大大縮短。同時，農業機械與石塊、作物根莖等摩擦，會影響其使用效率。因此，農業機械制造材料必須滿足耐蝕、耐磨、減摩、耐沖擊、耐疲勞和輕量化等要求。高強度鋼是屈服強度1 370 MPa 以上、抗拉強度1 620 MPa 以上的合金鋼。相比鋁、碳合金等“輕質”材料，高強度鋼的環保性和回收利用優勢更加顯著。目前，高強度鋼在農業機械制造領域得到了廣泛應用，不僅有效提升了農業機械的安全系數，而且降低了農業機械的整體質量。例如，針對收割機切片磨損大、焊接性能低及自重大等缺陷，農業機械設計企業研發了基于高強度鋼的切片，其相比傳統切片的耐磨性有所提升，而且機身質量有所降低，并可以適應不同的作業環境，大大延長了收割機的使用壽命。目前，高強度鋼主要應用在農業機械的前后縱梁、B 柱等部位。因為這些部位的形狀比較復雜，傳統材料強度不足，不得不使用較多材料來彌補，因而會增加農業機械的質量，而使用高強度鋼材料可以減少鋼板的厚度（高強度鋼材力學性能較好、不易變形），從而可減輕農業機械的質量。據測算，在收割機門檻梁部位使用高強度鋼（DP 1000），在保證門檻梁吸能特性不變的情況下，收割機質量減輕了13%左右。

2.2 鋁合金在農業機械輕量化設計中的應用

鋁合金屬于金屬材料，是在鋁中加入多種合金元素組成的，如銅、鎂、硅等元素。其具有密度低、強度高及塑性好等特點。鋁合金的密度是鋼的50%左右，但是其屈服強度與鋼材基本一致。目前，鋁合金在農業機械設備制造中的應用范圍較廣，如在拖拉機活塞中使用鋁合金可以大大延長活塞的使用壽命，降低其磨損性。實踐證明，鋁合金是實現農業機械輕量化設計的重要材料。例如，在耕地機設計中，為了降低其質量，需要對后縱梁進行輕量化設計，具體就是使用真空高壓鑄造鋁合金代替傳統的鋼材對后縱梁進行設計，輕量化設計后縱梁質量減輕90 kg，質量降低約1.8%。底盤是農業機械的主要組成部分，減輕底盤質量是農業機械輕量化設計的關鍵舉措。在小型農用運輸汽車底盤中一般使用鋼制件，但是鋼制件相對較重，因此，可使用鋁合金底盤零件更換鋼制件零件，以達到輕量化設計目的，具體質量減輕情況見表1。

表1 小型農用運輸車質量對比

2.3 鈦合金在農業機械輕量化設計中的應用

鈦合金是農業機械輕量化設計的首選材料，因為鈦合金的密度僅為鋁合材料的60%左右，且其減震效果明顯優于鋼材、鋁合金。同時，鈦合金具有可回收性好、屈服強度高、質量輕等特點，所以其在農業機械各零件設計中應用價值較高，具體應用表現如下。

一是通過減輕農業機械組成部件的質量以及增強車架相關結構零件的負載能力，提高發動機性能，有效降低農業機械作業時的車身震動，提高作業效率。例如，在水田輪式拖拉機設計中，由于拖拉機自身過重會破壞稻田土壤結構，影響后續插秧和收獲機械入場，因而減輕車身自重成為農業機械設計制造的關鍵。水田輪式拖拉機各零部件種類較多，零件自重較大，而將水田輪式拖拉機零件材質改為鈦合金材質，會有效降低水田輪式拖拉機的自重，從而提升發動機的性能。

二是利用鈦合金改進農業機械排氣系統，能節約燃料費用。利用鈦合金制造的排氣系統比傳統的鋼材料輕，可以有效提高農業機械尾氣的排放效率，提升燃油效果，降低能源消耗。當然，鈦合金材料價格比較昂貴，各零件加工成本較高，同時受限于焊接技術的影響，導致鈦合金在農業機械輕量化設計中的應用率不高。因此，今后相關研究人員需要優化鈦合金加工方法，降低鈦合金材料價格，以促進鈦合金在農業機械輕量化設計中的應用。

2.4 復合材料在農業機械輕量化設計中的應用

隨著3D 打印技術、人工智能技術的發展，復合材料種類越來越多。顧名思義，復合材料就是由2 種或2 種以上不同材料組合而成的材料。由于復合材料的結構密度高、老化程度較小，因而具有良好的保溫、防水和隔熱性，在機械制造領域具有廣泛的應用空間。例如，復合材料具有特殊的振動阻尼特性，其變形后易于修理。農業機械輕量化設計在考慮減輕質量的基礎上，還要考慮行駛安全的要求，而復合材料可以滿足農業機械輕量化設計的整體需求。例如，某農業機械廠針對玉米秸稈粉碎機自身重的缺陷，將玉米秸稈粉碎機保險杠由鋼結構轉化為木塑復合材料。同時，為了保證玉米秸稈粉碎機的強度、低速碰撞性能等，對保險杠的角度參數進行調整優化；輕量化玉米粉碎機相比于傳統鋼材粉碎機質量減輕25 kg，質量減輕率達10.2%，而且整車的安全系數得到大幅提升。當然，使用復合材料時需要考慮不同材質元件的接頭問題。因此，今后在農業機械輕量化設計中需要關注復合材料的兼容性問題。

3 促進新材料在農業機械設計中應用的對策

3.1 完善農業機械裝備制造扶持政策，提升科研能力

為促進新材料在農業機械輕量化設計中的應用，國家應出臺完善的扶持政策，對于從事農業機械輕量化研發的企業給予技術、資金及土地等方面的支持，鼓勵企業參與農業機械輕量化研發工作，并鼓勵企業自身加大科技創新投入力度，以此增強我國農業機械輕量化的研發能力，從而提升我國農業機械制造能力和水平。

3.2 大力發展人工智能、數字控制等技術

農業機械輕量化設計離不開人工智能、數字自動化控制及材料成型等技術的支持。因此，要大力發展人工智能、數字控制等技術，依托數字自動控制系統實現農業機械整體制造材料的智能化測算與設計，促進農業機械智能化發展，以此在降低農業機械自重的基礎上滿足農業生產需求。一方面，我國要鼓勵農業機械生產企業主動參與國際市場競爭，通過市場競爭了解農業機械輕量化設計前沿科技；另一方面，農業機械研發部門要加大科技研發力度，尤其是加強對農業機械輕量化設計核心技術的研發。例如，針對當前“芯片荒”所導致的農業機械輕量化設計受阻的問題，我國要鼓勵科研部門增強芯片的研發能力，以此助力農業機械輕量化設計。

3.3 加強人才隊伍建設，提高輕量化新材料性能

新材料在農業機械輕量化設計中發揮著重要作用。一方面，我國要加強農業機械裝備制造領域人才隊伍建設，培養高素質、實用型裝備制造技術人才。農業機械研發部門要與高等院校加強溝通與合作，深入開展產教融合，結合農業機械生產企業崗位需求加強人才培養，提升農業機械研發人才的創新能力與質量控制意識。另一方面，要加強新材料的研發力度。新材料是農業機械輕量化設計的關鍵。為促進農業機械輕量化設計，農業機械研發部門要加大對輕量化新材料的研發力度，提升新材料使用性能。例如，基于3D 打印技術的發展，我國要大力推進復合材料在農業機械輕量化設計中的應用，以此達到生態效益和經濟效益雙提升目的。

4 結語

加快推進農業機械輕量化設計是提升我國農業機械裝備制造能力的關鍵舉措，是促進智慧農業發展的內在要求。因此，我國要基于人工智能、數字化自動控制及3D 打印等技術，大力促進新材料在農業機械輕量化設計中的應用，提高我國農業機械制造水平，從而提升我國農業機械化發展水平。