模塊化設計在小型農機上的應用*

薛 輝

（湘西民族職業技術學院，湖南 湘西州 416000）

農業機械化是助力農業現代化高質量發展的主要方式，近年來，隨著我國鄉村振興戰略的貫徹落實，科學改善并轉變農業生產及發展方式已經成為新時期農業生產發展重點關注的問題。其中，農業機械化是促進農業實現增產增收及高質量發展的重要保障，要求我國農業生產領域緊抓農業機械化發展問題，深刻意識到農業機械化是實現農業現代化的前提條件。經過多年的實踐與發展，農業機械化水平得到了顯著提高，為助力我國農業經濟可持續發展提供了良好的內在驅動力。目前，為進一步提升農業機械化水平，研究人員主動應用新興技術（如模塊化設計技術），針對傳統農機設備生產制造體系進行轉型升級，進一步提高農機產品設計使用效率。

1 小型農機應用現狀及模塊化設計可行性分析

新時期我國農業生產已經邁入了以機械化為主導的發展階段，農機設計制造水平呈現出穩步上升的態勢，集中表現在農機產品保有量持續增加、農機作業能力顯著提高、農作物生產方式逐漸向機械化靠攏等方面[1]。然而，由于目前農機產品功能需求多樣化以及作業環境復雜化等特征相對突出，再加上我國農業生產長期以來比較依賴于人工作業，農機產品機械化生產制造水平尚未達到預期高度，存在科研創新能力薄弱以及研發水平滯后等問題。最重要的是，部分地區受到經濟發展以及其他因素制約，農機產品有效供給明顯不足或存在售價偏高的現象，嚴重阻礙了我國農業機械化可持續發展進程。

以農業生產常用的小型農機為例，長期以來，小型農機產品設計習慣依賴于過去的經驗總結，并未對現有設計方法進行大膽創新與實踐應用，導致零部件重復性設計問題偏多且資源共享性較差，難以保障小型農機高效使用。為解決當前農業機械產品功能個性化與科研水平不高之間的矛盾，研究人員主動將模塊化設計方法應用到小型農機研發設計工作當中。模塊化設計作為農業機械化設計體系的重要方法，主要通過結合先進的應用理論以及實踐方法，統籌考慮不同耕作方式的多樣化特征以及不同地區農作物的生產需求，對傳統小型農機生產設計以及制造體系方面的短板問題進行優化完善。針對多樣化需求特征，快速設計并配置出適用于農作物生產作業的小型農機產品，可行性相對較高。

2 模塊化設計的概念及特點分析

2.1 模塊化設計的概念

隨著農業現代化進程的加快，農機的需求和更新換代的速度也越來越快，因此，如何提高農機裝備的靈活性、可操作性、適應性、可靠性并降低生產成本成為關鍵問題。模塊化設計作為一種新型的產品開發和制造方法，可以有效地解決這些問題，因此在農機裝備制造領域得到了廣泛應用。模塊化設計可以理解為通過統籌組合產品中的某些要素，科學構建具有特定功能的子系統，所構建出的子系統可以用于具備通用性特征的模塊以及其他產品要素的組合當中，經過一系列處理之后，可以構建全新的系統模式，完成對多種不同功能或者相同功能系列產品的高質量生產與應用。在農機領域，模塊化設計主要有以下幾種：

1）發動機模塊化設計。將發動機分解成若干個獨立的模塊，如進氣系統、排氣系統、燃油系統、潤滑系統等，各個模塊之間具有明確的功能和接口，可以相互組合。這種設計方法可以降低發動機的制造成本和維修成本，提高發動機的可靠性和耐久性。

2）傳動系統模塊化設計。將傳動系統分解成若干個獨立的模塊，如變速箱、離合器、軸承等，各個模塊之間具有明確的功能和接口，可以相互組合。這種設計方法可以更好地滿足不同客戶的需求，并且提高了傳動系統的適應性和可靠性[2]。

3）操縱系統模塊化設計。將操縱系統分解成若干個獨立的模塊，如駕駛艙、操縱桿、控制面板等，各個模塊之間具有明確的功能和接口，可以相互組合。這種設計方法可以提高農機的靈活性和可操作性，降低了人工操作的難度。

4）電氣系統模塊化設計。將電氣系統分解成若干個獨立的模塊，如電路板、電機、傳感器等，各個模塊之間具有明確的功能和接口，可以相互組合。這種設計方法可以降低農機故障率，提高裝備的耐久性。

2.2 模塊化設計的特點

模塊化設計通常會涉及模塊劃分與模塊組合兩個流程。其中，模塊作為模塊化產品的基本組成單元，在生產設計過程中，應該不僅面向某一個產品，而是需要面向整個產品族進行合理生產與設計制造。

從核心特點上來看，模塊化設計所具備的特點主要表現為：1）結合生產需求，科學構建滿足產品系列設計要求的模塊系統；2）結合用戶個性化需求，借助模塊系統中的模塊快速拼裝等功能優勢，快速實現對模塊化產品的生產制造。其中，科學構建模塊化系統可以視為實現模塊快速組合與拼裝的重要前提。

從生產設計步驟上來看，模塊化設計的重點步驟為：1）需要結合模塊系統的總體規劃要求，針對設計任務功能以及產品布局方案進行深入研究與分析；2）通過合理劃分模塊，完成對模塊的系列規劃；3）通過模塊系統實現模塊功能、設計方案等方面的分析，提高生產速度，滿足農業生產實踐要求。

3 模塊化設計在小型農機上的應用分析

3.1 小型農機功能模塊劃分

基于模塊化設計的小型農機具備多功能作業機的優勢，不僅可以解決長期以來農機產品設計周期長、成本高的短板問題，還可以助力實現高質量生產目標、促進農業增產增收[3]。模塊化設計主要將小型農機劃分為多個功能模塊，分別為動力模塊、傳動模塊、行走模塊以及執行模塊。在模塊組合與應用過程中，可以將動力模塊、傳動模塊以及行走模塊組合起來，通過對不同執行模塊的組合滿足小型農機不同功能性需求。模塊化設計中比較常見的有小型山地旋耕機、小型山地水稻聯合收割機等[4]。需要注意的是，在模塊化設計過程中，設計人員應該結合小型農機的使用需求對其組成部分的功能進行標準化設計，科學制成不同的標準模塊，在使用時再進行組裝處理，以完成不同的農業作業。

3.2 小型農機裝置組成及功能應用

小型農機在裝置組成上主要可以圍繞操縱裝置、行走裝置、動力裝置、傳動裝置以及執行裝置等進行研究分析。這幾種裝置作為農機常用的通用裝置，也可以視為農機模塊化設計中的通用模塊，可以結合不同裝置的功能應用設計多個模塊，來滿足農機生產的多樣化需求[5-7]。

從功能應用上來看，執行裝置更多體現在旋耕、聯合收割以及施肥等模塊功能上，在使用過程中并不具備通用性，所以需要將其設計成為相對獨立的專用模塊進行使用。在設計優化過程中，需要借助接口方式實現對通用模塊與專用模塊的連接處理。通用模塊能夠滿足多個農機的功能需求，而專用模塊是個別農機所采用的模塊，是為了滿足特定的需求而采用的模塊。值得注意的是，一個通用模塊通常需要與多個專用模塊進行組合應用，目的在于打造不同的農機產品，實現高質量生產應用過程。基于此，每個接口在一定使用范圍內應該具備通用性特征，通過不斷減少使用的接口數量，提高模塊功能應用效果。

3.3 模塊接口方式設計

模塊化設計的全過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到預期，研究人員需要高度關注模塊之間的接口設置問題。在優化過程中，應該提前分析模塊化產品中的接口信息以及相關數據，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，所設置應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勢[9]，需要注意的是，這種接口結構只能單純傳遞信息或者參數，無法對信息或者參數進行處理。如機械互連中的各種連接零件（螺釘、鉚釘等）通常會選擇直接式接口進行設置應用[10]。2）間接式接口。可以理解為是兩個功能模塊間通過接口模塊連接的方式實現安全連接，可完成對信息或者參數的直接處理。

對于小型農機，在接口方式的選擇上應該優先以間接式接口為主。在使用過程中，應該結合小型農機專用模塊如旋耕模塊、聯合收割模塊等的使用要求，在合適位置設置幾個接口；再通過適當旋轉，確保通用模塊可以配以不同的專用模塊進行高效應用，實現預期功能。

4 結語

總而言之，用于農業生產的機械設備結構相對復雜且功能需求逐漸多樣化。在設計制造過程中，工作人員需要結合農機產品使用以及功能結構需求，適當應用模塊化設計實現結構模塊精準快速劃分，確保各結構模塊的使用功能可以滿足農機的多樣化需求。本文所研究的基于模塊化設計的小型農機可以結合農業生產特點對其進行功能劃分，不僅可以全面提高農業生產效率，同時也有助于實現農業增產增收目標，可行性價值相對突出。基于此，建議研究人員加強對模塊化設計技術動態發展情況的合理捕捉，通過完善并健全生產制造體系，進一步提升小型農機設備的使用效率。