現代設計方法在農業機械設計中的應用綜述

樂治后 王琳 吳家葵

南昌工學院機械與車輛工程學院，江西 南昌

農業機械設計水平對提高農業機械質量與性能，縮短研制周期以及提高經濟效益具有重大意義。隨著現代農業持續發展，傳統的機械設計方法已經不能滿足現代農業機械的發展需要，因此，大量現代設計方法在農業機械設計中被不斷應用[1]。

1 農業機械設計的狀況及特點

與國外先進水平比較，我國農業機械化進程相對滯后，農業機械化技術人員相對匱乏。此外，農機使用區域具有較強的季節因素、地理環境復雜、農作物類別廣泛等，增加了農業機械設計難度。

1）農作物生長具有季節性，農業機械田間試驗需要根據農作物生長周期來決定，錯過了生長周期就無法試驗，因而增長了研制周期。

2）農業機械要求適應性寬泛，在不同場景、農業生產環節都希望能使用，而地理環境相對復雜，必然提高農業機械的設計要求和難度。

3）相對其它工程機械和精密機械來說，農業機械利潤空間較低，對于企業來講開發生產成本較高、銷量較小，利潤無法保證。

2 現代設計方法的優勢

現代方法學是將現代設計方法與CAD 相結合的產物。CAD是將硬件、軟件以及數學建模有機地結合在一起的一種設計方法[2-3]。近幾年來，多個學科的相互結合已被廣泛地運用到農業機械設計中。一是提高了工作效率和精度。以參數優化、虛擬制造為中心，以試驗與測試為主要手段，具有時間短、成本低、精度高等特點[2]。二是不同產品設計技術的綜合利用。現代設計方法具備一定的綜合性，根據各種產品的設計理念和方案進行設計，將各種設計產品的優勢和參數結合起來，從而可以設計出更好的農業機械。利用計算機模擬與仿真技術，針對不同的產品，其具有的特性具有一定的優越性，然后持續地對其進行改進與優化，從而在實際操作過程中，可以提升其機械特性與工作效率[2]。

3 現代設計方法在農業機械設計中的應用

所謂現代機械設計方法，就是將現代設計思想與方法引入機械設計之中，并取得某種效果[2]。近年來，常用的設計方法有：離散元法、系統設計方法、優化設計方法、可靠性設計方法、反求工程設計法、有限元法和計算機輔助設計法等[3-6]。

3.1 離散元法

將介質視為一組離散的、相互分離的運動單元，利用其自身的離散特征，通過對其進行數學建模，實現農業機械工作過程模擬[2，4]。馬躍進等[7]運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，為進一步優化深松鏟結構提供參考。熊平原等[8]基于離散元顆粒接觸理論，構建了適應南方土質環境的旋耕刀-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律。

離散元法有利于建立土質環境和農業機械間的相互作用模型，模擬機器的工作過程，進行仿真分析，可視性好，可提供詳細的直觀信息和數據，在一定程度上替代復雜的田間試驗，能降低研制成本。同時離散元法對于不連續體運動學和動力學響應上模型保真度高、仿真結果準確度高。對于現代大型化、復合化農業機械來說，采用離散元法進行關鍵零部件設計優勢明顯。

3.2 系統設計方法

所謂系統化設計方法就是需要統觀整個機械系統來獲取設計思路。劉樹峰[9-10]等人從系統的角度對馬鈴薯農機系統的設計環境進行了剖析，以單行甘薯秧蔓回收機為實例，建立了薯類農業機械系統的設計方法和步驟，并給出了農業機械系統的設計實驗方案。

系統設計方法以系統的視角構建土壤-植物-機械系統設計環境，有利于綜合各種影響因素，重塑農業機械的形態、材料和結構，從多個科學角度來考慮問題，實現人-機-環境的系統設計，提高設計準確度、合理性和可靠性。

3.3 優化設計方法

優化設計方法就是根據現有的各種設計方法，通過最大限度地改進原有的結構，實現結構的最優。當前，最常用的技術是采用數字化設計與動態優化方法[11]。采用動態優化方法，可達到降低機械振動，實時去除噪音，達到最優的結構設計。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，對機械各項性能進行優化，提高傳動效率的周時，減小了體積。

優化設計方法能通過約束條件尋找到抗振值、最優的結構尺寸，使設備處于最優的結構狀態，滿足結構特性需求，提高農業機械的工作效率。同時，還可以依據數字變量需求，優化農業機械尺寸、重量或體積，降低研制成本。數字量優化還有利于農業機械的現代化和信息化發展。

3.4 可靠性設計方法

機械可靠性是指機械產品在規定使用條件、規定時間內完成規定功能的能力。張立香等[13]對4LZ-2 稻麥聯合收割機經改進后的驅動橋殼進行剛度和強度可靠性分析，為農機底盤驅動橋殼等關鍵零件的精益設計提供理論指導。陳超等[14]提出了一種基于改進IFM 的農業機械可靠性分配方法，為農機可靠性分配提供參考，為農機產品可靠性設計提供依據。

可靠性設計能建立農業機械產品參數化模型，分析關鍵部件的剛度和強度，為農業機械精益設計提供理論指導。可靠性設計可減少農業機械發生故障的時間和頻率，提高農業機械使用率，減少農業機械維修費用，從而提高產品質量信譽度，贏得市場競爭力。

3.5 反求工程設計法

反求工程設計是通過實物與技術資料對已有先進產品進行分析、解剖、試驗，了解其材料、組成、結構、性能、功能，掌握其工藝原理和工作原理，以進行消化、改進或發展、創造新產品的一種工藝和技術[15]。彭智[15]對油菜割捆機割臺進行結構剖析和參數反求。張永昌[16]利用反求設計方法得到非圓齒輪行星輪系取苗機構，并開展結構設計、運動仿真和試驗研究。周麗莎[17]建立了基于等徑凸輪的強制推秧機構運動學反求模型。王金武等[18]提出了基于Matlab GUI 開發平臺的非圓齒輪行星系扎穴機構反求設計與運動學仿真分析方法。

反求工程設計方法能快速獲得農業機械已有產品資料的數據，并進行反求設計，通過修改和在設計獲得新的產品數據，這些數據可用于新農業機械產品的設計，大大提高設計速度。反求工程設計方法具有開拓性、實用性和綜合性，在農業機械的設計中，市場前景極為廣闊。

3.6 有限元設計

有限元分析是將一個復雜的體系分解成若干個簡單的單元，然后對其進行綜合分析，從而得到準確的結果[5]。潘彥江[19]利用SOLIDWORKS軟件，對方草捆撿拾壓捆機的機械性能進行了有限元分析。連璞[20]利用有限元法，對農業機械空間薄壁桿系結構進行應力分析，結果表明有限元分析方法可以優化機械性，縮短研制周期，降低研制費用。

有限元方法在農業機械設計中主要包括四個方面應用：結構分析和優化設計、動態分析和振動控制、接觸問題和非線性分析以及流體動力學分析。應用有限元設計方法，能對農業機械設計中的復雜數據進行近似計算，得到精確值，并對農業機械全面性能進行檢測，幫助設計者更好地理解機械的力學、動力學和流體動力學行為，優化機械的結構、性能和可靠性，替代了大量復雜的田間試驗，大大減少農業機械研制時間和研制成本。

3.7 計算機輔助設計

計算機輔助設計技術指的是對農業機械設計圖進行繪制，利用3D 立體圖形將零部件形狀、結構、數據與關聯參數展現出來，從而讓設計工作變得更加方便有效，同時還可以提升設計的準確性，降低生產中的錯誤[6，21]。例如：農業動力機械，家禽機械，農田作業機械等，都可以通過計算機輔助設計方法來完成。劉磊[22]應用計算機輔助設計方法，對拖拉機液壓懸掛裝置進行了研究。張佩[23]利用計算機輔助設計方法完成了犁體、旋耕機和聯合收獲機的設計。

計算機輔助設計方法能實現工程圖紙的自動繪制和修改，有效提高制圖效率和質量，為后續的有限元分析和模擬提供數據模型，便于不同部門之間信息交流和共享，提高機械產品的精度和效率，使得設計的產品更能滿足市場需求，提高產品的市場競爭力。

4 現代設計方法在農業機械設計中的應用前景

隨著應用場景和應用群體的變化，農業機械設計需要協調統一多種應用需求。根據應用群體的多種需要進行設計開發，農業機械的功能和特性更加多元化、個性化，更好地服務于農業生產，促進農業的可持續發展與經濟增長。

4.1 虛擬現實

虛擬現實技術在農業機械設計中的應用方向主要包括虛擬設計及模擬、用戶交互體驗、遠程協同設計和教育培訓與技能提升等。通過結合虛擬現實技術，農業機械設計的效率和品質將得到顯著提升。

4.2 參數化

參數化設計將成為農業機械設計的一個趨勢。根據農業機械產品的結構設計、運動設計、動力設計、材料設計以及智能化參數等，建立一個參數化設計平臺，在設計過程中只需要更改其中的參數即可完成新產品的設計。參數化設計在農業機械設計中具有廣泛應用前景，可進一步提高農業機械性能、效率和智能化水平，推動農業生產的現代化進程。

4.3 集成化

農業機械產品的功能將更加多元化、集成化。農業機械設計中集成化應用方向包括多元化設計、智能化技術、模塊化生產、一體化制造和高效能利用等。通過將多種功能和技術集成到一臺機械中，可減小農業機械產品的質量和體積，降低成本，實現一機多用、簡化生產流程、提高作業效率。

4.4 智能化

智能化設計技術將成為農業機械設計的熱點。智能設計技術運用數據挖掘技術，包括遺傳算法、神經網絡算法等進行產品優化和改進，以提高農業機械設計產品的性能和研制效率[24]。農業機械智能化主要應用方向包括自動控制技術、傳感器技術、導航與定位技術等，為農業機械設計帶來了無限的可能性和巨大的發展機遇。

4.5 網絡化

未來農業機械產品設計將面向網絡，根據網絡需求進行定制設計，通過網絡共享設計技術資料等資源。網絡化的具體呈現方向包括物聯網技術應用、遠程監控與故障診斷、數據驅動的決策支持、智能化作業調度、農業信息化管理、農業技術交流與合作、農業電子商務發展、農業教育與培訓、農業生態與環境監測等。網絡化為農業機械設計帶來了巨大的機遇和挑戰，可進一步提高農業生產的智能化、信息化和高效化。

4.6 標準化

農業機械設計產品要依據國家標準進行設計，基本零件設計生產標準化、系列化，便于農業機械的設計、生產及維護。農業機械設計標準化主要應用方向包括設計參數的標準化、材料和工藝的標準化、安全性能的標準化、制造過程的標準化、測試與評價方法的標準化、包裝與運輸的標準化、產品全生命周期管理的標準化及維護與保養的標準化，通過標準化，可推動農業機械行業規范、高效和可持續發展。

4.7 綠色化

農業機械設計將轉向綠色和環保。設計者首先要了解產品工作環境，依據國家標準，依據最先進、最科學的方式選擇產品材料，控制產品質量，較少能量消耗[24]，對材料可循環利用或重復利用，以提高效率和節約能源。

5 結語

在農業機械設計中應用現代機械設計方法，可以有效縮短農業機械設計周期、改善設計質量、減少研制成本。廣大技術人員應不斷更新設計思維，在農業機械設計中采用現代設計方法，以提高產品的設計水平和開發能力。