基于系統(tǒng)工程視角的薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計方法研究

劉樹峰，張廣玲，呂釗欽，李光提，李玉道，束 鈺

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，271018，山東泰安）

近年來，我國通過不斷引進(jìn)國外先進(jìn)的農(nóng)機(jī)裝備機(jī)型和生產(chǎn)先進(jìn)技術(shù)的方法來提高農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)[1]，這在一定程度上可以縮小我國農(nóng)機(jī)與國外的水平差距。但國外的農(nóng)業(yè)種植情況與國內(nèi)并不完全相同，要實現(xiàn)國外先進(jìn)技術(shù)的本土化還需要對農(nóng)機(jī)進(jìn)行適合我國農(nóng)業(yè)的優(yōu)化設(shè)計[2]，一些零部件的尺寸可能需要更改，甚至一些結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計，然而目前國內(nèi)并沒有系統(tǒng)的設(shè)計方法體系來指導(dǎo)這一設(shè)計過程。我國在農(nóng)機(jī)的研發(fā)技術(shù)方面能力較弱，大多數(shù)農(nóng)機(jī)企業(yè)的研發(fā)費(fèi)用比例較低，農(nóng)機(jī)企業(yè)的部分研發(fā)工作也主要體現(xiàn)在現(xiàn)有成熟農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的改進(jìn)與改型，現(xiàn)代的農(nóng)機(jī)設(shè)計方法和配套的模擬試驗方法的應(yīng)用仍不夠成熟，反而又造成農(nóng)機(jī)企業(yè)產(chǎn)品更新慢，不能滿足農(nóng)機(jī)市場需求[3]。目前農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計存在的各種問題大多也與研究技術(shù)階段相關(guān)，利用系統(tǒng)工程思想對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行的相關(guān)研究非常少[4]。農(nóng)業(yè)機(jī)械是一個復(fù)雜的系統(tǒng)[5]，通過系統(tǒng)工程原理來指導(dǎo)研究農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計方法是一個新的視角。本文基于系統(tǒng)工程視角對薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計方法開展探索性研究。

1 薯類機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境

在田間生產(chǎn)過程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械要完成各項田間作業(yè)任務(wù)，長期處于“土壤-機(jī)器-植物”的復(fù)雜系統(tǒng)之中。土壤是植物生長的必需要素[6]，是農(nóng)業(yè)機(jī)械作用的對象之一，不同土壤的成分和結(jié)構(gòu)差異很大，農(nóng)機(jī)工作時部件與不同土壤接觸也會產(chǎn)生不同的作業(yè)效果，且水分、溫度等條件對土壤特征影響明顯。另外，土壤作為農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)環(huán)境因素之一，作業(yè)過程中激起的飛塵對農(nóng)業(yè)機(jī)械有一定的影響作用，而農(nóng)業(yè)機(jī)械也對土壤有壓實等破壞作用，土壤的黏性、含水率等屬性又直接影響了農(nóng)業(yè)機(jī)械行走機(jī)構(gòu)等部件的設(shè)計。

植物是農(nóng)作物生產(chǎn)的主要目標(biāo)，是決定生產(chǎn)效益的直接因素。植物作為生命體，其生長狀況不完全一致，難以通過簡單的模型來進(jìn)行描述，給設(shè)計帶來較大難度。植物硬度普遍偏小，很容易遭到損傷，在針對植物的作業(yè)過程中，要充分考慮農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的完成率和對作物的破損率等問題，同時也要考慮植物對農(nóng)業(yè)機(jī)械的磨損、堵塞等作用。此外，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的關(guān)系緊密，對農(nóng)機(jī)的設(shè)計而言，要考慮與農(nóng)藝特點(diǎn)相適應(yīng)，例如種植地區(qū)、種植行距、株距、收割高度、收獲季節(jié)等因素。且農(nóng)機(jī)作業(yè)受地區(qū)影響嚴(yán)重，地區(qū)氣候、地形地貌、土壤條件、作物生長狀況等各有特點(diǎn)，農(nóng)機(jī)的適應(yīng)性面臨較大挑戰(zhàn)。

由于作業(yè)對象種類繁多，農(nóng)業(yè)機(jī)械要完成的功能也極其多樣。以馬鈴薯全程機(jī)械化為例，主要包括播前處理、土地深耕平整、施肥、馬鈴薯播種、中耕培土、植保、澆灌、收獲等多種通用或?qū)Ｓ玫耐寥栏鳈C(jī)械和農(nóng)田生產(chǎn)機(jī)械。而土壤耕作機(jī)械又可以根據(jù)翻耕、深松等不同目的選擇鏵犁或旋耕機(jī)。針對作物作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械可以分為播種、施肥、植保、收獲等機(jī)械幾大類，馬鈴薯收獲作業(yè)對象是地表下植株根部的馬鈴薯，而馬鈴薯殺秧機(jī)作業(yè)對象是地表上的植株莖葉部分。而農(nóng)作物具備多樣性，而且作物需要進(jìn)行的田間管理、收獲的方式也具有很大差異，從而造成農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)境多種多樣。農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境影響因素如圖1 所示。

圖1 農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境影響因素

2 薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計試驗方法

薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計過程可以分為6 個主要步驟，以單行甘薯秧蔓回收機(jī)為例。

第一步，針對處于“土壤-機(jī)器-植物”環(huán)境中的農(nóng)業(yè)機(jī)械特點(diǎn)，分析農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計的環(huán)境影響因素，從農(nóng)業(yè)機(jī)械的需求和農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)發(fā)展方向，根據(jù)土壤、機(jī)器、植物的特點(diǎn)確定設(shè)計階段需求，保障農(nóng)業(yè)機(jī)械的環(huán)境適應(yīng)性。甘薯秧蔓生長旺盛，交錯纏繞[7]，蔓長1.5～2.5 m，最長可達(dá)4 m 以上，壟溝全部覆蓋，且秧蔓具有較高的韌性，工作環(huán)境如圖2 所示；單行單壟作業(yè)模式可以滿足通用動力機(jī)械的要求，單壟單行作業(yè)模式如圖3 所示。

圖2 工作環(huán)境

圖3 單壟單行作業(yè)模式

第二步，根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械用戶需求，結(jié)合環(huán)境影響因素需求，確定農(nóng)產(chǎn)品設(shè)計需求，分別對農(nóng)業(yè)機(jī)械性能要求、完成動作進(jìn)行動態(tài)性分析，分析農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜工況下的動態(tài)特性以及系統(tǒng)內(nèi)外的實時變化。根據(jù)甘薯秧蔓回收需求，首先研究了甘薯秧蔓對農(nóng)業(yè)機(jī)械的性能要求，通過秧蔓拉伸試驗研究了秧蔓的力學(xué)物理特性，再通過構(gòu)建甘薯秧蔓各向異性彈性材料模型進(jìn)行進(jìn)一步影響因素分析，甘薯秧蔓拉伸試驗如圖4 所示。結(jié)合甘薯秧蔓貼伏地表且壟溝皆有秧蔓的特點(diǎn)，設(shè)計挑秧裝置將秧蔓挑起，挑秧裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖5 所示。

圖4 甘薯秧蔓拉伸試驗

圖5 挑秧裝置結(jié)構(gòu)簡圖

第三步，農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)通過設(shè)計參數(shù)來實現(xiàn)機(jī)械功能之外，還需要有設(shè)計約束來進(jìn)一步規(guī)范設(shè)計，以不偏離設(shè)計目的性為原則，在能耗、成本、安全、環(huán)保、可靠性等約束條件下，設(shè)計功能完成設(shè)計動作，并確定技術(shù)參數(shù)。根據(jù)壟頂、溝底等不同工作位置，設(shè)計殺秧刀輥，并結(jié)合建立的甘薯秧蔓材料模型[8]，完成刀輥的力學(xué)性能分析，綜合確定刀輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作參數(shù)，殺秧刀輥模型如圖6 所示。

圖6 殺秧刀輥模型

第四步，以系統(tǒng)工程視角對農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行描述，然后對設(shè)計功能進(jìn)行細(xì)化分解，分別從物料流、能量流、信息流三個部分進(jìn)一步細(xì)化到供料、定位、輸送、傳動、動力、執(zhí)行、控制、操縱等不同裝置，然后對每一部分進(jìn)行設(shè)計完善，并確定總體方案設(shè)計。秧蔓回收機(jī)能量流皆來源于發(fā)動機(jī)，通過皮帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等方式將能量傳遞到其他裝置[9]，能量流如圖7。

圖7 能量流設(shè)計

第五步，利用現(xiàn)有的成熟的設(shè)計方法和設(shè)計步驟，對總體設(shè)計方案進(jìn)行進(jìn)一步分析，通過試制樣機(jī)和試驗對方案進(jìn)行驗證分析，以達(dá)到設(shè)計的整體性能。對于薯類機(jī)械，樣機(jī)試驗可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計中不易發(fā)現(xiàn)的問題。

第六步，根據(jù)試驗結(jié)果、樣機(jī)試制等發(fā)現(xiàn)問題，針對問題對產(chǎn)品影響環(huán)境因素需求、農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計需求、系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)細(xì)化分解等進(jìn)行反饋驗證，根據(jù)驗證結(jié)果對總體方案進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到設(shè)計最優(yōu)。

3 總結(jié)

以薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械為例，分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計過程中存在的問題，針對薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作特點(diǎn)，建立了土壤-植物-機(jī)械共同影響下的農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境；以單行甘薯秧蔓回收機(jī)設(shè)計過程為例，并基于實際研究經(jīng)驗，構(gòu)建了薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計方法和步驟。