農(nóng)業(yè)機械制造材料的選擇和應(yīng)用分析

劉 潔

（晉中信息學(xué)院智能工程學(xué)院，山西 晉中 030800）

農(nóng)業(yè)機械一般都應(yīng)用在比較潮濕的環(huán)境下，并且因為農(nóng)耕地點位于開闊場地的露天環(huán)境，農(nóng)業(yè)機械經(jīng)常遍布灰塵；另外，農(nóng)機耕作時往往涉及水田，與水接觸的時間較長，水田里難免會有化學(xué)肥料和農(nóng)藥成分。基于上述種種原因，農(nóng)業(yè)機械的外表極易被腐蝕。與此同時，農(nóng)業(yè)機械會因為長期與各種物體例如植物、土壤、牲畜等摩擦，而使機械零部件承受較大負荷。因此，農(nóng)機制造材料的選擇非常重要，選擇的制造材料應(yīng)能抵抗各種外界因素的侵蝕，且價格相對低廉。在選好材料的基礎(chǔ)上，進一步提升工藝處理水平，以增強農(nóng)機材料的使用性能[1]。

1 農(nóng)業(yè)機械的制造要求

在制造農(nóng)業(yè)機械的過程中，首先應(yīng)保證農(nóng)業(yè)機械滿足農(nóng)業(yè)技術(shù)作業(yè)要求，同時具備可調(diào)整能力，包括對零部件組合的調(diào)整，或者改變農(nóng)機形態(tài)以適應(yīng)農(nóng)作物生產(chǎn)需求的能力。

1.1 技術(shù)要求

農(nóng)業(yè)機械存在著較為復(fù)雜的使用情況，比如使用過程不集中、應(yīng)用環(huán)境較潮濕等，同時受到農(nóng)業(yè)耕作季節(jié)的影響，農(nóng)機制造應(yīng)符合從設(shè)計、裝配、調(diào)試到后續(xù)的保養(yǎng)與修護等各個環(huán)節(jié)的技術(shù)要求。另外，農(nóng)業(yè)機械并不是單獨使用的，它往往需要與拖拉機進行掛靠，因此可能導(dǎo)致農(nóng)機相應(yīng)部件損壞或出現(xiàn)故障，在農(nóng)機制造時應(yīng)考慮到此類問題，并設(shè)計簡單問題的解決方案，這樣可以大大提升農(nóng)機使用效率。農(nóng)機制造也應(yīng)考量農(nóng)機防護措施，比如自動除障功能以及外露零部件的保護功能等，使農(nóng)機使用更安全、防護效果更理想[2]。

1.2 成本要求

在農(nóng)機制造過程中，如何在大幅降低生產(chǎn)成本的同時提高作業(yè)效率與作業(yè)質(zhì)量，是需要主動思考的問題之一。農(nóng)機的生產(chǎn)能力、壽命、價格與使用成本等方面必須符合農(nóng)民的要求，因此這些要求自然會傳導(dǎo)到農(nóng)業(yè)機械制造過程中?？梢酝ㄟ^標準化生產(chǎn)滿足通用性能，達到相應(yīng)的制造標準，同時保證需要頻繁更換的農(nóng)機配件供應(yīng)，滿足農(nóng)機的日常維護需要。

1.3 環(huán)保要求

在勞動力和制造材料的消耗以及節(jié)能環(huán)保方面，也對農(nóng)業(yè)機械制造有一定的要求。在農(nóng)機制造過程中，常用一些如農(nóng)機質(zhì)量、材料消耗量、使用功率等的指標來衡量農(nóng)機制造水平。在衡量時，可以將其與既有的農(nóng)機產(chǎn)品或者人工操作過程來進行對比，以此確定農(nóng)業(yè)機械的使用性能是否能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，從而優(yōu)化設(shè)計制造過程，保證生產(chǎn)的農(nóng)機新產(chǎn)品具備可持續(xù)利用價值[3]。

2 現(xiàn)代農(nóng)機的主要制造材料

目前，現(xiàn)代農(nóng)機的制造材料主要有鋼管及冷彎型鋼、合金鋼及低合金鋼、工程塑料、橡膠、特種鑄鐵、粉末冶金材料、硬質(zhì)合金等。材料不同，農(nóng)機設(shè)備發(fā)揮的實際作用也不盡相同。因此，要科學(xué)合理地選擇農(nóng)機制造材料，發(fā)揮出農(nóng)機設(shè)備的最大利用價值，進而有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。例如，鋼管合金材料比較堅硬，此類材料應(yīng)主要應(yīng)用于支撐與連接大型農(nóng)機設(shè)備的相應(yīng)位置；橡膠材料等則應(yīng)應(yīng)用在農(nóng)機運轉(zhuǎn)部位上，如農(nóng)機設(shè)備的可移動位置上，在一些需要遮擋的位置則更多使用工程塑料[4]；由于輕型工程塑料的制造工藝相對復(fù)雜，在制造過程中不可能像傳統(tǒng)金屬沖壓件那樣具有較快的生產(chǎn)速度，因此建議批量生產(chǎn)的大型農(nóng)機產(chǎn)品仍采用傳統(tǒng)金屬沖壓件。

3 新型材料在農(nóng)機制造中的應(yīng)用

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，自然資源嚴重匱乏，但人類對材料的需求卻與日俱增。因此，用于農(nóng)機制造的新型材料研發(fā)工作需要更進一步，研發(fā)技術(shù)應(yīng)不斷攀升，一些新型材料正被逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機械的制造過程中。

3.1 工程塑料

工程塑料的特點在于耐磨性良好，能夠相對穩(wěn)定地保持其使用的韌性與抗疲勞性。目前，全球范圍內(nèi)的工程塑料生產(chǎn)工藝較為成熟，生產(chǎn)線齊備、產(chǎn)品儲備豐富。因此，作為最早的、應(yīng)用于大規(guī)模機械制造過程中的材料之一，工程塑料正逐漸取代傳統(tǒng)材料，成為農(nóng)機制造領(lǐng)域的首選材料。

工程塑料的可塑性較強，可以用于制造多種形狀的農(nóng)機零部件。使用常規(guī)材料時，一些零部件只能做成扁平的或者圓柱體，但使用工程塑料便可以通過結(jié)構(gòu)變化做成需要的零部件形狀，滿足不同的農(nóng)機使用需求。比如，農(nóng)機輪胎一般用橡膠來制作，如果換成以工程塑料為主的材料，則將極大地方便后續(xù)的拆裝[5]。

工程塑料具有一定的耐候性，在溫度升高時能夠吸附大量水分，使拉伸強度降低；當環(huán)境溫度低于-30 ℃時，能繼續(xù)保持較高強度，長久地發(fā)揮工程塑料的優(yōu)異性能。目前，工程塑料的價格受應(yīng)用范圍的不斷擴大而相對昂貴，雖然工程塑料的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，但仍有如成型工藝不足、投資較大等許多問題亟待解決。工程塑料在當前國內(nèi)市場的普及率僅為10%，因此其在未來的競爭大潮中更顯優(yōu)勢。隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的發(fā)展與綠色環(huán)保理念的引領(lǐng)，作為農(nóng)機制造過程的主流材料，工程塑料必將發(fā)揮出更大的優(yōu)勢作用[6]。

3.2 木塑復(fù)合材料

木塑復(fù)合材料是指對木質(zhì)纖維進行加工處理，同時結(jié)合樹脂等合成纖維以形成的新材料。木塑復(fù)合材料可有效彌補天然材料在機械制造過程中的缺陷，結(jié)合不同材料的優(yōu)勢，增強農(nóng)用機械的物理特性，擴大使用范圍，同時有效降低生產(chǎn)成本。木塑復(fù)合材料因材料彈性更優(yōu)于其他復(fù)合材料，優(yōu)勢較為明顯。塑料成分的添加使木塑復(fù)合材料的硬度高于天然木材五倍左右，并且擁有極強的耐磨損能力，同時可以有效防止細菌滋生，抗腐蝕性較強，能夠有效提升使用年限。木塑復(fù)合材料一般應(yīng)用于農(nóng)機車身等與各種腐蝕性物質(zhì)相接觸的部位。

農(nóng)業(yè)機械大量應(yīng)用于畜牧業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)作物栽培等過程中，在使用過程中會觸碰到土壤、植物、牲畜等，使機械設(shè)備表面被腐蝕或者破壞，此類環(huán)境對于農(nóng)機制造材料的要求較高，農(nóng)機制造材料必須要有穩(wěn)定的性質(zhì)。而木塑材料可以發(fā)揮其“彈性免損”功能，減緩沖撞力，保護農(nóng)機不受嚴重損壞，降低農(nóng)機更換頻率，進一步降低采購與維修成本[7-8]。隨著木塑材料生產(chǎn)加工技術(shù)的不斷完善，其性能也逐漸在農(nóng)機的使用過程中顯現(xiàn)出來。

3.3 輕量化材料

輕量化材料主要包括高強度鋼材料以及鋁、鎂、鈦合金。輕量化材料能夠有效提升農(nóng)用機械的力學(xué)性能，使用效果更加顯著。選用輕量化材料可以實現(xiàn)研發(fā)成本的降低，材料也可二次回收，具有環(huán)保價值。輕量化材料的市場前景良好，適用性相對較強。隨著全球能源危機與環(huán)境污染程度的加重，低碳環(huán)保理念在農(nóng)用機械制造材料的選擇上需得到重視，減少能源消耗、增強農(nóng)機性能與可持續(xù)性，是未來材料選擇的出發(fā)點。輕量化材料是當前主流的生產(chǎn)材料，對農(nóng)機零部件的生產(chǎn)加工非常適用，可以帶來零部件的薄壁化與集成化生產(chǎn)；還可以同時使農(nóng)機零部件的中空化效果顯著，有效減輕農(nóng)機重量，便于生產(chǎn)操作，直接實現(xiàn)油耗的降低，減少廢氣排放量[9]。

相比其他材料，高強度鋼材的性能更好，強度遠超傳統(tǒng)鋼材。高強度鋼材屬于輕量化材料的一種，能夠進一步提升農(nóng)機安全性。由于高強度鋼材的抗撞擊能力較強，用于農(nóng)機制造可以有效減輕農(nóng)機重量，使車身零部件薄壁化，增大整機內(nèi)部空間。同時，基于零部件的支撐橫斷面積縮小，使整機的抗疲勞能力得以增強，進而緩解了農(nóng)機自身重量與安全的矛盾。

鋁合金的材料性能與鋼材相似，但材料密度僅為鋼材的二分之一，在農(nóng)機制造中能夠有效降低農(nóng)機質(zhì)量，進而起到節(jié)能環(huán)保的效果。但鋁合金的成本相對較高，因此普及程度相對較低，主要應(yīng)用于農(nóng)機安全配件的制造加工。比如農(nóng)機車身與橫梁的制造可以采用鋁合金材料，能夠有效減輕車身重量，降低行駛動能，進而最大化地預(yù)防事故發(fā)生，降低人員傷亡比例。

鎂合金與鋁合金在力學(xué)性能上極其相似，但鎂合金的密度更小，減震性能更強。鎂合金材料因回收性較好，可以實現(xiàn)二次利用，節(jié)能環(huán)保，因此也成為農(nóng)機制造材料的優(yōu)質(zhì)選擇。鎂合金可重點應(yīng)用在農(nóng)機零部件的制造加工中，比如農(nóng)機窗戶、農(nóng)機框架、方向盤、底座、前支架等，還可以用于傳動軸的制造上。鎂合金是科技發(fā)展的產(chǎn)物，能夠給農(nóng)機駕駛過程帶來舒適與安全性，是農(nóng)機制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要部分。我國已將鎂合金的材料研發(fā)工作列入長期科技發(fā)展規(guī)劃中，因此農(nóng)機制造業(yè)應(yīng)不斷提升對鎂合金優(yōu)勢性能的認識。重點利用鎂合金的輕量化優(yōu)勢，對農(nóng)機內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計制造，使其滿足農(nóng)機生產(chǎn)需要。

鈦合金材料的性能相對較好，與上述幾種材料相比，鈦合金有著絕對的優(yōu)勢，包括重量更輕、密度更低、屈服強度較高、耐高溫、耐腐蝕等，密度介于鋁合金與鐵之間。鈦合金材料的使用可以有效減輕農(nóng)機零部件的重量，緩解相關(guān)農(nóng)機零部件的負載力，進一步提升農(nóng)機設(shè)備的發(fā)動機性能，保證農(nóng)機操作時不會產(chǎn)生較大振動，進而提高農(nóng)機工作效率。用鈦合金制造的農(nóng)機零部件更輕，且極其穩(wěn)定，可以在操作強度和駕駛速度不發(fā)生變化的前提下，節(jié)約農(nóng)機使用過程的燃料，并有效延長農(nóng)機使用年限。

在環(huán)保性能方面，鈦合金材料也當仁不讓。由于鈦合金材料具備輕量化材料的突出特點，因此受到了廣泛的關(guān)注。在農(nóng)機關(guān)鍵部位（如傳動軸等）的制造加工以及排氣系統(tǒng)的制造過程中，可以選用鈦合金作為制造加工材料。當前，加工鈦合金材料的相關(guān)技術(shù)日漸完善，相應(yīng)的加工設(shè)備也能夠精準加工大型農(nóng)機部件，使生產(chǎn)效率得以大幅提升。但是，由于鈦合金材料的價格相對昂貴，國內(nèi)的使用比例還比較低，同時鈦合金材料的焊接技術(shù)也有待完善。在鈦合金未來的發(fā)展過程中，可以通過優(yōu)化鈦合金加工技術(shù)的研發(fā)和制造流程、提高生產(chǎn)效率、擴大應(yīng)用范圍等方法來降低鈦合金材料的采購成本，使鈦合金的優(yōu)勢性能充分發(fā)揮在農(nóng)機制造過程中，并逐步應(yīng)用于其他各個領(lǐng)域[10]。

4 總結(jié)

農(nóng)業(yè)機械制造為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有力的保障，農(nóng)機制造材料的選擇與應(yīng)用則直接影響著農(nóng)機制造水平。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，新型農(nóng)業(yè)機械制造材料正逐漸應(yīng)用于農(nóng)機制造的相關(guān)領(lǐng)域。在農(nóng)機制造過程中，合理選擇優(yōu)勢較為顯著的農(nóng)機制造材料，可以有效提升農(nóng)機質(zhì)量和性能，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，提高農(nóng)機使用率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，使農(nóng)機創(chuàng)造更大的價值，對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展也將起到極大的助推作用。綜上所述，未來的農(nóng)機制造業(yè)應(yīng)從推進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面入手，不斷發(fā)揮優(yōu)勢力量，選擇合適的材料，制造更好、更實用的農(nóng)業(yè)機械，促進農(nóng)業(yè)穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)。