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摘要：針對目前薯類農業機械設計方法存在的問題，基于系統工程視角分析薯類農業機械系統設計環境，并以單行甘薯秧蔓回收機設計過程為例，構建薯類農業機械系統設計方法和步驟，以期構建薯類農業機械研究設計的新視角，并為農業機械研究設計提供參考。
關鍵詞：系統工程；農業機械；設計方法；薯類機械
近年來，我國通過不斷引進國外先進的農機裝備機型和生產先進技術的方法來提高農機裝備技術[1]，這在一定程度上可以縮小我國農機與國外的水平差距。但國外的農業種植情況與國內并不完全相同，要實現國外先進技術的本土化還需要對農機進行適合我國農業的優化設計[2]，一些零部件的尺寸可能需要更改，甚至一些結構需要重新設計，然而目前國內并沒有系統的設計方法體系來指導這一設計過程。我國在農機的研發技術方面能力較弱，大多數農機企業的研發費用比例較低，農機企業的部分研發工作也主要體現在現有成熟農機產品的改進與改型，現代的農機設計方法和配套的模擬試驗方法的應用仍不夠成熟，反而又造成農機企業產品更新慢，不能滿足農機市場需求[3]。目前農業機械設計存在的各種問題大多也與研究技術階段相關，利用系統工程思想對農業機械進行的相關研究非常少[4]。農業機械是一個復雜的系統[5]，通過系統工程原理來指導研究農業機械設計方法是一個新的視角。本文基于系統工程視角對薯類農業機械系統的設計方法開展探索性研究。
1薯類機械系統設計環境
在田間生產過程中，農業機械要完成各項田間作業任務，長期處于“土壤-機器-植物”的復雜系統之中。土壤是植物生長的必需要素[6]，是農業機械作用的對象之一，不同土壤的成分和結構差異很大，農機工作時部件與不同土壤接觸也會產生不同的作業效果，且水分、溫度等條件對土壤特征影響明顯。另外，土壤作為農業機械的作業環境因素之一，作業過程中激起的飛塵對農業機械有一定的影響作用，而農業機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業機械行走機構等部件的設計。植物是農作物生產的主要目標，是決定生產效益的直接因素。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行描述，給設計帶來較大難度。植物硬度普遍偏小，很容易遭到損傷，在針對植物的作業過程中，要充分考慮農業機械作業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業機械的磨損、堵塞等作用。此外，農機與農藝的關系緊密，對農機的設計而言，要考慮與農藝特點相適應，例如種植地區、種植行距、株距、收割高度、收獲季節等因素。且農機作業受地區影響嚴重，地區氣候、地形地貌、土壤條件、作物生長狀況等各有特點，農機的適應性面臨較大挑戰。由于作業對象種類繁多，農業機械要完成的功能也極其多樣。以馬鈴薯全程機械化為例，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、收獲等多種通用或專用的土壤耕作機械和農田生產機械。而土壤耕作機械又可以根據翻耕、深松等不同目的選擇鏵犁或旋耕機。針對作物作業的農業機械可以分為播種、施肥、植保、收獲等機械幾大類，馬鈴薯收獲作業對象是地表下植株根部的馬鈴薯，而馬鈴薯殺秧機作業對象是地表上的植株莖葉部分。而農作物具備多樣性，而且作物需要進行的田間管理、收獲的方式也具有很大差異，從而造成農業機械系統的設計環境多種多樣。農業機械系統設計環境影響因素如圖1所示。
2薯類農業機械系統設計試驗方法
薯類農業機械系統設計過程可以分為6個主要步驟，以單行甘薯秧蔓回收機為例。第一步，針對處于“土壤-機器-植物”環境中的農業機械特點，分析農業機械設計的環境影響因素，從農業機械的需求和農業機械技術發展方向，根據土壤、機器、植物的特點確定設計階段需求，保障農業機械的環境適應性。甘薯秧蔓生長旺盛，交錯纏繞[7]，蔓長1.5～2.5m，最長可達4m以上，壟溝全部覆蓋，且秧蔓具有較高的韌性，工作環境如圖2所示；單行單壟作業模式可以滿足通用動力機械的要求，單壟單行作業模式如圖3所示。第二步，根據農業機械用戶需求，結合環境影響因素需求，確定農產品設計需求，分別對農業機械性能要求、完成動作進行動態性分析，分析農業機械系統復雜工況下的動態特性以及系統內外的實時變化。根據甘薯秧蔓回收需求，首先研究了甘薯秧蔓對農業機械的性能要求，通過秧蔓拉伸試驗研究了秧蔓的力學物理特性，再通過構建甘薯秧蔓各向異性彈性材料模型進行進一步影響因素分析，甘薯秧蔓拉伸試驗如圖4所示。結合甘薯秧蔓貼伏地表且壟溝皆有秧蔓的特點，設計挑秧裝置將秧蔓挑起，挑秧裝置結構簡圖如圖5所示。第三步，農業機械系統通過設計參數來實現機械功能之外，還需要有設計約束來進一步規范設計，以不偏離設計目的性為原則，在能耗、成本、安全、環保、可靠性等約束條件下，設計功能完成設計動作，并確定技術參數。根據壟頂、溝底等不同工作位置，設計殺秧刀輥，并結合建立的甘薯秧蔓材料模型[8]，完成刀輥的力學性能分析，綜合確定刀輥的結構設計和工作參數，殺秧刀輥模型如圖6所示。第四步，以系統工程視角對農業機械系統進行描述，然后對設計功能進行細化分解，分別從物料流、能量流、信息流三個部分進一步細化到供料、定位、輸送、傳動、動力、執行、控制、操縱等不同裝置，然后對每一部分進行設計完善，并確定總體方案設計。秧蔓回收機能量流皆來源于發動機，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。第五步，利用現有的成熟的設計方法和設計步驟，對總體設計方案進行進一步分析，通過試制樣機和試驗對方案進行驗證分析，以達到設計的整體性能。對于薯類機械，樣機試驗可以發現設計中不易發現的問題。第六步，根據試驗結果、樣機試制等發現問題，針對問題對產品影響環境因素需求、農機產品設計需求、系統設計及系統細化分解等進行反饋驗證，根據驗證結果對總體方案進行優化，達到設計最優。
3總結
以薯類農業機械為例，分析了農業機械設計過程中存在的問題，針對薯類農業機械的工作特點，建立了土壤-植物-機械共同影響下的農業機械系統設計環境；以單行甘薯秧蔓回收機設計過程為例，并基于實際研究經驗，構建了薯類農業機械系統設計方法和步驟。
作者：劉樹峰 張廣玲 呂釗欽 李光提 李玉道 束鈺 單位：山東農業大學機械與電子工程學院
