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摘 要： 摘 要：針對(duì)目前薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方法存在的問題，基于系統(tǒng)工程視角分析薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境， 并以單行甘薯秧蔓回收機(jī)設(shè)計(jì)過程為例， 構(gòu)建薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和步驟，以期構(gòu)建薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)的新視角，并為農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)提供參考。 關(guān)鍵詞：系統(tǒng)
摘 要：針對(duì)目前薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方法存在的問題，基于系統(tǒng)工程視角分析薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境， 并以單行甘薯秧蔓回收機(jī)設(shè)計(jì)過程為例， 構(gòu)建薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和步驟，以期構(gòu)建薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)的新視角，并為農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：系統(tǒng)工程;農(nóng)業(yè)機(jī)械;設(shè)計(jì)方法;薯類機(jī)械
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(shí)現(xiàn)國外先進(jìn)技術(shù)的本土化還需要對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行適合我國農(nóng)業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[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(jì)， 然而目前國內(nèi)并沒有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法體系來指導(dǎo)這一設(shè)計(jì)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(jì)方法和配套的模擬試驗(yàn)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(jì)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(duì)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(gè)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(jì)方法是一個(gè)新的視角。 本文基于系統(tǒng)工程視角對(duì)薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法開展探索性研究。
1 薯類機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境
在田間生產(chǎn)過程中， 農(nóng)業(yè)機(jī)械要完成各項(xiàng)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(duì)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(shí)部件與不同土壤接觸也會(huì)產(chǎn)生不同的作業(yè)效果，且水分、溫度等條件對(duì)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(duì)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(duì)土壤有壓實(shí)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(jì)。
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(jì)帶來較大難度。 植物硬度普遍偏小，很容易遭到損傷，在針對(duì)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(duì)作物的破損率等問題， 同時(shí)也要考慮植物對(duì)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(duì)農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)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)。
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由于作業(yè)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jì) 環(huán) 境 多 種 多樣。 農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 環(huán) 境 影 響 因素如圖1 所示。
2 薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法
薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程可以分為 6 個(gè)主要步驟，以單行甘薯秧蔓回收機(jī)為例。
第一步，針對(duì)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(jì)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(jì)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(cuò)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(dòng)力機(jī)械的要求， 單壟單行作業(yè)模式如圖 3 所示。
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(jì)需求，分別對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械性能要求、完成動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)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(dòng)態(tài)特性以及系統(tǒng)內(nèi)外的實(shí)時(shí)變化。 根據(jù)甘薯秧蔓回收需求，首先研究了甘薯秧蔓對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的性能要求， 通過秧蔓拉伸試驗(yàn)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(yàn)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(jì)挑秧裝置將秧蔓挑起，挑秧裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖 5 所示。
第三步， 農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械功能之外，還需要有設(shè)計(jì)約束來進(jìn)一步規(guī)范設(shè)計(jì)，以不偏離設(shè)計(jì)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(jì)功能完成設(shè)計(jì)動(dòng)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(jì)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(jì)和工作參數(shù)，殺秧刀輥模型如圖 6 所示。
第四步， 以系統(tǒng)工程視角對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行描述，然后對(duì)設(shè)計(jì)功能進(jìn)行細(xì)化分解，分別從物料流、能量流、信息流三個(gè)部分進(jìn)一步細(xì)化到供料、定位、輸送、傳動(dòng)、動(dòng)力、執(zhí)行、控制、操縱等不同裝置，然后對(duì)每一部分進(jìn)行設(shè)計(jì)完善，并確定總體方案設(shè)計(jì)。秧蔓回收機(jī)能量流皆來源于發(fā)動(dòng)機(jī)，通過皮帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)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(xiàn)有的成熟的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，對(duì)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步分析， 通過試制樣機(jī)和試驗(yàn)對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證分析，以達(dá)到設(shè)計(jì)的整體性能。對(duì)于薯類機(jī)械，樣機(jī)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中不易發(fā)現(xiàn)的問題。
第六步，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果、樣機(jī)試制等發(fā)現(xiàn)問題，針對(duì)問題對(duì)產(chǎn)品影響環(huán)境因素需求、農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)細(xì)化分解等進(jìn)行反饋驗(yàn)證， 根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)總體方案進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)過程中存在的問題，針對(duì)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(jì)環(huán)境;以單行甘薯秧蔓回收機(jī)設(shè)計(jì)過程為例，并基于實(shí)際研究經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了薯類農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和步驟。——論文作者：劉樹峰，張廣玲 * ，呂釗欽，李光提，李玉道，束 鈺
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