“机械设计课程设计”课程教学中融入系统设计的探索*

2023-01-26王铁庆杨福增

南方农机 2022年24期

王铁庆，杨福增

（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西咸阳 712100）

0 引言

智慧农业是我国农业发展的一个主要发展方向，通过对各种先进技术的应用，能够实现现代化、智慧化的农业生产管理，大幅提升农业生产效率[1]。智慧农业的发展包含了三大生产力的要素，其中包括农业的生物技术、信息技术和智能装备技术[2]。在物联网、大数据、卫星导航和环境监控技术的支撑下，现代农机装备趋于成熟[3]，传统农机必将朝着与新一代信息技术深度融合的智能农业装备方向发展[4]。与传统农机相比，智能农业装备具有智能化、系统化、复杂化等特点，这就必然给农业装备专业人才的培养带来新的、更高的要求。

以西北农林科技大学为例，“机械设计”是西北农林科技大学农机类专业本科生的核心课程之一。“机械设计课程设计”是“机械设计”课程的重要实践教学环节，是一门独立的实践课程。“机械设计课程设计”课程的教学目的是培养理论联系实际的设计思想，巩固、加深和扩展有关机械设计方面的知识，掌握机械设计的一般规律，培养设计能力，了解和掌握机械设计方案、机械零件、机械传动装置的设计过程和方法[5]。为了更好地达成“机械设计课程设计”课程的教学目标，提高“机械设计课程设计”课程的教学质量和效果，教育工作者们不断进行研究与探索。李轩为了提高“机械设计课程设计”的教学质量，从设计课题、实物操作、实施模式和绩效评价等方面提出了教学改革的建议和举措[6]。马晨波等构建了新的机械设计类课程实践教学体系，为培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的创新型和应用型机械类人才提供了一种新的思路[7]。李锋霞等针对目前农机专业在“机械设计课程设计”教学中存在的问题，结合新工科建设对农机专业学生的培养目标，提出了多方面的教学改革措施[8]。

针对农业机械装备向智能化、系统化、复杂化等方面的发展趋势，研究在“机械设计课程设计”课程教学中融入系统设计的思路和方法，以培养农机类专业学生初步的系统设计能力，对于适应未来智能农机装备的设计要求具有积极的意义。

1 课程设计中融入系统设计的教学实施方法

根据以往的教学研究与实践，在“机械设计课程设计”课程教学中融入系统设计的思路和方法，可以重点从以下几个方面着手。

1.1 机械系统设计的过程及特点

“机械设计”课程主要是研究普通工作条件下一般参数的通用零件和部件[9]，通过该课程的学习，学生主要掌握通用机械零（部）件的设计，而对于机械整机系统设计的思维和能力方面未得到有效训练。在课程设计实践环节，受学时的限制（2~3周），一般也不进行整机的设计。鉴于此，为了能够在“机械设计课程设计”教学环节对学生进行整机系统设计的训练，首先，可以从机械系统设计的过程及特点着手。在课程设计之初，可以针对设计题目，给学生讲授机械系统设计的过程和各阶段的工作任务，如可以按照计划、外部设计、内部设计和制造销售阶段等进行讲解。其次，要使学生理解机械系统设计的特点，考虑整个系统的运行，而不是只关心各组成部分的工作状态和性能；应在调查研究的基础上，搞清外部环境和机械系统之间的相互作用和影响，内部设计与外部设计相结合的特点，可以使设计尽量做到周密、合理、少走弯路、避免返工和浪费等等[10]。这样做可以使学生快速熟悉整机系统设计的过程和特点，理解课程设计期间所做工作在整机系统设计中所处的阶段和作用，也有助于扩展机械设计知识。

1.2 研究给定的设计任务

产品开发计划书中明确了设计的各项要求，但是这些要求是尚未实现的，或许有不确切的、过高或过低的要求，甚至还可能有矛盾的要求[10]，因此，在开始设计之前，对设计任务进行研究是非常必要的，课程设计中应利用这一环节对学生进行系统设计的训练。例如，某设计任务为设计装料机的传动装置，要求学生认真研究该课题的设计任务书：根据对该产品的描述及简图，分析其工作原理、机构组成及其连接关系；设计任务书中给出的执行机构中推杆上的平均阻力F、平均速度V和执行机构的传动效率η，从中可以获得哪些设计信息；推杆的工作周期及其允许的偏差有何意义，哪些因素会造成工作周期偏差、如何检验及控制偏差；设计的核心要求是什么；给出的设计约束条件有哪些（如工作制、载荷性质、工作环境、动力来源、检修间隔、制造条件及生产批量等），其中各项约束条件对哪些方面的设计工作会产生怎样的影响等。在设计之前，要求学生对设计任务书进行这样的研究，促使学生主动思考、发现问题，不但能使学生统揽全局，减少后续的设计错误和返工现象，还可以有效训练学生的系统整体思维，提高系统分析和设计能力。

1.3 重视方案设计与总体设计

方案设计是机械系统设计的核心环节，是保证设计水平和质量的重要阶段；总体设计是机械系统内部设计的主要任务之一，也是进行系统技术设计的依据，对机械的性能、尺寸、外形、质量及生产成本具有重大影响[10]。然而，“机械设计课程设计”的“重心”在于传动机构和零件的技术设计，对于方案设计和总体设计显得不够重视，学生缺乏方案设计、总体设计的思维和能力。要改变这种局面，在课程设计中，必须提高对方案设计和总体设计的重视程度。

机械系统一般包括动力系统、传动系统、执行系统和操控系统，在“机械设计课程设计”中一般不设计操控系统，但可以要求学生对动力机、传动系统和执行系统进行方案设计。例如：对于动力机，可以检索现有的动力机类型，分析各自的优缺点、适用场合和使用要求，结合执行系统的载荷和工作制特点，提出可选方案；对于执行系统及机构进行分析，探究能实现相同或相近功能的其他原理方案；根据机器执行系统和动力机的特点，对传动机构进行合理的方案设计。对于需要采用多种传动类型组成的传动机构，应认识到不同传动类型布置的先后顺序不同，会产生不同的方案；传动链中采用的减速器，会由于减速器有不同类型和结构而形成不同的方案。在方案设计的基础上进行总体设计，包括整机总体布局设计、合理分配各传动机构的传动比、计算传动装置的运动和动力参数等，为后续的技术设计做好准备。如果选择电动机，在确定电动机型号时，应考虑如何根据整机系统确定电动机的功率、转速，是否应检验电动机的发热、起动能力和过载能力等。对于分配传动机构的传动比问题，会涉及分配传动比时需要考虑的若干原则，例如零件或机构之间不干涉原则、等强度原则、外廓尺寸较小原则等，依据这些原则分配传动比时，需要全面考虑，运用整体和系统思维。以上这些都属于系统方案设计和总体设计的内容。在重视并认真进行方案设计和总体设计的基础上，为了梳理和巩固方案设计和总体设计的思维，要求学生把方案设计和总体设计的过程和内容记录下来，整理到设计说明书中，作为评定课程设计成绩的项目之一。经过这样的要求和实施方法，就能有效提高学生的系统方案设计和总体设计的意识和能力。

1.4 坚持“从系统的观点出发”

机械系统设计时，特别强调和重视“从系统的观点出发”，即采用内部系统设计与外部系统设计相结合的方法，既要重视内部系统设计，也要重视内、外部系统的联系[10]。在课程设计过程中，其实离不开“从系统的观点出发”这一思维。例如，选择动力机类型时，不但要考虑工作机械的负载特性和要求，动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配，还要考虑能源的供应、运行维护成本以及对外界环境的污染等等，这就涉及机械内部系统之间、内部与外部系统之间的联系、协调和统一的问题。设计锥齿轮时，要想到锥齿轮加工制造难度较大的问题，尤其是大齿轮制造难度大，所以大锥齿轮设计的尺寸要小一些，速比应该小一些。选择联轴器时，其类型选择需要考虑是否需要补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移，以及缓冲、吸振等问题，型号选择除了要考虑所需传递的扭矩和转速大小以外，还应注意联轴器轴孔尺寸是否与所连接两轴的直径大小相适应的问题。设计减速器外的带传动时，需要思考带轮尺寸与传动装置外廓尺寸的相互关系，例如小带轮外圆半径是否大于电动机中心高，大带轮外圆半径是否过大造成带轮与机器底座相干涉等。这些都是“从系统的观点出发”思维的应用实例。在课程设计过程中，一方面，要利用“从系统的观点出发”指导学生进行设计工作；另一方面，要有意识地利用设计中的典型素材，启发学生体会“从系统的观点出发”的思维方法，使学生理解其内涵和具体运用，培养学生的系统设计思维。

1.5 强调设计方案的多样性

一般来说，任何一个设计目标、任何一种功能实现，都不会只有一种设计方案，即具有多样性的特点。方案多样性与系统分析思维联系紧密，让学生认识并理解设计方案的多样性非常重要。在课程设计中不少学生存在思维局限、不开阔、创新性差的问题，难以获得有效经验，分析和设计能力不理想。针对这些情况，在课程设计中，要强调设计方案的多样性，要求学生能够通过文献查阅、分析或实践等方式，理解已有解决方案的多样性与局限性，并能够提出相应的解决方案，这样就可以提升学生的系统分析和设计能力，也更容易创新。例如，在课程设计中带领学生一起翻看课程设计图册，使他们认识并体会机械装置类型和结构的多样性，对于树立结构方案多样性的意识和提高结构设计能力很有帮助。在减速器设计中，存在很多有关设计方案多样性的内容，如滚动轴承类型的多样性、轴系固定方式的多样性、轴上零件固定方式的多样性、润滑方式及结构的多样性、散热方式及结构的多样性等等。在课程设计过程中，应充分利用这些内容，强化学生对于设计方案多样性的意识和理解，启发并引导学生进行系统分析，提高学生的系统分析和设计能力。

1.6 善于进行“功能—结构”分析

1947年美国工程师麦尔斯（Miles）在他的《价值工程》一书中指出：“顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”，说明了“功能”是产品的核心和本质[11]。在课程设计过程中发现，学生往往重视“结构”而忽视“功能”，甚至头脑中根本就没有“功能”的意识。其结果是，容易犯“先入为主”“照搬套用”等毛病，看似设计得很快，却不利于主动思考，不利于拓展知识、开阔思路并创新，也不利于系统设计能力的提升。

在课程设计过程中，教师要引导学生善于从产品或零部件的功能分析入手，而不是直接设计结构，这样就能充分利用发散思维，不必受到条条框框的约束，避免犯“先入为主”的错误，再结合方案多样性和系统分析的意识，就能拓展知识、开阔思路和训练思维，利于创新。例如，减速器中的滚动轴承需要润滑，需要实现润滑功能，该如何设计；通过主动思考和查阅资料，要实现润滑功能可以采用哪些原理或方式；如果采用油润滑，可以采用什么样的方法和结构；如果采用脂润滑，可以采用什么样的方法和结构；再进行系统的对比分析，最后针对设计任务特点进行选择设计。再如，在加注减速器箱体内油池的润滑油时，需要实现能够检测润滑油液面位置的功能。明确了这一功能需求以后，再通过思考和资料查询，考虑可以采用哪些原理和结构实现这一功能。进一步地对获得的方法或结构方案进行对比分析，针对课题特点，进行选择或改进设计。经过这样的一系列思考和分析设计过程，就能有效地拓展知识，提升系统设计思维和能力。