现代设计方法在农业机械设计中的应用综述

2024-05-27乐治后王琳吴家葵

四川农业与农机 2024年1期

关键词：农业机械优化产品

乐治后王琳吴家葵

南昌工学院机械与车辆工程学院，江西南昌

农业机械设计水平对提高农业机械质量与性能，缩短研制周期以及提高经济效益具有重大意义。随着现代农业持续发展，传统的机械设计方法已经不能满足现代农业机械的发展需要，因此，大量现代设计方法在农业机械设计中被不断应用[1]。

1 农业机械设计的状况及特点

与国外先进水平比较，我国农业机械化进程相对滞后，农业机械化技术人员相对匮乏。此外，农机使用区域具有较强的季节因素、地理环境复杂、农作物类别广泛等，增加了农业机械设计难度。

1）农作物生长具有季节性，农业机械田间试验需要根据农作物生长周期来决定，错过了生长周期就无法试验，因而增长了研制周期。

2）农业机械要求适应性宽泛，在不同场景、农业生产环节都希望能使用，而地理环境相对复杂，必然提高农业机械的设计要求和难度。

3）相对其它工程机械和精密机械来说，农业机械利润空间较低，对于企业来讲开发生产成本较高、销量较小，利润无法保证。

2 现代设计方法的优势

现代方法学是将现代设计方法与CAD 相结合的产物。CAD是将硬件、软件以及数学建模有机地结合在一起的一种设计方法[2-3]。近几年来，多个学科的相互结合已被广泛地运用到农业机械设计中。一是提高了工作效率和精度。以参数优化、虚拟制造为中心，以试验与测试为主要手段，具有时间短、成本低、精度高等特点[2]。二是不同产品设计技术的综合利用。现代设计方法具备一定的综合性，根据各种产品的设计理念和方案进行设计，将各种设计产品的优势和参数结合起来，从而可以设计出更好的农业机械。利用计算机模拟与仿真技术，针对不同的产品，其具有的特性具有一定的优越性，然后持续地对其进行改进与优化，从而在实际操作过程中，可以提升其机械特性与工作效率[2]。

3 现代设计方法在农业机械设计中的应用

所谓现代机械设计方法，就是将现代设计思想与方法引入机械设计之中，并取得某种效果[2]。近年来，常用的设计方法有：离散元法、系统设计方法、优化设计方法、可靠性设计方法、反求工程设计法、有限元法和计算机辅助设计法等[3-6]。

3.1 离散元法

将介质视为一组离散的、相互分离的运动单元，利用其自身的离散特征，通过对其进行数学建模，实现农业机械工作过程模拟[2，4]。马跃进等[7]运用离散元法分析不同耕深和速度对深松耕作阻力的影响，并以国标深松铲为比较对象，分析了凸圆刃式深松铲的减阻效果，为进一步优化深松铲结构提供参考。熊平原等[8]基于离散元颗粒接触理论，构建了适应南方土质环境的旋耕刀-土壤相互作用仿真模型，分析了旋耕刀所受三向工作阻力及其变化规律。

离散元法有利于建立土质环境和农业机械间的相互作用模型，模拟机器的工作过程，进行仿真分析，可视性好，可提供详细的直观信息和数据，在一定程度上替代复杂的田间试验，能降低研制成本。同时离散元法对于不连续体运动学和动力学响应上模型保真度高、仿真结果准确度高。对于现代大型化、复合化农业机械来说，采用离散元法进行关键零部件设计优势明显。

3.2 系统设计方法

所谓系统化设计方法就是需要统观整个机械系统来获取设计思路。刘树峰[9-10]等人从系统的角度对马铃薯农机系统的设计环境进行了剖析，以单行甘薯秧蔓回收机为实例，建立了薯类农业机械系统的设计方法和步骤，并给出了农业机械系统的设计实验方案。

系统设计方法以系统的视角构建土壤-植物-机械系统设计环境，有利于综合各种影响因素，重塑农业机械的形态、材料和结构，从多个科学角度来考虑问题，实现人-机-环境的系统设计，提高设计准确度、合理性和可靠性。

3.3 优化设计方法

优化设计方法就是根据现有的各种设计方法，通过最大限度地改进原有的结构，实现结构的最优。当前，最常用的技术是采用数字化设计与动态优化方法[11]。采用动态优化方法，可达到降低机械振动，实时去除噪音，达到最优的结构设计。王霖宽等[12]，以最小的体积和最大的传动效率为目的，通过MATLAB 编制遗传算法，对机械各项性能进行优化，提高传动效率的周时，减小了体积。

优化设计方法能通过约束条件寻找到抗振值、最优的结构尺寸，使设备处于最优的结构状态，满足结构特性需求，提高农业机械的工作效率。同时，还可以依据数字变量需求，优化农业机械尺寸、重量或体积，降低研制成本。数字量优化还有利于农业机械的现代化和信息化发展。

3.4 可靠性设计方法

机械可靠性是指机械产品在规定使用条件、规定时间内完成规定功能的能力。张立香等[13]对4LZ-2 稻麦联合收割机经改进后的驱动桥壳进行刚度和强度可靠性分析，为农机底盘驱动桥壳等关键零件的精益设计提供理论指导。陈超等[14]提出了一种基于改进IFM 的农业机械可靠性分配方法，为农机可靠性分配提供参考，为农机产品可靠性设计提供依据。

可靠性设计能建立农业机械产品参数化模型，分析关键部件的刚度和强度，为农业机械精益设计提供理论指导。可靠性设计可减少农业机械发生故障的时间和频率，提高农业机械使用率，减少农业机械维修费用，从而提高产品质量信誉度，赢得市场竞争力。

3.5 反求工程设计法

反求工程设计是通过实物与技术资料对已有先进产品进行分析、解剖、试验，了解其材料、组成、结构、性能、功能，掌握其工艺原理和工作原理，以进行消化、改进或发展、创造新产品的一种工艺和技术[15]。彭智[15]对油菜割捆机割台进行结构剖析和参数反求。张永昌[16]利用反求设计方法得到非圆齿轮行星轮系取苗机构，并开展结构设计、运动仿真和试验研究。周丽莎[17]建立了基于等径凸轮的强制推秧机构运动学反求模型。王金武等[18]提出了基于Matlab GUI 开发平台的非圆齿轮行星系扎穴机构反求设计与运动学仿真分析方法。

反求工程设计方法能快速获得农业机械已有产品资料的数据，并进行反求设计，通过修改和在设计获得新的产品数据，这些数据可用于新农业机械产品的设计，大大提高设计速度。反求工程设计方法具有开拓性、实用性和综合性，在农业机械的设计中，市场前景极为广阔。

3.6 有限元设计

有限元分析是将一个复杂的体系分解成若干个简单的单元，然后对其进行综合分析，从而得到准确的结果[5]。潘彦江[19]利用SOLIDWORKS软件，对方草捆捡拾压捆机的机械性能进行了有限元分析。连璞[20]利用有限元法，对农业机械空间薄壁杆系结构进行应力分析，结果表明有限元分析方法可以优化机械性，缩短研制周期，降低研制费用。

有限元方法在农业机械设计中主要包括四个方面应用：结构分析和优化设计、动态分析和振动控制、接触问题和非线性分析以及流体动力学分析。应用有限元设计方法，能对农业机械设计中的复杂数据进行近似计算，得到精确值，并对农业机械全面性能进行检测，帮助设计者更好地理解机械的力学、动力学和流体动力学行为，优化机械的结构、性能和可靠性，替代了大量复杂的田间试验，大大减少农业机械研制时间和研制成本。

3.7 计算机辅助设计

计算机辅助设计技术指的是对农业机械设计图进行绘制，利用3D 立体图形将零部件形状、结构、数据与关联参数展现出来，从而让设计工作变得更加方便有效，同时还可以提升设计的准确性，降低生产中的错误[6，21]。例如：农业动力机械，家禽机械，农田作业机械等，都可以通过计算机辅助设计方法来完成。刘磊[22]应用计算机辅助设计方法，对拖拉机液压悬挂装置进行了研究。张佩[23]利用计算机辅助设计方法完成了犁体、旋耕机和联合收获机的设计。

计算机辅助设计方法能实现工程图纸的自动绘制和修改，有效提高制图效率和质量，为后续的有限元分析和模拟提供数据模型，便于不同部门之间信息交流和共享，提高机械产品的精度和效率，使得设计的产品更能满足市场需求，提高产品的市场竞争力。

4 现代设计方法在农业机械设计中的应用前景

随着应用场景和应用群体的变化，农业机械设计需要协调统一多种应用需求。根据应用群体的多种需要进行设计开发，农业机械的功能和特性更加多元化、个性化，更好地服务于农业生产，促进农业的可持续发展与经济增长。

4.1 虚拟现实

虚拟现实技术在农业机械设计中的应用方向主要包括虚拟设计及模拟、用户交互体验、远程协同设计和教育培训与技能提升等。通过结合虚拟现实技术，农业机械设计的效率和品质将得到显著提升。

4.2 参数化

参数化设计将成为农业机械设计的一个趋势。根据农业机械产品的结构设计、运动设计、动力设计、材料设计以及智能化参数等，建立一个参数化设计平台，在设计过程中只需要更改其中的参数即可完成新产品的设计。参数化设计在农业机械设计中具有广泛应用前景，可进一步提高农业机械性能、效率和智能化水平，推动农业生产的现代化进程。

4.3 集成化

农业机械产品的功能将更加多元化、集成化。农业机械设计中集成化应用方向包括多元化设计、智能化技术、模块化生产、一体化制造和高效能利用等。通过将多种功能和技术集成到一台机械中，可减小农业机械产品的质量和体积，降低成本，实现一机多用、简化生产流程、提高作业效率。

4.4 智能化

智能化设计技术将成为农业机械设计的热点。智能设计技术运用数据挖掘技术，包括遗传算法、神经网络算法等进行产品优化和改进，以提高农业机械设计产品的性能和研制效率[24]。农业机械智能化主要应用方向包括自动控制技术、传感器技术、导航与定位技术等，为农业机械设计带来了无限的可能性和巨大的发展机遇。

4.5 网络化

未来农业机械产品设计将面向网络，根据网络需求进行定制设计，通过网络共享设计技术资料等资源。网络化的具体呈现方向包括物联网技术应用、远程监控与故障诊断、数据驱动的决策支持、智能化作业调度、农业信息化管理、农业技术交流与合作、农业电子商务发展、农业教育与培训、农业生态与环境监测等。网络化为农业机械设计带来了巨大的机遇和挑战，可进一步提高农业生产的智能化、信息化和高效化。

4.6 标准化

农业机械设计产品要依据国家标准进行设计，基本零件设计生产标准化、系列化，便于农业机械的设计、生产及维护。农业机械设计标准化主要应用方向包括设计参数的标准化、材料和工艺的标准化、安全性能的标准化、制造过程的标准化、测试与评价方法的标准化、包装与运输的标准化、产品全生命周期管理的标准化及维护与保养的标准化，通过标准化，可推动农业机械行业规范、高效和可持续发展。