模塊化全喂入式聯合收割機設計

錢峰 紀建林

摘? 要： 針對現有國產聯合收割機的使用問題，提出相應的解決方案，以達到提高生產效率與資源整合利用率的目的，從而提高用戶體驗和使用需求。運用模塊化的設計手法，根據不同的工作部件所屬的功能以及結構的不同，將其分成六大模塊，進而理清模塊間的相同模塊與相關模塊，進行再設計。最終，通過模塊間的排列、組合、替換形成一件全新的產品。實驗結果表明，該設計達到了預期目標。

關鍵詞： 聯合收割機; 模塊化再設計; 模塊理清; 人因工程; 資源整合; 實驗分析

中圖分類號： TN609?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）18?0172?03

Abstract： In allusion to the shortcomings of the existing domestic combine?harvesters， the corresponding solutions are proposed to improve the production efficiency and resource integration utilization， and thus boost user experience and usage requirements. The combine?harvester is divided into six modules according to the different functions and structures of each working part and by means of the modular design method， and then the same modules and related modules among modules are sorted out and redesigned. A brand?new product is formed by means of the arrangement， combination and replacement of modules. The experimental results show that this design reaches the anticipated goal.

Keywords： combine harvester; modular redesign; module clarification; human factors engineering; resource integration; experimental analysis

0? 引? 言

模塊化設計是在對一定范圍內的不同功能或相同功能不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構成不同的產品，以滿足市場不同需求的設計方法[1?2]。

模塊化的設計包括橫系列模塊化設計、縱系列模塊化設計、橫系列和跨系列模塊化設計、全系列模塊化設計以及全系列和跨系列模塊化設計5種設計方式[3]。其三大特征包括相對獨立性，即可對模塊進行設計、制造、修改等，便于產品的零件由不同企業進行生產;通用性，即模塊尺寸和參數標準化，從而容易實現模塊間的互換[4];互換性，即橫系列、縱系列產品之間的模塊通用，實現跨系列產品間的模塊通用[5]。

1? 國內聯合收割機存在的相關問題

1.1? 外觀造型

產品外觀合理與否，直接影響使用者的視覺體驗與使用體驗。就農業聯合收割機而言，現階段的聯合收割機開發者的關注點主要還是集中在產品功能創新層面，對用戶體驗和產品的形態美學關注度不夠，以至于產品整體感過于冷漠、缺乏美感與親和力，使用者在使用的過程中缺乏良好的用戶體驗，一定程度上降低了聯合收割機的實際使用效率。

1.2? 人因工程

聯合收割機屬于操作極其復雜的收割機械，操作者操作過程中，需要不斷地接收外部信息，監視儀表運行與機械作業情況，并根據實際需求操作機器，以便更好地完成客戶的收割需求。從收割機人群使用調查得知，由于操作間內各操作元件分布不合理，座椅、操作臺尺寸不協調，有25%的使用者感覺手臂及頭腦疲勞，50%的使用者感覺頸椎及以下部位疼痛，最后竟有高達80%的使用者感覺腰膝酸軟乏力[6]。由此可見，對操作間內進行優化改良是極其有必要的，它不僅影響著收割機的實際使用效率，更關系到使用者的身體健康與作業需求。

1.3? 秸稈粉碎

2008年，國務院辦公廳印發《關于加快推進農作物秸稈綜合利用的意見》（國辦發[2008]105號）以來[7]，秸稈粉碎還田作為最直接有效的手段不斷地被大眾所接受。但秸稈粉碎過程中的弊端也是不容忽視的，在晴朗干燥的天氣實施秸稈粉碎，容易造成粉塵滿天飛的局面。當農作物拋入田間，土壤和農作物處于分離狀態，從而使農作物不能夠正常發芽。另外，秸稈中容易攜帶一些病原體和金龜子、菜青蟲等害蟲卵，在秸稈粉碎的過程中很難被消滅，還田之后，會增加農作物患病蟲害的概率，使農作物的產量大大降低。

1.4? 跨區作業

隨著聯合收割機跨區域作業的逐步開展，各種問題也開始逐步的凸顯出來。

1） 田地大多集中分布，距離城鎮較遠，駕駛員住宿飲食比較困難。

2） 在外出過程中，攔機、截機現象屢禁不止。

3） 跨區作業的聯合收割機大多白天進行收割，夜晚轉移收割地域，在行駛途中也存在一定的安全隱患。

2? 聯合收割機的優化構思

通過以上聯合收割機存在的相關問題，進行創意頭腦風暴、思維導圖探究以及用戶旅程研究分析，如圖1所示。

對產品的功能、工藝、結構、搭配等進行充分的研究，并且結合實際生產，提出以下的幾點優化構思：

1） 根據現有國產聯合收割機的開發者大多注重于內在性能方面，而忽略操作間舒適性，進而對操作間的人機工程展開研究，進行大量的實際調研工作，搜集一定量樣本實驗數據，建立相關的人機模型并通過CATIA軟件進行分析和評價;

2） 利用仿生學的相關原理，對聯合收割機的外觀造型進行優化，賦予其新的語義特征，通過對國內外的相關產品進行色彩提取比對，進而進行輔助色彩優化設計;

3） 對跨區作業人員進行大量的樣本搜集，建立數據庫，了解其在作業中遇到的棘手問題，如住宿難題、路況難適應等，進而展開研究;

4） 將聯合收割機與打捆機相應的整合設計，目的在于減少秸稈粉碎所帶來的一些問題，增加秸稈的回收綜合再利用。

3? 模塊化背景下的聯合收割機再設計

3.1? 聯合收割機的造型設計

3.1.1? 仿生思維

仿生學是模仿生物系統的原理來建造技術系統的科學， 是人們有意識地將自然原理加以推廣應用的一種思維方法[8]。仿生學的應用，可以改善現階段農業機械造型不足的劣勢，強化農業機械的外觀識別性，使用戶在使用過程中形成良好的情感認知。

3.1.2? 造型推演

以“Field Harvest J121稻麥聯合收割機”為例，在設計過程中，選擇了蟋蟀、天牛、金龜子、蝗蟲、螳螂等田間常見的昆蟲作為仿生對象，通過對它們的自然形態、生活習性以及與產品間的聯系等方面進行分析，最終選擇了被譽為“生命收割機”的螳螂作為仿生對象。進而對提取的形態進行由具體到抽象的概括總結，最后推導出聯合收割機的基本外觀造型。

3.2? 聯合收割機駕駛室設計

3.2.1? 人機分析

根據人與機器之間的人機工程學原理，結合國內外相關科研資料數據以及各項標準[8]，以此來確定聯合收割機操作間座椅、腳踏板、操縱桿等元件的各項設計參數。操作間人機工程學的設計要點主要表現在：座椅、操縱臺、方向盤、腳踏板等部件的舒適性、可調節性以及各部件之間距離的研究。

3.2.2? 人機設計

1） 腳踏板的設計。不同的腳踏板，其工作效率也不盡相同，如圖2所示。在相同時間內，分別對圖2中的a）～e）5種不同類型的踏板進行多次測試，最終數據表明a）踏板（懸空式）使用時最省力，故本設計最終選擇a）踏板形式。關于尺度的選擇，考慮到使用者為穿鞋使用，最終將踏板寬取130 mm，離合長取270 mm，制動為90 mm，并且腳踏表面設計有防滑條紋，增大接觸面摩擦力，防止踏觸時滑脫。

2） 操縱桿的角度設定。聯合收割機操縱桿的操縱角度要在一定的范圍之內，否則會讓使用者的手臂移動量增加，容易使手臂疲勞，且操縱起來也極其不便。如圖3所示，操縱桿的前后角度不超過90°，位移不宜超過350 mm;左右角度不宜超過45°，位移不宜超過150 mm。操縱角度一般以30°～60°為宜，不宜超過90°。

3.3? 聯合收割機配套秸稈打捆機的整合設計

3.3.1? 合理的性能匹配

在聯合收割機配套秸稈打捆機的優化設計中，性能參數是否合理，決定著其能否在實際使用中達到設計師預期效果。以該收割機的工作參數為例，聯合收割機的喂入量為12.6 kg，前進速度為1.5～20.3 km/h，收割效率為0.5～1.0 hm2/h，配套功率為59 kW，設定秸稈打捆機的打捆效率為0.7～1.0 m2/s，打捆機的密度符合“圓草捆打捆機GB/T 14290?2008”所規定的稻麥秸稈草捆密度大于等于100 kg/m3。

鑒于聯合收割機整體尺寸為9.2 m×5.7 m×3.8 m，所以設定秸稈打捆機的整體尺寸為3.7 m×2.9 m×2.8 m，草捆尺寸為0.45 m2×π×1.2 m。

3.3.2? 連接結構和喂入機構

在進行聯合收割機配套秸稈打捆機的整合設計過程中，產品之間的安裝連接是產品研發的重要內容之一。基于某些農戶沒有秸稈打捆的需求，決定將兩者之間的連接方式設計成可拆卸式的，秸稈打捆機的進草口與聯合收割機的排草口進行對接。秸稈粉碎之后，通過排草口送入連接輸送帶，輸送帶設有喂入機構，秸稈通過喂入機構壓送至打捆機的入草口，協助活塞將秸稈送入成捆室，并擋住聯合收割機排草口隨后排出的秸稈，避免秸稈影響活塞的運動，造成堵塞。

3.4? 聯合收割機的暫住設計

聯合收割機兩側的蓋板分為內外兩層，外側蓋板由前后2塊分蓋板、蓋板軌道、蓋板滑槽、滑輪及蓋板鎖組成，當作業人員有住宿使用需求時，可將外側前蓋板由上端的蓋板滑槽向后拉開，使之移至外側后蓋板前方，從而露出外側前蓋板后的住宿裝置。繼而可轉動聯合收割機的前端扶梯，角度大概為-135°，作業人員可爬上扶梯，打開住宿底板固定鎖，住宿底板采用三角形固定結構，底部設有滑槽及滑槽固定裝置，有利于底板使用的便捷性和放平之后的穩固性。最后作業人員可爬上底板，抽出三端隱藏在底板內部的護欄裝置，從而確保作息過程中的安全性。

4? 結? 語

模塊化設計是一種效果顯著而又應用廣泛的設計方法，在本項目的設計中主要從模塊化設計的獨立性、通用性、互換性3個特征出發，結合產品形態語義學、仿生學、人機工程學以及用戶研究法等產品設計方法展開創新設計。通過大量的實驗和測試，最終完成對Field Harvest J121稻麥聯合收割整合機的創新設計。

參考文獻

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