基于系統工程原理的農業機械設計方法研究

劉樹峰，張廣玲*，呂釗欽，李光提，李玉道，束 鈺

（1.山東農業大學 機械與電子工程學院，山東泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安 271018）

關鍵字：系統工程；農業機械；設計方法；機械描述

0 引言

農業機械產品的性能取決于設計，農業機械也有其專有的工程特性，從設計方法進行研究也是促進農業機械發展進步的重要手段。目前，農業機械的設計仍主要是基于重要功能部分零部件，并以改變零部件的特性為重點，其結果是更注重零部件的細節設計，對其他部分乃至整個系統的設計關注較少，往往造成設計的農業機械產品故障率高、可靠性低、工作性能不理想等問題[1]。而現代農業機械已發展成為機、電、液一體化的技術系統，信息化程度也不斷增高，傳統意義上的農業機械，在現代農業機械系統當中只是被稱作“機械部分”，傳統農業機械設計方法已無法完整描述現代農業機械[2]。

因此，本文提出根據系統工程原理進行農業機械設計的觀點，研究農業機械系統工程特性，分析農業機械系統的組成，研究探索一套結合農業機械設計環境、農機產品設計需求、農機產品系統設計、農機系統細化分解、現有設計方法及反饋驗證六部分組成的農業機械系統設計方法。

1 農業機械設計方法現狀

國外農機產品與國內相比，國外農機產品的機型普遍較大，可以實現多種機具牽引，外形設計較為美觀，安全創新等方面重視程度高，在農業機械設計的精巧程度和設計水平較國內相同產品展現出一定優勢[3]。而且農機發達國家的相關企業為了保證農機質量，非常關注農業機械的設計過程。發達國家農機企業可以利用規模優勢不斷將最新的設計方法和技術應用到農機設計，使其設計生產的農機裝備不斷向智能裝備發展，并結合本企業的生產加工，分別構建出來了自身企業特色的設計系統，結合先進的數字化設計手段完善出設計制作平臺[4]。

機械總體方案設計的通用設計方法：整機結構設計→各系統設計→組成系統的部件設計→零件強度校核。結合農業機械設計目標，從逆向工程為主要視角和方案，根據目前的機械理論，分析設計農業機械的結構和原理，并參照設計需求確定農業機械的工作參數。一般會形成多套的設計方案，然后通過試驗對比分析方案的優良，最后再整合優化形成一套完整的設計方案。

現有農業機械設計思路已經較為完善，主要分為以下幾個步驟：分析設計目的、匯總已有方案、對比現有的問題、優化設計、優化分析、樣機加工制作、開展試驗研究。農業機械設計依據設計手冊和設計方法理論等相關技術知識的指導，形成了一套簡單形象且容易操作的設計思路。對于農業機械的內部結構也已經形成了固定的設計模板：對機構進行功能分析→枚舉已有的方案→初步選取確定一種機構形式→分析并開展相關計算→對作物的相關物理特性進行分析→試驗分析對比計算結果→對形成的方案進行可行性分析→確定設計參數。

2 農業機械系統設計方法

目前，我國的農業機械設計還是基本的設計構型方面，主要通過設計經驗形成一定的概念，然后通過利用一定的較為現代的設計方法和理念對農業機械對象開展設計工作，而且一般是對農業機械內部的具體某一機構。現有傳統的研究模式存在較多的問題，較為嚴重的問題是設計過程當中對現有的方案參考程度過高，造成了農業機械的設計存在嚴重的同質化，直接就導致了所設計的產品創新性不夠，而且過分的依賴設計經驗。雖然經驗設計可以提高設計效率，規避設計問題，但這也進一步限制了農業機械的多樣化發展，更不能夠優選出最佳的設計方案。另外，現有的農業機械設計工作絕大多數都是圍繞一定的具體設計對象，著眼于一項具體目標和問題來開展改進或者是優化，以現有較為成熟的技術和固化的設計參數開展研究工作。近年來，隨著我國技術水平的不斷提高，農業機械的研究機構和相關企業也在，不斷采用先進的農業機械設計方法并開展了系列卓有成效的工作。然而先進的農業機械設計手段雖然在不斷推廣，但是核心的設計模式仍然不夠系統，設計過程以及理論研究仍然主要拘泥于解決單一機構或機型，缺乏通用理念和系統思維。

根據農業機械系統組成和農業機械系統環境影響因素，結合現有的成熟設計方法和設計流程，重新建立農業機械系統的設計方法，如圖1所示。農業機械系統設計理念：在系統工程理論指導下，結合系統環境影響因素，并借鑒現有的成熟的設計方法和流程，以需求為根本目標，采用系統設計、細分化解、反饋驗證等方法設計開發農業機械系統，具體主要設計步驟如下：第一步，在農機農藝相互結合的基礎上，針對機械、植物、土壤特點不同，構建農業機械系統的設計環境；第二步，依據農業機械的設計目的要求，并細化性能指標以及具體分步驟完成動作；第三步，從農機產品功能要求出發，設置設計約束條件，從成本、能耗等多方面約束規范設計；第四步，對農機系統進行細化分解，利用系統工程視角對農業機械進行描述，分解為物料流、能量流、信息流，并進一步功能分解；第五步，利用現有農業機械設計方法，對樣機進行試制、試驗，并對試驗結果進行分析，確定初步設計方案；第六步，根據試驗結果，結合農業機械系統設計環境、農業機械產品設計需求、約束條件等多項反饋信息下優化完成農業機械系統的設計。

圖1 農業機械系統設計方法

3 結語

1）分析了現有農業機械研發設計過程當中存在的問題，結合農業機械特點，建立了土壤-植物-機械的共同影響下農業機械系統設計環境。

2）根據農業機械工程設計影響環境、設計理念、系統組成等，建立了物料流、能量流、信息流的農業系統組成和系統研究邊界，設計了包含了農業機械設計環境、農機產品設計需求、農機產品系統設計、農機系統細化分解、現有設計方法及反饋驗證六部分組成的農業機械系統設計試驗方法。