模块化全喂入式联合收割机设计

钱峰 纪建林

摘  要： 针对现有国产联合收割机的使用问题，提出相应的解决方案，以达到提高生产效率与资源整合利用率的目的，从而提高用户体验和使用需求。运用模块化的设计手法，根据不同的工作部件所属的功能以及结构的不同，将其分成六大模块，进而理清模块间的相同模块与相关模块，进行再设计。最终，通过模块间的排列、组合、替换形成一件全新的产品。实验结果表明，该设计达到了预期目标。

关键词： 联合收割机; 模块化再设计; 模块理清; 人因工程; 资源整合; 实验分析

中图分类号： TN609?34                             文献标识码： A                      文章编号： 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

模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法[1?2]。

模块化的设计包括横系列模块化设计、纵系列模块化设计、横系列和跨系列模块化设计、全系列模块化设计以及全系列和跨系列模块化设计5种设计方式[3]。其三大特征包括相对独立性，即可对模块进行设计、制造、修改等，便于产品的零件由不同企业进行生产;通用性，即模块尺寸和参数标准化，从而容易实现模块间的互换[4];互换性，即横系列、纵系列产品之间的模块通用，实现跨系列产品间的模块通用[5]。

1  国内联合收割机存在的相关问题

1.1  外观造型

产品外观合理与否，直接影响使用者的视觉体验与使用体验。就农业联合收割机而言，现阶段的联合收割机开发者的关注点主要还是集中在产品功能创新层面，对用户体验和产品的形态美学关注度不够，以至于产品整体感过于冷漠、缺乏美感与亲和力，使用者在使用的过程中缺乏良好的用户体验，一定程度上降低了联合收割机的实际使用效率。

1.2  人因工程

联合收割机属于操作极其复杂的收割机械，操作者操作过程中，需要不断地接收外部信息，监视仪表运行与机械作业情况，并根据实际需求操作机器，以便更好地完成客户的收割需求。从收割机人群使用调查得知，由于操作间内各操作元件分布不合理，座椅、操作台尺寸不协调，有25%的使用者感觉手臂及头脑疲劳，50%的使用者感觉颈椎及以下部位疼痛，最后竟有高达80%的使用者感觉腰膝酸软乏力[6]。由此可见，对操作间内进行优化改良是极其有必要的，它不仅影响着收割机的实际使用效率，更关系到使用者的身体健康与作业需求。

1.3  秸秆粉碎

2008年，国务院办公厅印发《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》（国办发[2008]105号）以来[7]，秸秆粉碎还田作为最直接有效的手段不断地被大众所接受。但秸秆粉碎过程中的弊端也是不容忽视的，在晴朗干燥的天气实施秸秆粉碎，容易造成粉尘满天飞的局面。当农作物抛入田间，土壤和农作物处于分离状态，从而使农作物不能够正常发芽。另外，秸秆中容易携带一些病原体和金龟子、菜青虫等害虫卵，在秸秆粉碎的过程中很难被消灭，还田之后，会增加农作物患病虫害的概率，使农作物的产量大大降低。

1.4  跨区作业

随着联合收割机跨区域作业的逐步开展，各种问题也开始逐步的凸显出来。

1） 田地大多集中分布，距离城镇较远，驾驶员住宿饮食比较困难。

2） 在外出过程中，拦机、截机现象屡禁不止。

3） 跨区作业的联合收割机大多白天进行收割，夜晚转移收割地域，在行驶途中也存在一定的安全隐患。

2  联合收割机的优化构思

通过以上联合收割机存在的相关问题，进行创意头脑风暴、思维导图探究以及用户旅程研究分析，如图1所示。

对产品的功能、工艺、结构、搭配等进行充分的研究，并且结合实际生产，提出以下的几点优化构思：

1） 根据现有国产联合收割机的开发者大多注重于内在性能方面，而忽略操作间舒适性，进而对操作间的人机工程展开研究，进行大量的实际调研工作，搜集一定量样本实验数据，建立相关的人机模型并通过CATIA软件进行分析和评价;

2） 利用仿生学的相关原理，对联合收割机的外观造型进行优化，赋予其新的语义特征，通过对国内外的相关产品进行色彩提取比对，进而进行辅助色彩优化设计;

3） 对跨区作业人员进行大量的样本搜集，建立数据库，了解其在作业中遇到的棘手问题，如住宿难题、路况难适应等，进而展开研究;

4） 将联合收割机与打捆机相应的整合设计，目的在于减少秸秆粉碎所带来的一些问题，增加秸秆的回收综合再利用。

3  模块化背景下的联合收割机再设计

3.1  联合收割机的造型设计

3.1.1  仿生思维

仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统的科学， 是人们有意识地将自然原理加以推广应用的一种思维方法[8]。仿生学的应用，可以改善现阶段农业机械造型不足的劣势，强化农业机械的外观识别性，使用户在使用过程中形成良好的情感认知。

3.1.2  造型推演

以“Field Harvest J121稻麦联合收割机”为例，在设计过程中，选择了蟋蟀、天牛、金龜子、蝗虫、螳螂等田间常见的昆虫作为仿生对象，通过对它们的自然形态、生活习性以及与产品间的联系等方面进行分析，最终选择了被誉为“生命收割机”的螳螂作为仿生对象。进而对提取的形态进行由具体到抽象的概括总结，最后推导出联合收割机的基本外观造型。

3.2  联合收割机驾驶室设计

3.2.1  人机分析

根据人与机器之间的人机工程学原理，结合国内外相关科研资料数据以及各项标准[8]，以此来确定联合收割机操作间座椅、脚踏板、操纵杆等元件的各项设计参数。操作间人机工程学的设计要点主要表现在：座椅、操纵台、方向盘、脚踏板等部件的舒适性、可调节性以及各部件之间距离的研究。

3.2.2  人机设计

1） 脚踏板的设计。不同的脚踏板，其工作效率也不尽相同，如图2所示。在相同时间内，分别对图2中的a）～e）5种不同类型的踏板进行多次测试，最终数据表明a）踏板（悬空式）使用时最省力，故本设计最终选择a）踏板形式。关于尺度的选择，考虑到使用者为穿鞋使用，最终将踏板宽取130 mm，离合长取270 mm，制动为90 mm，并且脚踏表面设计有防滑条纹，增大接触面摩擦力，防止踏触时滑脱。

2） 操纵杆的角度设定。联合收割机操纵杆的操纵角度要在一定的范围之内，否则会让使用者的手臂移动量增加，容易使手臂疲劳，且操纵起来也极其不便。如图3所示，操纵杆的前后角度不超过90°，位移不宜超过350 mm;左右角度不宜超过45°，位移不宜超过150 mm。操纵角度一般以30°～60°为宜，不宜超过90°。

3.3  联合收割机配套秸秆打捆机的整合设计

3.3.1  合理的性能匹配

在联合收割机配套秸秆打捆机的优化设计中，性能参数是否合理，决定着其能否在实际使用中达到设计师预期效果。以该收割机的工作参数为例，联合收割机的喂入量为12.6 kg，前进速度为1.5～20.3 km/h，收割效率为0.5～1.0 hm2/h，配套功率为59 kW，设定秸秆打捆机的打捆效率为0.7～1.0 m2/s，打捆机的密度符合“圆草捆打捆机GB/T 14290?2008”所规定的稻麦秸秆草捆密度大于等于100 kg/m3。

鉴于联合收割机整体尺寸为9.2 m×5.7 m×3.8 m，所以设定秸秆打捆机的整体尺寸为3.7 m×2.9 m×2.8 m，草捆尺寸为0.45 m2×π×1.2 m。

3.3.2  连接结构和喂入机构

在进行联合收割机配套秸秆打捆机的整合设计过程中，产品之间的安装连接是产品研发的重要内容之一。基于某些农户没有秸秆打捆的需求，决定将两者之间的连接方式设计成可拆卸式的，秸秆打捆机的进草口与联合收割机的排草口进行对接。秸秆粉碎之后，通过排草口送入连接输送带，输送带设有喂入机构，秸秆通过喂入机构压送至打捆机的入草口，协助活塞将秸秆送入成捆室，并挡住联合收割机排草口随后排出的秸秆，避免秸秆影响活塞的运动，造成堵塞。

3.4  联合收割机的暂住设计

联合收割机两侧的盖板分为内外两层，外侧盖板由前后2块分盖板、盖板轨道、盖板滑槽、滑轮及盖板锁组成，当作业人员有住宿使用需求时，可将外侧前盖板由上端的盖板滑槽向后拉开，使之移至外侧后盖板前方，从而露出外侧前盖板后的住宿装置。继而可转动联合收割机的前端扶梯，角度大概为-135°，作业人员可爬上扶梯，打开住宿底板固定锁，住宿底板采用三角形固定结构，底部设有滑槽及滑槽固定装置，有利于底板使用的便捷性和放平之后的稳固性。最后作业人员可爬上底板，抽出三端隐藏在底板内部的护栏装置，从而确保作息过程中的安全性。

4  结  语

模块化设计是一种效果显著而又应用广泛的设计方法，在本项目的设计中主要从模块化设计的独立性、通用性、互换性3个特征出发，结合产品形态语义学、仿生学、人机工程学以及用户研究法等产品设计方法展开创新设计。通过大量的实验和测试，最终完成对Field Harvest J121稻麦联合收割整合机的创新设计。

参考文献

[1] 陈梦琦.厨具用品的模块化设计研究[D].贵阳：贵州师范大学，2018.

[2] 张明松.冲压机器人的模块化设计[D].青岛：山东科技大学，2015.

[3] 王锡瑞.脚手架扣件自动化装配线随洞钻空设备的设计与研究[D].天津：河北工业大学，2017.

[4] 尚村.空空导弹保障设备模块化设计应用[J].航空工程进展，2018，9（z1）：197?201.

[5] 王子涵.模块化方法在企业软件实施中的应用与研究：M海运公司“智通”项目为例[D].杭州：浙江工业大学，2017.

[6] 毛恩荣，张红，宋正河.车辆人机工程学[M].北京：北京理工大学出版社，2017.

[7] 国家发展改革委，财政部，农业部，环境保护部.关于进一步加快推进农作物秸秆综合利用和禁烧工作的通知[J].再生资源与循环经济，2015（12）：4?5.

[8] 张晓宇，左俊玮.基于红色题材的井冈山旅游纪念品开发与设计[J].包装工程，2018，39（12）：224?230.

[9] 赵亚飞.浅谈仿生学在建筑设计中的应用[J].城市建筑，2015（29）：14?15.

[10] 梁文峻，梁文思.视觉传达下工业产品包装色彩仿生特征提取系统[J].现代电子技术，2019，42（6）：172?175.