基于系统工程原理的农业机械设计方法研究

刘树峰，张广玲*，吕钊钦，李光提，李玉道，束 钰

（1.山东农业大学 机械与电子工程学院，山东泰安 271018；2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安 271018）

关键字：系统工程；农业机械；设计方法；机械描述

0 引言

农业机械产品的性能取决于设计，农业机械也有其专有的工程特性，从设计方法进行研究也是促进农业机械发展进步的重要手段。目前，农业机械的设计仍主要是基于重要功能部分零部件，并以改变零部件的特性为重点，其结果是更注重零部件的细节设计，对其他部分乃至整个系统的设计关注较少，往往造成设计的农业机械产品故障率高、可靠性低、工作性能不理想等问题[1]。而现代农业机械已发展成为机、电、液一体化的技术系统，信息化程度也不断增高，传统意义上的农业机械，在现代农业机械系统当中只是被称作“机械部分”，传统农业机械设计方法已无法完整描述现代农业机械[2]。

因此，本文提出根据系统工程原理进行农业机械设计的观点，研究农业机械系统工程特性，分析农业机械系统的组成，研究探索一套结合农业机械设计环境、农机产品设计需求、农机产品系统设计、农机系统细化分解、现有设计方法及反馈验证六部分组成的农业机械系统设计方法。

1 农业机械设计方法现状

国外农机产品与国内相比，国外农机产品的机型普遍较大，可以实现多种机具牵引，外形设计较为美观，安全创新等方面重视程度高，在农业机械设计的精巧程度和设计水平较国内相同产品展现出一定优势[3]。而且农机发达国家的相关企业为了保证农机质量，非常关注农业机械的设计过程。发达国家农机企业可以利用规模优势不断将最新的设计方法和技术应用到农机设计，使其设计生产的农机装备不断向智能装备发展，并结合本企业的生产加工，分别构建出来了自身企业特色的设计系统，结合先进的数字化设计手段完善出设计制作平台[4]。

机械总体方案设计的通用设计方法：整机结构设计→各系统设计→组成系统的部件设计→零件强度校核。结合农业机械设计目标，从逆向工程为主要视角和方案，根据目前的机械理论，分析设计农业机械的结构和原理，并参照设计需求确定农业机械的工作参数。一般会形成多套的设计方案，然后通过试验对比分析方案的优良，最后再整合优化形成一套完整的设计方案。

现有农业机械设计思路已经较为完善，主要分为以下几个步骤：分析设计目的、汇总已有方案、对比现有的问题、优化设计、优化分析、样机加工制作、开展试验研究。农业机械设计依据设计手册和设计方法理论等相关技术知识的指导，形成了一套简单形象且容易操作的设计思路。对于农业机械的内部结构也已经形成了固定的设计模板：对机构进行功能分析→枚举已有的方案→初步选取确定一种机构形式→分析并开展相关计算→对作物的相关物理特性进行分析→试验分析对比计算结果→对形成的方案进行可行性分析→确定设计参数。

2 农业机械系统设计方法

目前，我国的农业机械设计还是基本的设计构型方面，主要通过设计经验形成一定的概念，然后通过利用一定的较为现代的设计方法和理念对农业机械对象开展设计工作，而且一般是对农业机械内部的具体某一机构。现有传统的研究模式存在较多的问题，较为严重的问题是设计过程当中对现有的方案参考程度过高，造成了农业机械的设计存在严重的同质化，直接就导致了所设计的产品创新性不够，而且过分的依赖设计经验。虽然经验设计可以提高设计效率，规避设计问题，但这也进一步限制了农业机械的多样化发展，更不能够优选出最佳的设计方案。另外，现有的农业机械设计工作绝大多数都是围绕一定的具体设计对象，着眼于一项具体目标和问题来开展改进或者是优化，以现有较为成熟的技术和固化的设计参数开展研究工作。近年来，随着我国技术水平的不断提高，农业机械的研究机构和相关企业也在，不断采用先进的农业机械设计方法并开展了系列卓有成效的工作。然而先进的农业机械设计手段虽然在不断推广，但是核心的设计模式仍然不够系统，设计过程以及理论研究仍然主要拘泥于解决单一机构或机型，缺乏通用理念和系统思维。

根据农业机械系统组成和农业机械系统环境影响因素，结合现有的成熟设计方法和设计流程，重新建立农业机械系统的设计方法，如图1所示。农业机械系统设计理念：在系统工程理论指导下，结合系统环境影响因素，并借鉴现有的成熟的设计方法和流程，以需求为根本目标，采用系统设计、细分化解、反馈验证等方法设计开发农业机械系统，具体主要设计步骤如下：第一步，在农机农艺相互结合的基础上，针对机械、植物、土壤特点不同，构建农业机械系统的设计环境；第二步，依据农业机械的设计目的要求，并细化性能指标以及具体分步骤完成动作；第三步，从农机产品功能要求出发，设置设计约束条件，从成本、能耗等多方面约束规范设计；第四步，对农机系统进行细化分解，利用系统工程视角对农业机械进行描述，分解为物料流、能量流、信息流，并进一步功能分解；第五步，利用现有农业机械设计方法，对样机进行试制、试验，并对试验结果进行分析，确定初步设计方案；第六步，根据试验结果，结合农业机械系统设计环境、农业机械产品设计需求、约束条件等多项反馈信息下优化完成农业机械系统的设计。

图1 农业机械系统设计方法

3 结语

1）分析了现有农业机械研发设计过程当中存在的问题，结合农业机械特点，建立了土壤-植物-机械的共同影响下农业机械系统设计环境。

2）根据农业机械工程设计影响环境、设计理念、系统组成等，建立了物料流、能量流、信息流的农业系统组成和系统研究边界，设计了包含了农业机械设计环境、农机产品设计需求、农机产品系统设计、农机系统细化分解、现有设计方法及反馈验证六部分组成的农业机械系统设计试验方法。