面向农业机械的模块化设计研究综述*

熊建强

（新余学院机电工程学院，江西 新余 338004）

0 引言

农业机械化是农业现代化最重要的标志之一，是改善和转变农业发展方式的关键技术基础，是提高农业经济与生态效益的重要途径，是实施乡村振兴战略的重要支撑手段，一个国家的农业发展水平很大程度上取决于农业机械化发展水平，因此，农业机械化是实现农业现代化的先决条件[1-2]。近年来，我国农机设计制造水平稳步上升，农机产品拥有总量不断增长，农机作业能力得到快速提高，农作物生产已基本从单一依靠人力、畜力转向主要依靠农机产品动力的模式，迈入了以机械化为主导的发展新阶段。但是，由于受到农机产品功能需求多样化和作业环境复杂化等因素的影响与制约，当前我国农业机械化和农机装备产业发展，依然存在许多不平衡、不全面的问题，特别是农机产品科技创新能力较弱、研发水平较低，部分农机产品有效供给不足、售价偏高，农机结构与作业环境结合不紧密，严重阻碍了农业机械化发展的进程，影响并制约着农民的增收和创收能力[3-5]。

由于我国农机企业普遍采用传统的农机产品设计方法来开展农业机械装备研发，所以导致农业机械中零部件的重复性设计多、设计资源共享性差、标准化与互换性程度低等问题，从而使得农机产品的通用性不强[6]。为了有效解决农业机械产品功能个性化与生产成本之间的矛盾问题，提高农业机械产品的经济性、通用性、适应性与互换性，不少研究者提出了采用模块化设计方法进行农机研发的思路。通过综合分析当前的研究现状可知，农业机械模块化主要集中于采用模块化设计思想开展农业收获、农业耕作与农业加工机械等方面的应用实践研究，以及农业机械模块化设计方法层面的应用理论研究，这些在提高农机研发水平方面取得了应有效果。因此，开展农机产品模块化方面的研究，不仅可以解决农机产品所存在的价格方面问题，而且还能根据不同地区、不同耕作方式的农户多样化需求特征，快速设计、配置出适用于对农作物进行作业的个性化农机产品。

1 农业收获机械模块化设计研究进展

农业收获机械模块化设计主要围绕水稻收获机械、小麦收获机械、折耳根收获机械、马铃薯收获机械与大蒜收获机械等进行了相关研究。

刁培松等[7]基于结构模块化设计方法，在融合层次分析法与动态规划方法的基础上，构建了面向动态规划过程中的寻优评价模型，阐述了其相关参数与模型计算过程，并将该评价模型应用于小麦联合收获机的结构模块化方案设计软件体系中，验证了方法的合理性和有效性。这种方法提高了模型解的求解精度，但模型计算过程较复杂，而且权重赋值存在差异，导致模型求解值的可靠性存在问题。尹健等[8]采用模块化设计方法，对微型山地稻麦联合收割机的总体方案与功能结构、参数选择、系列化，以及结构模块的划分、组合与评价等进行了研究。该方法有效解决了山地联合收割机在价格、性能和结构之间的矛盾问题，满足了山地丘陵地区农机作业的各种特殊需求，实现了山地稻麦联合收割机产品快速大规模个性化定制生产。尹健等[9]采用模块化设计，将山地折耳根联合收获机的功能分为若干等级，并对其进行细化，直到能实现相应功能目标的具体载体为止，设计并构建了山地折耳根联合收获机的关键模块，同时对不同模块的组合及其性能特点进行了综合评价分析。采用这种方法在较大程度上进一步细化了农机设计目标，同时还降低了农机的设计难度。由于小型水稻联合收割机存在功能单一与价格高等问题，徐静等[10]采用模块化设计，将小型水稻联合收割机功能划分为基本功能模块、辅助功能模块以及特殊功能模块，在农机模块通用化设计的基础上，能够实现不同功能的调整与组合，形成多样化的小型农机产品，满足了特定情况下的水稻联合收割机需求。

尹健等[11]针对山地农机存在的适应性差的特点，采用模块化设计方法，对小型山地多功能农业作业机进行了结构设计，然后依据其特点进行了产品族的规划。该方法达到了缩短农机产品研发周期、快速配置农机产品、降低农机产品成本价格、满足山地农机多样化需求的目的，但是对所构建的模块库提出了较高要求。赵东等[12]为提高大蒜机械化收获的适应性，采用模块化设计方法构建了功能集中的通用模块单元和相对独立的特殊模块单元；农户根据需求可选择特殊模块功能单元，以实现不同情况下的大蒜机械化收获，还对不同功能模块单元组合下的产品进行了试验效果的验证，证明了方法的有效性，其模块化设计产品如图1所示。

图1 模块化大蒜收割机

殷彦强[13]以马铃薯收获机为产品基型，采用模块化方法对收获机进行设计，根据使用功能规格要求，拟定了马铃薯收获机的系列型谱，建立了基于功能流模型的马铃薯收获机模块库，根据个性化要求进行不同功能模块的组合，配置成满足不同作业环境要求的收获机，并对收获机样机进行了虚拟仿真和试验分析，获得了预期效果。孔朵朵[14]采用模糊聚类分析对电驱式小型半喂入水稻联合收割机关键部件进行了精确模块划分，采用横向模块化设计方法对联合收割机开展模块化设计，通过模块组合而得到不同机型的对应性能评价结果，从而快速完成水稻联合收割机个性化需求的定制。王刚[15]对稻麦联合收割机底盘与割台结构进行了模块化设计，通过对这两部分结构模块的构建与组合，实现了具有统一接口的多功能目标产品。王帅[16]采用模块化方法，对谷物联合收割机智能监测系统的控制硬件进了模块化设计，使监测系统的设计效率和通用性得到了大幅度提升。

以上文献主要针对农机产品功能模块库的构建进行了研究，着重考虑模块库构建方法与各模块之间的功能组合形式，所采用的模块划分方法复杂性高，缺乏高效、简单、统一的模块划分模型，在指导农机模块化实践应用方面还存在一定不足，今后可以进一步探讨简化模块化划分准则和标准模型构建。

2 农业耕作机械模块化设计研究进展

农业耕作机械模块化设计主要围绕播种机、插秧机、节水机、锄草施肥机、移栽机等进行了相关研究。

宋枫等[17]采用模块化设计方法，对履带式微耕机驱动的元胡播种机传动和同步定位结构进行了设计。该方法采用不同功能模块组合，得到适用于不同环境的元胡播种机，通过对播种深度的动态调节，实现了元胡播种机精度的大幅提升。黄瑾媛[18]采用模块化设计方法，结合农机设计手册，确定施肥播种机的排肥轴与排种轴转速和尺寸等参数，最后运用SolidWorks软件构建了施肥播种机相关模块库。为有效降低高速插秧机设计与制造成本等，提高插秧机产品系列化水平，鲍俊峰[19]对高速插秧机底盘变速箱进行了模块化设计，建立了相应的结构模块，并对结构模块参数进行了仿真分析与优化。胡健等[20]根据我国农机节水设备现状及存在的问题，依据使用功能要求将节水设备分为八个独立模块，通过不同模块的配置，实现节水设备一机多用的目标。通过对功能需求的精细化分析，构建了满足不同节水工况下的模块库，对不同模块库的单元进行组合，达成不同功能需求目标。

张晓等[21]基于模块化设计方法，对偏置式果园松土锄草施肥机进行了研究，首先采用Pro/E软件设计了相关结构模块，然后进行了三维数字模型的仿真分析和样机的试验研究，试验结果表明，通过模块化方法能够实现一机多用目标，提高了农业耕作机械的作业效率。岳高峰等[22]基于模块化划分原则，将微耕机划分为通用模块库与专用模块库，并采用SolidWorks软件设计了微耕机三维数字模型模块库。通过对三维数字结构模型的重构设计，提高了微耕机模块设计水平、适应性与效率。张强[23]采用模块化设计方法，对大棚作业多功能农业机器人进行了设计，田间试验表明，大棚作业机器人能够实现旋耕与精良播种作业等多种功能的快速切换，具有较高的实用性，提高了作业效率，其模块化设计产品如图2所示。

图2 模块化多功能农业机器人

蒋支禾[24]采用模块化设计方法，对旋耕复式作业机进行结构功能模块划分的研究，从纵系列与横系列两个方面开展单元模块化设计，以此增加适应不同环境的旋耕复式作业机产品类型，满足了不同的农艺要求，提高了旋耕机作业的适应性。张翔等[25]采用模块化方法，对耕播机进行模块化设计，以满足不同栽培方式、播种作业、耕种方式环境下的多需求农业生产要求。为缩短自动化穴苗移栽机研发周期和生产成本，高国华等[26]以移栽机关键模块夹持爪设计为例，构建了参数化设计模块数据库，为拥有数据的查询和调用功能，开发了相应的应用软件平台，实现了零件设计和数据库的无缝衔接，在所开发的软件平台上便可完成移栽机夹持爪的结构模块化设计，提高了移栽机设计效率和水平。刘海等[27]采用模块化设计方法，对蔬菜联合播种机进行了研究，设计出了一款具有复合功能的联合播种机，田间试验数据表明，所设计机型的各项指标参数超过行业标准水平。孙慧春等[28]从可用性理论角度，通过调研分析，基于用户需求层面对微耕机进行模块化设计，提高了微耕机的适应性和用户满意度。

农业耕作机械模块化设计主要集中在农机产品模块化设计实例研究，主要强调应用当前CAD/CAM软件体系构建某一农机产品模块库，通过模块库组合实现相应农机产品的设计，采用的方法差异性较大，在开展农机通用化模块化设计应用平台方面还有欠缺。

3 农业加工机械模块化设计研究进展

农业加工机械模块化设计主要围绕青贮机械、马铃薯加工机械与净菜机械等开展了相关研究。

吕冰等[29]采用功能流模型方法，基于不同用户需求的相关调研分析，首先明确青贮机械的总功能，然后对其进行分解，获得相应的功能结构模型，再将青贮机械总结构划分成若干模块，最后对各种不同组合青贮机械模块化设计方案进行综合评价，获得最佳的模块化设计方案。采用功能流模型的难点在于需要明确农机产品功能与功能结构模型，以及要将功能流模型中的物料流、能量流与信息流模块精准划分。杨添玺[30]基于模块化设计原理，通过功能结构需求解析，将马铃薯种薯智能切片机分为进料装置、稳定中心装置、检测识别装置、切割装置、薯块收集装置五个模块，完成了马铃薯种薯智能切片机机械部分的模块化设计，通过不同模块的组合来实现对应的功能。郑军海[31]采用模块化方法，对背负式青贮装备液气压控制系统、控制硬件以及控制软件进行了模块化设计方面的研究与实践。周晓磊[32]采用模块化设计方法将净菜设备分为切菜、整理、称重、装盘以及包装等多个模块，为实现一体化的净菜配置自动化生产设备的研发提供了技术支撑。采用一体化净菜配置模块化设计方法，能够降低净菜设备人力劳动强度，提高净菜设备自动化水平与效率，但是机电一体化净菜设备的适应性有待提高。

农业加工机械模块化设计研究主要从功能的角度划分与构建模块库等方面开展，而有关不同产品功能模块之间的融合设计，以及模块的适应性与可重构性等方面的研究还存在欠缺。

4 农业运输机械模块化设计研究进展

农业运输机械模块化设计主要围绕农机减速器、农业防疫车与农业移动机器人平台等开展了相关研究。

庄淑博[33]针对草原牲畜流动防疫车功能分散、工作效率低下、牲畜传染病遏制不快以及防疫车空间使用不合理等问题，采用模块化设计理念，对草原防疫车的功能结构进行了优化设计。相较于原产品，优化后的草原防疫车在功能、结构与空间上获得了较大的改进，提升了空间利用和功能使用的效率，其模块化设计产品如图3所示。

图3 模块化草原牲畜流动防疫车

封超等[34]采用可重构模块化设计思想，对小型农机减速器的运动参数与转速进行计算分析，然后确定减速器的相关结构图，通过结构图进而获得减速器可行的重构模块化的优化设计方案。杨海飞[35]采用可重构模块化设计方法，在对小型农机减速器功能结构研究的基础上，构建了小型农机减速器的F-B-S模型，并组合形成了四种不同挡位的减速器，以适应不同作业环境的需求。但是此论文只对可重构化模块的定义进行了描述，没有对可重构模块化设计的相关要素与流程进行深入研究。Corpe等[36]采用模块化设计方法对农业移动机器人平台进行了研究，并设计了平台原型系统。试验统计数据表明，采用模块化设计能够提高农业移动机器人平台的灵活性、适应性、功能性和互换性。

农业运输机械模块化设计提出了采用可重构化模块设计思想，但仅仅讨论了在农业减速器方面的设计应用情况，而在农业机械产品的其他部件上缺少相应的深入分析和研究，没有对可重构化模块设计的应用准则和标准进行深入研究。

5 结语

近年来，现代设计方法、计算机与虚拟仿真技术、自动控制技术等的快速发展，给现代农业机械化发展带来了新的挑战与机遇。为不断提高我国农机产品研发与核心竞争力，促进我国农业机械化水平的提升，在运用模块化设计方法开展农业机械产品研发方面，以下几个方面仍需要继续深入研究。

1）农业机械模块划分研究。由于农业机械是一种结构较为复杂、功能需求多样化、作业地域性差异较大的产品，因此需要根据农机产品使用与功能结构上的特点，来快速实现合理、准确的结构模块划分，模块化划分的正确与否直接影响、决定着模块化设计方法运用的成败。

2）农业机械模块化设计应用平台研究。在完善和构建农业机械产品设计方面的基础数据体系上，结合参数化设计思想，研发出适合不同类型农业机械产品模块化设计的应用系统平台，简化典型农业机械模块化设计流程，研发人员只需掌握农业机械产品的使用尺寸要求与结构特点，便可以通过应用系统平台，来修改相关零部件与模块的参数或结构，能够完成不同类型的农业机械产品的模块化设计。

3）农业机械模块化设计融合研究。针对不同类型、不同地域、不同功能的农业机械产品，如何实现它们之间功能结构模块的标准化与互换性，是提高农机研发水平、降低农机价格的突破口之一。为此，需要精确熟悉和掌握不同农业机械产品功能结构模块之间共性特征，使农业机械产品在共性特征方面都采用统一模块来实现相应功能。

4）农业机械可重构模块化设计。针对一定范围内的农业机械，在对产品功能、性能以及规格进行解析的基础上，构建出一系列可重构的模块，通过不同模块的重构、变型与配置，实现和满足不同客户个性化的农机产品需求。