郭子楊 唐 茂 曾 健 陳禹臻 吳柏強

（成都大學機械工程學院，四川 成都 610100）

0 引言

推進農(nóng)業(yè)機械化是助力實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的關(guān)鍵措施。鑒于生態(tài)環(huán)境形勢日益嚴峻，降低農(nóng)業(yè)機械能源消耗成為農(nóng)業(yè)機械裝備制造方面必須解決的問題。輕量化是降低農(nóng)業(yè)機械能源損耗的重要手段。實踐表明，影響農(nóng)業(yè)機械質(zhì)量的主要因素是結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造材料及制造工藝，其中制造材料是影響農(nóng)業(yè)機械質(zhì)量的重要因素。所以，基于人工智能、3D 打印等技術(shù)的發(fā)展，推進輕量化新材料在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中的應用成為降低農(nóng)業(yè)機械能源消耗的重要措施。

1 農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計的原因

1.1 減少對土壤結(jié)構(gòu)的破壞

雖然農(nóng)業(yè)機械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用能提高作業(yè)效率，但是由于農(nóng)業(yè)機械自重較大，其在作業(yè)過程中會壓實土壤，導致土壤的透水性較差，從而影響農(nóng)作物生長。而通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)機械設(shè)計，減輕農(nóng)業(yè)機械的自重，可以有效降低對農(nóng)田土壤的壓實度，避免對土壤結(jié)構(gòu)的破壞。例如，在水稻種植中應用輕量化農(nóng)業(yè)機械，可以避免農(nóng)業(yè)機械因自重較大導致輪胎下陷、打滑及對土壤犁底層造成破壞，保證水稻生長環(huán)境良好，從而提高水稻產(chǎn)量。

1.2 降低驅(qū)動能耗

農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)直接影響農(nóng)業(yè)機械動力裝配，質(zhì)量越大的農(nóng)業(yè)機械所需的動力總成越高，其能源消耗也就越大。而農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計可以在保證農(nóng)業(yè)機械強度和安全性能的基礎(chǔ)上，采取優(yōu)化結(jié)構(gòu)、使用新材料等工藝手段，降低農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的整體質(zhì)量，從而降低對動力輸出的要求。這樣不僅能滿足綠色節(jié)能設(shè)計要求，而且能減少能源消耗，為農(nóng)業(yè)機械使用者節(jié)省大筆支出。

1.3 提高農(nóng)業(yè)機械操作性能

農(nóng)業(yè)機械一般具有旋轉(zhuǎn)、沖擊或者直線運動等功能。農(nóng)業(yè)機械質(zhì)量越大，操作難度就會越高，在農(nóng)業(yè)機械使用過程中易受諸多因素影響而發(fā)生安全事故。采用農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計則可降低農(nóng)業(yè)機械的操作難度，便于機械使用者靈活操作，減少或避免安全事故發(fā)生。例如，在梯田和山地進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時，輕量化農(nóng)業(yè)機械的使用更加輕便，可減少或避免因地形結(jié)構(gòu)復雜而發(fā)生安全事故。

1.4 提高機械生產(chǎn)企業(yè)市場競爭力

電池是農(nóng)業(yè)機械運行的主要動力，因此，農(nóng)業(yè)機械作業(yè)往往受電池續(xù)航里程較短等因素的制約。農(nóng)業(yè)機械制造企業(yè)必須從質(zhì)量上入手，通過使用輕量化材料減少電池荷載力，以此延長電池的續(xù)航里程，從而提升農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)水平，增強農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)企業(yè)的市場競爭力。

2 新材料在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中的應用

目前，農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計研究主要集中在3 個方面：一是農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，二是材料輕量化設(shè)計，三是工藝輕量化設(shè)計。其中，材料輕量化設(shè)計是農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計的研究重點。尤其是隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能、機器人及3D 打印技術(shù)的發(fā)展，各種新材料的性能不斷完善，使得如高強度鋼、鋁合金、鈦合金及復合材料等在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中得到了廣泛應用。

2.1 高強度鋼在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中的應用

制造材料直接關(guān)系農(nóng)業(yè)機械的使用壽命和使用性能。農(nóng)業(yè)機械在作業(yè)過程中長期受土壤、肥料、農(nóng)藥等的影響，導致其使用壽命大大縮短。同時，農(nóng)業(yè)機械與石塊、作物根莖等摩擦，會影響其使用效率。因此，農(nóng)業(yè)機械制造材料必須滿足耐蝕、耐磨、減摩、耐沖擊、耐疲勞和輕量化等要求。高強度鋼是屈服強度1 370 MPa 以上、抗拉強度1 620 MPa 以上的合金鋼。相比鋁、碳合金等“輕質(zhì)”材料，高強度鋼的環(huán)保性和回收利用優(yōu)勢更加顯著。目前，高強度鋼在農(nóng)業(yè)機械制造領(lǐng)域得到了廣泛應用，不僅有效提升了農(nóng)業(yè)機械的安全系數(shù)，而且降低了農(nóng)業(yè)機械的整體質(zhì)量。例如，針對收割機切片磨損大、焊接性能低及自重大等缺陷，農(nóng)業(yè)機械設(shè)計企業(yè)研發(fā)了基于高強度鋼的切片，其相比傳統(tǒng)切片的耐磨性有所提升，而且機身質(zhì)量有所降低，并可以適應不同的作業(yè)環(huán)境，大大延長了收割機的使用壽命。目前，高強度鋼主要應用在農(nóng)業(yè)機械的前后縱梁、B 柱等部位。因為這些部位的形狀比較復雜，傳統(tǒng)材料強度不足，不得不使用較多材料來彌補，因而會增加農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)量，而使用高強度鋼材料可以減少鋼板的厚度（高強度鋼材力學性能較好、不易變形），從而可減輕農(nóng)業(yè)機械的質(zhì)量。據(jù)測算，在收割機門檻梁部位使用高強度鋼（DP 1000），在保證門檻梁吸能特性不變的情況下，收割機質(zhì)量減輕了13%左右。

2.2 鋁合金在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中的應用

鋁合金屬于金屬材料，是在鋁中加入多種合金元素組成的，如銅、鎂、硅等元素。其具有密度低、強度高及塑性好等特點。鋁合金的密度是鋼的50%左右，但是其屈服強度與鋼材基本一致。目前，鋁合金在農(nóng)業(yè)機械設(shè)備制造中的應用范圍較廣，如在拖拉機活塞中使用鋁合金可以大大延長活塞的使用壽命，降低其磨損性。實踐證明，鋁合金是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計的重要材料。例如，在耕地機設(shè)計中，為了降低其質(zhì)量，需要對后縱梁進行輕量化設(shè)計，具體就是使用真空高壓鑄造鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材對后縱梁進行設(shè)計，輕量化設(shè)計后縱梁質(zhì)量減輕90 kg，質(zhì)量降低約1.8%。底盤是農(nóng)業(yè)機械的主要組成部分，減輕底盤質(zhì)量是農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計的關(guān)鍵舉措。在小型農(nóng)用運輸汽車底盤中一般使用鋼制件，但是鋼制件相對較重，因此，可使用鋁合金底盤零件更換鋼制件零件，以達到輕量化設(shè)計目的，具體質(zhì)量減輕情況見表1。

表1 小型農(nóng)用運輸車質(zhì)量對比

2.3 鈦合金在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中的應用

鈦合金是農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計的首選材料，因為鈦合金的密度僅為鋁合材料的60%左右，且其減震效果明顯優(yōu)于鋼材、鋁合金。同時，鈦合金具有可回收性好、屈服強度高、質(zhì)量輕等特點，所以其在農(nóng)業(yè)機械各零件設(shè)計中應用價值較高，具體應用表現(xiàn)如下。

一是通過減輕農(nóng)業(yè)機械組成部件的質(zhì)量以及增強車架相關(guān)結(jié)構(gòu)零件的負載能力，提高發(fā)動機性能，有效降低農(nóng)業(yè)機械作業(yè)時的車身震動，提高作業(yè)效率。例如，在水田輪式拖拉機設(shè)計中，由于拖拉機自身過重會破壞稻田土壤結(jié)構(gòu)，影響后續(xù)插秧和收獲機械入場，因而減輕車身自重成為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造的關(guān)鍵。水田輪式拖拉機各零部件種類較多，零件自重較大，而將水田輪式拖拉機零件材質(zhì)改為鈦合金材質(zhì)，會有效降低水田輪式拖拉機的自重，從而提升發(fā)動機的性能。

二是利用鈦合金改進農(nóng)業(yè)機械排氣系統(tǒng)，能節(jié)約燃料費用。利用鈦合金制造的排氣系統(tǒng)比傳統(tǒng)的鋼材料輕，可以有效提高農(nóng)業(yè)機械尾氣的排放效率，提升燃油效果，降低能源消耗。當然，鈦合金材料價格比較昂貴，各零件加工成本較高，同時受限于焊接技術(shù)的影響，導致鈦合金在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中的應用率不高。因此，今后相關(guān)研究人員需要優(yōu)化鈦合金加工方法，降低鈦合金材料價格，以促進鈦合金在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中的應用。

2.4 復合材料在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中的應用

隨著3D 打印技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，復合材料種類越來越多。顧名思義，復合材料就是由2 種或2 種以上不同材料組合而成的材料。由于復合材料的結(jié)構(gòu)密度高、老化程度較小，因而具有良好的保溫、防水和隔熱性，在機械制造領(lǐng)域具有廣泛的應用空間。例如，復合材料具有特殊的振動阻尼特性，其變形后易于修理。農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計在考慮減輕質(zhì)量的基礎(chǔ)上，還要考慮行駛安全的要求，而復合材料可以滿足農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計的整體需求。例如，某農(nóng)業(yè)機械廠針對玉米秸稈粉碎機自身重的缺陷，將玉米秸稈粉碎機保險杠由鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為木塑復合材料。同時，為了保證玉米秸稈粉碎機的強度、低速碰撞性能等，對保險杠的角度參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化；輕量化玉米粉碎機相比于傳統(tǒng)鋼材粉碎機質(zhì)量減輕25 kg，質(zhì)量減輕率達10.2%，而且整車的安全系數(shù)得到大幅提升。當然，使用復合材料時需要考慮不同材質(zhì)元件的接頭問題。因此，今后在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中需要關(guān)注復合材料的兼容性問題。

3 促進新材料在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中應用的對策

3.1 完善農(nóng)業(yè)機械裝備制造扶持政策，提升科研能力

為促進新材料在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中的應用，國家應出臺完善的扶持政策，對于從事農(nóng)業(yè)機械輕量化研發(fā)的企業(yè)給予技術(shù)、資金及土地等方面的支持，鼓勵企業(yè)參與農(nóng)業(yè)機械輕量化研發(fā)工作，并鼓勵企業(yè)自身加大科技創(chuàng)新投入力度，以此增強我國農(nóng)業(yè)機械輕量化的研發(fā)能力，從而提升我國農(nóng)業(yè)機械制造能力和水平。

3.2 大力發(fā)展人工智能、數(shù)字控制等技術(shù)

農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計離不開人工智能、數(shù)字自動化控制及材料成型等技術(shù)的支持。因此，要大力發(fā)展人工智能、數(shù)字控制等技術(shù)，依托數(shù)字自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械整體制造材料的智能化測算與設(shè)計，促進農(nóng)業(yè)機械智能化發(fā)展，以此在降低農(nóng)業(yè)機械自重的基礎(chǔ)上滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。一方面，我國要鼓勵農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)企業(yè)主動參與國際市場競爭，通過市場競爭了解農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計前沿科技；另一方面，農(nóng)業(yè)機械研發(fā)部門要加大科技研發(fā)力度，尤其是加強對農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計核心技術(shù)的研發(fā)。例如，針對當前“芯片荒”所導致的農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計受阻的問題，我國要鼓勵科研部門增強芯片的研發(fā)能力，以此助力農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計。

3.3 加強人才隊伍建設(shè)，提高輕量化新材料性能

新材料在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。一方面，我國要加強農(nóng)業(yè)機械裝備制造領(lǐng)域人才隊伍建設(shè)，培養(yǎng)高素質(zhì)、實用型裝備制造技術(shù)人才。農(nóng)業(yè)機械研發(fā)部門要與高等院校加強溝通與合作，深入開展產(chǎn)教融合，結(jié)合農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)企業(yè)崗位需求加強人才培養(yǎng)，提升農(nóng)業(yè)機械研發(fā)人才的創(chuàng)新能力與質(zhì)量控制意識。另一方面，要加強新材料的研發(fā)力度。新材料是農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計的關(guān)鍵。為促進農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計，農(nóng)業(yè)機械研發(fā)部門要加大對輕量化新材料的研發(fā)力度，提升新材料使用性能。例如，基于3D 打印技術(shù)的發(fā)展，我國要大力推進復合材料在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中的應用，以此達到生態(tài)效益和經(jīng)濟效益雙提升目的。

4 結(jié)語

加快推進農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計是提升我國農(nóng)業(yè)機械裝備制造能力的關(guān)鍵舉措，是促進智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求。因此，我國要基于人工智能、數(shù)字化自動控制及3D 打印等技術(shù)，大力促進新材料在農(nóng)業(yè)機械輕量化設(shè)計中的應用，提高我國農(nóng)業(yè)機械制造水平，從而提升我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展水平。