新材料在农业机械轻量化设计中的应用
作者: 郭子杨 唐茂 曾健 陈禹臻 吴柏强
[摘 要] 随着机械制造强国战略的实施,新材料在机械制造领域得到了广泛应用。农业装备轻量化是世界农业机械发展的潮流,基于人工智能、数字化技术的发展,应用新材料成为实现农业机械轻量化的主要手段。实践证明,轻量化新材料的应用不仅可以提升农业机械的力学性能,而且可以提升农业生产效率。当前,在农业机械轻量化设计中应用的新材料有高强度钢、铝合金、钛合金、复合材料。为促进新材料在农业机械轻量化设计中的应用,需要完善农业机械装备制造扶持政策,大力发展人工智能、数字控制等技术,加强人才队伍建设,提高轻量化新材料性能等。
[关键词] 新材料;农业机械;轻量化设计;复合材料;人工智能
[中图分类号] S220 [文献标志码] A [文章编号] 1674-7909(2022)08--3
0 引言
推进农业机械化是助力实施乡村振兴战略的关键措施。鉴于生态环境形势日益严峻,降低农业机械能源消耗成为农业机械装备制造方面必须解决的问题。轻量化是降低农业机械能源损耗的重要手段。实践表明,影响农业机械质量的主要因素是结构设计、制造材料及制造工艺,其中制造材料是影响农业机械质量的重要因素。所以,基于人工智能、3D打印等技术的发展,推进轻量化新材料在农业机械设计中的应用成为降低农业机械能源消耗的重要措施。
1 农业机械轻量化设计的原因
1.1 减少对土壤结构的破坏
虽然农业机械在农业生产中的应用能提高作业效率,但是由于农业机械自重较大,其在作业过程中会压实土壤,导致土壤的透水性较差,从而影响农作物生长。而通过优化农业机械设计,减轻农业机械的自重,可以有效降低对农田土壤的压实度,避免对土壤结构的破坏。例如,在水稻种植中应用轻量化农业机械,可以避免农业机械因自重较大导致轮胎下陷、打滑及对土壤犁底层造成破坏,保证水稻生长环境良好,从而提高水稻产量[1]。
1.2 降低驱动能耗
农业机械的质量和结构直接影响农业机械动力装配,质量越大的农业机械所需的动力总成越高,其能源消耗也就越大。而农业机械轻量化设计可以在保证农业机械强度和安全性能的基础上,采取优化结构、使用新材料等工艺手段,降低农业机械设备的整体质量,从而降低对动力输出的要求。这样不仅能满足绿色节能设计要求,而且能减少能源消耗,为农业机械使用者节省大笔支出。
1.3 提高农业机械操作性能
农业机械一般具有旋转、冲击或者直线运动等功能。农业机械质量越大,操作难度就会越高,在农业机械使用过程中易受诸多因素影响而发生安全事故。采用农业机械轻量化设计则可降低农业机械的操作难度,便于机械使用者灵活操作,减少或避免安全事故发生。例如,在梯田和山地进行农业生产时,轻量化农业机械的使用更加轻便,可减少或避免因地形结构复杂而发生安全事故。
1.4 提高机械生产企业市场竞争力
电池是农业机械运行的主要动力,因此,农业机械作业往往受电池续航里程较短等因素的制约。农业机械制造企业必须从质量上入手,通过使用轻量化材料减少电池荷载力,以此延长电池的续航里程,从而提升农业机械生产水平,增强农业机械生产企业的市场竞争力。
2 新材料在农业机械轻量化设计中的应用
目前,农业机械轻量化设计研究主要集中在3个方面:一是农业机械结构轻量化设计,二是材料轻量化设计,三是工艺轻量化设计。其中,材料轻量化设计是农业机械轻量化设计的研究重点。尤其是随着大数据技术、人工智能、机器人及3D打印技术的发展,各种新材料的性能不断完善,使得如高强度钢、铝合金、钛合金及复合材料等在农业机械轻量化设计中得到了广泛应用。
2.1 高强度钢在农业机械轻量化设计中的应用
制造材料直接关系农业机械的使用寿命和使用性能。农业机械在作业过程中长期受土壤、肥料、农药等的影响,导致其使用寿命大大缩短。同时,农业机械与石块、作物根茎等摩擦,会影响其使用效率。因此,农业机械制造材料必须满足耐蚀、耐磨、减摩、耐冲击、耐疲劳和轻量化等要求。高强度钢是屈服强度1 370 MPa以上、抗拉强度1 620 MPa以上的合金钢。相比铝、碳合金等“轻质”材料,高强度钢的环保性和回收利用优势更加显著[2]。目前,高强度钢在农业机械制造领域得到了广泛应用,不仅有效提升了农业机械的安全系数,而且降低了农业机械的整体质量。例如,针对收割机切片磨损大、焊接性能低及自重大等缺陷,农业机械设计企业研发了基于高强度钢的切片,其相比传统切片的耐磨性有所提升,而且机身质量有所降低,并可以适应不同的作业环境,大大延长了收割机的使用寿命。目前,高强度钢主要应用在农业机械的前后纵梁、B柱等部位。因为这些部位的形状比较复杂,传统材料强度不足,不得不使用较多材料来弥补,因而会增加农业机械的质量,而使用高强度钢材料可以减少钢板的厚度(高强度钢材力学性能较好、不易变形),从而可减轻农业机械的质量。据测算,在收割机门槛梁部位使用高强度钢(DP 1000),在保证门槛梁吸能特性不变的情况下,收割机质量减轻了13%左右[3]。
2.2 铝合金在农业机械轻量化设计中的应用
铝合金属于金属材料,是在铝中加入多种合金元素组成的,如铜、镁、硅等元素。其具有密度低、强度高及塑性好等特点。铝合金的密度是钢的50%左右,但是其屈服强度与钢材基本一致。目前,铝合金在农业机械设备制造中的应用范围较广,如在拖拉机活塞中使用铝合金可以大大延长活塞的使用寿命,降低其磨损性。实践证明,铝合金是实现农业机械轻量化设计的重要材料。例如,在耕地机设计中,为了降低其质量,需要对后纵梁进行轻量化设计,具体就是使用真空高压铸造铝合金代替传统的钢材对后纵梁进行设计,轻量化设计后纵梁质量减轻90 kg,质量降低约1.8%[4]。底盘是农业机械的主要组成部分,减轻底盘质量是农业机械轻量化设计的关键举措。在小型农用运输汽车底盘中一般使用钢制件,但是钢制件相对较重,因此,可使用铝合金底盘零件更换钢制件零件,以达到轻量化设计目的,具体质量减轻情况见表1。
2.3 钛合金在农业机械轻量化设计中的应用
钛合金是农业机械轻量化设计的首选材料,因为钛合金的密度仅为铝合材料的60%左右,且其减震效果明显优于钢材、铝合金。同时,钛合金具有可回收性好、屈服强度高、质量轻等特点,所以其在农业机械各零件设计中应用价值较高,具体应用表现如下。
一是通过减轻农业机械组成部件的质量以及增强车架相关结构零件的负载能力,提高发动机性能,有效降低农业机械作业时的车身震动,提高作业效率。例如,在水田轮式拖拉机设计中,由于拖拉机自身过重会破坏稻田土壤结构,影响后续插秧和收获机械入场,因而减轻车身自重成为农业机械设计制造的关键。水田轮式拖拉机各零部件种类较多,零件自重较大,而将水田轮式拖拉机零件材质改为钛合金材质,会有效降低水田轮式拖拉机的自重,从而提升发动机的性能。
二是利用钛合金改进农业机械排气系统,能节约燃料费用。利用钛合金制造的排气系统比传统的钢材料轻,可以有效提高农业机械尾气的排放效率,提升燃油效果,降低能源消耗[5]。当然,钛合金材料价格比较昂贵,各零件加工成本较高,同时受限于焊接技术的影响,导致钛合金在农业机械轻量化设计中的应用率不高。因此,今后相关研究人员需要优化钛合金加工方法,降低钛合金材料价格,以促进钛合金在农业机械轻量化设计中的应用。
2.4 复合材料在农业机械轻量化设计中的应用
随着3D打印技术、人工智能技术的发展,复合材料种类越来越多。顾名思义,复合材料就是由2种或2种以上不同材料组合而成的材料。由于复合材料的结构密度高、老化程度较小,因而具有良好的保温、防水和隔热性,在机械制造领域具有广泛的应用空间。例如,复合材料具有特殊的振动阻尼特性,其变形后易于修理。农业机械轻量化设计在考虑减轻质量的基础上,还要考虑行驶安全的要求,而复合材料可以满足农业机械轻量化设计的整体需求。例如,某农业机械厂针对玉米秸秆粉碎机自身重的缺陷,将玉米秸秆粉碎机保险杠由钢结构转化为木塑复合材料。同时,为了保证玉米秸秆粉碎机的强度、低速碰撞性能等,对保险杠的角度参数进行调整优化;轻量化玉米粉碎机相比于传统钢材粉碎机质量减轻25 kg,质量减轻率达10.2%,而且整车的安全系数得到大幅提升。当然,使用复合材料时需要考虑不同材质元件的接头问题。因此,今后在农业机械轻量化设计中需要关注复合材料的兼容性问题。
3 促进新材料在农业机械设计中应用的对策
3.1 完善农业机械装备制造扶持政策,提升科研能力
为促进新材料在农业机械轻量化设计中的应用,国家应出台完善的扶持政策,对于从事农业机械轻量化研发的企业给予技术、资金及土地等方面的支持,鼓励企业参与农业机械轻量化研发工作,并鼓励企业自身加大科技创新投入力度,以此增强我国农业机械轻量化的研发能力,从而提升我国农业机械制造能力和水平[6]。
3.2 大力发展人工智能、数字控制等技术
农业机械轻量化设计离不开人工智能、数字自动化控制及材料成型等技术的支持。因此,要大力发展人工智能、数字控制等技术,依托数字自动控制系统实现农业机械整体制造材料的智能化测算与设计,促进农业机械智能化发展,以此在降低农业机械自重的基础上满足农业生产需求。一方面,我国要鼓励农业机械生产企业主动参与国际市场竞争,通过市场竞争了解农业机械轻量化设计前沿科技;另一方面,农业机械研发部门要加大科技研发力度,尤其是加强对农业机械轻量化设计核心技术的研发。例如,针对当前“芯片荒”所导致的农业机械轻量化设计受阻的问题,我国要鼓励科研部门增强芯片的研发能力,以此助力农业机械轻量化设计。
3.3 加强人才队伍建设,提高轻量化新材料性能
新材料在农业机械轻量化设计中发挥着重要作用。一方面,我国要加强农业机械装备制造领域人才队伍建设,培养高素质、实用型装备制造技术人才。农业机械研发部门要与高等院校加强沟通与合作,深入开展产教融合,结合农业机械生产企业岗位需求加强人才培养,提升农业机械研发人才的创新能力与质量控制意识。另一方面,要加强新材料的研发力度。新材料是农业机械轻量化设计的关键。为促进农业机械轻量化设计,农业机械研发部门要加大对轻量化新材料的研发力度,提升新材料使用性能。例如,基于3D打印技术的发展,我国要大力推进复合材料在农业机械轻量化设计中的应用,以此达到生态效益和经济效益双提升目的。
4 结语
加快推进农业机械轻量化设计是提升我国农业机械装备制造能力的关键举措,是促进智慧农业发展的内在要求。因此,我国要基于人工智能、数字化自动控制及3D打印等技术,大力促进新材料在农业机械轻量化设计中的应用,提高我国农业机械制造水平,从而提升我国农业机械化发展水平。
参考文献:
[1]姚远.新材料在机械制造领域的应用及影响分析[J].河南科技,2021(9):54-56.
[2]才胜,罗颖辉,李青林.农业机械轻量化技术研究现状与发展趋势[J].机械工程学报,2021(17):35-44.
[3]李剑云,王芬芬.金属材料在机械设计中的选择与应用[J].中国设备工程,2020(14):188-189.
[4]蒋兴平.新型复合材料在机械工程中的使用研究[J].内燃机与配件,2019(9):185-186.
[5]苏丽旭,刘莉滋,何湧.新材料在农机轻量化的应用研究[J].南方农机,2021(17):10-12.
[6]孙乐维.金属材料在机械设计中的选择与应用[J].广西农业机械化,2020(1):20.