基于DFMA理念的甘蔗收獲機輸送裝置研發應用實踐

蒙德鈞，曾伯勝，莫建霖，黃偉鳳，楊子增

（廣西農業機械研究院有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引言

廣西農業機械研究院有限公司數十年來一直堅持甘蔗收獲機研發和制造[1-4]，近幾年，隨著國內多家企業涉足到這一領域，市場競爭日趨激烈[5]，從而對甘蔗收獲機研發提出了更高的要求。輸送裝置是甘蔗收獲機的重要部件，在設計理論上，李俚等[6]建立了通道內甘蔗體積流和質量流的動態模型，周璇等[7]提出一種新型浮動式通道，傅隆正等[8]通過建立虛擬樣機并利用Admas 仿真分析，均能為輸送裝置設計提供參考依據。

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現行傳統產品開發模式設計和產品制造是2 個相互獨立、順序執行的過程，又稱“扔過墻式”設計[9]。在該模式下，設計與制造、裝配環節脫節，設計出來的樣機零部件的可制造性和可裝配性容易存在各種問題，需要反復修改才能裝配成功，造成研發項目時間延誤。由于甘蔗生長周期的特殊性，錯過了榨季，只能再等一年，造成很大損失[10]。受開發模式的制約，輸送裝置也不可避免的存在上述問題。并行工程是解決好產品的TQCS（Time,Quality,Cost,Service）難題的方法之一，DFMA 是并行工程的最關鍵技術[11]。李強、李麗[12]、楊化動[13]將DFMA 歸類于設計方法學范疇。40 多年來，DFMA得到了廣泛應用：航空工業[14-15]、無人機[16]、角度磨床[17]、通風裝置[18]、膠輥礱谷機[19]、定制家具[20]、收獲機[21]等，取得理想的效果。

本文以有嚴格的成本、進度、輕量化要求的某型新一代切段式甘蔗收獲機研發為契機，以輸送裝置為研究對象，闡述DFMA 實施的方法步驟，以期為后續甘蔗收獲機的研發提供啟發和借鑒。

1 輸送裝置及傳統設計方案簡介

1.1 輸送裝置功能與結構概況

輸送裝置是甘蔗收獲機的重要部件之一，位于根切器與除雜裝置之間。甘蔗收獲機作業時，切稍器將甘蔗稍部切掉，喂入裝置將甘蔗壓倒一定角度由根切器將甘蔗根部切斷并喂入收獲機，由輸送裝置將整桿的甘蔗穩定輸送，并由切段裝置將整桿的甘蔗切斷，經風機除雜后收集轉運，完成收獲過程。

輸送裝置在甘蔗收割過程中作用是：將砍倒的甘蔗從下部切割刀盤處輸送到上部的切斷部件處切斷，起承上啟下作用，是不可或缺的重要部件。輸送裝置輸送輥布置如圖1 所示。由上部7 組浮動輥組、下部7 組固定輥組組成。在固定輸送輥組基礎上增加浮動機構則成為浮動輥組。浮動輥可以隨甘蔗喂入量上下浮動，起導向和夾持作用，有效避免甘蔗回流。

圖1 輸送裝置輥組布置

輸送輥組的主要部件包括輥體、液壓馬達、調心軸承、軸承座等，如圖2 所示。

圖2 輸送輥組基本結構示意圖

輸送裝置總成中輥組零部件及外購件較多，生產制作成本及自身的質量均占相當大的比重，因此應用DFMA 對該總成進行方案設計及生產成本評估非常有意義。

1.2 輸送裝置傳統設計方案

后輸送裝置下部輥組傳動結構如圖6 所示，其工作原理為：液壓馬達工作，通過裝在馬達軸端的外花鍵驅動傳動輥組上的內花鍵，將動力傳遞到傳動輥組。后者經過裝在傳動輥組上的鏈輪、傳動鏈，分別將動力傳給輸送輥組Ⅰ和輸送輥組Ⅲ；輸送輥組Ⅰ同樣通過鏈輪、傳動鏈，帶動輸送輥組Ⅱ。同樣實現了1套液壓馬達，帶動了4個輸送輥組工作的目的。

第一、二軸定位軸承座焊合件在車床上車合定位止口，考慮工件為焊接件，尺寸較大，為防止焊接變形，軸承內孔采用焊后加工的工藝，先粗車、半精車至所裝配軸承外徑留雙邊2 mm 余量。

2 在產品開發中應用DFMA技術的流程及步驟

2.1 DFMA設計開發流程

基于DFMA 的產品設計開發流程如圖3 所示。

取灰渣粒度100目，溫度20℃，染液的pH值為7.0，按1.3試驗方法對染液進行處理。改變灰渣投放量，測定其脫色率。實驗結果見圖1。

圖3 面向制造和裝配的產品開發流程

2.2 工作步驟

采用上述措施施焊的焊接件焊后還帶有殘余應力，要求經過充分消除內應力，才允許上自帶回轉工作臺的T6113 鏜床加工，實現一次裝夾，通過回轉工作臺加工兩側的軸承孔，保證相應孔的尺寸精度及同軸度和位置度要求。

2）DFA 分析。這一階段主要是參考Boothroyd等提出的DFA 3 個判定零件是否必需的準則[9]：①操作過程中，零件是否與裝配好的零件有相對運動？②能否需要更換材料？③零件能否方便拆裝？DFA初衷是通過減少零件數量，達到簡化裝配步驟，裝配操作簡單化的目的。實際運用中，零件減少帶來了制造、裝配等下游環節成本降低的積極效果，從而推動裝配再設計的進行。因此DFA 通常被認為是產品DFM 成功的關鍵[22]。

當下，我國電視媒體與新媒體的融合路徑還處于初級的探索階段，其中的探索仍然停留在單一的傳統媒體傳播平臺上，融合發展還存在很多問題。

The sound field in the fiow duct is governed by the convective Helmholtz equation,as below:

流域生態系統是“山水林田湖草”的生命共同體。同一個流域是由降水量和地表徑流把流域內山水林田湖草各部分聯系在一起，其中濕地，特別是河流的水資源、水生態、水環境和水災害集中反映了山水林田湖草各部分之間發生聯系的過程。這一過程決定了流域生態系統和各子系統的結構與功能。流域生態系統的食物網中最重要和最敏感的是水生生物，特別是魚類。評估與維持長江流域生態系統健康重要標志是水生生物，特別是魚類多樣性。

2.3 運用DFMA優化總體方案

遵循DFA 分析流程和裝配設計指南[11]，重點優化內容包括：簡化設計，減少零件數量；減少緊固件的數量和類型；零件標準化；模塊化產品設計等。

其中，簡化產品設計原則，又被稱為KISS（Keep It Simple,Stupid-KISS）原則，是DFMA 中最重要的一條設計原則和設計思想，幾乎貫穿于DFMA 的每一條設計指南中[11]。由于減少零件數量，直接減少設計、制造、儲存、檢驗等環節成本支出，從而實現成本降低。

對結構質量大的重要部件如輥筒進行DFA 指數（又稱為裝配效率）的分析核算，裝配效率低的需經過重新設計。輥筒裝配（人工裝配形式）計算如表1所示。

通過DFM 分析，采用輸送裝置分為前、后兩段分別制造的方案，滿足可制造性要求。

整個優化過程是：DFA→DFM→評估→再設計的多次循環與迭代。

2.4 重要部件DFA指數分析核算

經過上述分析得到：采用1 套液壓馬達帶動多組輸送輥的優化方案。

表1 輥筒裝配初始方案的DFA指數計算

表1 中裝配時間按表格數值選取計算。原設計輥筒軸采用傳統的平、彈簧墊圈加螺栓緊固的方式，DFA 指數為4.56%，裝配效率較低。再設計后，采用4 個止動墊圈替代了原方案8 個平墊圈和8 個彈簧墊圈，如圖4 所示，零件數量減少了45%，裝配效率提高了約49%，如表2 所示?？紤]到輥筒的裝拆維護性，在可接受范圍內。

圖4 DFA 前后方案對比

表2 輥筒裝配再設計后的DFA指數計算

經分析優化后，輸送裝置分為前輸送裝置、后輸送裝置。前輸送裝置上部設有3 個浮動輥組和3個下部輥組，后輸送裝置則設有4 個浮動輥組和4個下部輥組。前、后輸送裝置上、下部傳動方式相同，前、后輸送裝置各采用1 套液壓馬達驅動，達到簡化設計的效果。

后輸送裝置上部浮動輥組傳動結構如圖5 所示，其工作原理為：液壓馬達工作，通過裝在馬達軸上的驅動齒輪組，將動力傳遞到傳動軸Ⅰ上，此時，動力分成2 路輸出，一路通過傳動齒輪組傳至浮動輥組Ⅰ；另一路通過傳動鏈組Ⅰ，將動力傳遞到傳動軸Ⅱ，經傳動齒輪組動力傳至浮動輥組Ⅲ；動力通過傳動軸Ⅱ再次分為2 路，一路通過傳動齒輪組傳至浮動輥組Ⅱ，另一路通過傳動鏈組Ⅱ，將動力傳遞到傳動軸Ⅲ，由傳動齒輪組將動力傳遞到浮動輥組Ⅳ。實現了1 套液壓馬達，帶動了4 個浮動輥組工作的目的。

圖5 后輸送裝置上部浮動輥組傳動示意圖

傳統設計方案是每個輥組配一個2K 系列液壓馬達驅動，優點是結構簡單，獨立驅動。缺點是質量太大，單個馬達質量為12.68 kg，14 個輥組為177.52 kg，所配套的馬達支座、軸承座質量較大，且必須安裝在輥體內部，拆裝不便。按此方案布置，難以達到減重的效果，必須另辟蹊徑。

圖6 后輸送裝置下部傳動示意圖

2.5 DFM方面側重立足現有設備，規劃最優工藝

前、后輸送裝置中的各種零部件分別由前、后輸送裝置框架提供定位與支撐，前、后輸送裝置框架按DFM 方式進行焊裝設計，前、后輸送裝置框架形式相同。后輸送裝置框架焊合件如圖7 所示。

圖7 后輸送裝置框架焊合件

左、右側板焊合上部通過第一、二軸定位軸承座焊合定位后焊接，下部用框架支撐桿、螺母、快換墊圈聯接，從而形成一個框架。其中第一、二軸定位軸承座焊合件（圖8）兩端設計成軸承座，外圓帶定位止口，一個零件實現軸承收納、側板定位功能，達到減少零件，簡化產品結構功能的目的?？蚣苤螚U、螺母、快換墊圈在總裝配后拆除，回收使用，降低了成本，這類設計是KISS 原則在DFMA上的具體應用。

焊接順序設計：先焊收縮量大的焊縫[24]，后焊收縮量小的焊縫。同時存在橫向焊縫和縱向焊縫時，應先焊橫向焊縫，后焊縱向焊縫（在鋼結構上，對接焊縫的橫向收縮量比縱向收縮量大[25]）。

四方竹是我國目前最具開發前景的珍稀竹種之一[1]。適生于年平均溫度12～20 ℃、絕對低溫不低于零下-9 ℃、年降雨量1 800 mm以上的長江以南大部地區。在產地海拔800 m以下均有自然分布，尤以海拔200～600 m生長最好。喜土質疏松肥厚、排水良好的沙壤土，低丘及平原均可栽培。四方竹筍味美、價高，鮮筍帶殼售價達30 元/kg以上，年產值可達1.0萬元/667 m2以上，開發利用四方竹筍市場前景廣闊。此外，因稈形獨特，人稱“竹中君子”，為觀賞竹中的精品；方形竹稈可加工成手杖、煙斗等工藝品。因此，研究四方竹豐產林培育及加工利用技術對于林農的增產增收具有十分重要的實際意義[2]。

焊接總體設計原則：最大程度地減少焊接變形。采用了電弧穩定、熱量集中、焊接熱輸入小[23]的CO2氣體保護焊，并嚴格控制焊接規范。焊接采用以小拼大的焊接結構原則進行設計。左側板焊合、右側板焊合先行焊接；與第一、二軸定位軸承座焊合裝配后焊接成整體結構。

圖8 第一、二軸定位軸承座焊合件

加工工藝規劃：側板外形、軸承座安裝孔、螺栓孔、圓弧槽口等用激光切割機加工。

在現場測定增壓后樣品氣烴露點的同時，采用1 L鋼瓶取增壓后的樣品，在實驗室分析其組成，然后通過組成數據，采用SRK狀態方程預測天然氣的相包絡線，并與直接測定烴露點結果繪制相包絡線比較，見圖2和圖3。

1）建立由結構、制造、裝配工程師等專業人員組成的并行研發團隊，以推進工作進行。

2.6 結構優化結果

經DFMA 優化后的輸送裝置如圖9 所示。分為前輸送裝置和后輸送裝置；液壓馬達數量由7 個簡化為4 個，質量大幅下降，用常規的鏈傳動取代了40%原采用液壓馬達配套的內、外花鍵結構，可制造性、可維護性大幅提高。

圖9 優化后輸送裝置示意圖

3 實際應用效果

通過DFMA 規劃后的設計，要求制造商嚴格按上述工藝流程生產制作，樣機零件順利生產，并一次裝機合格,及時投入當年榨季使用，效果理想。輸送裝置按照傳統方案設計與經DFMA 優化設計后方案的效果對比如表3 所示。

表3 優化設計效果對比

由表3 可見，運用DFMA 優化后，輸送裝置總成的質量減輕102 kg，減輕幅度達12.21%，超出了預期期望值，設計制造周期縮短5%，生產成本降低5.38%。

該型甘蔗收獲機試制期間，輸送裝置在車間裝配過程中的情況如圖10 所示。該型甘蔗收獲機在來賓蔗區收獲作業如圖11 所示。

圖10 輸送裝置在車間裝配過程中

圖11 該型收獲機在來賓蔗區收獲作業

本項目生產成本下降5.38%，跟國外文獻的數據相比有較大差距[9]，主要原因有：①工程技術人員初次嘗試用DFMA 方法解決甘蔗收獲機設計問題，屬于實踐探索階段；②國外基本采用能快速分析和估算各種工藝過程的成本成熟可靠的DFMA 軟件，而我們設計團隊僅能進行人工方式進行DFMA，優化程度與工程技術人員的水平相關；③對零件的簡化不夠徹底,優化力度及迭代力度不夠。這三項還有很大的改進潛力，如增加迭代次數、引進《面向制造和裝配的設計檢查表》[11]等有效措施，以提高優化效果。

4 結論

1）甘蔗收獲機輸送裝置研發過程中，通過引用DFMA 設計理念，在設計階段對設計方案進行DFA 和DFM 分析，消除產品的可制造性和可裝配性各種隱患，實現了小批量生產的一次裝機合格的效果，探索和印證了DFMA 在甘蔗收獲機輸送裝置設計上的可行性，由于新產品樣機試制階段一般僅生產1～2 臺，生產成本很高，“第一次就把事情做對”理念更彰顯出DFMA 獨到的優越性和重要性。

丁柔走了之后，周橋就抱怨：“以前我一窮二白的時候嫌我沒斗志分得干脆，現在有事業有人脈就回頭找我幫忙了，什么世道嘛？”周橋的言語之間竟有一絲嫌惡。

3.穩步推進農村“三變”改革。試點村資源變資產、資金變股金、農民變股東的“三變”改革和農業項目財政補助資金股權化改革等系列農業農村改革，讓農民持續穩定增收。

2）具體方法上以DFMA 理念中KISS 為基本原則，DFA 指數為衡量工具核算裝配效率及工藝優化，進行多次“設計-修改-再設計”迭代過程，最終采用一個液壓馬達驅動多個輥組的方案，實現了液壓馬達數量減少40%，輸送裝置質量減輕12.21%，生產成本降低5.38%，設計周期縮短5%的效果。