农业机械中设施栽培机械的创新设计

农业机械中设施栽培机械的创新设计

陈勇

黑龙江省农业机械工程科学研究院牡丹江分院   黑龙江省牡丹江市   157000

摘要：随着现代农业的快速发展，设施栽培机械在农业生产中的应用越来越广泛。这些机械不仅提高了生产效率，还减轻了农民的劳动强度。然而，随着技术的不断进步和农业生产环境的变化，传统的设施栽培机械已难以满足现代农业的需求。因此，创新设计成为了提升设施栽培机械性能的关键。本文探讨了设施栽培机械设计中的关键问题，并提出了相应的创新策略，为现代农业机械的研发提供参考。

关键词：农业机械；设施栽培机械；创新设计；策略

引言：

在现代农业的发展过程中，设施栽培机械扮演了极为关键的角色。这些机械不仅帮助农民实现了高效、精准的农业生产，还推动了农业技术的不断进步。然而，随着农业生产环境的变化和农民需求的多样化，传统的设施栽培机械逐渐暴露出一些问题，如功能单一、适应性差等。因此，创新设计成为了提升设施栽培机械性能、满足现代农业需求的重要途径。本文将深入探讨设施栽培机械设计中的关键问题，并提出针对性的创新策略，以期推动现代农业机械的持续发展。

1.农业机械中设施栽培机械设计需要注意的问题

1.1功能多样性

传统的设施栽培机械通常只具备单一的功能，例如仅限于播种、施肥或灌溉等，缺乏一体化的多功能设计。随着农业生产需求的日益多样化，现代农业中的作物种类和种植环境呈现出显著的差异化特征，传统的机械设计难以适应这些变化。为应对这一挑战，设施栽培机械需要在设计时考虑更多的功能集成。例如，一台机械不仅要具备基本的播种和施肥功能，还应能够灵活调整并支持不同作物的特殊需求，甚至在某些情况下需要具备智能识别与自动化调节的能力。这种功能的集成不仅能够提升生产效率，减少机械更换频率，同时也能够有效降低农民的工作强度和使用成本。

1.2 环境适应性

设施栽培机械的使用环境是多变的，这些环境包括温室、冷棚、大棚等多种形式的农业设施。每种环境对机械的要求各不相同，如何在不同环境下保证机械的稳定运行成为设计中的一个重要问题。对于温室环境而言，由于空间相对狭小，机械的体积和灵活性必须满足高效作业的需求。而在大棚中，由于环境条件的变化较大，设备需要具备更强的适应能力和耐用性，以应对高温、湿气、风力等多方面的影响。此外，设施栽培机械还需要具备一定的抗压性能，以应对高密度作业下对机械的物理压力[1]。

1.3 操作便捷性

尽管现代设施栽培机械在功能和性能方面有了显著的提升，但操作的复杂性仍然是许多农民使用这些机械时遇到的一个难题。当前的设施栽培机械大多存在操作繁琐、界面复杂等问题，特别是在一些技术较为落后的地区，农民对新型机械的接受度和适应性较低。为了提高机械的普及度和使用效率，设计应注重操作的简便性和直观性，力求减少农民在使用过程中的学习成本和适应时间。通过优化控制系统界面、增加智能化提示功能、设计易于操作的机械部件，能够有效降低操作难度，提升工作效率。

2.农业机械中设施栽培机械设计的创新策略

2.1引入智能化技术

设施栽培机械的智能化升级已成为现代农业发展的必然趋势。智能技术的引入不仅能提升机械作业的精准度，更能实现农业生产全过程的数字化管理。环境感知系统在设施栽培机械中的应用需要配备多维度传感器网络，可以通过温湿度传感器、光照传感器和CO2浓度传感器等组成的物联网系统，对栽培环境进行实时监测。这些传感器采集的数据可以通过边缘计算单元进行初步处理，实现毫秒级的响应速度，使设施栽培机械能够根据环境变化及时调整工作参数。研究数据表明，采用智能传感系统的设施栽培机械可以将环境控制精度提高至±0.5℃和±3%RH。另外，人工智能算法的植入需要通过深度学习模型来优化机械的决策系统。可以利用卷积神经网络（CNN）对作物生长状态进行图像识别和分析，结合生长模型数据库，为不同生长阶段的作物提供个性化的栽培方案。再有，远程控制系统的构建需要采用5G通信技术，可以实现设施栽培机械的远程操控和实时监测。通过建立农业物联网平台，农民能够通过移动终端随时查看和调整机械的工作状态，系统还可以自动生成运行报告和预警信息[2]。这种智能化管理模式需要配备云计算平台，用于存储和分析海量农业生产数据。与此同时，智能化技术的集成应用需要建立完整的数字孪生系统，可以通过虚拟仿真技术对设施栽培机械的运行状态进行建模和预测。这种技术能够帮助操作者提前发现潜在问题，优化作业路径，提高生产效率。

2.2 增强机械多功能性

设施栽培机械的多功能化设计是提升农业生产效率的重要手段。通过整合各类作业功能，不仅能降低农民的设备投入成本，还能实现生产流程的一体化管理。

模块化设计理念需要基于标准化接口规范，可以采用快速更换装置实现不同功能模块的灵活组合。这种设计方案需要考虑模块之间的兼容性和连接可靠性，通过统一的动力输出接口和控制信号接口，确保各功能模块能够无缝衔接。实验数据显示，采用标准化模块设计可以将设备更换时间缩短至3-5分钟。另外，复合作业系统的开发需要整合播种、施肥、灌溉等多个作业环节，可以通过设计多层次作业机构，实现同步作业能力。这种系统需要配备智能调节装置，能够根据不同作物的生长特性自动调整作业参数，确保各项作业质量达到最优状态。再有，动力系统的优化设计需要采用变频调速技术，可以根据不同作业要求灵活调节输出功率。通过配备多路液压系统，能够为不同功能模块提供独立的动力输出，避免功能之间的相互干扰。

2.3 提升机械适应性和耐用性

设施栽培机械在不同环境下的稳定运行是保证农业生产效率的基础。提升机械的适应性和耐用性需要从材料、结构和功能等多个层面进行创新设计。新型材料应用需要选择具有优异性能的工程材料，可以采用纳米涂层技术提升设备的防腐蚀能力。关键部件可以使用碳纤维复合材料，在保证强度的同时降低重量，提高设备的机动性。测试数据表明，采用纳米涂层处理的金属部件耐腐蚀性能提升了200%，使用寿命延长至传统材料的2.5倍。另外，结构优化设计需要采用有限元分析技术，可以通过应力分布优化来提升零部件的使用寿命。机械传动系统需要采用密封设计，防止粉尘和水分进入，延长轴承和齿轮的使用寿命。此外，还需要设计防震减噪装置，降低振动对设备的影响[3]。再有，维护保养系统的创新需要建立预测性维护机制，可以通过设置磨损检测点和润滑油检测装置，及时发现潜在故障。系统需要配备自动化保养装置，能够在设定时间自动完成润滑和清洁工作，减少人工维护的工作量。与此同时，环境适应性增强需要设计可调节的底盘系统，可以根据不同地形条件自动调整行走高度和轮距。通过配备自适应悬挂系统，能够提升设备在复杂地形下的稳定性。最后，防护系统设计需要考虑极端天气条件的影响，可以通过增加防护罩和密封装置，提升设备的环境适应能力。关键电子元件需要采用防水防尘设计，并配备温度控制系统，确保在高温高湿环境下稳定运行。

结语：

设施栽培机械的创新设计是提升现代农业生产效率和质量的关键。通过引入智能化技术、增强机械多功能性、提升机械适应性和耐用性，可以推动设施栽培机械的性能提升和广泛应用。展望未来，随着农业技术的不断进步和农民需求的多样化，设施栽培机械的创新设计将继续成为农业机械研发的重要方向。

参考文献：

[1]周赵凤, 邵威, 邱祁, 金程辉. 阳台农业立体栽培机控制器的设计[J]. 安徽农业科学,2019,47(09):189-193.

[2]王明辉. 设施栽培营养液自动调控系统设计与研究[D].西北农林科技大学, 2021，8(10):36-40.

[3]王莉. 设施农业技术发展方向与问题分析[J].农业开发与装备,2015, 33(11):93.