“中國農(nóng)業(yè)大學2024年農(nóng)業(yè)工程農(nóng)業(yè)設(shè)備設(shè)計試題及答案”考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述農(nóng)業(yè)設(shè)備設(shè)計中，選擇材料時需要考慮的主要因素及其相互關(guān)系。2.解釋什么是機械疲勞，并簡述提高農(nóng)業(yè)機械零件疲勞強度的常用設(shè)計措施。3.簡述液壓傳動系統(tǒng)與機械傳動、電氣傳動相比，在農(nóng)業(yè)設(shè)備中應(yīng)用的主要優(yōu)缺點。4.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境（如粉塵、濕度、腐蝕性）對農(nóng)業(yè)設(shè)備的設(shè)計有哪些特殊要求？5.什么是農(nóng)業(yè)設(shè)備的標準化？實施農(nóng)業(yè)設(shè)備標準化的意義是什么？二、計算題（每題10分，共40分）1.某農(nóng)業(yè)機械傳動軸傳遞功率P=25kW，轉(zhuǎn)速n=1500rpm，采用45號鋼制造，軸徑d=40mm。試估算該軸的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，并判斷是否需要校核其疲勞強度（提示：可大致判斷應(yīng)力水平，無需完整疲勞計算）。2.一臺農(nóng)用液壓挖掘機，其液壓缸活塞直徑D=100mm，活塞桿直徑d=50mm，工作壓力p=20MPa。試計算液壓缸能產(chǎn)生的推力F和拉力（活塞桿受壓）F'。3.某谷物聯(lián)合收割機脫粒滾筒直徑D=800mm，長度L=1200mm，轉(zhuǎn)速n=600rpm，滾筒表面有釘齒。假設(shè)脫粒所需功率P=15kW，試計算脫粒滾筒所需的驅(qū)動力矩T（忽略傳動效率）。4.設(shè)計一簡單農(nóng)業(yè)機械的傳動系統(tǒng)，需要將電動機輸出的轉(zhuǎn)速從1500rpm降低到300rpm。現(xiàn)有兩種傳動方式：①帶傳動；②齒輪傳動。請簡述這兩種傳動方式在該應(yīng)用場景下的特點、適用性及主要考慮因素。三、分析題（每題15分，共30分）1.分析影響農(nóng)業(yè)機械可靠性的主要因素，并提出至少三種提高農(nóng)業(yè)機械可靠性的設(shè)計或制造方面的措施。2.選擇一種你熟悉的農(nóng)業(yè)設(shè)備（如播種機、插秧機、小型拖拉機等），分析其為實現(xiàn)特定功能（如開溝、覆土、鎮(zhèn)壓、播種/插秧等）所采用的主要工作原理和關(guān)鍵部件設(shè)計。說明其設(shè)計上如何考慮人機交互或適應(yīng)性。四、設(shè)計題（25分）某農(nóng)場需要一種簡易的農(nóng)產(chǎn)品（如水果、蔬菜）搬運設(shè)備，用于將地面上的產(chǎn)品提升到運輸車或臨時堆放處。要求搬運高度約1.5米，單次搬運量約10公斤，工作場地可能有一定坡度，操作應(yīng)盡可能省力。請簡述該設(shè)備可能的幾種設(shè)計方案（如斜面、杠桿、簡單液壓裝置等），并比較其優(yōu)缺點，說明你傾向于哪種方案并簡述理由。試卷答案一、簡答題1.解析思路：考察材料選擇的基本原則。需要從力學性能（強度、剛度、韌性）、物理性能（密度、熱膨脹系數(shù)）、化學性能（耐腐蝕性、耐疲勞性）、加工工藝性（鑄造、鍛造、焊接、切削加工性）和經(jīng)濟性等多個維度回答，并強調(diào)這些因素在農(nóng)業(yè)設(shè)備設(shè)計中需要根據(jù)具體應(yīng)用場景進行權(quán)衡。答案：農(nóng)業(yè)設(shè)備設(shè)計中選擇材料需考慮：①力學性能，如強度、剛度、韌性，以滿足承載和抵抗變形、斷裂的要求；②物理性能，如密度（輕量化）、熱膨脹系數(shù)（尺寸穩(wěn)定性）；③化學性能，如耐腐蝕性（適應(yīng)田間環(huán)境）、耐磨損性；④加工工藝性，如鑄造性、焊接性、切削加工性，以方便制造；⑤經(jīng)濟性，考慮材料成本和加工成本。選擇時需根據(jù)設(shè)備具體工作部件、受力狀況、工作環(huán)境及成本要求綜合權(quán)衡。2.解析思路：考察機械疲勞的基本概念及預(yù)防措施。首先要定義機械疲勞，然后重點闡述提高疲勞強度的措施，可以從材料選擇（選用高疲勞極限材料）、結(jié)構(gòu)設(shè)計（避免應(yīng)力集中是關(guān)鍵，如采用圓角、加大過渡直徑、卸載槽等）、表面處理（如表面淬火、噴丸、滾壓等提高表面強度和殘余壓應(yīng)力）和制造工藝等方面回答。答案：機械疲勞是指材料在循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變作用下，在應(yīng)力低于其拉伸強度的情況下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。提高農(nóng)業(yè)機械零件疲勞強度的措施包括：①選用高疲勞極限和良好韌性材料；②避免或減緩應(yīng)力集中，如設(shè)計合理的圓角、避免缺口、采用等強度設(shè)計；③進行表面強化處理，如表面淬火、高頻淬火、噴丸、滾壓等，以提高表面強度和產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；④提高制造精度和表面光潔度，減少表面微觀缺陷；⑤合理安排零件的工作順序和載荷譜。3.解析思路：考察液壓傳動的優(yōu)缺點。優(yōu)點要突出其平穩(wěn)性、無級調(diào)速、易于實現(xiàn)自動控制、功率密度大（單位體積傳遞功率大）、布局靈活等。缺點要指出其傳動效率相對較低（有能量損失）、成本較高（元件復(fù)雜）、對油液清潔度要求高、工作環(huán)境溫度影響較大、存在泄漏風險等。結(jié)合農(nóng)業(yè)設(shè)備的應(yīng)用場景（如重載、野外作業(yè)）進行分析。答案：液壓傳動在農(nóng)業(yè)設(shè)備中應(yīng)用的優(yōu)勢：①傳動平穩(wěn)，無沖擊；②可實現(xiàn)無級調(diào)速；③易于實現(xiàn)自動控制、過載保護；④功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊；⑤布局靈活，易于實現(xiàn)多執(zhí)行器協(xié)調(diào)動作。缺點：①傳動效率低于機械傳動和電氣傳動；②系統(tǒng)成本較高，元件制造和維護要求高；③對油液清潔度、工作溫度要求較高，易受污染和溫度影響；④存在泄漏問題，可能污染環(huán)境；⑤噪音可能較大。4.解析思路：考察農(nóng)業(yè)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計。需要具體分析粉塵（影響散熱、磨損、堵塞、絕緣）、濕度（腐蝕、短路、材料變形）、腐蝕性（化學腐蝕、電化學腐蝕）等對設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料、潤滑、電氣系統(tǒng)、防護等級等方面的具體影響，并提出相應(yīng)的設(shè)計要求（如密封、防銹、選用耐腐蝕材料、提高潤滑脂性能、選用防水絕緣材料、提高防護等級IP等級等）。答案：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境對設(shè)備設(shè)計的要求：①粉塵：易導(dǎo)致零件磨損、散熱不良、運動部件卡死、潤滑失效、電氣元件短路或絕緣下降，設(shè)計需考慮良好的密封（防塵罩）、選用耐磨材料、強制潤滑、定期清潔、提高電氣設(shè)備防護等級；②濕度：高濕度會加速金屬腐蝕、導(dǎo)致非金屬材料吸濕變形、降低電氣絕緣性能，設(shè)計需考慮選用耐腐蝕材料、表面處理（如鍍層、噴塑）、密封防潮、選用防水電氣元件、提高絕緣等級；③腐蝕性：田間土壤、作物、化學藥劑等具有腐蝕性，會加速金屬零件的化學腐蝕和電化學腐蝕，設(shè)計需選用耐腐蝕材料（如不銹鋼、鋁合金、工程塑料）、采取防腐涂層、設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)以防積液、必要時進行密封。5.解析思路：考察標準化的概念和意義。首先要定義農(nóng)業(yè)設(shè)備標準化，即對設(shè)備的技術(shù)要求、規(guī)格、方法等所作的統(tǒng)一規(guī)定，并按規(guī)定執(zhí)行。然后從提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、便于維修更換、促進技術(shù)交流與協(xié)作、提高互換性、保障安全與衛(wèi)生等方面闡述其意義。答案：農(nóng)業(yè)設(shè)備標準化是指對農(nóng)業(yè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸、性能參數(shù)、試驗方法、檢驗規(guī)則以及安全衛(wèi)生要求等所作的統(tǒng)一規(guī)定，并按這些規(guī)定進行生產(chǎn)和檢驗的過程。實施標準化的意義在于：①提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性與可靠性；②實現(xiàn)批量生產(chǎn)，降低制造成本和流通成本；③便于設(shè)備的安裝、使用、維修和零部件的互換與更換；④促進不同企業(yè)間的技術(shù)交流、協(xié)作和生產(chǎn)效率；⑤統(tǒng)一技術(shù)要求，保障操作人員和環(huán)境的安全與健康；⑥有利于技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級。二、計算題1.解析思路：計算扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ=T/(π*d3/16)，其中扭矩T=9550*P/n(P單位kW,n單位rpm)。將P=25kW,n=1500rpm代入計算得到T，再代入d=40mm計算τ。根據(jù)τ的數(shù)值，結(jié)合45號鋼的剪切強度極限τs（約60-80MPa），可大致判斷是否需要校核疲勞。答案：扭矩T=9550*P/n=9550*25/1500N·m=159.17N·m。扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ=T/(π*d3/16)=159.17*16/(π*403*10??)Pa≈31.84MPa。45號鋼的剪切強度極限τs約為60-80MPa。計算得到的τ(約31.84MPa)遠小于τs的下限，表明該軸在純扭矩作用下強度足夠。但實際工作中有彎曲應(yīng)力等，且農(nóng)業(yè)設(shè)備工況多變，疲勞是主要失效模式，因此需要校核其疲勞強度。2.解析思路：液壓缸推力F=A*p=π*D2/4*p，拉力F'=A'*p=(π*D2/4-π*d2/4)*p=π*(D2-d2)/4*p。答案：液壓缸有效面積A=π*D2/4=π*(100mm)2/4=7854mm2。液壓缸推力F=A*p=7854mm2*20MPa=157080N=157.08kN?；钊麠U橫截面積A'=π*(d2/4)=π*(50mm)2/4=1963.5mm2。液壓缸拉力F'=A'*p=1963.5mm2*20MPa=39270N=39.27kN。3.解析思路：脫粒滾筒驅(qū)動力矩T=P*9550/n。注意單位統(tǒng)一，P=15kW=15000W，n=600rpm。答案：脫粒滾筒驅(qū)動力矩T=P*9550/n=15000W*9550rpm/kW·rpm/600rpm=238750000W·rpm/600rpm≈398125N·mm=398.125N·m。4.解析思路：分析帶傳動和齒輪傳動的特點。帶傳動優(yōu)點是緩沖吸振、過載保護、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低；缺點是傳動效率較低、有滑動（速度比不準確）、不能用于垂直傳動、對中心距敏感。齒輪傳動優(yōu)點是傳動效率高、傳動比準確、功率密度大、可實現(xiàn)平行軸、交叉軸甚至垂直軸傳動、結(jié)構(gòu)緊湊；缺點是制造和安裝精度要求高、成本較高、無過載保護（需另加）、噪音可能較大。結(jié)合題目要求減速比（5:1）和農(nóng)業(yè)場景，分析各自適用性。斜齒輪可傳遞較大功率且較平穩(wěn)。答案：帶傳動：特點為傳動平穩(wěn)、有緩沖吸振作用、能過載保護、結(jié)構(gòu)簡單、成本低。但效率低于齒輪傳動、存在滑動導(dǎo)致速度比不準確、不能用于垂直提升、對中心距誤差敏感。適用于要求不高、功率不大的場合，或需要過載保護的場合。齒輪傳動：特點為傳動效率高、傳動比準確、功率密度大、可實現(xiàn)多種軸間配置（平行、交叉、垂直）、結(jié)構(gòu)緊湊。但制造安裝精度要求高、成本較高、無過載保護（需另加）、可能噪音較大。適用于要求精確傳動比、高效、功率較大的場合。對于本題要求的減速比（1500/300=5:1），兩種傳動均可實現(xiàn)。帶傳動簡單成本低，但效率低且有滑動。齒輪傳動（尤其斜齒輪）效率高、傳動比準確、可傳遞較大功率且相對平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)更緊湊，更適用于要求較高性能的農(nóng)業(yè)機械。選擇時需綜合考慮效率、精度、成本、功率大小、安裝空間、是否需要過載保護等因素。三、分析題1.解析思路：影響因素分析：可以從設(shè)計層面（可靠性設(shè)計、冗余設(shè)計）、制造層面（材料缺陷、加工誤差、裝配質(zhì)量）、使用層面（操作維護、載荷沖擊、環(huán)境影響）、管理層面（定期檢測、潤滑保養(yǎng)）等角度展開。提高措施要與影響因素對應(yīng)，如針對設(shè)計應(yīng)力集中，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計；針對材料缺陷，提出選用優(yōu)質(zhì)材料和嚴格控制進料；針對使用維護，提出制定合理的操作規(guī)程和加強潤滑保養(yǎng)；針對隨機載荷，提出提高結(jié)構(gòu)剛度或采用柔性連接。答案：影響農(nóng)業(yè)機械可靠性的主要因素包括：①設(shè)計因素，如結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致應(yīng)力集中、強度不足、疲勞壽命低；②制造因素，如材料缺陷、加工精度差、裝配質(zhì)量不高；③使用因素，如超載作業(yè)、操作不當、維護保養(yǎng)不到位、環(huán)境惡劣（溫度、濕度、腐蝕、粉塵）；④管理因素，如缺乏有效的檢測和更新制度。提高可靠性的措施：①加強可靠性設(shè)計，進行應(yīng)力分析、疲勞分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，消除或減緩應(yīng)力集中；②選用高質(zhì)量、高可靠性的原材料和標準件；③提高制造工藝水平和質(zhì)量控制；④進行嚴格的功能測試和可靠性試驗；⑤制定并推廣科學的操作規(guī)程和定期維護保養(yǎng)制度，加強潤滑；⑥根據(jù)使用環(huán)境和工況，進行適當?shù)姆雷o設(shè)計（如密封防塵、防腐）；⑦建立完善的故障診斷和預(yù)測維護系統(tǒng)。2.解析思路：選擇設(shè)備：選擇一種常見設(shè)備，如播種機。分析其功能：將種子按一定行距、深度播入土壤。工作原理：種子從種子箱通過開溝器進入溝底，然后被覆土器覆蓋，最后被鎮(zhèn)壓輪壓實。關(guān)鍵部件：種子箱、排種器（如外槽輪式）、開溝器（如雙圓盤式）、覆土器、鎮(zhèn)壓輪。人機交互：操作手柄控制行走速度和播種量，觀察播種情況，調(diào)整排種器或開溝器。適應(yīng)性：通過更換不同類型的排種器、開溝器（如適應(yīng)不同種子、不同土壤條件），或調(diào)整行距、深度機構(gòu)來適應(yīng)不同作物和地塊。答案：選擇設(shè)備：以小型播種機為例。分析功能：實現(xiàn)作物種子的精確、高效播種。工作原理：種子從種子箱被排種器（如外槽輪式）間歇或連續(xù)地排出，通過開溝器（如雙圓盤式）在土壤中開出一定深度的溝槽，種子落入溝底，隨后覆土器將溝槽上的土壤覆蓋到種子上，最后鎮(zhèn)壓輪將種子壓入土壤一定深度，使其與土壤緊密接觸。關(guān)鍵部件設(shè)計：排種器設(shè)計決定播種均勻性和播種量，開溝器設(shè)計影響播種深度和溝壁形狀，覆土器設(shè)計保證覆土均勻，鎮(zhèn)壓輪設(shè)計確保種子良好接觸土壤。人機交互設(shè)計：操作者通過控制手柄或踏板調(diào)節(jié)前進速度，進而控制播種速率；通過儀表或指示燈監(jiān)控播種狀態(tài)；根據(jù)需要調(diào)整排種盤或開溝器間隙來改變播種量或深度。適應(yīng)性設(shè)計：播種機通常設(shè)計成可更換不同類型的排種器以適應(yīng)不同作物種子；可調(diào)節(jié)行距和播種深度機構(gòu)以適應(yīng)不同作物需求和地塊條件；部分設(shè)計考慮通過改變輪胎尺寸或增加配重來適應(yīng)不同土壤堅實度。四、設(shè)計題解析思路：*方案構(gòu)思：提出至少兩種或以上不同的基本方案，如利用重力滾動的斜面、使用杠桿原理的簡單撬桿、利用小型液壓泵站驅(qū)動液壓缸或液壓缸組。*優(yōu)缺點分析：針對每種方案，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、所需動力（人力或動力源）、提升效率（省力程度）、穩(wěn)定性、成本、適用性（如場地坡度、搬運頻率）等方面進行詳細比較。*方案選擇與理由：在比較基礎(chǔ)上，選擇一個最優(yōu)方案或提出一個改進的綜合方案，并清晰闡述選擇理由，說明其如何更好地滿足題目提出的核心要求（省力、高度、重量、場地）。答案：可能的方案設(shè)計：1.斜面方案：設(shè)計一個具有一定傾角的斜坡，利用重力將農(nóng)產(chǎn)品沿斜面滑向或滾向高處。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)非常簡單，只需建造一個斜坡面，幾乎不需要額外動力，成本低。缺點是坡度受限（需滿足sin(θ)=h/L，L需足夠長以減小坡度），若坡度過大，滾動摩擦和產(chǎn)品散落會增加阻力或?qū)е虏槐?；對?0公斤的物品，如果提升高度1.5米，斜面長度至少需要7.7米，如果場地有坡度，還需考慮坡道部分的長度。2.杠桿方案：設(shè)計一個杠桿系統(tǒng)，利用杠桿原理省力提起農(nóng)產(chǎn)品。優(yōu)點是可