谷物聯(lián)合收割機發(fā)展現(xiàn)狀與展望分析

吳修明 ， 魯乃遠 ， 鄒全連 ， 蔣 莉 ， 李 剛 ， 吳慶霞

（1.重慶市永川區(qū)農(nóng)機推廣站，重慶 402160；2.重慶陶藝農(nóng)業(yè)機械股份合作社，重慶 402160）

谷物聯(lián)合收割機簡稱聯(lián)合收割機，是一種具備完全收割谷物、脫粒、分離和清除的能力，可以直接從田間獲得農(nóng)作物的收獲機械，主要用于收獲水稻、麥子、玉米、谷子、油菜、黃豆等作物。目前，國外收割機發(fā)展比較有代表性的國家和地區(qū)為歐美及日本等。歐美多為全喂入脫粒，機型大，生產(chǎn)率高，適合較大規(guī)模的生產(chǎn)條件；日本則以中小型水稻收割機為主，多采用半喂入脫粒，機型小，生產(chǎn)率相對較低[1]。近年來，我國已經(jīng)生產(chǎn)出無人駕駛谷物收割機，無人駕駛谷物收割機的割臺、滾筒操控和作業(yè)速度，均可自動調(diào)整，具有智能化程度高、操作簡單、工作模式多樣靈活、行駛路徑直、軌跡偏差小等特點?；诖?，本研究對谷物聯(lián)合收割機的脫粒分離技術(shù)的主要結(jié)構(gòu)、特點以及其所使用的新技術(shù)等加以分析[2]，并對其未來發(fā)展趨勢進行探討。

1 聯(lián)合收割機的分類

聯(lián)合收割機按動力來源分類，可分為牽引式、自走式、懸掛式三類。1）牽引式聯(lián)合收割機一般需要拖拉機作為動力源才能完成工作。牽引式聯(lián)合收割機的優(yōu)點是機械結(jié)構(gòu)較為簡單，缺點是設(shè)備機動性能較差，無法自動開道，不適于在小區(qū)域操作。2）自走式聯(lián)合收割機是一種自身有動力源的聯(lián)合收割機，可以直接完成從收割到清選的全過程，在現(xiàn)有收割機中銷量較好，與牽引式聯(lián)合收割機相比，自走式聯(lián)合收割機的機動性更強、轉(zhuǎn)移方式便捷、作業(yè)效率高，但購機成本高、能耗大。3）懸掛式聯(lián)合收割機，也稱背負(fù)式聯(lián)合收割機，是指將收割機的機械部分和拖拉機或一些行走機構(gòu)相組合的聯(lián)合收割機。其優(yōu)點是基本上保留了自走式收割機的特性，且可以更換收割機類型，費用也較低；缺點是其總體設(shè)計受拖拉機物理構(gòu)造的影響，增加了脫粒分離難度，損失率較高且拆裝過程十分復(fù)雜。

其中，自走式聯(lián)合收割機可分為以下三類。1）自走輪式全喂入谷物聯(lián)合收割機。此種機型多用于旱地、平原，在東北、中原等大面積耕地且地勢相對平緩的地區(qū)被廣泛使用，主要收獲的作物為小麥、水稻，自身就可以實現(xiàn)長距離轉(zhuǎn)移，在進行異地收割、跨區(qū)作業(yè)時十分方便[3]。2）自走履帶式全喂入谷物聯(lián)合收割機。該機型多用于水旱地、水田，在西南、華南等濕性土壤和丘陵山地的地區(qū)被廣泛使用。和輪式收割機相比，其優(yōu)點是履帶為其提供了更大的接地面積和更小的轉(zhuǎn)彎半徑，能更好適應(yīng)南方的地形地勢[4]；缺點是在進行長距離轉(zhuǎn)移時，要靠其他交通工具來運輸，中短距離的跨區(qū)作業(yè)成本更高[5]。3）自走履帶式半喂入谷物聯(lián)合收割機。該機型主要收獲的作物是水稻，其次為小麥。與其他機型相比，其優(yōu)點是收獲后的糧食含雜率更低，并能克服深泥腳、倒伏嚴(yán)重的作業(yè)環(huán)境，同時還能完整保存作物莖稈，帶來額外的收入；其缺點是機械結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，購機成本和維修成本更高[6]。

聯(lián)合收割機按喂入方式分類，可分為全喂入式聯(lián)合收割機和半喂入式聯(lián)合收割機兩類。1）全喂入式聯(lián)合收割機是指將需要收割的糧食作物連同其部分莖稈全部輸送進脫粒裝置的聯(lián)合收割機。小麥的收獲大多采用這種類型的收割機，其弊端主要是不能保存完整的莖稈，且發(fā)動機能耗大。2）半喂入式聯(lián)合收割機是指僅將需要收割的糧食作物的穗頭部輸送進脫粒裝置的聯(lián)合收割機，該種機型提高了莖稈的完整性，可以提高作物的產(chǎn)量，同時降低了脫粒、清選所產(chǎn)生的成本，半喂入式聯(lián)合收割機已被廣泛運用于南方的水稻產(chǎn)區(qū)[7]。為解決輸送莖稈及傳動的機械系統(tǒng)比較復(fù)雜、成本高昂的問題，近年來，相關(guān)學(xué)者研究開發(fā)出了一種摘穗式聯(lián)合收割機，又稱梳脫式聯(lián)合收割機。這種收割機在作業(yè)時，割臺一般只收谷粒，先完成作物的脫粒工作后再切割作物莖稈，具有工作效率高、能量消耗少的特點，但很難控制損失率。

2 聯(lián)合收割機脫粒分離系統(tǒng)

脫粒分離系統(tǒng)是谷物聯(lián)合收割機的關(guān)鍵部分，是影響收割作業(yè)中谷粒損失率和破碎率的主要因素，且其工作狀況直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此，眾多科研人員、農(nóng)業(yè)機械制造廠商在谷物聯(lián)合收割機整體構(gòu)造、脫粒分離裝置及相關(guān)技術(shù)方面進行了大量深入研究與探討。分析如下：1）脫離間隙可調(diào)。脫粒裝置可以根據(jù)不同的作物種類、作物狀況、行走速度即時地調(diào)整滾筒和凹板的脫粒間隙、導(dǎo)向葉片所對應(yīng)的角度，讓作物與機械更高效充分地接觸，進而達到最佳的脫粒效果。2）脫粒擋板可調(diào)。該裝置可以在不阻礙作物輸送的基礎(chǔ)上改進系統(tǒng)的分離效果，同時實現(xiàn)4D清選系統(tǒng)的工作，改善進入清選系統(tǒng)的物料狀態(tài)。3）脫粒滾筒的基本構(gòu)造及其布置方式，脫粒滾筒的脫粒質(zhì)量與脫粒部件的基本布置形式、數(shù)量多少都有著重要聯(lián)系。設(shè)計時在一個齒跡中增加脫粒部件的數(shù)量，能夠有效減少脫粒滾筒長度，同時也能夠提高脫粒效率，為了保證作業(yè)的質(zhì)量，這些脫粒部件要均勻排布在一個齒跡內(nèi)，脫粒部件多采用多頭螺旋線來排布。

通過查閱資料，筆者整理了相關(guān)改進方法和智能化技術(shù)：1）上擊式滾筒。在主脫粒滾輪的后上方再加裝一個滾筒及其所需的凹板，長度一般在50 cm左右，主要作用是讓作物直接從滾輪上方經(jīng)過，并在相對普通收割機脫粒滾筒更高的地方進入分離裝置，輸送軌跡從側(cè)面看呈現(xiàn)出一條圓滑的“幾”字形，這樣作物莖稈不會嚴(yán)重扭曲，有效降低了能耗，同時優(yōu)化了脫粒效果。2）谷粒回收盤?？梢杂糜诳v向脫粒滾筒的機型上，置于脫粒滾筒的下方，這樣可以更好發(fā)揮預(yù)備抖動板的功能，使得谷粒清選更加充分。在機身傾斜時保證作物正常輸送的同時，降低損失率。3）CEMOS AUTOMATIC智能操作輔助系統(tǒng)。安裝該系統(tǒng)的收割機可以通過自主控制脫粒、分離和清選的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，來不斷優(yōu)化聯(lián)合收割機的收獲性能。4）自走式聯(lián)合收割機電氣控制線路優(yōu)化。國外谷物聯(lián)合收割機的智能管理程度較高，一般都安裝了電氣控制、實時參數(shù)傳輸及自主行走等系統(tǒng)，能在實時掌握田間小麥情況的基礎(chǔ)上開展自走式收獲工作。我國有專家先后研制開發(fā)出可提供各類智能化管理與監(jiān)測功能的設(shè)備并安裝在谷物聯(lián)合收割機上，如使用北斗系統(tǒng)等。谷物聯(lián)合收割機是一種集合多個不同操作參數(shù)協(xié)調(diào)控制的綜合農(nóng)業(yè)機器，其工作能力的高低和工作效果的好壞決定了最終收獲作物的質(zhì)量與產(chǎn)量[8-9]。

3 發(fā)展趨勢

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將朝著智慧化方向發(fā)展，即在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的基礎(chǔ)上，將物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位、傳感技術(shù)和智能控制等技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的農(nóng)機裝備，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)字化感知、智能化決策、精準(zhǔn)化作業(yè)和智慧化管理。目前，應(yīng)廣泛使用智能化、信息化技術(shù)來降低人工成本，并準(zhǔn)備在機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化、提高收割效率和質(zhì)量、提高智能程度等方向改進[10]，具體分析如下。

1）向單元化、大型化方向發(fā)展。谷物聯(lián)合收割機的發(fā)展越來越具有單元化的特點，在面對不同作物種類時，不同系列和機型的聯(lián)合收割機都能夠連接不同類型的割臺來完成工作。在面對不同地形、地勢時又能選擇不同的割臺寬度、底盤驅(qū)動系統(tǒng)來滿足各地不同的作業(yè)條件，實現(xiàn)一機多用。

2）向低損失、高質(zhì)量方向發(fā)展。國外發(fā)達國家農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)廠家持續(xù)對脫粒分離及清選系統(tǒng)進行深入研究和技術(shù)創(chuàng)新，利用脫粒分離系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和工作參數(shù)的調(diào)整來降低收割過程帶來的損失。以橫置軸流單滾筒式為例，脫粒滾筒與360°包覆的凹版相配合，使作物和機械接觸面積更大也更柔和[2]，以此達到降低機械收獲損失的目的。另外，可廣泛采用新型的加速滾筒、角度可調(diào)的導(dǎo)向葉片和提高作物流量、加快分離速度的輔助分離機構(gòu)，來完成高效率的收割作業(yè)。

3）向智能化、信息化方向發(fā)展。將現(xiàn)代先進技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合，可大幅提高勞動生產(chǎn)率、土地產(chǎn)出率和資源利用率，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的數(shù)字化感知、精準(zhǔn)化作業(yè)、智能化決策和智慧化管理的先進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，也是社會發(fā)展的必然趨勢。以數(shù)字化感知為例，農(nóng)業(yè)傳感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是數(shù)字化感知的核心技術(shù)，因此，可研發(fā)可靠性和穩(wěn)定性高、成本低，適用于各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的高精度傳感器，開發(fā)集多種參數(shù)感知于一體的多用途小型化傳感器，如微機電系統(tǒng)（MEMS）、微電子機械、仿生及生物傳感器等新型傳感器。此外，應(yīng)加快實現(xiàn)農(nóng)機裝備傳感器的智能化和信息監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)土壤—作物—機器—環(huán)境傳感器協(xié)調(diào)下的智能決策與精準(zhǔn)作業(yè)。通過構(gòu)建典型農(nóng)作物的收割操作模型，讓機器自主學(xué)習(xí)，建立自動化控制系統(tǒng)，從而精確地控制谷物聯(lián)合收割機完成作業(yè)，提高收獲效率，降低損失率和破損率，改善谷物質(zhì)量。