谷物聯合收割機節能減排潛力評估和技術路徑研究

徐 峰，李君略，劉聲春，彭俊明，程俊男

(1.農業部農業機械試驗鑒定總站，北京 100122；2.廣東省現代農業裝備研究所，廣州 510630；3.中國農業大學，北京 100083)

0 引言

谷物聯合收割機的燃油消耗量是評價其燃油經濟性的重要指標，體現其節能的特征。目前，針對農業機械節能減排的相關研究已經很多，但是谷物聯合收割機燃油消耗、節能減排潛力評估和技術路徑的研究還處于空白，還沒有很好的方法去評價谷物聯合收割機的節能特性，更談不上用定量的方法去分析。

考慮到谷物聯合收割機的燃油基本上都是柴油，排放主要考慮C的成分，所以本文以柴油為節能研究對象，以CO2為減排研究對象，通過分析谷物聯合收割機燃油消耗現狀，運用SPSS軟件進行預測分析，并采用IPCC法計算出CO2排放量以及減排空間。同時，從谷物聯合收割機機型種類和大小、產品裝備性能、作業環節等幾個方面分析能耗的影響因素，運用層次分析方法確定影響因素的大小，并提出谷物聯合收割機節能降耗的技術路徑。

1 現狀分析

1.1 谷物聯合收割機行業現狀

2015年之前，進入國家支持推廣目錄是獲得農機購置補貼資格的前提，所以從國家支持推廣目錄中統計我國現有谷物聯合收割機的企業和產品數量比較準確。《關于申報<2015-2017年國家支持推廣的農業機械產品目錄>產品農機購置補貼歸檔情況的公示》[1]有67家企業生產谷物聯合收割機，包括自走輪式谷物聯合收割機(全喂入)19個企業159個產品，自走履帶式谷物聯合收割機(全喂入)55家企業303個產品，有7家企業既生產自走輪式也生產自走履帶式機具，如表1和表2所示。

表1 國家支持推廣目錄中輪式谷物聯合收獲機產品數量Table 1 The number of wheel grain combine harvester in national support promotion catalog

表2 國家支持推廣目錄中履帶式谷物聯合收獲機產品數量Table 2 The number of crawler grain combine harvester in national support promotion catalog

續表2

1.2 谷物聯合收割機機收水平和油耗現狀

對2011-2015年全國農機化統計年報中機收水平、小麥機收水平和水稻機收水平進行統計，如表3所示。

表3 2011-2015年機收水平Table 3 Machine harvest level from 2011 to 2015

數據來源于2011-2015年全國農機化統計年報[2-6]。

從表3中看出：2015年小麥機收率已經非常高，水稻機收率也達到了相對較高的水平，總機收率為54.52%，還有較大的增長空間，但近幾年增長速度較快。

2011年，水稻機收燃油消耗量為74.4萬t，小麥機收燃油消耗量為87.47萬t，谷物機械收獲消耗燃油161.9萬t，谷物機收面積為4 073萬hm2，單位面積燃油消耗量為39.7kg/hm2。從表4中看出：近幾年谷物聯合收割機單位千瓦耗油量和單位面積耗油量呈下降趨勢，下降幅度不大。

2 節能減排潛力評估

2.1 運用SPSS軟件分析預測

本文利用SPSS軟件，采用“曲線回歸”模型，把時間作為變量，對需要預測的數值進行回歸分析，分別為線性回歸、復合曲線回歸及指數曲線回歸等，并進行擬合，得出2016-2020年燃油消耗預測值，如表5、表6，及圖1、圖2所示。

表4 2011-2015年谷物聯合收割機耗油量Table 4 Grain combine harvester fuel consumption from 2011 to 2015

數據來源于2011-2015年全國農機化統計年報。

表5 2016-2020年機收單位面積燃油量預測值Table 5 The predicted value of fuel consumption per unit area from 2016 to 2020

表6 2016-2020年谷物聯合收割機耗油量預測值Table 6 The predicted value of grain combine harvester fuel consumption from 2016 to 2020

續表6

圖1 2016-2020年機收單位面積燃油量預測曲線圖Fig.1 The forecast curve of fuel consumption per unit area from 2016 to 2020

圖2 2016-2020年谷物聯合收割機耗油量預測曲線圖Fig.2 The forecast curve of grain combine harvester fuel consumption from 2016 to 2020

2.2 與發達國家的油耗差距

據統計，我國小麥全程機械化生產柴油消耗量為75.1～97.65kg/hm2，同美國全程機械化油耗為50.1kg/hm2相比，柴油消耗量多30%以上，單位作業面積油耗遠高于發達國家[7-8]。

目前，即使是國內的大型農機油耗與發達國家相比仍然有較大的差距。美國愛荷華州和我國黑龍江有很大的相似性，均為農業大省，地形地貌以平原為主，氣候條件相似，種植規模大，以家庭農場為主。選取其相同作業環節，進行燃油消耗量進行比較，有較高的合理性。根據調研整理出的黑龍江鐵力農場農田機械化作業主要環節柴油油耗量，與美國愛荷華州相比仍然較高。黑龍江鐵力農村稻麥聯合收割機單位面積燃油消耗24kg/hm2，玉米聯合收獲機單位面積燃油消耗22.5kg/hm2；美國愛荷華州玉米收獲機單位面積燃油消耗11.4kg/hm2，小麥機械化收獲單位面積燃油消耗12.5kg/hm2。

為此，查閱了2011-2015年通過部級推廣鑒定谷物聯合收割機檢驗報告中的單位面積燃油消耗量值，覆蓋各種機具種類的各種大小機型，包括外國企業在國內通過推廣鑒定的谷物聯合收割機產品。推廣鑒定一般針對新生產的農機產品，油耗相比在用產品要小。

按照GBT29002-2012《全聯合收割機燃油消耗量評價指標及測量方法標準》[9]、GBT29003-2012《半喂入聯合收割機燃油消耗量指標及測量方法》[10]聯合收割機作業燃油指標限值如表7～表9所示。

表7 不同機型谷物聯合收割機單位面積燃油消耗量Table 7 Different types of grain combine harvester per unit area fuel consumption

數據來源于2011-2015年部級推廣鑒定報告。

表8 全喂入聯合收割機作業燃油指標限值Table 8 Full feed combine harvester operating fuel limit

k為修正系數，帶秸稈裝置k=1.1，不帶秸稈粉碎裝置k=1。

表9 半喂入聯合收割機作業燃油指標限值Table 9 Semi - fed combine harvester operating fuel limits

k為修正系數，帶秸稈裝置k=1.1，不帶秸稈粉碎裝置k=1。

表7～表9中：3級為全喂入聯合收割機燃油消耗限值；2級為全喂入聯合收割機燃油消耗評價限值；1級為全喂入聯合收割機燃油消耗評價限值(優級)。

目前，我國谷物機械化收獲單位面積燃油消耗量37.3kg/hm2離3級指標限值還很遠。本文主要是統計全喂入履帶式(久保田、洋馬)、全喂入輪式(約翰迪爾、凱斯紐荷蘭、愛科)、半喂入式(久保田、洋馬)3種機具種類大型及中型產品與國內企業生產相對應產品的單位面積燃油消耗量對比，分析國內產品與國外先進產品之間節能減排的差距，如表10所示。

表10 國內外谷物聯合收割機單位面積燃油消耗量對比Table 10 Comparison of fuel consumption per unit area of grain combine at home and abroad

數據來源于2011-2015年部級推廣鑒定報告。

由表10可知：國內收割機企業生產的產品比發達國家收割機企業在國內生產的產品燃油消耗要高很多，普遍高達50%，說明國內企業的產品燃油消耗率與國外企業相比還有較大的差距。

2.3 IPCC法減排潛力評估

2015年，谷物收獲機械消耗柴油164萬t，根據IPCC2006[11]并考慮中國實際，柴油CO2的排放系數為2.73kgCO2/L，柴油密度取0.855kg/L,計算得出2015年我國谷物收獲機械CO2排放為523.6萬t。

2015年，谷物機械收獲的單位面積燃油消耗為37.3kg/hm2，如果單位千瓦耗油量能夠降為1級指標20kg/hm2，那么CO2排放為280.8萬t，減排空間為524.8萬t，減排率達46.4%，減排潛力巨大。

3 谷物聯合收割機能耗影響因素

3.1 機型種類和大小的影響

1)谷物聯合收割機種類和機型大小劃分。機具種類分為4種：全喂入履帶谷物聯合收割機、全喂入輪式谷物聯合收割機、懸掛式谷物收割機及半喂入式谷物聯合收割機。推廣鑒定大綱DG/T 014-2016《自走式谷物聯合收割機》中，全喂入聯合收割機按喂入量a分類，半喂入聯合收割機按收割行數b分類，如表11所示。

表11 機型大小確認表Table 11 Machine size check form

2)同種機具種類各種大小機型單位面積燃油消耗量對比,如圖12所示。

表12 谷物聯合收割機大中小機型單位面積燃油消耗量對比表Table 12 Comparison of fuel consumption per unit area of grain combined harvesters /kg·hm-2

數據來源于2011-2015年部級推廣鑒定報告。

半喂入燃油消耗量最少，其次為全喂入履帶式，全喂入輪式消耗最多。因此，可得出不同大小機型對節能減排的影響和潛力，半喂入履帶收割機和全喂入輪式收割機大中小型燃油消耗量差別不大，全喂入式履帶收割機大中小機型燃油消耗量相差較大，總體來看，小型產品燃油消耗量相對較大。

3.2 裝備性能的影響

谷物聯合收割機是較為復雜的收獲機械，除動力系統、行走系統、電器系統和液壓系統外還配有谷物收獲割臺、輸送裝置、脫粒與分離裝置 、清選裝置、糧倉，以及卸糧裝置等機具一次收獲作業可完成對谷物的收割、脫粒、分離、清選和谷物輸送[12]。

谷物聯合收割機能耗主要體現在各部件運轉和工作所需功率上，產生功率消耗的部件主要有割臺、輸送裝置、脫粒系統、清選系統、行走底盤、傳動系統、切草器，以及液壓操控系統。

3.2.1 谷物收割機機械能耗公式

N總=N割+N橫+N脫+N清+N走+N傳+N切+N液

式中N總—整機所消耗功率(kW);

N割—割臺所消耗功率(kW);

N橫—輸送所消耗功率(kW);

N脫—籽粒脫粒消耗功率(kW);

N清—清選消耗功率(kW);

N走—收割機行走消耗功率(kW);

N傳—傳動系統消耗功率(kW);

N切—切草器消耗功率(kW);

N液—液壓操控系統消耗功率(kW)。

根據調查顯示，一臺發動機額定功率為72kW的全喂入履帶式谷物聯合收割機，喂入量5.0kg/s，割幅2.2m，行走傳動部分消耗20kW(占27.8%)，脫粒清選部分消耗30kW(占41.7%)，割臺輸送部分消耗10kW(占13.9%)，切草器消耗5kW(占7%)，液壓操控消耗7kW(占8%)。

3.2.2 能耗分析

谷物聯合收割機的功率消耗主要包括割臺輸送部分、脫粒清選部分、底盤行走部分、切草器和液壓操作部分等5項，容易受到作業條件因素變化的影響，是影響谷物聯合收割機的主要因素。所以，減少割臺輸送部分、脫粒清選部分、底盤行走部分、切草器和液壓操作部分等5項功率消耗，就可以有效降低谷物聯合收割機的能耗，增加整機功率儲備，提高作業質量和工作效率。

1)割臺輸送功率消耗。谷物收割機割臺輸送功率消耗包括撥禾輪、割刀及輸送槽等。割臺功率消耗與撥禾輪直徑、質量及割刀質量等有關，還與谷物條件有關，谷物秸稈直徑大、含水率高、草谷比高，割臺功率消耗就大。

2)脫粒清選消耗。脫粒清選消耗主要來自于籽粒脫粒和籽粒清選兩項。在作業前進速度一定的前提下，脫粒清選消耗與谷物種植密度有關。谷物種植密度大，產量越高，脫粒滾筒質量就會提高，進入清選裝置的谷?；旌衔锞投?，功率消耗隨之加大。

3)底盤行走功率消耗。在作業前進速度一定的前提下，谷物收獲行走功率消耗與整機質量成正比，整機質量越大，行走功率消耗就越大。

4)切草器功率消耗。在我國秸稈禁燒的大環境下，許多省份要求購機補貼的谷物聯合收割機必須安裝切草器，切草器回轉半徑大、轉動慣量大，通過工作部件線速度沖擊粉碎秸稈，功率消耗也大。功率消耗與谷物種植密度和秸稈含水率有關。

柴油機是農業機械的關鍵部件，柴油機節能技術的核心是提高柴油機的燃燒效率，即降低柴油機進排氣過程、噴油過程和燃燒過程的各種損失。目前，已投入使用的柴油機節能減排主要措施有可變進氣技術、中冷渦輪增壓技術、柴油機負壓節油技術、金屬清洗劑技術、檢測與調整技術、凈化柴油技術、凈化進氣技術，以及改善燃燒結構和減少附件損失等。如采用可變進氣技術可使柴油機的功率提高 10%～20%，燃油消耗率下降 3%～8%，且能改善排氣煙色。

除了機具本身的技術特征，其老化程度、產品制造工藝也對燃油消耗有巨大影響。先進的制造工藝，優質的產品質量，方便的使用性能，不僅保證了高作業效率，也有效降低了作業過程中的燃油消耗。

3.2.3 使用環節的影響

通過大量問卷調查和現場調研相結合方式得出谷物聯合收割機燃油消耗與使用年限及維修保養的關系[14]。

1)使用年限的影響如表13所示。

表13 履帶谷物聯合收割機不同使用年限燃油消耗量Table 13 Crawler grain combine harvester fuel consumption for different years of use kg/hm2

2)維修保養的影響如表14所示。

表14 使用1年的履帶谷物聯合收割機維修情況燃油消耗量Table 14 Use one year of crawler grain combine harvester to maintain fuel consumption kg/hm2

4 谷物收割機節能影響因素分析

通過大量問卷調查和現場調研相結合方式得出谷物聯合收割機節能減排影響因素，通過層次分析法確定影響因子和權重。

影響谷物聯合收割機燃油消耗影響因素是十分復雜的，在系統分析的基礎上，借助定量方法，研究確定影響谷物聯合收割機燃油消耗的主導因素和因素關系，可以為研究谷物聯合機械化收獲發展戰略和有關政策措施提供支持。為此，本文采用層次分析方法(AHP)[14]，建立相應的數學模型，對谷物機械化收獲能耗的關鍵因子進行有效合理的分解，如圖3所示。

圖3 谷物聯合收割機燃油消耗影響因素分析圖Fig.3 Analysis of factors affecting fuel consumption of grain combine harvester

1)目標層(A)：谷物收割機燃油消耗。

2)準則層(C)：農機裝備(C1)，作業環境(C2)，使用環節(C3)。

3)方案層(P)：機具種類(P1)，機型大小(P2)、產品性能(P3)，地形地貌(P4)(包括地塊大小、地塊形狀、土壤類型等)，作物條件(P5)(包括作物品種、作物產量、作物成熟度、草谷比、籽粒含水率、倒伏情況)，作業情況(P6)(包括行駛速度、留茬高度、秸稈切碎、割幅差等)，機手水平(P7)，使用年限(P8)，維修保養(P9)。

通過德爾菲法，設計調查問卷，通過專家打分確定準則層和方案層的影響因子，如表15所示。

從影響類別(準則層)看：“農機裝備”影響最大，系數為0.432；其次為作業環境、使用環節等。從方案層看：產品性能影響最大， 系數為0.241；其次為地形地貌和使用年限；影響最小的是機收水平，系數為0.042。

表15 聯合收割機影響因素Table 15 The influence factors of combine harvesters

5 技術路徑

5.1 加強聯合收割機節油降耗技術開發

聯合收割機配套的發動機本身要求節油降耗效果顯著，其底盤與拖拉機底盤相似，主要要求是提高傳動效率，增加工作檔位優化底盤與發動機之間的匹配，使發動機在最佳工況范圍內工作，進一步優化工作部件的結構形式以減少阻力，降低能耗，主要采取的具體措施有：

1)離合器。主要是增加散熱、減小沖擊以減少摩擦功造成的能耗損失，達到節油的目的。

2)傳動箱。傳動系盡量采用齒輪傳動，采用鏈傳動、皮帶傳動的結構應隨時調整帶、鏈的松緊度，提高傳動效率。提高裝配質量，選用優質軸承并調整預緊度可以提高傳動效率，減少摩擦和振動。采用負荷換擋技術，可以減少發動機空轉時間，減少沖擊，消除主離合器由于頻繁分離-結合產生的滑摩功，減少發動機空轉時間。

3)液壓系統。改善液壓系統進油濾清器的濾清效率，減少濾清損失。同時，系統管路布置盡量較少彎曲或增大彎曲角度，以減少油流損失、節約能源、以及提高密封件質量，提高泵的容積效率，減少缸、泵、閥的內泄漏，達到節能降耗的目的。

4)行走系統。合適的輪胎寬度，胎面花紋和氣壓，能增大與土壤附著力及有效減少滾動阻力。定期檢查并調整前輪前束，保證聯合收割機的前束在合理的范圍之內，減少聯合收割機前輪的側滑和直線行駛穩定性，同樣可以起到節能降耗的目的。

5)作業部件。機具幅寬與收獲作物相適應，過寬或過窄均會增加耗油損失，優化作業部件結構和形狀，減少工作構件與作物接觸時的切削阻力，降低功率消耗，達到節能降耗的目的。

5.2 合理配置谷物聯合收割機裝備

聯合收割機有大中小型，應最大程度避免大馬拉小車或小馬拉大車，既能保證聯合收割機充分發揮作用，也能提高作業效率、節約燃油。聯合收割機作業時，功率利用率在70%～80%，而最佳功率利用在90%左右。從負荷特性可知，在最佳功率利用率情況下，最大限度可以節省油耗10%以上。

根據全國農業生產區域劃分的六大區域，針對不同區域谷物生長特點、土壤、地形地貌等，結合農藝要求，加強不同區域谷物收割作業與機型的匹配研究。同時，要考慮到農業生產經營規模、經濟條件、耕作制度、農藝要求等諸多因素。

有效提高收獲機械的利用效率，從保證最大作業量和農機戶盈虧平衡的角度分析最佳保有量范圍，降低農機作業油耗，努力提高農機戶組織化程度，使農機保有量接近下限。

5.3 政策引導支持節能減排技術

1)制定谷物機械化收獲節能降耗作業技術規范。農業部先后發布小麥等農作物的機械化收獲減損技術指導意見，谷物機械化收獲節能降耗目前缺少相應的指導性文件，通過權威發布技術性指導文件可以規范谷物收獲程序，提高節能降耗水平[15]。

2)通過政策引導加快谷物聯合收割機更新換代，大力發展科技含量高的新型、大中型谷物聯合收割機，調整低層次、低水平的農機化投入，減少谷物聯合收割機重復購置和盲目投資，優化谷物聯合收割機裝備結構。大力推進農業機械化規模經營，集約生產。

3)著力加強谷物聯合收割機運用管理能力的培訓，提高機手的操作使用水平及維修保養水平，積極引導農民使用節能、節油的收割機。將谷物機械化收獲融入到谷物全程機械化中，實現與其他生產環節無縫對接，減少中間環節，提高系統性和集約性。

4)運用農機購置補貼和農機推廣鑒定等農機化產業政策引導，強化農機購置補貼政策的導向作用，支持鼓勵老舊農機報廢更新。在聯合收割機的推廣鑒定中把節能降耗的評價擺在更加突出的位置，減小單位面積燃油消耗量的限值，提高鑒定和補貼的門檻，倒逼生產企業加強新技術研究，提高生產工藝水平及產品的節能降耗能力。