國外谷物聯(lián)合收割機脫粒分離系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與展望*

張正中，謝方平，田立權(quán)，劉大為，王修善，李旭

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，長沙市，410128； 2. 金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江金華，321007； 3. 智能農(nóng)機裝備湖南省重點實驗室，長沙市，410128)

0 引言

谷物聯(lián)合收割機主要用于收獲水稻、小麥、玉米、谷子等糧食作物以及油菜、大豆等部分經(jīng)濟(jì)作物，在田間可完成切割、脫粒、分離、清選、裝袋或隨車卸糧等若干項工序[1-3]。谷物聯(lián)合收割機是重要的農(nóng)用機械之一，能夠很好的提高谷物收獲效率、降低勞動力成本[4]。脫粒分離系統(tǒng)是谷物聯(lián)合收割機的重要組成部分，收獲作業(yè)的谷粒損失和破碎直接受到脫粒分離系統(tǒng)的影響，其工作狀況直接影響到整機的性能[5-6]。因此，許多科研工作者、農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)廠家在谷物聯(lián)合收割機、脫粒分離系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域做了大量研究和探索。

目前，我國設(shè)計生產(chǎn)的谷物聯(lián)合收割機以中、小型為主，大型谷物聯(lián)合收割機的研制還處于起步階段，與國外的先進(jìn)技術(shù)差距較大[7-8]，喂入量8 kg/s以上的谷物聯(lián)合收割機主要依賴進(jìn)口，每年進(jìn)口大型谷物聯(lián)合收割機500臺套左右[9]。隨著我國農(nóng)村土地集約化經(jīng)營和農(nóng)機合作社的建立，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式逐漸向規(guī)模化、大型化經(jīng)營轉(zhuǎn)變。同時，谷物等作物單產(chǎn)不斷提高對聯(lián)合收割機的相關(guān)性能要求也越來越高，市場對能夠?qū)崿F(xiàn)高效率高質(zhì)量收獲的大型聯(lián)合收割機的需求將會不斷擴(kuò)大。脫粒分離系統(tǒng)的性能已經(jīng)成為大喂入量工作環(huán)境下制約大型聯(lián)合收割機工作效率提升的重要因素，因此有必要對現(xiàn)有的國外先進(jìn)的聯(lián)合收割機脫粒分離系統(tǒng)的裝置和技術(shù)進(jìn)行深入的分析與探討。

近年來，國外谷物聯(lián)合收割機以超大型機型為主，智能化、信息化技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)實現(xiàn)了低損高效的智能自主收獲[10-13]。本文對國外著名生產(chǎn)廠家的谷物聯(lián)合收割機的脫粒分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、脫分系統(tǒng)發(fā)展的最新技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)，并對未來發(fā)展方向加以展望，以促進(jìn)我國谷物聯(lián)合收割機脫粒分離系統(tǒng)的不斷改進(jìn)和升級，實現(xiàn)適應(yīng)現(xiàn)代化收獲作業(yè)的大型谷物聯(lián)合收割機的國產(chǎn)化。

1 脫粒分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

對國外12家著名生產(chǎn)廠家的39個系列的谷物聯(lián)合收割機的脫粒分離系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)展進(jìn)行追蹤和研究。研究分析了上述各生產(chǎn)廠家的谷物聯(lián)合收割機的脫粒分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀，以脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)、脫粒凹板的技術(shù)發(fā)展和相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行闡述。

1.1 脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)

1.1.1 單軸流滾筒式脫分裝置

單軸流式脫分裝置包括縱軸流式和橫軸流式，它們共同的特點是具有脫粒時間長、過程柔和、脫凈率高和破碎率低等優(yōu)點，國外不同生產(chǎn)廠家的單軸流滾筒式脫分裝置的匯總?cè)绫?所示。

John Deere S系列的谷物聯(lián)合收割機上裝備有縱向軸流單滾筒及凹板的脫分系統(tǒng)，子彈型軸流脫分滾筒長為3 124 mm，直徑為762 mm，根據(jù)不同作業(yè)對象滾筒轉(zhuǎn)速210～1 000 r/min可調(diào)，脫粒凹板面積為1.1 m2，分離凹板面積為1.54 m2，如圖1所示。該縱向軸流單滾筒式脫分系統(tǒng)由喂入部分、脫粒部分和分離部分組成，裝備有大直徑的脫粒滾筒，可以在較低的轉(zhuǎn)速下讓作物產(chǎn)生較高的慣性，從而降低脫分裝置的功率消耗，如圖2所示。

表1 不同生產(chǎn)廠家的聯(lián)合收割機單軸流滾筒式脫分裝置

圖1 S系列縱向軸流單滾筒式結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 縱向軸流單滾筒的組成

Case IH軸流滾筒聯(lián)合收割機(Axial-Flow? combines)的240系列機型裝備的脫粒分離系統(tǒng)由直徑為762 mm的AFX轉(zhuǎn)動滾筒、轉(zhuǎn)筒同心籠和凹板組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。AFX轉(zhuǎn)動滾筒前段設(shè)置有錐形過渡端，可以促使作物由喂入輪平順的進(jìn)入到脫粒室內(nèi)。AFX轉(zhuǎn)動滾筒從前至后設(shè)有等螺距葉輪、紋桿式脫粒元件和螺旋拋擲器，可以讓作物進(jìn)行有效充分的脫粒分離。在轉(zhuǎn)筒同心籠上設(shè)有可調(diào)角度的導(dǎo)向板，根據(jù)作物的種類和喂入量的不同可進(jìn)行調(diào)整。配置有不同的結(jié)構(gòu)凹板，可以根據(jù)不同的作物類型進(jìn)行方便的更換。

圖3 Case IH縱向軸流單滾筒式結(jié)構(gòu)示意圖

Gleaner谷物聯(lián)合收割機采用的是橫置軸流單滾筒式配合360°包角的凹板的脫粒分離系統(tǒng)，脫粒滾筒的直徑為762 mm，其上設(shè)有6排18 mm高的紋桿，脫粒元件的紋桿經(jīng)過鍍鉻處理，且一條紋桿上的紋路擁有相向的設(shè)置，脫粒滾筒通過與360°包角的凹板聯(lián)合工作，可以使得谷物脫粒時更加的柔和、徹底，自由籽粒可以從各個方位分離出凹板，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 橫置軸流單滾筒配合360°包角的凹板

1.1.2 雙軸流滾筒式脫分裝置

紐荷蘭(New Holland)在40多年前發(fā)明了縱軸流雙滾筒(Twin Rotor?)脫粒分離系統(tǒng)[17-20]，經(jīng)過不斷的優(yōu)化和發(fā)展，其CR系統(tǒng)擁有較好的工作效率和籽粒獲得的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)如圖5所示。安裝在縱軸流雙滾筒之前的喂入滾輪可以在輸送作物過程中對物料流進(jìn)行加速，縱軸流雙脫粒分離滾筒可以產(chǎn)生更多的離心力，使得谷粒能夠更快的分離從而到達(dá)最佳的輸出效率。CR系列脫粒分離室上的導(dǎo)流板可以遠(yuǎn)程控制角度，以滿足不同喂入量和含水率的作物能在脫分籽粒時保持最佳的效果。

圖5 CR系列軸流雙滾筒式結(jié)構(gòu)

IDEAL系列谷物聯(lián)合收割機技術(shù)先進(jìn)，有IDEAL7、IDEAL8、IDEAL9幾個型號。IDEAL8和IDEAL9機型的脫分系統(tǒng)的類型為縱向軸流雙滾筒式，結(jié)構(gòu)如圖6所示。喂入滾筒直徑為600 mm，其轉(zhuǎn)速可以與軸流雙滾筒的轉(zhuǎn)速自動匹配：總是為雙軸流滾筒轉(zhuǎn)速的70%。由于喂入滾筒轉(zhuǎn)速自動匹配到最佳，因此會產(chǎn)生一個穩(wěn)定的作物物料流，保證理想的物料輸送效果。IDEAL系列縱向軸流雙滾筒由喂入部分、脫粒部分、分離部分和排草部分組成，滾筒直徑為600 mm、總長為4 837 mm，與滾筒相配合凹板的有效脫分面積為4.06 m2。喂入部分設(shè)有多片螺旋葉片與前部喂入滾筒聯(lián)合工作，脫粒部分為2組4排縱向設(shè)置的脫粒紋桿。分離部分由高度為140 mm的相后傾20°的齒形元件組成，齒形元件共4排成螺旋分布。

圖6 IDEAL系列脫粒分離系統(tǒng)

1.1.3 切流滾筒+縱軸流滾筒式脫分裝置

John Deere C系列的聯(lián)合收割機采用切流雙滾筒+縱向軸流雙滾筒式脫粒分離系統(tǒng)，該系列設(shè)置有滾筒拽拉和釋放動作(pull and release action)可以讓C系列聯(lián)合收割機有效的處理高含水率的作物和提供更好的收獲后莖稈質(zhì)量，如圖7所示。在脫分系統(tǒng)的前部設(shè)有直徑660 mm的紋桿式切流主脫粒滾筒，大尺寸的滾筒和凹板提供了更強勁的脫粒分離能力。在主脫粒滾筒后設(shè)置有上擊式滾筒(Overshot beater)，其轉(zhuǎn)動方向與主脫粒滾筒方向相反，因此作物流方向沒有突變，形成一個“幾”字形運動軌跡，可以讓作物平順的從主脫粒滾筒和凹板流動到后端的裝置中并維持莖稈的完整性。

圖7 C系列切流雙滾筒+縱向軸流雙滾筒式結(jié)構(gòu)示意圖

Claas的LEXION 770-740系列機型上裝備有APS混合式系統(tǒng)(APS HYBRID System)，該系統(tǒng)由APS(Accelerated pre-separation)和雙縱軸流分離滾筒(ROTO PLUS)組成[21]，如圖8所示。雙縱軸流分離滾筒系統(tǒng)由兩個直徑為445 mm長度為4 200 mm 的滾筒組成。當(dāng)針對易損的作物進(jìn)行作業(yè)時，雙分離滾筒可以提供附加的脫粒工作，因此切流主脫粒滾筒可以相應(yīng)的降低轉(zhuǎn)速以增加脫粒質(zhì)量。雙分離滾筒相比其他系統(tǒng)類型的單分離滾筒的直徑要小，因此會產(chǎn)生更強的離心力和更優(yōu)的脫粒能力。同時，雙分離滾筒的轉(zhuǎn)速可以獨立調(diào)整以滿足不同工作情況，如LEXION 770-740機型可以控制滾筒轉(zhuǎn)速從350～1 050 r/min。

圖8 APS混合式脫分系統(tǒng)

1.1.4 切流滾筒+鍵式逐稿器式脫分裝置

國外有很多系列的谷物聯(lián)合收割機為切流滾筒+鍵式逐稿器式的脫粒分離系統(tǒng)，其中又分為切流多滾筒和切流單滾筒，如圖9所示為Claas旗下的切流多脫粒滾筒及凹板+鍵式逐稿器脫分裝置，圖10為Rostsel mash的ACROS系列的切流單脫粒滾筒及凹板+鍵式逐稿器脫分裝置。

圖9 APS+鍵式逐稿器脫分系統(tǒng)

圖10 切流單脫粒滾筒及凹板+鍵式逐稿器

1.2 脫粒凹板的技術(shù)發(fā)展

1.2.1 脫粒間隙可調(diào)

許多谷物聯(lián)合收割機的脫分系統(tǒng)配置有脫粒間隙可調(diào)節(jié)的技術(shù)和裝置，如John Deere S系列的縱向軸流單滾筒配置有主動凹板調(diào)節(jié)系統(tǒng)(ACI)和電控可調(diào)導(dǎo)向葉片，脫粒部分可以根據(jù)不同的作物種類狀況、不同的喂入量下即時的調(diào)整滾筒和凹板的脫粒間隙、導(dǎo)向葉片的角度，使得作物在脫粒裝置中得到高效充分的作用，從而實現(xiàn)最優(yōu)的脫粒效果。

Fendt C系列和L系列的切流多滾筒式脫分系統(tǒng)的主脫粒滾筒為紋桿式，其凹板的前端和后端可以獨立的進(jìn)行脫粒間隙的調(diào)整以滿足多種收獲情況[22]。該系列的分離滾筒下的凹板也可以轉(zhuǎn)動調(diào)整，當(dāng)凹板在分離滾筒之下，這樣的設(shè)置有利于在長秸稈高含水率的情況下提高分離性能。當(dāng)凹板在分離滾筒之上，主要適用在干燥情況下較低強度下的脫分情況。

1.2.2 脫粒蓋板可調(diào)

Claas雙縱軸流分離滾筒(ROTO PLUS)下方配置有相應(yīng)凹板，在凹板的前部設(shè)有可控制開閉和開啟角度的蓋板。該裝置可以在不阻礙作物流的前提下加強系統(tǒng)的分離效果，同時實現(xiàn)4D清選系統(tǒng)的工作，讓清選系統(tǒng)獲得更好的物料狀態(tài)。例如當(dāng)作物物料干燥時，可以關(guān)閉蓋板以減少清選篩的載荷，當(dāng)作物物料潮濕的情況下，打開蓋板增加脫粒區(qū)域以獲得最佳的脫粒分離效果，如圖11所示。

圖11 雙縱軸流分離滾筒下方配置的凹板篩及蓋板開閉情況

1.2.3 回轉(zhuǎn)式凹板

Rostsel mash TORUM系列為縱軸流單脫粒滾筒及凹板，主脫粒滾筒的直徑為762 mm，長度為3 200 mm。主脫粒滾筒包括螺旋葉片喂入段、由縱向安裝的紋桿組成的脫粒段、螺旋葉板組成的分離段，如圖12所示。該脫分系統(tǒng)最大的特點是配置了360°旋轉(zhuǎn)式的凹板(rotating concave)，在旋轉(zhuǎn)凹板上設(shè)置有三個工作段，每個工作段會設(shè)置一條縱向安置的脫粒條。因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)式凹板工作時，不會像傳統(tǒng)固定凹板一樣在脫粒室的上蓋形成一個“死區(qū)”，整個脫粒滾筒的圓周都是分離區(qū)域，特別有利于緩解當(dāng)大喂入量和高含水率作物在脫粒滾筒的造成的堵塞和纏繞，有利于各種作物和不同工作情況下的谷粒脫分，如圖13所示。

圖12 TORUM系列縱向軸流單滾筒式結(jié)構(gòu)示意圖

(a) 傳統(tǒng)固定不動的凹板 (b) 360°旋轉(zhuǎn)式的凹板

1.3 相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新

1.3.1 APS系統(tǒng)

Claas聯(lián)合收割機裝備的APS系統(tǒng)由多個切流滾筒組成，由加速預(yù)脫滾輪及凹板、主脫粒滾筒及凹板和逐稿輪等組成，如圖14所示。加速預(yù)脫滾輪可把作物流從3 m/s加速到20 m/s，有30%的谷粒在該裝置完成脫離并送進(jìn)清選系統(tǒng)，剩下的作物將以穩(wěn)定的速度、角度和物料厚度送入主脫粒滾筒處。最新型號的主脫粒滾筒為直徑755 mm的紋桿式脫粒滾筒，與主脫粒滾筒配合的凹板可以由液壓控制進(jìn)行脫粒間隙的調(diào)整。

圖14 APS系統(tǒng)

1.3.2 上擊式滾筒

John Deere T系列的聯(lián)合收割機的切流多滾筒由主脫粒滾筒及凹板、上擊式滾筒及凹板、丁齒式分離滾筒及凹板、后部滾輪組成(圖15)。

圖15 切流多滾筒的“幾”字形物料運動軌跡

在主脫粒滾筒的后上方設(shè)置上擊式滾筒及凹板，該滾輪直徑為500 mm，物料是從滾筒上部通過，并從相對較高的位置進(jìn)入到丁齒分離滾筒中，作物流方向沒有突變形成一個“幾”字形運動軌跡，從而使得作物莖稈不會嚴(yán)重彎曲，在降低功耗的基礎(chǔ)上獲得高質(zhì)量的脫粒效果。

1.3.3 谷粒收集盤

IDEAL系列機型在脫分凹板之下配置特有的IDEAL balance系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心是有兩個谷粒收集盤，如圖16所示。前一個谷粒收集盤在紋桿脫粒部件之下，將脫下的經(jīng)過凹板篩的物料輸送至預(yù)備抖動板的前端，后一個谷粒收集盤在螺旋丁齒分離部件之下，將脫下的經(jīng)過凹板篩的物料輸送至預(yù)備抖動板的后端，這樣可以充分的利用好預(yù)備抖動板，使得谷粒清選更加充分。同時，因為有IDEAL balance系統(tǒng)兩個收集盤的存在，當(dāng)聯(lián)合收割機有15%的機身傾斜時，還是會保持正常的物料流。

(a) IDEAL系列脫分系統(tǒng)

2 脫粒分離系統(tǒng)智能化技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 智能控制系統(tǒng)ICA2

美國John deere的S系列聯(lián)合收割機裝備有智能控制系統(tǒng)ICA2(Integrated Combine Adjust)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的作業(yè)情況自主的調(diào)整收獲機相關(guān)工作進(jìn)程和參數(shù)，減少操作人員的手動調(diào)整，讓聯(lián)合收獲機得到最高效的性能表現(xiàn)。

智能控制系統(tǒng)ICA2包含脫粒分離系統(tǒng)相關(guān)的主動凹板調(diào)節(jié)系統(tǒng)ACI和電控可調(diào)導(dǎo)向葉片，智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同的作物種類狀況、不同的喂入量實時的調(diào)整脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速、凹板脫粒間隙、導(dǎo)向葉片的角度，使得作物在脫粒裝置中得到高效充分的脫分作用，從而實現(xiàn)最優(yōu)的脫粒分離的效果。谷物脫分清選后的籽粒情況，也可以通過攝像頭在操作終端上顯示出來。

2.2 AFS智能控制系統(tǒng)

Case IH的Axial-Flow?250系列的聯(lián)合收割機裝備有AFS智能控制系統(tǒng)(AFS HARVEST COMMANDTM)，該智能控制系統(tǒng)可以提供使用者四種不同收獲性能的模式，分別為性能模式(Performance)、谷粒質(zhì)量優(yōu)先模式(Grain Quality)、最大產(chǎn)量模式(Max throughput)和產(chǎn)量選定模式(Fixed throughput)。在相應(yīng)的模式下聯(lián)合收割機會根據(jù)不同的作物情況實時自動調(diào)整收獲機的各項工作部件的運行參數(shù)，使其獲得相關(guān)模式設(shè)定下的最佳收獲性能。在智能控制系統(tǒng)中，Case IH系列聯(lián)合收割機運用了16個傳感器進(jìn)行收獲環(huán)節(jié)的監(jiān)控，并通過7個執(zhí)行部件實現(xiàn)收割機實時調(diào)整，包括脫粒分離環(huán)節(jié)的脫粒滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和脫粒室上方物料導(dǎo)向板角度的調(diào)節(jié)。滾筒轉(zhuǎn)速和導(dǎo)向板的角度位置都會在觸摸屏上實時顯示，該智能控制系統(tǒng)的使用可以幫助沒有經(jīng)驗的操作員達(dá)到專家操作員的水平，使得聯(lián)合收獲機達(dá)到最佳的使用效果。

2.3 IntelliSenseTM智能控制系統(tǒng)

New Holland CR系列聯(lián)合收割機裝備有IntelliSenseTM智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有多個傳感器監(jiān)控收獲機的工作情況，包括喂入量傳感器、機身傾斜傳感器、產(chǎn)量和作物含水量傳感器、脫粒損失傳感器、篩面損失傳感器和篩面負(fù)載傳感器等。IntelliSenseTM智能控制系統(tǒng)能夠提供操作者四種收獲策略，分別是籽粒損失最小策略、籽粒收獲質(zhì)量最佳策略、最大收獲量策略和設(shè)定收獲量策略。當(dāng)策略設(shè)定后，智能控制系統(tǒng)可以控制雙脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向板角度、上下篩的開孔度、清選風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和收獲機前進(jìn)速度等工作參數(shù)以達(dá)到設(shè)定的收獲策略目標(biāo)。IntelliSenseTM智能控制系統(tǒng)可以實時的調(diào)整各項工作參數(shù)，讓收獲機的作業(yè)性能夠達(dá)到最有經(jīng)驗的駕駛員來才有的最佳操控的表現(xiàn)。

2.4 IDEALharvestTM智能脫粒清選控制系統(tǒng)

Fendt的IDEAL系列聯(lián)合收割機裝備有IDEALharvestTM智能脫粒清選控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在脫粒滾筒和振動板設(shè)有52個獨立的MADS籽粒傳感器，能夠精確的記錄和確定作物流和籽粒脫分的情況，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，智能脫粒清選控制系統(tǒng)可以自主的調(diào)整之前操作員預(yù)設(shè)的收獲策略以達(dá)到最好的脫粒效果。

操作員可以在智能控制系統(tǒng)中方便的選擇三個關(guān)鍵的收獲策略：籽粒破損最低、籽粒損失最低和最佳的籽粒清潔質(zhì)量，也可以最佳輸出產(chǎn)量為優(yōu)先級進(jìn)行收獲作業(yè)。智能脫粒清選控制系統(tǒng)會根據(jù)操作員設(shè)置的收獲策略以及具體的工作情況，實時的調(diào)整收獲機的脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、篩孔開口大小和收割機前進(jìn)速度，以實現(xiàn)最佳的收獲效果。

2.5 TechTouch 2智能控制系統(tǒng)

MF ACTIVAS系列機型裝配有TechTouch 2智能控制系統(tǒng)[23]，操作員可以在駕駛艙對收獲機脫粒相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括主脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒凹板的前后間隙、清選風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和上下篩的篩孔開度指。根據(jù)不同作物種類和具體的情況，如作物的干或濕的情況，系統(tǒng)會對歷史操作參數(shù)進(jìn)行保存記錄，以備收獲機下次收割相同作物和工作環(huán)境時快速進(jìn)入較佳的工作狀態(tài)。

2.6 智能操作輔助系統(tǒng)CEMOS AUTOMATIC

德國CLaas的聯(lián)合收割機的較高級別的機型上，裝備了智能操作輔助系統(tǒng)CEMOS AUTOMATIC，該系統(tǒng)包括了自動脫粒(AUTO THRESHING)、自動分離(AUTO SEPARATION)和自動清選(AUTO CLEANING)等子功能，該智能操作輔助系統(tǒng)能夠自主測試聯(lián)合收割機不同的各種參數(shù)設(shè)置(self-learning process)、不斷的優(yōu)化聯(lián)合收割機的收獲性能，特別是在LEXION8000-7000系列機型上的CEMOS AUTOMATIC系統(tǒng)運用了人工智能(AI)實現(xiàn)收獲機根據(jù)現(xiàn)場實時狀況自主完成最佳收獲性能的工作參數(shù)設(shè)定。系統(tǒng)能夠通過獲取作物品質(zhì)、喂入量等作物與收割設(shè)備作業(yè)信息，針對收獲條件按照設(shè)定好的策略自動優(yōu)化脫粒滾筒轉(zhuǎn)速和脫粒凹板間隙，實現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量與性能的優(yōu)化，達(dá)到最佳作業(yè)效率。借助于該系統(tǒng)，駕駛員無須知道為實現(xiàn)目標(biāo)要進(jìn)行哪些設(shè)置操作，只需提供農(nóng)學(xué)策略，機器自學(xué)習(xí)系統(tǒng)便會按照策略來優(yōu)化所有設(shè)備參數(shù)。智能操作輔助系統(tǒng)的選擇和控制可以通過駕駛艙的觸摸屏完成。

智能操作輔助系統(tǒng)自動脫粒功能可以通過控制主脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒凹板間隙來實現(xiàn)最佳工作參數(shù)的設(shè)定。自動分離功能是通過調(diào)整縱向雙軸流脫分滾筒的轉(zhuǎn)速、分離凹板篩上的蓋板開啟角度來實現(xiàn)最佳工作參數(shù)設(shè)定。自動清選功能通過清選風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)整、上篩和下篩的開孔大小來實現(xiàn)工作參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整的。

3 聯(lián)合收割機機型對比分析

本文調(diào)研和整理了國外12家主要的谷類聯(lián)合收割機制造和生產(chǎn)廠家的相關(guān)品牌，匯總聯(lián)合收割機系列39個，統(tǒng)計有162個谷物聯(lián)合收割機相關(guān)型號，對這些谷物聯(lián)合收割機的脫粒分離系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，共分6個大類：縱向軸流單滾筒式、縱向軸流雙滾筒式、切流滾筒+軸流滾筒式、切流多滾筒+鍵式逐稿器式、切流單滾筒+鍵式逐稿器式、橫置軸流滾筒式，每個脫分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下聯(lián)合收割機機型數(shù)量分布情況如圖17所示。

由圖17分析可知，目前國外的谷物聯(lián)合收割機脫粒分離系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型，按照機型種類占比數(shù)量最多的是切流多滾筒+鍵式逐稿器式，在總數(shù)162個機型中占38%。切流單滾筒+鍵式逐稿器式的機型有23個，占比為14.1%。縱向軸流單滾筒式的機型有33個，占比為20.3%。切流滾筒+縱軸流滾筒式的機型有26個，占比為16.0%。縱向軸流雙滾筒式和橫置軸流單滾筒式機型數(shù)量最少，分別為11個和6個。由此可見，國外谷物聯(lián)合收割機脫粒分離系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)按照機型數(shù)量多寡來統(tǒng)計，還是以切流滾筒+鍵式逐稿器式為主流類型(包括了切流多滾筒和切流單滾筒)。

圖17 不同脫分系統(tǒng)在聯(lián)合收割機中的機型數(shù)量分布

切流滾筒+鍵式逐稿器式脫分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)歷史傳承悠久，脫分系統(tǒng)工作效果穩(wěn)定，在針對作物潮濕、物料流喂入不均勻以及低轉(zhuǎn)速條件下能夠保持良好的脫粒分離效果，且作物品質(zhì)和品種的改良，該脫分方式可以滿足工作要求，因此被各大品牌的谷物聯(lián)合收割機繼續(xù)使用，且機型數(shù)量占比最大。

切流滾筒+縱軸流滾筒式脫分系統(tǒng)的主要機型有John Deere的C系列機型和Claas LEXION8000-7000系列和LEXION783-730系列機型的APS混合式系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)的脫分系統(tǒng)工作時，谷物先由切流脫粒滾筒進(jìn)行脫粒和加速，然后在進(jìn)入縱軸流滾筒進(jìn)行二次脫粒和籽粒分離，雙縱軸流脫分滾筒大大提高了谷物的脫凈率與分離效率。

縱向軸流單滾筒式脫分系統(tǒng)的主要機型有John Deere的S系列、Case IH軸流滾筒聯(lián)合收割機(Axial-Flow? combines)全系列機型和IDEAL系列中的IDEAL7機型。縱軸流單滾筒主要由喂入螺旋葉片和脫粒、分離部分組成。滾筒方向與機器的前進(jìn)方向相同，滾筒的長度、直徑及整機配置具有很大的優(yōu)越性。工作時，谷物從滾筒葉片端軸被強制喂入，螺旋葉片對谷物產(chǎn)生強烈的拖帶沖擊，谷物在葉片端做螺旋圓周運動，螺旋葉片將喂入的谷物層迅速拉薄，然后推向后部進(jìn)行后續(xù)的脫粒和分離。上述機型的脫分系統(tǒng)，都配置有可調(diào)的軸流滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙和導(dǎo)向板角度，針對不同種類的作物和具體的工作情況，擁有較好的脫粒分離性能。

縱向軸流雙滾筒式脫分系統(tǒng)的主要機型有New Holland CR系列和Massey Ferguson、Fendt和Challenger三個品牌共享的IDEAL系列的8和9兩個機型。雙縱軸流脫粒分離滾筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)點為兩縱軸流滾筒相向轉(zhuǎn)動，經(jīng)凹板分離出來的物料分布對稱，有效避免了單縱軸流滾筒籽粒分離后單側(cè)堆積的現(xiàn)象，從而解決了單側(cè)的清選負(fù)荷過大問題，有效利用清選系統(tǒng)的分離面積，從而讓清選系統(tǒng)的能力得到充分發(fā)揮。雙滾筒的分離面積大于單滾筒，相同喂入量下每個滾筒的工作負(fù)荷減輕一半，所以分離效果要優(yōu)于單縱軸流滾筒。

橫置軸流單滾筒式脫分系統(tǒng)主要配置在Gleaner旗下S8、S9系列的6個機型上，Gleaner谷類聯(lián)合收割機的橫向軸流系統(tǒng)釋放的物料總是與清選風(fēng)機成同一個方向，因此任意一個谷粒物料總是與受到相同速度的氣流沖擊。而縱向軸流式的脫分選系統(tǒng)，谷粒會在脫分滾筒長度內(nèi)任一點下落，在不同的位置下落的谷粒，會受到不同清選氣流的沖擊和作用。因此，Gleaner谷類聯(lián)合收割機橫置軸流的脫分系統(tǒng)及清選系統(tǒng)配合，在該方案下能夠獲得較好清潔率的谷粒和較低的損失率。

以谷物聯(lián)合收割機配套發(fā)動機的額定功率為統(tǒng)計參數(shù)，把功率從小到大分為5個檔次，統(tǒng)計國外谷物聯(lián)合收割機配套發(fā)動機的額定功率分布如圖18所示。功率200～300 kW的谷物聯(lián)合收割機占比最大為40%，是目前國際上較為主流的匹配功率范圍。功率100 kW以下的谷物聯(lián)合收割機占比為7%，主要來自于亞洲的Kubota和Yanmar生產(chǎn)的聯(lián)合收割機。

圖18 谷物聯(lián)合收割機配套發(fā)動機的額定功率分布圖

功率400 kW以上的大型谷物聯(lián)合收割機共有18個機型，其裝備的脫粒分離系統(tǒng)最為先進(jìn)，收獲效率和谷粒質(zhì)量表現(xiàn)都較為優(yōu)異，全部機型都配備了智能收獲控制系統(tǒng)，是目前谷物聯(lián)合收割機的脫分系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)的最佳代表。按照功率大小排序，前6位的機型分別為：Fendt的IDEAL 9PL機型功率為483 kW，其脫分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為縱向軸流雙滾筒式；Claas的LEXION 780 TERRA TRAC機型功率為460 kW，其脫分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為切流多滾筒+縱向軸流雙滾筒式；New Holland CR10.9機型功率為446 kW，其脫分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為縱向軸流雙滾筒式；Gleaner S8機型功率為430 kW，其脫分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為橫置單軸流式；Case IH 9240和9250機型功率為410 kW，其脫分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為縱向軸流單滾筒式；John Deere的S790機型功率為405 kW，其脫分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為縱向軸流單滾筒式。由以上統(tǒng)計分析可知，大功率的大型谷物聯(lián)合收割機的脫分系統(tǒng)都選擇了軸流滾筒式，或切縱配合或配置軸流雙滾筒，大直徑的軸流脫粒滾筒可以適應(yīng)大喂入量的作業(yè)要求，同時根據(jù)不同的作物種類和情況，調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速、凹板脫粒間隙和導(dǎo)向板角度，充分利用智能化的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在大喂入量下最優(yōu)的脫粒分離性能。

4 發(fā)展趨勢

目前，國外著名生產(chǎn)廠家的谷物聯(lián)合收割機已具備較高水平，以超大型為主，智能化、信息化技術(shù)應(yīng)用廣泛，向著系列化、大型化、高效率、高質(zhì)量和高智能的方向發(fā)展。

1) 向系列化、大型化方向發(fā)展。谷物聯(lián)合收割機的發(fā)展越來越體現(xiàn)系列化的發(fā)展，例如約翰迪爾(John Deere)擁有5個系列、18個機型，可提供4種不同的谷物脫分技術(shù)方案，配套發(fā)動機功率從最低150 kW的PW30PTC機型至最高405 kW的S790機型，有著廣泛和均勻的分布。同時，各系列的聯(lián)合收割機可以裝備各種類型的割臺以滿足不同作物種類的收獲。不同系列和機型的谷物聯(lián)合又能配置不同的割臺寬度、底盤驅(qū)動方案以適應(yīng)全球各地不同的工作環(huán)境。

本文調(diào)研的國外谷物聯(lián)合收割機有75.9%機型的配套發(fā)動機功率在200 kW以上，向著大型化發(fā)展的軸流脫粒滾筒的直徑基本達(dá)到600 mm以上，并配置更大的脫粒分離空間和更強性能的清選系統(tǒng)，聯(lián)合收割機大型化的發(fā)展?jié)M足了農(nóng)作物單位產(chǎn)量不斷提高的現(xiàn)實，在農(nóng)業(yè)從業(yè)人員不斷減少的情況下，依然能保證每年谷物產(chǎn)量的穩(wěn)定發(fā)展。

2) 向低損失、高效率方向發(fā)展。國外聯(lián)合收割機生產(chǎn)企業(yè)對脫粒分離及清選系統(tǒng)進(jìn)行不斷地深入研究和技術(shù)研發(fā)，通過脫分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的優(yōu)化來實現(xiàn)低損的收獲，如縱向軸流滾筒式采用組合式的脫粒元件，配合脫粒間隙的實時調(diào)整，來實現(xiàn)收獲不同含水率的作物的損失為最低水平。同時，廣泛采用新型的加速滾筒、角度可調(diào)的導(dǎo)向葉片和流量加速分離式的輔助分離機構(gòu)，來實現(xiàn)高效率的作物收獲。

3) 向智能化、信息化方向發(fā)展。針對谷物聯(lián)合收割機高效率、低損失的發(fā)展趨勢，國外各聯(lián)合收割機生產(chǎn)廠商以智能化的脫分系統(tǒng)控制技術(shù)為重點，運用信息化的多傳感器融合技術(shù)在關(guān)鍵工況參數(shù)和作業(yè)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行實時的獲取，通過建立典型農(nóng)作物的收獲作業(yè)模式，實現(xiàn)自學(xué)習(xí)的收獲作業(yè)決策系統(tǒng)。根據(jù)在線監(jiān)測到的工作參數(shù)、作物含水率、喂入量、籽粒破碎率、脫凈率、收獲損失率和產(chǎn)量等信息，谷物聯(lián)合收割機實時的自主的進(jìn)行滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒間隙、導(dǎo)向葉片角度、車輛前進(jìn)速度以及清選等其他系統(tǒng)工作參數(shù)的調(diào)整，實現(xiàn)谷物聯(lián)合收割機收獲效率最大、損失最低，谷粒質(zhì)量最佳的工作效果。