聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

趙 宇

(黑河市愛(ài)輝區(qū)農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法大隊(duì)，黑龍江 黑河 164300)

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的不斷推進(jìn)，谷物聯(lián)合收割機(jī)可以一次性完成谷物收獲、脫粒、清選等作業(yè)環(huán)節(jié)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。在我國(guó)糧食生產(chǎn)中，小麥聯(lián)合收獲面積超過(guò)87%，水稻聯(lián)合收獲面積超過(guò)65%，玉米聯(lián)合收獲面積僅為15%左右。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距[1]。

我國(guó)聯(lián)合收割機(jī)智能化及自動(dòng)化水平較低，由于聯(lián)合收割機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣[2]，因此，聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)時(shí)影響因素較為復(fù)雜。如，谷物濕度、品種、種植模式、谷物喂入量、機(jī)器行進(jìn)速度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速等，駕駛員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)器故障，嚴(yán)重時(shí)還導(dǎo)致整機(jī)故障停機(jī)，影響工作效率，降低聯(lián)合收割機(jī)的工作性能。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)工作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有利于駕駛員對(duì)聯(lián)合收割機(jī)工作狀態(tài)及工作參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，降低故障發(fā)生率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[3-4]。

本研究對(duì)目前國(guó)內(nèi)外聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)論述，對(duì)影響聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行分析，提出目前聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，并給予相應(yīng)的措施，指出未來(lái)聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要發(fā)展方向與研究重點(diǎn)。研究結(jié)果旨在為提升聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作性能及技術(shù)水平提供理論依據(jù)，對(duì)于推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化及智能化水平具有重要意義。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外聯(lián)合收割機(jī)大致分為歐美大型聯(lián)合收割機(jī)及日本小型聯(lián)合收割機(jī)兩種。在歐美地區(qū)，作物種植多為大型農(nóng)場(chǎng)，以種植小麥為主，兼收玉米、豆類、水稻等，以大型聯(lián)合收割機(jī)為主，生產(chǎn)效率高。以美國(guó)約翰迪爾、凱斯，德國(guó)克拉斯，英國(guó)福克森為主要生產(chǎn)企業(yè)，其主要代表聯(lián)合收割機(jī)機(jī)型如表1所示。目前，在聯(lián)合收割機(jī)上采用電子傳感器及智能調(diào)控系統(tǒng)，輔以高精度GPS定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的在線監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)調(diào)控，基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智能化與故障診斷及分類技術(shù)。日本農(nóng)業(yè)種植較為分散，多為小型種植模式，以水稻種植為主，兼收小麥等農(nóng)作物[5]。

表1 國(guó)外典型聯(lián)合收割機(jī)概況

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)關(guān)于聯(lián)合收割機(jī)的研究起步較晚，在19世紀(jì)初期，我國(guó)初步研制出E514系列聯(lián)合收割機(jī)。目前，我國(guó)關(guān)于聯(lián)合收割機(jī)的研究及技術(shù)相對(duì)較為成熟，但是聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置仍處于初級(jí)階段。江蘇大學(xué)首次研制出聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速誤差偏離設(shè)定值時(shí)便會(huì)發(fā)出報(bào)警。后期黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)也相繼研制出谷物收獲在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)谷物喂入量超過(guò)設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警，避免由于喂入量不均勻或喂入量過(guò)大造成機(jī)器故障。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)國(guó)產(chǎn)聯(lián)合收割機(jī)配套研發(fā)出智能測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)更新糧食產(chǎn)量信息及糧食收獲信息。此外，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)結(jié)合相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械企業(yè)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行研究[6]，但是相關(guān)技術(shù)仍處于初級(jí)階段，只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)部件的工作監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能，不能實(shí)現(xiàn)各個(gè)零部件技術(shù)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與優(yōu)化。

2 性能要求

聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要性能要求包括適用性、可靠性、智能化及人性化。

2.1 適用性

由于我國(guó)地域較廣，不同地區(qū)地形地貌及作物種植方式差異性較大，因此要求不同聯(lián)合收割機(jī)在不同地區(qū)及不同種植模式下具有一定的通用性及適用性，有利于我國(guó)不同地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及智能化進(jìn)程，這就要求聯(lián)合收割機(jī)在研制過(guò)程中各個(gè)零部件可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作物高度、種植密度等。

2.2 可靠性

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，聯(lián)合收割機(jī)需要一次性完成作物的收割、脫粒、清選等多項(xiàng)作業(yè)環(huán)節(jié)，因此要求聯(lián)合收割機(jī)各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)都具有一定的可靠性，避免由于一項(xiàng)作業(yè)環(huán)節(jié)故障而造成整個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)停止，耽誤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

2.3 智能化

趙春江院士明確指出，目前，我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展重點(diǎn)仍然是提高農(nóng)業(yè)機(jī)械及配套裝備的智能化程度，未來(lái)發(fā)展中，復(fù)合式、高性能及智能化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備仍然是農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展重點(diǎn)。因此，推進(jìn)聯(lián)合收割機(jī)信息化及智能化對(duì)于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要意義。

2.4 人性化

農(nóng)業(yè)駕駛是一項(xiàng)枯燥、重復(fù)的農(nóng)業(yè)工作，駕駛員要在密閉的駕駛室內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的農(nóng)業(yè)駕駛工作，對(duì)于駕駛員身體素質(zhì)及體力素質(zhì)都具有一定的挑戰(zhàn)性及難度，因此，應(yīng)該優(yōu)化駕駛室工作環(huán)境，配合智能監(jiān)控系統(tǒng)及可視化界面，降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 影響工作性能的主要因素

3.1 聯(lián)合收割機(jī)的工作參數(shù)

聯(lián)合收割機(jī)機(jī)械性能是保障谷物收獲的基礎(chǔ)條件，其工作性能也會(huì)影響聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作性能，影響因素主要包括脫粒滾筒、谷物喂入量、機(jī)器行進(jìn)速度等。

3.1.1 脫粒滾筒參數(shù)

脫粒滾筒轉(zhuǎn)速直接影響作物脫粒效率，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，滾筒凹版振動(dòng)幅度與頻率增加，從而促進(jìn)谷粒分離，但是轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，會(huì)造成谷物籽粒脫落，影響收獲效率。

3.1.2 谷物喂入量

谷物喂入量主要受到機(jī)器行進(jìn)速度、割臺(tái)高度及割臺(tái)寬度的影響，當(dāng)喂入量過(guò)小時(shí)，會(huì)造成收割機(jī)資源浪費(fèi)，喂入量過(guò)大，會(huì)增加喂入裝置的負(fù)荷，造成滾筒堵塞，發(fā)生機(jī)器故障。

3.1.3 機(jī)器行進(jìn)速度

機(jī)器行進(jìn)速度主要受到田間作業(yè)環(huán)境、谷物濕度及地面環(huán)境的影響，機(jī)器行進(jìn)速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致谷物漏割，行進(jìn)速度過(guò)慢，會(huì)造成谷物收獲量增加，導(dǎo)致脫粒滾筒堵塞。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度

聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度主要受到傳感器技術(shù)、高精度定位技術(shù)(GPS)、遙感技術(shù)(RS)及地理信息技術(shù)(GIS)的影響，提高聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)水平及智能化水平，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)及相關(guān)參數(shù)的在線檢測(cè)及實(shí)時(shí)工況的監(jiān)視功能，對(duì)于駕駛員及時(shí)優(yōu)化技術(shù)參數(shù)提供依據(jù)。

4 聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

由于聯(lián)合收割機(jī)工作結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，在提高聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度的同時(shí)，應(yīng)該提升聯(lián)合收割機(jī)故障診斷水平。目前，市面上常見(jiàn)的聯(lián)合收割機(jī)故障診斷系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，但是在實(shí)際生產(chǎn)中不方便攜帶。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平的不斷提升，移動(dòng)故障檢測(cè)及信息傳輸技術(shù)在航空航天系統(tǒng)、汽車及其他工業(yè)設(shè)備中廣泛應(yīng)用。未來(lái)應(yīng)基于移動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷，利用云端采集故障信息進(jìn)行故障診斷與信息傳輸，主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，關(guān)鍵技術(shù)模塊如圖2所示，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)工作部件、液壓系統(tǒng)及動(dòng)力裝置工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。基于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)服務(wù)端建立數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)將信息傳輸至移動(dòng)端并進(jìn)行報(bào)警，滿足用戶根據(jù)實(shí)時(shí)故障信息及工況進(jìn)行遠(yuǎn)程故障檢測(cè)與處理。

圖1 基于Android移動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

圖2 基于Android移動(dòng)控制系統(tǒng)主要工作模塊示意圖

5 結(jié)論

聯(lián)合收割機(jī)是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要農(nóng)業(yè)機(jī)械之一，可以一次性完成谷物收割、脫粒、清選等作業(yè)環(huán)節(jié)，其自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是影響田間作業(yè)效率及工作性能的重要組成部分。本研究首先介紹了國(guó)內(nèi)外谷物聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在智能化程度低等問(wèn)題，未來(lái)針對(duì)聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)將充分運(yùn)用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、故障診斷技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制，進(jìn)一步提高聯(lián)合收割機(jī)的智能化控制精度及通用性，滿足不同地區(qū)、不同作物的收獲需求，研究結(jié)果以期為提高聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作性能提供技術(shù)參考，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化程度具有重要意義。