谷物聯合收割機發展現狀與展望分析

吳修明 ， 魯乃遠 ， 鄒全連 ， 蔣 莉 ， 李 剛 ， 吳慶霞

（1.重慶市永川區農機推廣站，重慶 402160；2.重慶陶藝農業機械股份合作社，重慶 402160）

谷物聯合收割機簡稱聯合收割機，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，國外收割機發展比較有代表性的國家和地區為歐美及日本等。歐美多為全喂入脫粒，機型大，生產率高，適合較大規模的生產條件；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，生產率相對較低[1]。近年來，我國已經生產出無人駕駛谷物收割機，無人駕駛谷物收割機的割臺、滾筒操控和作業速度，均可自動調整，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?，本研究對谷物聯合收割機的脫粒分離技術的主要結構、特點以及其所使用的新技術等加以分析[2]，并對其未來發展趨勢進行探討。

1 聯合收割機的分類

聯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。牽引式聯合收割機的優點是機械結構較為簡單，缺點是設備機動性能較差，無法自動開道，不適于在小區域操作。2）自走式聯合收割機是一種自身有動力源的聯合收割機，可以直接完成從收割到清選的全過程，在現有收割機中銷量較好，與牽引式聯合收割機相比，自走式聯合收割機的機動性更強、轉移方式便捷、作業效率高，但購機成本高、能耗大。3）懸掛式聯合收割機，也稱背負式聯合收割機，是指將收割機的機械部分和拖拉機或一些行走機構相組合的聯合收割機。其優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；缺點是其總體設計受拖拉機物理構造的影響，增加了脫粒分離難度，損失率較高且拆裝過程十分復雜。

其中，自走式聯合收割機可分為以下三類。1）自走輪式全喂入谷物聯合收割機。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被廣泛使用，主要收獲的作物為小麥、水稻，自身就可以實現長距離轉移，在進行異地收割、跨區作業時十分方便[3]。2）自走履帶式全喂入谷物聯合收割機。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被廣泛使用。和輪式收割機相比，其優點是履帶為其提供了更大的接地面積和更小的轉彎半徑，能更好適應南方的地形地勢[4]；缺點是在進行長距離轉移時，要靠其他交通工具來運輸，中短距離的跨區作業成本更高[5]。3）自走履帶式半喂入谷物聯合收割機。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，其優點是收獲后的糧食含雜率更低，并能克服深泥腳、倒伏嚴重的作業環境，同時還能完整保存作物莖稈，帶來額外的收入；其缺點是機械結構更復雜，購機成本和維修成本更高[6]。

聯合收割機按喂入方式分類，可分為全喂入式聯合收割機和半喂入式聯合收割機兩類。1）全喂入式聯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，且發動機能耗大。2）半喂入式聯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，可以提高作物的產量，同時降低了脫粒、清選所產生的成本，半喂入式聯合收割機已被廣泛運用于南方的水稻產區[7]。為解決輸送莖稈及傳動的機械系統比較復雜、成本高昂的問題，近年來，相關學者研究開發出了一種摘穗式聯合收割機，又稱梳脫式聯合收割機。這種收割機在作業時，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 聯合收割機脫粒分離系統

脫粒分離系統是谷物聯合收割機的關鍵部分，是影響收割作業中谷粒損失率和破碎率的主要因素，且其工作狀況直接關系到系統的穩定性。為此，眾多科研人員、農業機械制造廠商在谷物聯合收割機整體構造、脫粒分離裝置及相關技術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。脫粒裝置可以根據不同的作物種類、作物狀況、行走速度即時地調整滾筒和凹板的脫粒間隙、導向葉片所對應的角度，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。該裝置可以在不阻礙作物輸送的基礎上改進系統的分離效果，同時實現4D清選系統的工作，改善進入清選系統的物料狀態。3）脫粒滾筒的基本構造及其布置方式，脫粒滾筒的脫粒質量與脫粒部件的基本布置形式、數量多少都有著重要聯系。設計時在一個齒跡中增加脫粒部件的數量，能夠有效減少脫粒滾筒長度，同時也能夠提高脫粒效率，為了保證作業的質量，這些脫粒部件要均勻排布在一個齒跡內，脫粒部件多采用多頭螺旋線來排布。

通過查閱資料，筆者整理了相關改進方法和智能化技術：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，輸送軌跡從側面看呈現出一條圓滑的“幾”字形，這樣作物莖稈不會嚴重扭曲，有效降低了能耗，同時優化了脫粒效果。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，這樣可以更好發揮預備抖動板的功能，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。安裝該系統的收割機可以通過自主控制脫粒、分離和清選的相關參數設置，來不斷優化聯合收割機的收獲性能。4）自走式聯合收割機電氣控制線路優化。國外谷物聯合收割機的智能管理程度較高，一般都安裝了電氣控制、實時參數傳輸及自主行走等系統，能在實時掌握田間小麥情況的基礎上開展自走式收獲工作。我國有專家先后研制開發出可提供各類智能化管理與監測功能的設備并安裝在谷物聯合收割機上，如使用北斗系統等。谷物聯合收割機是一種集合多個不同操作參數協調控制的綜合農業機器，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量與產量[8-9]。

3 發展趨勢

我國農業生產將朝著智慧化方向發展，即在傳統農業生產方式的基礎上，將物聯網、衛星定位、傳感技術和智能控制等技術應用于傳統的農機裝備，從而實現農業生產過程的數字化感知、智能化決策、精準化作業和智慧化管理。目前，應廣泛使用智能化、信息化技術來降低人工成本，并準備在機械結構系統化、提高收割效率和質量、提高智能程度等方向改進[10]，具體分析如下。

1）向單元化、大型化方向發展。谷物聯合收割機的發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、底盤驅動系統來滿足各地不同的作業條件，實現一機多用。

2）向低損失、高質量方向發展。國外發達國家農業機械生產廠家持續對脫粒分離及清選系統進行深入研究和技術創新，利用脫粒分離系統機械結構的優化和工作參數的調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、角度可調的導向葉片和提高作物流量、加快分離速度的輔助分離機構，來完成高效率的收割作業。

3）向智能化、信息化方向發展。將現代先進技術與農業深度融合，可大幅提高勞動生產率、土地產出率和資源利用率，是實現農業生產過程中的數字化感知、精準化作業、智能化決策和智慧化管理的先進農業生產力，也是社會發展的必然趨勢。以數字化感知為例，農業傳感技術和物聯網技術是數字化感知的核心技術，因此，可研發可靠性和穩定性高、成本低，適用于各種農業生產環境的高精度傳感器，開發集多種參數感知于一體的多用途小型化傳感器，如微機電系統（MEMS）、微電子機械、仿生及生物傳感器等新型傳感器。此外，應加快實現農機裝備傳感器的智能化和信息監測及數據分析，實現土壤—作物—機器—環境傳感器協調下的智能決策與精準作業。通過構建典型農作物的收割操作模型，讓機器自主學習，建立自動化控制系統，從而精確地控制谷物聯合收割機完成作業，提高收獲效率，降低損失率和破損率，改善谷物質量。