國內玉米聯合收獲機技術進展

摘 要： 在研究國內玉米聯合收獲機割臺系統、軸流脫粒系統、智能清選系統、谷物流量傳感系統和在線監測系統等關鍵部件技術研究概況的基礎上，介紹了幾款玉米籽粒收獲機、青飼料收獲機和鮮食玉米收獲機的主要技術特點，為今后研究技術和性能先進的玉米聯合收獲機提供參考。

關鍵詞：玉米；聯合收獲機；技術進展；青飼料收獲機；割臺；脫粒系統

中圖分類號：S225 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）05-0022-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.05.004

0 引言

玉米作為我國的主要糧食作物之一，其生產效率的提升直接關系到農業經濟的穩定發展。近年來，隨著科技不斷進步和農業機械化水平日益提高，玉米聯合收獲機作為實現玉米生產自動化的關鍵設備，其技術發展受到了廣泛關注。但是，玉米聯合收獲機在實際應用過程中仍然存在一些問題需要解決。一方面，部分機器的收獲效率、脫粒效果及籽粒損失率等方面無法達到理想狀態，影響了玉米收獲的質量和效率；另一方面，土地集約化程度不高和種植結構多樣化制約了玉米聯合收獲機的推廣應用。此外，為了提高經濟效益，一些農戶在種植玉米時還會間作套種其他作物，增加了機械化收獲的難度；部分玉米品種具有生育期較長、抗倒性差和果穗苞葉多等特性，這不利于機械化收獲，也制約了玉米聯合收獲機的發展。

本研究梳理和分析國內玉米聯合收獲機技術進展，探討其發展趨勢，分析玉米聯合收獲機關鍵工作部件在性能、部件設計、作業效率等方面的技術特點，展望玉米聯合收獲機技術發展方向，為提高我國玉米收獲機械化水平奠定基礎。

1 技術分析

1.1 割臺系統

割臺是玉米聯合收獲機的關鍵核心部件，相關研究內容較多。耿愛軍等[1] 針對國內玉米收獲機割臺高度機械調控存在的問題，研發了一套割臺高度自動調控系統。該系統整合了浮動壓緊式仿形機構、STM32控制單元和相關電子模塊，通過角度傳感器監測并配合扭簧優化的仿形板適應地面變化，確保割臺貼合地形。系統運用PID 控制算法自動調節割臺高度，實現精確控制。測試顯示，在自動模式下割臺高度調節誤差控制在20 mm 內，響應速度達0.42 m/s，滿足玉米收獲機割臺調控要求，為收獲機的智能化設計提供了技術支持。特別是在南方丘陵地區，由于氣候原因，玉米收獲期的籽粒含水率高，直接影響機械化收獲的效果。

羅琪[2] 以湖南省為例，深入分析了玉米種植農藝現狀，對割臺進行了優化研究，旨在減少收獲過程中的籽粒損失。研究內容：一是對南方地區玉米莖稈進行機械性能測試，獲取其抗彎、壓縮和切割性能參數，并通過混合脫粒試驗評估了高含水率下玉米直收的可能性；二是分析割臺結構功能，優化關鍵部件，建立數學模型，并進行了實地測試以驗證結構設計的合理性；三是通過模態分析研究割臺在工作時的共振問題，并計算出避免共振的工作條件； 四是利用Design-Expert 軟件設計曲面響應試驗，優化撥禾輪安裝位置、高度、轉速和割刀高度等因素， 田間落穗率降低19.91%，顯著提升了割臺的收獲效果。通過這些綜合性研究，對推動南方地區玉米收獲機械化的發展和提升收獲效率與質量有重要作用。

金誠謙等[3] 為了提高聯合收獲機割臺高度調控系統的地形響應靈敏度和精度，設計了一種主副板壓緊式仿形機構，包括主副仿形板、彈簧、角度傳感器和四連桿傳動機構。通過幾何和力學模型確定關鍵參數，并運用粒子群優化和多體動力學?離散元素法（MBDDEM）耦合進行優化測試。優化結果表明，彈簧剛度系數和初始長度是影響因素。最佳參數組合：彈簧剛度系數464 N/m，彈簧初始長度0.09 m，副仿形板長度484 mm，主仿形板長度450 mm，材料為301 不銹鋼。田間試驗結果表明，割臺對副仿形板的作用力均gt;0，土壤對主仿形板平均作用力85～86 N，對應的土壤沉降距離lt;10 mm，驗證了仿形機構設計參數的合理性和割臺仿形系統的可靠性，可滿足收獲需求。

姚傳鑫[4] 針對現行玉米聯合收獲機存在的問題，如莖稈折斷、籽粒破損和割臺碰撞，通過對摘穗、脫粒和割臺控制機構的改進研究，提出了針對性的解決方案，以期達到低損傷、高效率的收獲目標。研究設計了一種新型激振摘穗裝置，利用激振理論，減少了對莖稈的拉力。同時，通過運動學仿真和響應曲面分析，得出了更適合的作業參數。此外，還提出了錐形脫粒分離裝置的創新設計，通過減少脫粒元件對果穗的沖擊力，降低了籽粒損傷。通過仿真試驗確認了裝置的優化結構參數，實現了更高效的脫粒效果。針對割臺高度控制問題，研究開發了割臺仿形測控系統，結合超聲波傳感器與機械仿形機構的測量方案，提高了割臺的作業精度和可靠性。最后，通過對割臺進行運動學分析和受力分析，采用卡爾曼濾波優化的PID控制算法，實現了割臺運動的精確控制。研究結果表明，所提方案能顯著提高玉米聯合收獲機的作業質量和效率，對推動我國玉米機械化收獲水平的提升具有重要的理論價值和應用前景。

1.2 軸流脫粒系統

目前，國內外大多數聯合收獲機使用縱軸流脫粒系統，其性能對谷物的脫粒效果至關重要，影響機械化收獲的效率、破碎率和損失率。王勛威等[5] 為了提升中小型聯合收獲機中橫軸流脫粒分離裝置的性能，研究了滾筒轉速、喂入量及脫粒間隙等因素對其脫粒分離能力的影響，并通過概率學原理，建立了相應的數學模型來預測未脫凈率和夾帶損失率。模型驗證試驗結果顯示，未脫凈率和夾帶損失率的預測誤差分別為8.23% 和2.90%。模型及試驗結果均確認了這些參數對脫粒分離性能具有顯著影響，從而為優化橫軸流脫粒分離裝置結構提供了理論支撐。

金冬博[6] 針對單縱軸流玉米聯合收獲機在實際操作中存在控制系統復雜、工作效率和質量不高的問題，設計了一種高智能化控制系統，以提升收獲機的性能。該系統綜合考慮工作地點、作業時間和作物含水率等因素，自動調整脫粒滾筒轉速和凹板間隙，實現了最優工作參數的實時調節。采用液壓比例控制技術和電機控制技術相結合，以PLC 為核心進行PID 算法實時控制，通過模擬和實地測試驗證了系統的有效性。

劉婉茹等[7] 優化了縱軸流稻谷脫粒設備中鼓形脫粒滾筒的棒齒結構，以改善鼓形脫粒滾筒的軸向負載均勻性，降低了脫粒功率消耗。通過建立棒齒與稻谷的碰撞力學模型，分析了影響軸向負載均勻性的棒齒直徑和長度等參數，通過仿真測試確定了最佳的棒齒直徑10 mm、脫粒間隙25 mm。試驗研究表明，優化后的彎曲棒齒設計比傳統圓柱棒齒和閉弓棒齒的軸向負載分布更均勻，脫粒功率消耗降低7.15%，有效提高了脫粒滾筒的性能。此研究對我國丘陵山區小型縱軸流收獲機的性能優化具有重要參考價值。

在華北地區，由于玉米收獲季節籽粒含水率較高，使用常規的釘齒式和桿齒式脫粒組件會導致較高的籽粒破碎率。為解決這一問題，王鎮東等[8] 研究開發了一種新型紋桿式脫粒元件，并對其結構進行了細致研究。通過分析紋桿前傾角對果穗受力的影響，以籽粒破碎時的壓縮量作為參考，對紋桿塊頂端的弧面形狀進行了優化設計。利用EDEM 軟件進一步研究了紋桿頂部參數對果穗受力的影響，并通過4 因素4 水平的正交試驗法對其結構參數進行了優化。試驗結果表明，最佳的紋桿參數組合為前傾角75°、凸棱傾角25°、凸棱寬度6 mm 和凸棱高度10 mm。臺架試驗探究了滾筒轉速和凹板間隙等工作參數對脫粒效果的影響。在籽粒含水率28.5% 時，滾筒轉速300 r/min 和凹板間隙50 mm 下的籽粒破碎率可降至5.34%。與傳統的脫粒元件相比較，比桿齒式脫粒元件的籽粒破碎率（9.91%）和釘齒式脫粒元件的籽粒破碎率（7.83%）分別降低4.57 和2.49 個百分點，驗證了新型紋桿式脫粒元件在減少玉米脫粒破碎率方面的有效性。

1.3 智能清選系統

作為玉米聯合收獲機的核心組成部分，清選系統中各項結構參數的精確調節對于降低籽粒在清選過程中的損失率及減少含雜率起著至關重要的作用。劉鵬等[9] 為提升國內谷物收獲機的清選效率，針對風篩式清選裝置的作業參數調控和監測自動化水平較低的問題，分析了4 個關鍵清選參數（振動篩曲柄轉速、風門開度、風機轉速和篩片開度）的調節原則，并設計了一套多參數可調可測式清選系統。該系統改進了參數的自動調控、監測和顯示，通過電力驅動實現了綠色環保作業。系統調節精度達97.17% 以上，確保了參數的精確調控和實時顯示。田間試驗表明，安裝該系統的4LZ-4 型收獲機收獲總損失率3.13%， 含雜率2.70%，滿足行業標準要求。

張偉等[10] 為了提升玉米籽粒收獲機的清選性能，降低其損失率和含雜率，設計了一種結合風機和雙層魚鱗狀篩網的清選裝置。對該裝置建立數學模型，并進行理論分析，識別了影響清選效率的關鍵因素。利用ADAMS 進行動態仿真，得到了清選篩動態加速度的特征曲線，并對風機蝸殼的主要參數進行了精細化的優化。試驗采用Box-Behnken 設計，以籽粒的雜質含量和損失率作為試驗指標，通過變化風機轉速、振動頻率和篩網開度，建立了因素與指標之間的回歸模型。分析物料在清選過程中的運動狀態，確定了合適的篩網加速度范圍，并通過對振動篩連桿進行數學建模，找到了影響清選效果的主要因素。在優化的參數下，即風機轉速1 050 r/min、振動頻率6 Hz、篩網孔徑17 mm 時，籽粒的雜質含量降至0.94%，損失率降至1.19%，顯示出清選裝置的參數優化能有效滿足行業要求。

1.4 谷物流量傳感系統

精確獲取和繪制作物產量分布圖是實施精細農業和精準管理的關鍵。安裝在玉米聯合收獲機上的產量監測系統可以提供這些數據，支持田間管理和資源優化，增加產量，減少污染，促進可持續農業發展，并推動國內農業技術創新。谷物產量監測技術主要分為沖擊式、容積式、動態稱量和輻射測量。沖擊式測量普遍使用，但可能損害谷物；容積式測量和動態稱量因田間條件和機器振動導致誤差；輻射測量因成本和安全性未廣泛采用[11]。

耿端陽等[12] 開發了一種基于糧流壓力原理的在線監測系統，并構建了相應的數學模型。該系統包括糧流監測裝置、定位裝置、割臺高度控制開關、核心處理器和人機交互設備等。系統實現了糧食收獲過程中產量的實時測量、顯示和存儲。通過優化試驗，確定了傳感器數量、安裝位置和設備傾角的最佳參數，實現了糧食產量監測系統的精確度。試驗表明，系統監測誤差5.28%。能夠滿足精準農業實際生產需求。

馬鑫等[13] 開發了一套利用CAN 總線技術的微波產量感應器。該裝置通過在收獲機上安裝的微波模塊發射和接收微波信號，通過檢測反射回的微波頻率變化來分析作物的產量數據。

為了準確監測農作物的損失率，李耀明等[14] 設計了一套籽粒損失監測傳感器標定試驗臺，由升降平臺、升降驅動裝置、給料裝置和傳感器安裝平臺等構成。該設備能夠在實驗室環境下模擬不同的作業條件，通過調整傳感器的安裝高度和角度，對飽滿和不飽滿的小麥籽粒及不同長度的莖稈進行精確標定。試驗結果顯示，該監測傳感器在不同水分含量的小麥樣品中，測量誤差控制在了4.8% 以內。基于實驗室的標定結果，確定了傳感器在田間監測時的最佳安裝位置，田間測試顯示夾帶損失的最大監測誤差3.40%，證明了標定試驗臺在精確監測作物損失方面的有效性。

1.5 在線監測系統

張敏等[15] 開發了一種利用近紅外光譜技術的谷物蛋白含量在線檢測系統，集成到玉米聯合收獲機中，用于收獲時實時監測作物蛋白含量及記錄采樣位置。系統由近紅外傳感器、螺旋取樣機構、PID 控制步進電機、GPS/北斗定位和數據處理軟件組成，能在不同玉米籽粒流經時進行光譜捕獲和定位信息記錄。室內外測試表明，系統預測性能穩定，均方根誤差分別為0.638 和0.516，滿足田間在線檢測需求，為精準農業提供參考。

2 產品技術特點

近年來，國內玉米聯合收獲機發展方向主要有籽粒收獲機、青飼料收獲機和鮮食玉米收獲機。市場上一些代表產品列舉如下。

2.1 中聯收獲4YZL-5（G4）型自走式玉米籽粒聯合收獲機

①采用四連桿鉸接結構，割臺角度調整方便，3 次深度粉碎，有機肥料還田。②傳感器靈敏度高，響應速度快，瞬時傳遞轉速訊息，精密聯動報警，預防突發事件。③利用人體仿生學原理，設計指型壓送裝置，5 組20 輥同步開動，柔性剝皮技術，提速作業效能品質。④機械離合攪龍卸糧，智能化無人工作業，卸籽粒效能較高。

2.2 雷沃谷神GK120 PRO 型聯合收獲機

①可配套4.57 m 剛臺、5.34 m 撓臺、6 行/8 行籽粒割臺、撿拾割臺等。②單縱軸流滾筒喂入錐體導草板、喂入葉片螺旋角優化，喂入更順暢。③新3 段式滾筒，大紋桿塊螺旋排布，長分離齒橫向排布，收玉米配圓鋼凹板 +柵格凹板 +梳齒凹板組合，減少碎芯，降低籽粒破碎，脫粒干凈，分離徹底。④柵格凹板結構全新優化，排出秸稈更長，脫粒干凈，分離徹底。⑤脫粒分離能力強，清選面積大，糧倉大，卸糧速度快。⑥正壓密封空調駕駛室，格拉默懸浮減振座椅，電控手柄，操縱更輕便，手柄集成割臺高低、撥禾輪高低、卸糧筒開合、卸糧離合和一鍵急停按鍵，操作方便。⑦操控面板集電控工作離合，電控滾筒調速，卸糧筒一鍵開合，糧箱蓋電動開合，扶手箱高低電控調節按鈕，操作更舒心。⑧可用于大豆、玉米籽粒、小麥、谷子和高粱等作物的收獲作業，適用于東北、中原，以及新疆維吾爾自治區（簡稱新疆）的大型農服組織、合作社進行大地塊作業。

2.3 美迪9QZ-3000 型自走式青飼料收獲機

①往復式割臺留茬低，收獲倒伏玉米效果好。割臺具有仿形裝置，可以隨地勢小范圍上下浮動，有效保護割刀。②玉米籽粒破碎率可達90% 以上，是傳統對輥籽粒破碎器破碎面積的270%。③喂入室由8 個喂入輥組成，能有效對秸稈多級滾壓、壓扁，飼料適口性好；喂入寬度580 mm，喂入更流暢、不易堵塞。④選用雙葉片螺旋推運器，輸送流暢、螺旋片強度大、經久耐用。

2.4 谷耘豐4YZT-2 型自走式鮮食玉米收獲機

①配置四驅液壓無級變速驅動橋，取代傳統無級變速輪和離合器，驅動動力強勁，大大降低故障率，提高作業效率。②配備模擬人手采摘的夾持式仿生割臺，近似人工采摘，玉米損傷率低。③全車液壓系統，反應靈敏、穩定性好、可靠性高。④裝備電控系統，智能操縱、簡單靈活，駕駛員疲勞感降低、舒適度提升。

3 發展趨勢

3.1 不同地區產品發展趨勢

隨著國內玉米種植品種的不斷改良，預計未來5～8 年，黑龍江農墾、新疆生產建設兵團，以及黃淮海大部區域機械化程度將會走入發展的快車道，有望早日全面實現籽粒收獲。其中，大面積成片地塊將實現規模機械作業，烘干設施完善、糧商布局完備區域，將以大中型籽粒收普及為主；黃準海等區域籽粒收機型由小及中，逐步過渡，摘穗機型的應用場景將逐步減少。在此基礎上，特需機型將在全面技術進步下展現出新形態，如鮮食玉米收獲機、穗莖兼收等復合功能機型將在細分領域有充足的發展空間；丘陵山區特需小型或履帶式玉米收機型將并存；隨著籽粒收獲技術的不斷升級，各地區將逐步向更適用的產品過渡，這是今后主要發展方向。

3.2 技術發展趨勢

（1）智能化和自動化。引入先進的傳感器、控制系統和導航技術，實現自動導航、智能識別作物成熟度、自動調整收獲參數等功能，從而提高收獲效率和精度。

（2）多樣化和個性化。開發適合不同地區、不同種植模式的收獲機型號，滿足農民對機械設備多樣化的需求。

（3）信息化和智能化。與信息化和智能化管理技術相結合，實現遠程監控、故障診斷、智能維護等功能，幫助農民更好地管理農業生產。

（4）節能和環保。未來玉米聯合收獲機將更加注重環保和節能技術的應用。如采用更加高效的發動機、優化機械結構、使用可再生能源等，降低能源消耗，減少環境污染。

4 結束語

我國是玉米生產大國，隨著玉米產業的快速發展，玉米聯合收獲機作為促進產業化的關鍵手段，其技術性能、作業效率和智能化程度也將取得更大的突破。同時，玉米聯合收獲機技術的發展還面臨著諸多挑戰。在解決機械性能不穩定、智能化水平不足等問題上，仍需科研機構和企業持續投入研發力量，加大技術創新力度。展望未來，玉米聯合收獲機技術不斷取得新的突破和進展，為提升我國玉米生產效率和質量作出更大的貢獻。推動我國農業機械化水平再上新臺階，為構建現代化農業體系、實現農業強國目標提供有力支撐。