吳修明 ， 魯乃遠(yuǎn) ， 鄒全連 ， 蔣 莉 ， 李 剛 ， 吳慶霞

（1.重慶市永川區(qū)農(nóng)機(jī)推廣站，重慶 402160；2.重慶陶藝農(nóng)業(yè)機(jī)械股份合作社，重慶 402160）

谷物聯(lián)合收割機(jī)簡(jiǎn)稱聯(lián)合收割機(jī)，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(nóng)作物的收獲機(jī)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(guó)外收割機(jī)發(fā)展比較有代表性的國(guó)家和地區(qū)為歐美及日本等。歐美多為全喂入脫粒，機(jī)型大，生產(chǎn)率高，適合較大規(guī)模的生產(chǎn)條件；日本則以中小型水稻收割機(jī)為主，多采用半喂入脫粒，機(jī)型小，生產(chǎn)率相對(duì)較低[1]。近年來，我國(guó)已經(jīng)生產(chǎn)出無人駕駛谷物收割機(jī)，無人駕駛谷物收割機(jī)的割臺(tái)、滾筒操控和作業(yè)速度，均可自動(dòng)調(diào)整，具有智能化程度高、操作簡(jiǎn)單、工作模式多樣靈活、行駛路徑直、軌跡偏差小等特點(diǎn)?；诖?，本研究對(duì)谷物聯(lián)合收割機(jī)的脫粒分離技術(shù)的主要結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及其所使用的新技術(shù)等加以分析[2]，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1 聯(lián)合收割機(jī)的分類

聯(lián)合收割機(jī)按動(dòng)力來源分類，可分為牽引式、自走式、懸掛式三類。1）牽引式聯(lián)合收割機(jī)一般需要拖拉機(jī)作為動(dòng)力源才能完成工作。牽引式聯(lián)合收割機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是設(shè)備機(jī)動(dòng)性能較差，無法自動(dòng)開道，不適于在小區(qū)域操作。2）自走式聯(lián)合收割機(jī)是一種自身有動(dòng)力源的聯(lián)合收割機(jī)，可以直接完成從收割到清選的全過程，在現(xiàn)有收割機(jī)中銷量較好，與牽引式聯(lián)合收割機(jī)相比，自走式聯(lián)合收割機(jī)的機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)、轉(zhuǎn)移方式便捷、作業(yè)效率高，但購(gòu)機(jī)成本高、能耗大。3）懸掛式聯(lián)合收割機(jī)，也稱背負(fù)式聯(lián)合收割機(jī)，是指將收割機(jī)的機(jī)械部分和拖拉機(jī)或一些行走機(jī)構(gòu)相組合的聯(lián)合收割機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是基本上保留了自走式收割機(jī)的特性，且可以更換收割機(jī)類型，費(fèi)用也較低；缺點(diǎn)是其總體設(shè)計(jì)受拖拉機(jī)物理構(gòu)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(fù)雜。

其中，自走式聯(lián)合收割機(jī)可分為以下三類。1）自走輪式全喂入谷物聯(lián)合收割機(jī)。此種機(jī)型多用于旱地、平原，在東北、中原等大面積耕地且地勢(shì)相對(duì)平緩的地區(qū)被廣泛使用，主要收獲的作物為小麥、水稻，自身就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)移，在進(jìn)行異地收割、跨區(qū)作業(yè)時(shí)十分方便[3]。2）自走履帶式全喂入谷物聯(lián)合收割機(jī)。該機(jī)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(qū)被廣泛使用。和輪式收割機(jī)相比，其優(yōu)點(diǎn)是履帶為其提供了更大的接地面積和更小的轉(zhuǎn)彎半徑，能更好適應(yīng)南方的地形地勢(shì)[4]；缺點(diǎn)是在進(jìn)行長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)移時(shí)，要靠其他交通工具來運(yùn)輸，中短距離的跨區(qū)作業(yè)成本更高[5]。3）自走履帶式半喂入谷物聯(lián)合收割機(jī)。該機(jī)型主要收獲的作物是水稻，其次為小麥。與其他機(jī)型相比，其優(yōu)點(diǎn)是收獲后的糧食含雜率更低，并能克服深泥腳、倒伏嚴(yán)重的作業(yè)環(huán)境，同時(shí)還能完整保存作物莖稈，帶來額外的收入；其缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，購(gòu)機(jī)成本和維修成本更高[6]。

聯(lián)合收割機(jī)按喂入方式分類，可分為全喂入式聯(lián)合收割機(jī)和半喂入式聯(lián)合收割機(jī)兩類。1）全喂入式聯(lián)合收割機(jī)是指將需要收割的糧食作物連同其部分莖稈全部輸送進(jìn)脫粒裝置的聯(lián)合收割機(jī)。小麥的收獲大多采用這種類型的收割機(jī)，其弊端主要是不能保存完整的莖稈，且發(fā)動(dòng)機(jī)能耗大。2）半喂入式聯(lián)合收割機(jī)是指僅將需要收割的糧食作物的穗頭部輸送進(jìn)脫粒裝置的聯(lián)合收割機(jī)，該種機(jī)型提高了莖稈的完整性，可以提高作物的產(chǎn)量，同時(shí)降低了脫粒、清選所產(chǎn)生的成本，半喂入式聯(lián)合收割機(jī)已被廣泛運(yùn)用于南方的水稻產(chǎn)區(qū)[7]。為解決輸送莖稈及傳動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)比較復(fù)雜、成本高昂的問題，近年來，相關(guān)學(xué)者研究開發(fā)出了一種摘穗式聯(lián)合收割機(jī)，又稱梳脫式聯(lián)合收割機(jī)。這種收割機(jī)在作業(yè)時(shí)，割臺(tái)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(diǎn)，但很難控制損失率。

2 聯(lián)合收割機(jī)脫粒分離系統(tǒng)

脫粒分離系統(tǒng)是谷物聯(lián)合收割機(jī)的關(guān)鍵部分，是影響收割作業(yè)中谷粒損失率和破碎率的主要因素，且其工作狀況直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此，眾多科研人員、農(nóng)業(yè)機(jī)械制造廠商在谷物聯(lián)合收割機(jī)整體構(gòu)造、脫粒分離裝置及相關(guān)技術(shù)方面進(jìn)行了大量深入研究與探討。分析如下：1）脫離間隙可調(diào)。脫粒裝置可以根據(jù)不同的作物種類、作物狀況、行走速度即時(shí)地調(diào)整滾筒和凹板的脫粒間隙、導(dǎo)向葉片所對(duì)應(yīng)的角度，讓作物與機(jī)械更高效充分地接觸，進(jìn)而達(dá)到最佳的脫粒效果。2）脫粒擋板可調(diào)。該裝置可以在不阻礙作物輸送的基礎(chǔ)上改進(jìn)系統(tǒng)的分離效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)4D清選系統(tǒng)的工作，改善進(jìn)入清選系統(tǒng)的物料狀態(tài)。3）脫粒滾筒的基本構(gòu)造及其布置方式，脫粒滾筒的脫粒質(zhì)量與脫粒部件的基本布置形式、數(shù)量多少都有著重要聯(lián)系。設(shè)計(jì)時(shí)在一個(gè)齒跡中增加脫粒部件的數(shù)量，能夠有效減少脫粒滾筒長(zhǎng)度，同時(shí)也能夠提高脫粒效率，為了保證作業(yè)的質(zhì)量，這些脫粒部件要均勻排布在一個(gè)齒跡內(nèi)，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(guān)改進(jìn)方法和智能化技術(shù)：1）上擊式滾筒。在主脫粒滾輪的后上方再加裝一個(gè)滾筒及其所需的凹板，長(zhǎng)度一般在50 cm左右，主要作用是讓作物直接從滾輪上方經(jīng)過，并在相對(duì)普通收割機(jī)脫粒滾筒更高的地方進(jìn)入分離裝置，輸送軌跡從側(cè)面看呈現(xiàn)出一條圓滑的“幾”字形，這樣作物莖稈不會(huì)嚴(yán)重扭曲，有效降低了能耗，同時(shí)優(yōu)化了脫粒效果。2）谷粒回收盤?？梢杂糜诳v向脫粒滾筒的機(jī)型上，置于脫粒滾筒的下方，這樣可以更好發(fā)揮預(yù)備抖動(dòng)板的功能，使得谷粒清選更加充分。在機(jī)身傾斜時(shí)保證作物正常輸送的同時(shí)，降低損失率。3）CEMOS AUTOMATIC智能操作輔助系統(tǒng)。安裝該系統(tǒng)的收割機(jī)可以通過自主控制脫粒、分離和清選的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，來不斷優(yōu)化聯(lián)合收割機(jī)的收獲性能。4）自走式聯(lián)合收割機(jī)電氣控制線路優(yōu)化。國(guó)外谷物聯(lián)合收割機(jī)的智能管理程度較高，一般都安裝了電氣控制、實(shí)時(shí)參數(shù)傳輸及自主行走等系統(tǒng)，能在實(shí)時(shí)掌握田間小麥情況的基礎(chǔ)上開展自走式收獲工作。我國(guó)有專家先后研制開發(fā)出可提供各類智能化管理與監(jiān)測(cè)功能的設(shè)備并安裝在谷物聯(lián)合收割機(jī)上，如使用北斗系統(tǒng)等。谷物聯(lián)合收割機(jī)是一種集合多個(gè)不同操作參數(shù)協(xié)調(diào)控制的綜合農(nóng)業(yè)機(jī)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(zhì)量與產(chǎn)量[8-9]。

3 發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將朝著智慧化方向發(fā)展，即在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的基礎(chǔ)上，將物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位、傳感技術(shù)和智能控制等技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)裝備，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)字化感知、智能化決策、精準(zhǔn)化作業(yè)和智慧化管理。目前，應(yīng)廣泛使用智能化、信息化技術(shù)來降低人工成本，并準(zhǔn)備在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化、提高收割效率和質(zhì)量、提高智能程度等方向改進(jìn)[10]，具體分析如下。

1）向單元化、大型化方向發(fā)展。谷物聯(lián)合收割機(jī)的發(fā)展越來越具有單元化的特點(diǎn)，在面對(duì)不同作物種類時(shí)，不同系列和機(jī)型的聯(lián)合收割機(jī)都能夠連接不同類型的割臺(tái)來完成工作。在面對(duì)不同地形、地勢(shì)時(shí)又能選擇不同的割臺(tái)寬度、底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來滿足各地不同的作業(yè)條件，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

2）向低損失、高質(zhì)量方向發(fā)展。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)廠家持續(xù)對(duì)脫粒分離及清選系統(tǒng)進(jìn)行深入研究和技術(shù)創(chuàng)新，利用脫粒分離系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和工作參數(shù)的調(diào)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(jī)械接觸面積更大也更柔和[2]，以此達(dá)到降低機(jī)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(diào)的導(dǎo)向葉片和提高作物流量、加快分離速度的輔助分離機(jī)構(gòu)，來完成高效率的收割作業(yè)。

3）向智能化、信息化方向發(fā)展。將現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合，可大幅提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、土地產(chǎn)出率和資源利用率，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的數(shù)字化感知、精準(zhǔn)化作業(yè)、智能化決策和智慧化管理的先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，也是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。以數(shù)字化感知為例，農(nóng)業(yè)傳感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是數(shù)字化感知的核心技術(shù)，因此，可研發(fā)可靠性和穩(wěn)定性高、成本低，適用于各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的高精度傳感器，開發(fā)集多種參數(shù)感知于一體的多用途小型化傳感器，如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、微電子機(jī)械、仿生及生物傳感器等新型傳感器。此外，應(yīng)加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)裝備傳感器的智能化和信息監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)土壤—作物—機(jī)器—環(huán)境傳感器協(xié)調(diào)下的智能決策與精準(zhǔn)作業(yè)。通過構(gòu)建典型農(nóng)作物的收割操作模型，讓機(jī)器自主學(xué)習(xí)，建立自動(dòng)化控制系統(tǒng)，從而精確地控制谷物聯(lián)合收割機(jī)完成作業(yè)，提高收獲效率，降低損失率和破損率，改善谷物質(zhì)量。