吴修明 ， 鲁乃远 ， 邹全连 ， 蒋 莉 ， 李 刚 ， 吴庆霞

（1.重庆市永川区农机推广站，重庆 402160；2.重庆陶艺农业机械股份合作社，重庆 402160）

谷物联合收割机简称联合收割机，是一种具备完全收割谷物、脱粒、分离和清除的能力，可以直接从田间获得农作物的收获机械，主要用于收获水稻、麦子、玉米、谷子、油菜、黄豆等作物。目前，国外收割机发展比较有代表性的国家和地区为欧美及日本等。欧美多为全喂入脱粒，机型大，生产率高，适合较大规模的生产条件；日本则以中小型水稻收割机为主，多采用半喂入脱粒，机型小，生产率相对较低[1]。近年来，我国已经生产出无人驾驶谷物收割机，无人驾驶谷物收割机的割台、滚筒操控和作业速度，均可自动调整，具有智能化程度高、操作简单、工作模式多样灵活、行驶路径直、轨迹偏差小等特点。基于此，本研究对谷物联合收割机的脱粒分离技术的主要结构、特点以及其所使用的新技术等加以分析[2]，并对其未来发展趋势进行探讨。

1 联合收割机的分类

联合收割机按动力来源分类，可分为牵引式、自走式、悬挂式三类。1）牵引式联合收割机一般需要拖拉机作为动力源才能完成工作。牵引式联合收割机的优点是机械结构较为简单，缺点是设备机动性能较差，无法自动开道，不适于在小区域操作。2）自走式联合收割机是一种自身有动力源的联合收割机，可以直接完成从收割到清选的全过程，在现有收割机中销量较好，与牵引式联合收割机相比，自走式联合收割机的机动性更强、转移方式便捷、作业效率高，但购机成本高、能耗大。3）悬挂式联合收割机，也称背负式联合收割机，是指将收割机的机械部分和拖拉机或一些行走机构相组合的联合收割机。其优点是基本上保留了自走式收割机的特性，且可以更换收割机类型，费用也较低；缺点是其总体设计受拖拉机物理构造的影响，增加了脱粒分离难度，损失率较高且拆装过程十分复杂。

其中，自走式联合收割机可分为以下三类。1）自走轮式全喂入谷物联合收割机。此种机型多用于旱地、平原，在东北、中原等大面积耕地且地势相对平缓的地区被广泛使用，主要收获的作物为小麦、水稻，自身就可以实现长距离转移，在进行异地收割、跨区作业时十分方便[3]。2）自走履带式全喂入谷物联合收割机。该机型多用于水旱地、水田，在西南、华南等湿性土壤和丘陵山地的地区被广泛使用。和轮式收割机相比，其优点是履带为其提供了更大的接地面积和更小的转弯半径，能更好适应南方的地形地势[4]；缺点是在进行长距离转移时，要靠其他交通工具来运输，中短距离的跨区作业成本更高[5]。3）自走履带式半喂入谷物联合收割机。该机型主要收获的作物是水稻，其次为小麦。与其他机型相比，其优点是收获后的粮食含杂率更低，并能克服深泥脚、倒伏严重的作业环境，同时还能完整保存作物茎秆，带来额外的收入；其缺点是机械结构更复杂，购机成本和维修成本更高[6]。

联合收割机按喂入方式分类，可分为全喂入式联合收割机和半喂入式联合收割机两类。1）全喂入式联合收割机是指将需要收割的粮食作物连同其部分茎秆全部输送进脱粒装置的联合收割机。小麦的收获大多采用这种类型的收割机，其弊端主要是不能保存完整的茎秆，且发动机能耗大。2）半喂入式联合收割机是指仅将需要收割的粮食作物的穗头部输送进脱粒装置的联合收割机，该种机型提高了茎秆的完整性，可以提高作物的产量，同时降低了脱粒、清选所产生的成本，半喂入式联合收割机已被广泛运用于南方的水稻产区[7]。为解决输送茎秆及传动的机械系统比较复杂、成本高昂的问题，近年来，相关学者研究开发出了一种摘穗式联合收割机，又称梳脱式联合收割机。这种收割机在作业时，割台一般只收谷粒，先完成作物的脱粒工作后再切割作物茎秆，具有工作效率高、能量消耗少的特点，但很难控制损失率。

2 联合收割机脱粒分离系统

脱粒分离系统是谷物联合收割机的关键部分，是影响收割作业中谷粒损失率和破碎率的主要因素，且其工作状况直接关系到系统的稳定性。为此，众多科研人员、农业机械制造厂商在谷物联合收割机整体构造、脱粒分离装置及相关技术方面进行了大量深入研究与探讨。分析如下：1）脱离间隙可调。脱粒装置可以根据不同的作物种类、作物状况、行走速度即时地调整滚筒和凹板的脱粒间隙、导向叶片所对应的角度，让作物与机械更高效充分地接触，进而达到最佳的脱粒效果。2）脱粒挡板可调。该装置可以在不阻碍作物输送的基础上改进系统的分离效果，同时实现4D清选系统的工作，改善进入清选系统的物料状态。3）脱粒滚筒的基本构造及其布置方式，脱粒滚筒的脱粒质量与脱粒部件的基本布置形式、数量多少都有着重要联系。设计时在一个齿迹中增加脱粒部件的数量，能够有效减少脱粒滚筒长度，同时也能够提高脱粒效率，为了保证作业的质量，这些脱粒部件要均匀排布在一个齿迹内，脱粒部件多采用多头螺旋线来排布。

通过查阅资料，笔者整理了相关改进方法和智能化技术：1）上击式滚筒。在主脱粒滚轮的后上方再加装一个滚筒及其所需的凹板，长度一般在50 cm左右，主要作用是让作物直接从滚轮上方经过，并在相对普通收割机脱粒滚筒更高的地方进入分离装置，输送轨迹从侧面看呈现出一条圆滑的“几”字形，这样作物茎秆不会严重扭曲，有效降低了能耗，同时优化了脱粒效果。2）谷粒回收盘。可以用于纵向脱粒滚筒的机型上，置于脱粒滚筒的下方，这样可以更好发挥预备抖动板的功能，使得谷粒清选更加充分。在机身倾斜时保证作物正常输送的同时，降低损失率。3）CEMOS AUTOMATIC智能操作辅助系统。安装该系统的收割机可以通过自主控制脱粒、分离和清选的相关参数设置，来不断优化联合收割机的收获性能。4）自走式联合收割机电气控制线路优化。国外谷物联合收割机的智能管理程度较高，一般都安装了电气控制、实时参数传输及自主行走等系统，能在实时掌握田间小麦情况的基础上开展自走式收获工作。我国有专家先后研制开发出可提供各类智能化管理与监测功能的设备并安装在谷物联合收割机上，如使用北斗系统等。谷物联合收割机是一种集合多个不同操作参数协调控制的综合农业机器，其工作能力的高低和工作效果的好坏决定了最终收获作物的质量与产量[8-9]。

3 发展趋势

我国农业生产将朝着智慧化方向发展，即在传统农业生产方式的基础上，将物联网、卫星定位、传感技术和智能控制等技术应用于传统的农机装备，从而实现农业生产过程的数字化感知、智能化决策、精准化作业和智慧化管理。目前，应广泛使用智能化、信息化技术来降低人工成本，并准备在机械结构系统化、提高收割效率和质量、提高智能程度等方向改进[10]，具体分析如下。

1）向单元化、大型化方向发展。谷物联合收割机的发展越来越具有单元化的特点，在面对不同作物种类时，不同系列和机型的联合收割机都能够连接不同类型的割台来完成工作。在面对不同地形、地势时又能选择不同的割台宽度、底盘驱动系统来满足各地不同的作业条件，实现一机多用。

2）向低损失、高质量方向发展。国外发达国家农业机械生产厂家持续对脱粒分离及清选系统进行深入研究和技术创新，利用脱粒分离系统机械结构的优化和工作参数的调整来降低收割过程带来的损失。以横置轴流单滚筒式为例，脱粒滚筒与360°包覆的凹版相配合，使作物和机械接触面积更大也更柔和[2]，以此达到降低机械收获损失的目的。另外，可广泛采用新型的加速滚筒、角度可调的导向叶片和提高作物流量、加快分离速度的辅助分离机构，来完成高效率的收割作业。

3）向智能化、信息化方向发展。将现代先进技术与农业深度融合，可大幅提高劳动生产率、土地产出率和资源利用率，是实现农业生产过程中的数字化感知、精准化作业、智能化决策和智慧化管理的先进农业生产力，也是社会发展的必然趋势。以数字化感知为例，农业传感技术和物联网技术是数字化感知的核心技术，因此，可研发可靠性和稳定性高、成本低，适用于各种农业生产环境的高精度传感器，开发集多种参数感知于一体的多用途小型化传感器，如微机电系统（MEMS）、微电子机械、仿生及生物传感器等新型传感器。此外，应加快实现农机装备传感器的智能化和信息监测及数据分析，实现土壤—作物—机器—环境传感器协调下的智能决策与精准作业。通过构建典型农作物的收割操作模型，让机器自主学习，建立自动化控制系统，从而精确地控制谷物联合收割机完成作业，提高收获效率，降低损失率和破损率，改善谷物质量。