玉米機械化收獲技術研究進展分析

崔 濤 樊晨龍 張東興 楊 麗 李義博 趙慧慧

(中國農業(yè)大學工學院， 北京 100)

0 引言

玉米糧經飼兼用，是我國第一大糧食作物[1]，其生產對保障我國糧食安全、促進畜牧業(yè)和工業(yè)應用、實現(xiàn)農業(yè)增效和農民增收具有十分重要的戰(zhàn)略意義。隨著玉米產業(yè)發(fā)展方式轉變、結構調整，當前我國玉米生產正面臨著以單純追求高產向產量、質量與效益并重、效益優(yōu)先的方向發(fā)展[2]，同時產業(yè)國際競爭力有待提升，已經引起政府、市場和科研院所的廣泛關注。

玉米收獲機械化是促進玉米產業(yè)節(jié)本增效、提高我國玉米生產綜合經濟效益和國際競爭力的重要手段[3]。相比于歐美工業(yè)發(fā)達國家20世紀中后期已經實現(xiàn)了玉米收獲機械化，我國20世紀60年代才開始研制玉米收獲機械，先后經歷了仿制、引進消化吸收、示范推廣、快速發(fā)展等階段[4-5]，針對不同收獲需求已形成了完備的機械化收獲技術與裝備體系，能較好地滿足現(xiàn)階段機械化收獲生產需求。到2018年我國玉米機收率超過70%，但低于小麥、水稻的機械化收獲水平[6]。目前機械化收獲以果穗收獲為主，主要采用摘穗、剝皮、集箱、運輸、晾曬、脫粒的分段式收獲模式，作業(yè)環(huán)節(jié)多，成本高，而高效優(yōu)質低成本的籽粒直收占比不足5%[7]，這已成為玉米生產全程機械化進一步提升的制約因素[8-12]。提升機械收獲水平，尤其是籽粒機械收獲，是我國玉米生產的發(fā)展方向。

發(fā)達國家籽粒機收經過幾十年發(fā)展，收獲機具大型化、通用化、智能化程度高，廣泛采用了機電一體化和自動化技術，應用有GPS、GIS、RS等技術于一身的智能化收獲機已投入市場，進一步提升了機具作業(yè)效果和效率。但我國收獲機主體依然是以完成基本收獲功能為主的傳統(tǒng)機型，信息化、智能化技術配備較少，尚處于研究階段，部分成果在一些企業(yè)的機型上進行了適應性試驗，還有待生產上的進一步檢驗。

摘穗裝置和脫粒裝置是玉米收獲機的核心部件，摘穗裝置快速摘取能力和大喂入量條件下脫粒裝置高效“消化”能力是保證玉米籽粒低破碎率和低含雜率的關鍵[13-14]，其作業(yè)性能直接影響整機收獲性能，因此突破摘穗、脫粒關鍵技術瓶頸，提高裝備智能化水平有助于促進我國收獲裝備升級、支撐產業(yè)發(fā)展。

本文從機械化果穗收獲、機械化籽粒直收和智能化技術等方面進行綜述，對現(xiàn)有玉米機械化收獲裝置進行深入探討和分析，對我國玉米機械化收獲技術的發(fā)展前景和趨勢加以展望。

1 果穗機械化收獲技術

1.1 摘穗技術

摘穗是玉米收獲的第一道工序，摘穗裝置是玉米割臺的核心部件，摘穗裝置主要是依據果穗與莖稈的直徑差異及結穗點與其他部位莖稈連接力差異實現(xiàn)摘穗作業(yè)。能否將下垂果穗和倒伏秸稈上的果穗全部摘下以及摘穗過程是否造成果穗損傷是衡量摘穗裝置作業(yè)性能優(yōu)劣的主要因素。丟穗、斷穗和果穗損傷直接導致落穗損失和落粒損失，也是玉米聯(lián)合收獲機摘穗割臺作業(yè)損失的主要來源[15]，同時也會對后續(xù)剝皮、脫粒等工序造成影響。倪長安等[16]指出摘穗裝置適應性是影響果穗啃傷及后續(xù)脫粒分離負擔的主要因素。

1.1.1摘穗機構

目前常用的摘穗機構有輥式摘穗(輥式機構)和摘穗板與拉莖輥組合式(板式機構)兩種[17]。其中輥式摘穗通常采用一對表面設有螺旋凸紋的圓柱輥結構實現(xiàn)果柄的拉斷、擠斷，作業(yè)時秸稈壓縮程度較小，收獲果穗含雜率較低，同時具有一定的剝苞葉效果，在我國玉米收獲機構發(fā)展初期廣泛采用，但作業(yè)時高速旋轉的摘穗輥與果穗直接接觸，導致果穗啃傷嚴重，籽粒掉落、破碎率高。板式摘穗機構優(yōu)點是收獲損失小、籽粒破碎率低、適應性強，目前應用最為廣泛，但摘穗時對莖稈碾壓程度較大，容易導致莖稈折斷，收獲后果穗含雜(碎莖、葉)率較高，易導致割臺部分、輸送機構、剝皮機構等堵塞，國外企業(yè)以此為基礎，進行優(yōu)化改進。

摘穗機構作業(yè)效果受到待收獲植株物理特性(直徑、含水率等)、輥型、輥轉速、摘穗板結構與間距的影響[18-23]。相較于傳統(tǒng)直凸棱拉莖輥，摘穗板與拉莖輥組合式摘穗機構摘穗性能好，莖稈下拉效率高。基于該組合式結構不斷進行優(yōu)化設計，增加切割部件實現(xiàn)復式作業(yè)，達到高效低耗作業(yè)。于路路等[24]模擬人手掰玉米的摘穗工作原理，對玉米施加彎曲壓力，使其折斷，為研發(fā)新型玉米摘穗輥裝置提供了參考。賀俊林[25]依據工程仿生原理，通過增大摘穗輥與玉米莖稈之間當量摩擦因數(shù)，增強攫取能力，設計了表面具有凸起和凹坑仿生幾何結構的摘穗輥機構，實現(xiàn)了低損傷摘穗。王騫等[26]基于激振摘穗模型設計了穗莖兼收玉米收獲機，分析了激振波振幅和頻率對摘穗性能的影響，提升了作業(yè)性能。崔濤等[27]設計了4刀+“L”型凸棱的摘穗與秸稈粉碎復式作業(yè)機構，摘穗效果良好，籽粒損傷率和果穗損失率低。付乾坤等[28]設計了輪式剛柔耦合減損摘穗裝置，并確定了最優(yōu)參數(shù)，相較傳統(tǒng)板式摘穗機構，籽粒損失率降低了 47.0%以上。李克鴻[29]針對籽粒破碎率、果穗損失率研制了間隙可調組合式玉米摘穗機構，實現(xiàn)摘穗板間隙可根據玉米莖稈粗細實時調節(jié)；李天宇[30]采用環(huán)形柔性撥穗帶夾持喂入玉米莖稈，配合滑切式拉莖輥下拉莖稈的同時剪切果穗穗柄的方式，實現(xiàn)柔性低損摘穗。文獻[31-34]采取梳脫式摘穗機構、大圓弧折彎式摘穗板、彈性撥禾齒、彈性拉莖輥等一系列改進措施降低果穗含雜率。

國外生產企業(yè)也進行了大量的研究與改進。John Deer 600C系列割臺采用六棱刀輥與摘穗板直板配合的方式，自動對行系統(tǒng)輔助，減少玉米推倒損失。Drago公司采用摘穗板間隙自動調節(jié)的玉米割臺，增加四棱刀輥長度，降低了摘穗輥的轉動速度，減少玉米破碎損失。Oxbo 50 系列玉米收獲機采用錐形輥和折彎摘穗板搭配的形式，錐形輥降低了摘穗段果穗下拉速度，保證效率的情況下減小果穗與摘穗板的沖擊作用，還采用了獨特橡膠撥禾鏈減少果穗破碎損失。Geringhoff采用拉莖輥與圓盤刀配合對莖稈進行粉碎，實現(xiàn)摘穗與莖稈處理一體化作業(yè)。360yield通過對莖稈進行切碎處理，促進秸稈腐解，改善土壤健康和養(yǎng)分利用率。Cressoni采用徑向-縱向組合式切割輥，在每一行中，超過100個徑向刀與10個軸向刀相互作用，對莖稈進行軸向和徑向交叉連續(xù)切割，切碎效果顯著。對上述拉莖輥特點進行總結，結果如表1所示。

表1 典型拉莖輥特點Tab.1 Each company’s typical pull stem roll features

1.1.2摘穗輔助機構

為減少摘穗過程中果穗的損失，國內外企業(yè)在摘穗割臺兩邊安裝邊行扶禾裝置。在摘穗過程中，邊行扶禾裝置沿作物邊緣線扶起和集攏待割植株以便收獲，盡量利用割臺幅寬收割。常見的邊行扶禾裝置有擋板式和螺旋式2種，如圖1所示。擋板式扶禾器在收獲時，分禾器前端可加裝弓形板或環(huán)圈，也可仿形貼地，對倒伏玉米收獲具有較好的適應性，多用于西歐國家生產的聯(lián)合收獲機。John Deere S790型聯(lián)合收獲機、國豐4YZP-2型自走式玉米收獲機一般采用擋板式扶禾器[35-36]。螺旋式扶禾器由帶螺旋葉片的回旋柱體或錐體、扶禾器尖和外撥禾桿等組成，實現(xiàn)被動扶禾向主動扶禾的轉化，所以其性能更好。New Holland CX 8070 型聯(lián)合收獲機、CASE 9240型聯(lián)合收獲機一般都采用螺旋扶禾器，作業(yè)性能良好[37-38]。

圖1 玉米割臺分禾裝置Fig.1 Separating grain of corn cutting table

為避免摘穗過程中已摘下果穗的掉落，Geringhoff、New Holland、Drago公司等在割臺摘穗道前部、分禾器末端安裝果穗防掉落護板，可有效降低果穗損失，如圖2所示[39-40]。

圖2 果穗防掉落護板Fig.2 Ear guard plate

1.2 剝皮機構

玉米果穗收獲時一般含水量較大，苞葉吸濕性、包裹性強，籽粒不能及時干燥，會引起霉爛、變質或發(fā)芽現(xiàn)象。依靠剝皮裝置實現(xiàn)苞葉去除有助于提高玉米產品質量、降低損失[41]。剝皮裝置主要由若干對相向回轉的剝皮輥和壓送器組成。壓送器設置在剝皮輥上方，避免果穗剝皮過程的跳動，如圖3所示。工作時壓送器將玉米果穗壓向剝皮輥并向后推送，旋轉的剝皮輥將玉米果穗苞葉撕開，從剝皮輥間隙中拉出，完成玉米果穗剝皮工作[42]。國內外專家學者對剝皮輥材料與表面形狀、運動與結構參數(shù)、配置形式及壓送器結構進行了大量試驗研究[43-47]。

圖3 玉米剝皮裝置結構示意圖Fig.3 Structure diagram of corn husking device1.分布輪 2.壓送裝置 3.剝皮輪組 4.機架 5.傳動裝置

1.2.1剝皮輥材料與表面形狀

常用剝皮輥材料有鑄鐵和橡膠兩種，剝皮裝置有鑄鐵輥-鑄鐵輥、鑄鐵輥-橡膠輥、鑄鐵輥-鑄鐵橡膠組合輥等多種方式[48]。鑄鐵輥表面鑄有不連續(xù)螺旋突起，且相鄰突起間設有可拆卸凸釘以提高對苞葉的抓取能力。橡膠輥表面為耐磨性好的橡膠環(huán)，內部為鋼制芯軸，其剝凈率高，籽粒破碎少，適應于苞葉較松、含水率較低的玉米穗。早期美國研發(fā)的玉米剝皮裝置采用多對剝皮輥軸組合，在材料上利用橡膠輥代替部分鑄鐵輥；遼寧省農業(yè)機械化研究所研制出橡膠鑄鐵混合輥，剝凈率超過85%[49-51]。鑄鐵輥-橡膠輥組合方式具有籽?？袀市?、剝凈率高等特點，應用較為廣泛。

1.2.2剝皮輥配置形式

玉米剝皮輥配置方式有槽形配置和Ⅴ形配置。目前市場上玉米聯(lián)合收獲機多采用槽形配置。為驗證剝皮輥采用槽型配置的作業(yè)性能，徐麗明等[52]以剝皮輥配置形式、轉速和兩輥相對位置角為因素進行正交試驗，通過方差分析得出剝皮輥配置對苞葉剝凈率和籽?？袀视酗@著的影響。遼寧省農業(yè)機械化研究所研制的玉米剝皮機中壓送器選用可調彈簧壓板式，剝皮部件選用鑄鐵輥和橡膠輥組合，剝皮輥采用槽型配置方式，剝凈率為80%～95%，破碎率低于1%，損失率低于2%[53]。

1.2.3壓送器結構

壓送器主要作用是在玉米剝皮過程防止果穗跳躍造成果穗剝皮效率的下降，根據結構的不同，壓送裝置分為星輪式和葉輪式，如圖4所示，在實際生產中葉輪式壓送器應用最廣泛[54]。為了驗證葉輪式壓送器的作業(yè)性能，針對含水率較大且苞皮較緊的玉米品種，雷沃公司設計的雷沃谷神CR3D型玉米收獲機剝皮機將葉輪式壓送器升級為全星輪壓送器，新壓送器不僅靠葉輪重力對果穗壓送，而且對玉米苞葉有揉搓作用，助力剝皮，剝皮速度提升了30%[55]；楊紅光等[56]采用葉輪式壓送器配合浮動的撥送裝置，保證果穗沿剝皮輥方向運動，同時也可將莖稈混雜物等撥送出機體，避免發(fā)生堵塞現(xiàn)象，保證剝皮裝置正常工作。

圖4 壓送器類型Fig.4 Type of presser

2 籽粒直收機械化技術

2.1 典型脫粒裝置結構

隨著“土地流轉”和規(guī)?；洜I主體的發(fā)展，土地集約化管理，種植習慣和模式的統(tǒng)一，適宜玉米籽粒直收的優(yōu)良品種改良[57]，籽粒直收將成為我國玉米機械化收獲的發(fā)展趨勢[58]。脫粒裝置作為實現(xiàn)籽粒直收的核心部件之一，通過對進入脫粒室的果穗進行擊打、碰撞、揉搓，實現(xiàn)籽粒與芯軸的分離。因此，在籽粒直收過程中，脫粒裝置對籽粒破碎率、脫凈率等作業(yè)性能有重要的影響[59]。

玉米脫粒是通過谷物聯(lián)合收獲機換裝玉米割臺、更換脫粒部件及調整作業(yè)參數(shù)來實現(xiàn)脫粒，作業(yè)時不僅脫凈率高、破碎率低、分離性能好等，且對作物種類、品種、水分等有很強適應性。但在脫粒過程中，破碎率會隨著脫凈率升高而增大，為解決該矛盾出現(xiàn)了不同結構形式的脫粒裝置。根據作物沿脫粒滾筒運動方向不同，脫粒分離裝置分為切流式、軸流式(橫軸流、縱軸流)以及切軸流組合式[60],如圖5所示。

圖5 脫粒分離裝置的基本形式Fig.5 Basic form of threshing separation device

切流脫粒裝置特點是玉米果穗沿滾筒切線方向喂入，脫粒后從滾筒切線方向排出。作物在該脫粒裝置內脫粒行程小，脫粒時間短，玉米大顆粒作物進行脫粒作業(yè)時，會產生高的玉米破碎率。該裝置有一定分離作用，但必須與獨立的分離裝置配合才能完成分離過程。

橫軸流脫粒裝置是果穗從脫粒滾筒一端沿切向喂入，果穗沿滾筒軸向做螺旋狀運動過程受到脫粒元件的反復作用實現(xiàn)籽粒與穗軸的分離，脫出物從橫軸流滾筒另一端沿滾筒切向排出。具有脫粒時間長、過程柔和、脫凈率高和破碎率低等優(yōu)點。對玉米、小麥、大豆、水稻等作物具有很強的適應性。但由于脫粒分離裝置在收獲機上橫向布置，機身較寬，與割臺不易對稱配置，一般只用于大型聯(lián)合收獲機上。

縱軸流脫粒分離裝置中果穗沿軸線方向進入脫粒裝置，沿滾筒做螺旋運動，沿滾筒的軸線方向向后運動，即沿著脫粒滾筒的軸線方向做螺旋運動，并在此過程實現(xiàn)籽粒與穗軸、莖葉的分離，具有脫粒與分離時間長，未脫凈率和破碎率低等特點。主要用于大型、多功能谷物收獲機上。

隨著生產發(fā)展，為滿足大喂入量谷物收獲機的高效脫粒要求，開發(fā)了切軸流組合式脫粒分離裝置，軸流滾筒前端配置一個切流滾筒，使容易脫粒的籽粒先行脫粒分離，實現(xiàn)果穗預脫粒，同時提高軸流滾筒喂入速度，對上述聯(lián)合收獲機采用的典型脫粒分離裝置結構進行總結[61-64]，如表2所示。

表2 典型脫粒分離裝置Tab.2 Typical structure of threshing and separating device

無論何種類型脫粒裝置，在籽粒含水率低于25%條件下，通過對作業(yè)參數(shù)(轉速、間隙等)的調整均能得到較好的籽粒收獲性能。但由于國外多以大型機具為主，整機機構龐大，適宜在新疆、東北、內蒙古等大地塊作業(yè)，不適宜在小地塊作業(yè)。而且我國玉米收獲時籽粒含水率30%左右，利用以上收獲機進行籽粒收獲時，依然存在破碎率高、脫凈率低、損失嚴重等問題。需要針對我國國情進行高含水率玉米低破碎脫粒分離技術研究。

2.2 脫粒部件

脫粒環(huán)節(jié)中籽粒受到的機械損傷是直收過程中籽粒破碎的主要來源[65]。國標規(guī)定籽粒直收時玉米籽粒含水率應不高于25%，但實際生產中為爭搶農時，玉米籽粒收獲時含水率一般高于國標，另外，玉米果穗在脫粒過程中會受到脫粒元件、凹板等脫粒部件的擠壓、撞擊等外力作用，籽粒破碎與這些因素密切相關。

2.2.1脫粒元件

脫粒元件是脫粒系統(tǒng)中主要工作部件之一，主要對果穗進行擊打、揉搓，實現(xiàn)果穗脫粒。常用的脫粒元件主要有釘齒(或板齒)、紋桿和紋桿-釘齒組合式等。釘齒式元件脫粒方式主要為打擊脫粒，擊打強度大、籽粒破碎率高，但釘齒抓取果穗能力強，在果穗不均勻喂入和潮濕情況下具有良好的適應性。CHOWDHURY[66]通過室內玉米脫粒試驗發(fā)現(xiàn)，滾筒釘齒數(shù)目的增加導致籽粒破碎率顯著增加。紋桿式脫粒裝置主要為揉搓脫粒，依靠沿脫粒滾筒螺旋分布的紋桿塊破壞籽粒與芯軸之間連接力，實現(xiàn)果穗脫粒，但分離能力弱，未脫凈籽粒多。BRANDINI[67]、BRASS[68]研究表明在玉米脫粒時紋桿滾筒籽粒破碎率低于橡膠面的角桿滾筒籽粒破碎率。吳多峰等[69]研究發(fā)現(xiàn)靠擠搓力脫粒的板齒式滾筒較靠打擊力脫粒的釘齒式滾筒的籽粒破碎率低。因此，紋桿-釘齒組合式脫粒裝置，前端設置紋桿塊，主要起脫粒作用；后端設置釘齒，主要起攪動分離作用，兼具脫粒功能，實現(xiàn)對果穗揉搓和擊打脫粒[70]。不同脫粒元件在滾筒上排布如圖6所示。

圖6 不同脫粒元件在滾筒排布圖Fig.6 Different forms of threshing devices

為驗證紋桿-釘齒組合式脫粒裝置的脫粒性能，研發(fā)高含水率低損收獲脫粒元件，耿端陽等[71]設計了橫軸流式玉米柔性脫粒裝置，脫粒元件采用柔性釘齒和彈性短紋桿組合結構，實現(xiàn)了玉米果穗的柔性低損傷脫粒。胡必友等[72]通過有限元仿真分析了柔性脫粒元件和剛性脫粒元件與玉米果穗碰撞過程，研究發(fā)現(xiàn)柔性脫粒元件可降低作用于果穗最大接觸壓力，降低破碎率，減少含雜率，增加了作用于玉米籽粒時間和接觸面積，保證了脫凈率。上述研究為解決高含水低破碎率脫粒問題做了初步嘗試，為進一步深入研究打下了基礎。

2.2.2脫粒凹板

凹板安裝在脫粒滾筒下方，與脫粒元件配合進行玉米果穗脫粒，實現(xiàn)已脫下籽粒盡快從芯軸、苞葉中分離，起到脫粒與分離作用。玉米收獲機常用柵格式凹板結構，如圖7所示。柵格式凹板強度高、剛度好，篩孔率一般為40%～70%，分離率高達75%～90%，分離能力強，夾帶損失小，適應性強，大多數(shù)玉米聯(lián)合收獲機采用柵格式凹板[73]。

圖7 柵格凹板形式Fig.7 Form of grid concave1.側弧板 2.橫格板 3.篩條

柵格式凹板結構上主要由橫格板、篩條、側弧板、凹板安裝板組成。FOX[74]利用高速攝像系統(tǒng)觀測玉米機械脫粒過程，發(fā)現(xiàn)脫粒時果穗要遭受 7～9 次沖擊才能將大部分籽粒與穗軸分離，不能及時通過凹板篩孔的籽粒將隨著滾筒轉動再次遭受脫粒元件、果穗和穗軸的多次打擊與摩擦，其破碎率和夾帶損失進一步提高。MAHMOUD等[75]、PUAUSKAS等[76]研究了分離凹板對籽粒破碎率的影響，發(fā)現(xiàn)凹板篩條與軸線方向傾角為45°時玉米脫粒裝置的脫粒損失和籽粒破碎率最小。本課題組通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，常規(guī)柵格式凹板中橫格板的頂端比篩條高出5～15 mm，阻滯果穗周向移動且橫格板頂端有棱角，橫格板對籽粒碰撞、剪切強度大，籽粒損傷嚴重，破碎率高。柵格式凹板分離篩孔尺寸小，喂入量大時不利于籽粒及時分離，夾帶損失高，易造成凹板堵塞[77]。為了對脫粒凹板下籽粒破碎率、含雜率、脫出混合物分布情況等試驗指標進行分段研究，文獻[78-81]設計了分段組合式圓管型脫粒凹板，如圖8所示。分段組合式圓管型脫粒凹板圓鋼管代替常規(guī)柵格式凹板中篩條和橫格板，不僅降低對玉米果穗的碰撞強度，降低籽粒破碎率，且改善和解決了玉米苞葉纏繞、堵塞凹板問題，及時分離籽粒降低夾帶損失。

圖8 不同類型的玉米脫粒凹板及其組合形式Fig.8 Different types of corn threshing concave plates and their combination forms1.圓管 2.安裝板 3.側弧板 4.凹板安裝板 5.柵格式橫格板 6.柵格式側弧板 7.篩條

設計的分段組合式圓管型脫粒凹板最優(yōu)組合為圓管右向+直圓管(前疏后密型)。圓管右向型設計，與脫粒滾筒逆時針旋轉方向一致，在脫粒過程中有助于玉米果穗螺旋向后移動。脫粒裝置前段玉米果穗密度相對較大，凹板與果穗、果穗與果穗間的相互作用增強，脫粒凹板前段不需要提供過多的碰撞、揉搓次數(shù)和作用力，且細圓管相對稀疏、數(shù)量少、分離柵格尺寸大，有利于減少果穗碰撞次數(shù)，降低籽粒破碎率，改善籽粒分離效果。前段柔性調制(降低籽粒與芯軸連接力、籽粒與籽粒支撐強度)，達到果穗預脫效果，減少后續(xù)脫粒作用力需求。脫粒裝置后段果穗密度減小，凹板與果穗、果穗與果穗間的相互作用減弱，需要脫粒凹板后段提供更多的碰撞、揉搓次數(shù)和作用力。細圓管相對密集、數(shù)量多、分離柵格尺寸小，有利于提高對未脫凈果穗的碰撞次數(shù)，盡可能降低未脫凈率，同時減少碎芯軸的下落，降低后續(xù)清選負擔。因此分段組合式凹板圓管間距前疏后密型設計保證前后段均勻脫粒分離，進一步降低高含水率籽粒直收作業(yè)的籽粒破碎率，實現(xiàn)果穗脫粒分段精細化設計。

2.2.3脫粒裝置工作參數(shù)研究

基于結構創(chuàng)新的作業(yè)參數(shù)優(yōu)化組合設計，對脫粒裝置作業(yè)性能提升和功耗降低有重要意義。脫粒裝置主要通過滾筒轉速、凹板間隙、喂入量、脫粒元件類型及數(shù)量等作業(yè)參數(shù)調節(jié)實現(xiàn)玉米果穗低損脫粒作業(yè)。

國內外學者對脫粒裝置參數(shù)優(yōu)化進行了大量研究。SRISON等[82]研究了脫粒滾筒作業(yè)參數(shù)對玉米脫粒破碎和功耗的影響；ARNOLD[83]、WAELTI等[84]研究了滾筒轉速、滾筒與凹板間隙、喂入量、滾筒上板齒類型及數(shù)量等對脫粒效率和破碎率的影響，結果表明造成籽粒機械損傷的主要原因是滾筒轉速。PHATCHANIDA等[85]研究了玉米脫粒機的導向葉片傾角和滾筒轉速對籽粒損失率、破碎率和功耗的影響；PETKEVIIUS等[86-87]通過建立玉米切流脫粒試驗臺，重點研究了喂入方式和喂入量、滾筒速度和脫粒間隙等對不同品種、不同含水率玉米脫粒破碎率的影響，試驗得到不同玉米品種籽粒含水率脫粒時合適的滾筒轉速和脫粒間隙。WAREE等[88]分析了不同水平凹板間隙、凹板篩孔對脫粒功耗和脫粒性能的影響，發(fā)現(xiàn)凹板間隙和凹板篩孔對功耗和籽粒損失有重要影響，對籽粒破碎率無顯著影響。何曉鵬等[89]設計了一種寬板齒、低轉速的擠搓式玉米脫粒機，在玉米籽粒含水率低于20%情況下具有良好的作業(yè)效果。馬麗華等[90]結合傳統(tǒng)擠搓式玉米脫粒技術，提出將彈簧齒和壓板機構置于一體的玉米脫粒機，與傳統(tǒng)玉米脫粒機相比，脫粒性能得到了提高。YANG等[91]設計了一種復合式脫粒滾筒，通過對其進行動態(tài)平衡有限元模擬和自由狀態(tài)下模態(tài)分析，驗證了該脫粒滾筒機械結構設計的合理性和可靠性；陳孝海[92]通過建立籽粒數(shù)學模型，研究玉米擠搓式脫粒時玉米籽粒受到脫粒部件作用力的情況，通過對玉米籽粒不同部位受到載荷的情況進行仿真分析，得到對籽粒側面和腹面施加壓力的方式適合玉米的擠搓脫粒;楊立權等[93]設計了切流-橫軸流脫粒試驗系統(tǒng)，試驗確定了最佳作業(yè)參數(shù)；李心平等[94]對不同含水率的玉米穗進行了不同喂入量和不同脫粒輥轉速的脫粒試驗，結果表明:籽粒含水率與破碎率呈二次函數(shù)關系，喂入量和脫粒輥轉速均與破損率呈正相關。

張東興團隊[95]針對籽粒破碎形式進行脫粒方法與機構的深入研究，發(fā)現(xiàn)不同類型脫粒元件存在破碎率和破碎形式的顯著差異，基于EDEM仿真設計了一種圓頭釘齒、紋桿與分段組合式凹板相互配合的脫粒機構，在27%的籽粒含水率下，籽粒破碎率由13.73%降至5.04%，為實現(xiàn)高含水率低破碎脫粒做了初步嘗試。

3 玉米機械化收獲智能化技術研究進展

脫粒部件結構及工作參數(shù)直接影響收獲性能，不同品種、不同含水率均有對應的最佳類型與參數(shù)。在生產過程中，多需要機手根據實際情況進行調整，要求機手對農藝、農機具有較高的認知水平，而我國農機駕駛員一般知識水平不高，制約了我國收獲質量的提升。通過機具智能化輔助裝置，實現(xiàn)工作參數(shù)的智能調整，為收獲質量進一步提升提供了可能。

隨著GPS、GIS、傳感與檢測、信息處理、自動控制及物聯(lián)網等技術在收獲領域的應用，玉米機械化收獲逐漸向智能化、自動化與舒適化方向發(fā)展，如圖9a所示[96-100]。通過自動對行、喂入量自動調節(jié)、凹板間隙自動調節(jié)及產量監(jiān)測等技術的實施，大幅度降低駕駛員勞動強度，節(jié)約運營成本，提高產量及效率，同時可結合產量監(jiān)測為后期產量圖及變量施肥提供參考依據。

物聯(lián)網技術實現(xiàn)了物與物、人與物、人與人之間的聯(lián)系，改變了以往粗放、低效、落后的農業(yè)生產經營模式[101]。如圖9b所示，John Deere通過物聯(lián)網技術使收獲機、拖拉機等作業(yè)機械之間數(shù)據和資源共享，實現(xiàn)智能管理，機器同步作業(yè)，農作物產量和質量雙提升。

圖9 基于智能控制技術的收獲作業(yè)Fig.9 Harvest operation based on intelligent control technology

3.1 摘穗智能化技術

3.1.1收獲自動對行技術

收獲作業(yè)時間長，駕駛員易產生駕駛疲勞。在收獲過程中，收獲機對行質量差，易造成漏割、重割、推倒及碾壓玉米植株等現(xiàn)象，造成收獲損失大幅增加。為此，HeadSight公司開發(fā)了TrueSight自動尋行系統(tǒng)。如圖10所示，TrueSight自動尋行系統(tǒng)利用機械感應棒檢測秸稈，與轉向裝置集成，引導聯(lián)合收獲機沿行前進，對玉米植株進行對行收獲[102]。John Deere的RowTrak Ⅱ對行行走導向系統(tǒng)，基于GPS和自尋行傳感器實現(xiàn)機器在夜間作業(yè)能夠保持與白天一樣的作業(yè)速度，提高了作業(yè)效率[103]。國內外關于農業(yè)機械的導航方法主要有模糊控制、PID控制、最優(yōu)控制、神經網絡控制等[104]。國內陳剛等[105]采用PID調節(jié)控制車輪輪向輪偏，設計了收獲機自動對行自校正系統(tǒng)。黃沛琛等[106]提出了一種基于改進純追蹤模型的農業(yè)機械地頭轉向的控制方法，利用BP神經網絡動態(tài)調節(jié)前視距離，實現(xiàn)路徑跟蹤與地頭轉向。

圖10 自動對行系統(tǒng)Fig.10 Automatic line finding system

3.1.2割臺高度自動調節(jié)技術

準確調節(jié)割臺高度是聯(lián)合收獲機實現(xiàn)高效率、低能耗工作的基本要求[107]。割臺過高，會導致收割損失率增大；割臺過低，則可能導致收獲機割臺作業(yè)負荷過大[108-109]。國外大多采用割臺仿形機構實現(xiàn)收獲機割臺高度的自動調節(jié)，割臺高度自動調節(jié)技術利用力學感應裝置控制接觸桿與地面之間的接觸力大小從而控制割臺與地面之間距離，使留茬高度保持一致，從而降低割臺漏穗損失，減小籽粒損失率，適應在自動對行收獲時不同地表高度對收獲效率帶來的影響，提高收獲作業(yè)性能。HeadSight公司開發(fā)了割臺高度自動調節(jié)系統(tǒng)，如圖11所示。該裝置在John Deere、Geringhoff等公司割臺上廣泛采用。國內楊銀輝[110]設計了基于超聲波傳感器的割臺高度自動控制系統(tǒng)，在割臺底部安裝多個超聲波傳感器以檢測割臺離地高度，實現(xiàn)割臺高度的自動調節(jié)。

圖11 割臺高度自動調節(jié)系統(tǒng)Fig.11 Automatic height adjustment system of cutting table

3.2 產量與水分監(jiān)測技術

對收獲機物料流進行實時監(jiān)測，能夠實時獲得收獲過程中谷物產量，對作業(yè)速度、滾筒轉速、間隙等進行自適應動態(tài)調控，并保證收獲作業(yè)的安全性。國外大型收獲機已配置完善的商用化產量監(jiān)測系統(tǒng)，我國收獲機目前剛開始應用。目前采用的產量監(jiān)測傳感器大致分為兩類：沖擊力式和體積流式，如圖12所示。New Holland、John Deere、CASE等收獲機以沖擊力稱量為主，CLAAS、Massey Ferguson則通過位移測量或輻射式傳感器進行體積流量測定。

圖12 產量監(jiān)測傳感器Fig.12 Output monitoring sensor

CLAAS、CASE IH、John Deere等收獲機企業(yè)在聯(lián)合收獲機籽粒升運裝置安裝谷物水分傳感器，通過谷物水分的測量來協(xié)助駕駛員或智能脫粒控制系統(tǒng)完成對收獲機作業(yè)參數(shù)的調整，以達到最佳的作業(yè)效果，如圖13所示。

圖13 水分傳感器Fig.13 Moisture sensor

3.3 脫粒智能化技術

玉米聯(lián)合收獲機在田間作業(yè)時，其脫粒性能受作業(yè)工況影響，難以保證實際作業(yè)的穩(wěn)定性，尤其是高含水率玉米籽粒收獲時，破碎率高，且潮濕苞葉易堵塞脫粒凹板。通過對籽粒破碎率、未脫凈率及含水率等參數(shù)實時監(jiān)測，自動控制喂入量、凹板間隙及滾筒轉速等作業(yè)參數(shù)，不僅可提高脫粒作業(yè)性能，而且可以降低故障率，實現(xiàn)低損高效籽粒直收作業(yè)。LIU等[111]基于音頻傳感器設計了軸流式脫粒監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了籽粒損失的實時檢測。韓樹欽等[112]以PLC為核心控制器，以帶死區(qū)的PID為控制算法，以液壓馬達為驅動力自適應脫粒滾筒負載的變化，跟蹤性能良好，調速誤差范圍小于5%，滿足轉速控制要求。梁學修等[113]基于滾筒扭矩、轉速推測及經谷物籽粒流量與草谷比修正推算得到喂入量的方法，具有很好的動態(tài)性能，有效地進行了喂入量的預測。李耀明等[114]針對喂入量的波動導致作業(yè)性能下降及脫粒滾筒堵塞等問題，設計了由凹板間隙調節(jié)系統(tǒng)和凹板篩后側油壓力采集系統(tǒng)組成的脫粒滾筒負荷監(jiān)測和凹板間隙調節(jié)裝置，直接測量喂入量大小實現(xiàn)脫粒間隙調節(jié)，有效預防凹板堵塞，提高脫粒效率。

目前在John Deere、CASE Newholland、CLAAS等大型公司收獲機上都安裝了脫粒性能實時檢測與作業(yè)參數(shù)自調節(jié)系統(tǒng)以適應當前玉米籽粒破碎率較高的現(xiàn)狀，相對而言，我國玉米智能化收獲相對于發(fā)達國家起步較晚，自動控制的研究較少，尤其籽粒收獲尚處于脫粒裝置的優(yōu)化改進階段。借鑒國外先進的GPS、GIS、傳感器等，將PID控制、模糊控制和神經網絡控制等智能控制技術應用到玉米機械化收獲中，提高收獲機的適應性，推動我國高含水率低損收獲研究進程。

4 發(fā)展趨勢分析

為提升我國玉米機械化收獲技術水平和玉米產業(yè)競爭力，今后應著力發(fā)展以下方面：

(1)建立標準化、機械化檢測方法與技術手段。我國目前收獲質量評價主要依賴人工檢測，結果受人員、環(huán)境影響較大，影響研究成果之間的綜合比較和分析；國外成熟的基于顆粒尺寸的檢測方法不適合我國發(fā)展現(xiàn)狀。針對我國玉米收獲作業(yè)質量評價標準，突破關鍵性能檢測技術方法與手段，有助于把眾多研究機構之間的成果串聯(lián)起來，建立收獲技術研究大數(shù)據系統(tǒng)，深度挖掘收獲質量影響因素與調控模型，建立低損低破碎高效收獲綜合輔助決策系統(tǒng)，提高收獲技術水平與質量。

(2)加快摘穗收獲方式向籽粒直收方式轉變，兼顧特殊收獲需求，發(fā)展高性能、高效率、高可靠性農機裝備。針對我國各地生產條件迥異、品種多樣性、種植模式多樣性、收獲需求多樣性的特點，深入研究影響摘穗裝置、剝皮裝置、脫粒裝置的結構參數(shù)、工作參數(shù)，創(chuàng)新機構設計，優(yōu)化高效減損收割、高通量脫粒分離等核心技術與關鍵部件，不斷提高收獲質量和效率，促進各部件結構的標準化、通用化，提升可靠性。針對籽粒直收方式的轉變，大力發(fā)展基于縱軸流脫粒分離裝置的高效低破碎脫粒分離裝置，兼顧稻谷、豆類等生產需求，通過簡單更換凹板等部件實現(xiàn)脫粒分離裝置的通用化，提高機具利用效率。

(3)向智能化方向發(fā)展。針對聯(lián)合收獲高效率、高質量的發(fā)展趨勢，以智能化控制技術為重點，突破關鍵工況參數(shù)及作業(yè)質量參數(shù)采集傳感器的研究與開發(fā)，精準采集機具作業(yè)信息(工況參數(shù)、作物水分、喂入量等)與收獲質量指標(籽粒破碎率、脫凈率、收獲損失率、產量等)，顯示收獲裝置實時工作狀態(tài)以及維修保養(yǎng)提示，向企業(yè)、駕駛員及農戶等反映真實作業(yè)情況；研究各參數(shù)對收獲質量指標的影響模型，建立精準多參數(shù)融合的智能調控策略決策，以期實現(xiàn)效率與效益并存的智能高效收獲；結合GPS、GIS、RS等技術，生成實時產量、水分分布圖，并實現(xiàn)數(shù)據等遠程傳輸與監(jiān)測，為生產部門決策等提供準確信息。