崔 濤 樊晨龍 張東興 楊 麗 李義博 趙慧慧

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100)

0 引言

玉米糧經(jīng)飼兼用，是我國第一大糧食作物[1]，其生產(chǎn)對(duì)保障我國糧食安全、促進(jìn)畜牧業(yè)和工業(yè)應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收具有十分重要的戰(zhàn)略意義。隨著玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、結(jié)構(gòu)調(diào)整，當(dāng)前我國玉米生產(chǎn)正面臨著以單純追求高產(chǎn)向產(chǎn)量、質(zhì)量與效益并重、效益優(yōu)先的方向發(fā)展[2]，同時(shí)產(chǎn)業(yè)國際競(jìng)爭力有待提升，已經(jīng)引起政府、市場(chǎng)和科研院所的廣泛關(guān)注。

玉米收獲機(jī)械化是促進(jìn)玉米產(chǎn)業(yè)節(jié)本增效、提高我國玉米生產(chǎn)綜合經(jīng)濟(jì)效益和國際競(jìng)爭力的重要手段[3]。相比于歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)中后期已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了玉米收獲機(jī)械化，我國20世紀(jì)60年代才開始研制玉米收獲機(jī)械，先后經(jīng)歷了仿制、引進(jìn)消化吸收、示范推廣、快速發(fā)展等階段[4-5]，針對(duì)不同收獲需求已形成了完備的機(jī)械化收獲技術(shù)與裝備體系，能較好地滿足現(xiàn)階段機(jī)械化收獲生產(chǎn)需求。到2018年我國玉米機(jī)收率超過70%，但低于小麥、水稻的機(jī)械化收獲水平[6]。目前機(jī)械化收獲以果穗收獲為主，主要采用摘穗、剝皮、集箱、運(yùn)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(zhì)低成本的籽粒直收占比不足5%[7]，這已成為玉米生產(chǎn)全程機(jī)械化進(jìn)一步提升的制約因素[8-12]。提升機(jī)械收獲水平，尤其是籽粒機(jī)械收獲，是我國玉米生產(chǎn)的發(fā)展方向。

發(fā)達(dá)國家籽粒機(jī)收經(jīng)過幾十年發(fā)展，收獲機(jī)具大型化、通用化、智能化程度高，廣泛采用了機(jī)電一體化和自動(dòng)化技術(shù)，應(yīng)用有GPS、GIS、RS等技術(shù)于一身的智能化收獲機(jī)已投入市場(chǎng)，進(jìn)一步提升了機(jī)具作業(yè)效果和效率。但我國收獲機(jī)主體依然是以完成基本收獲功能為主的傳統(tǒng)機(jī)型，信息化、智能化技術(shù)配備較少，尚處于研究階段，部分成果在一些企業(yè)的機(jī)型上進(jìn)行了適應(yīng)性試驗(yàn)，還有待生產(chǎn)上的進(jìn)一步檢驗(yàn)。

摘穗裝置和脫粒裝置是玉米收獲機(jī)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(guān)鍵[13-14]，其作業(yè)性能直接影響整機(jī)收獲性能，因此突破摘穗、脫粒關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，提高裝備智能化水平有助于促進(jìn)我國收獲裝備升級(jí)、支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

本文從機(jī)械化果穗收獲、機(jī)械化籽粒直收和智能化技術(shù)等方面進(jìn)行綜述，對(duì)現(xiàn)有玉米機(jī)械化收獲裝置進(jìn)行深入探討和分析，對(duì)我國玉米機(jī)械化收獲技術(shù)的發(fā)展前景和趨勢(shì)加以展望。

1 果穗機(jī)械化收獲技術(shù)

1.1 摘穗技術(shù)

摘穗是玉米收獲的第一道工序，摘穗裝置是玉米割臺(tái)的核心部件，摘穗裝置主要是依據(jù)果穗與莖稈的直徑差異及結(jié)穗點(diǎn)與其他部位莖稈連接力差異實(shí)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(dǎo)致落穗損失和落粒損失，也是玉米聯(lián)合收獲機(jī)摘穗割臺(tái)作業(yè)損失的主要來源[15]，同時(shí)也會(huì)對(duì)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(yīng)性是影響果穗啃傷及后續(xù)脫粒分離負(fù)擔(dān)的主要因素。

1.1.1摘穗機(jī)構(gòu)

目前常用的摘穗機(jī)構(gòu)有輥式摘穗(輥式機(jī)構(gòu))和摘穗板與拉莖輥組合式(板式機(jī)構(gòu))兩種[17]。其中輥式摘穗通常采用一對(duì)表面設(shè)有螺旋凸紋的圓柱輥結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)果柄的拉斷、擠斷，作業(yè)時(shí)秸稈壓縮程度較小，收獲果穗含雜率較低，同時(shí)具有一定的剝苞葉效果，在我國玉米收獲機(jī)構(gòu)發(fā)展初期廣泛采用，但作業(yè)時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的摘穗輥與果穗直接接觸，導(dǎo)致果穗啃傷嚴(yán)重，籽粒掉落、破碎率高。板式摘穗機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是收獲損失小、籽粒破碎率低、適應(yīng)性強(qiáng)，目前應(yīng)用最為廣泛，但摘穗時(shí)對(duì)莖稈碾壓程度較大，容易導(dǎo)致莖稈折斷，收獲后果穗含雜(碎莖、葉)率較高，易導(dǎo)致割臺(tái)部分、輸送機(jī)構(gòu)、剝皮機(jī)構(gòu)等堵塞，國外企業(yè)以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

摘穗機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)速、摘穗板結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)摘穗性能好，莖稈下拉效率高?；谠摻M合式結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加切割部件實(shí)現(xiàn)復(fù)式作業(yè)，達(dá)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(duì)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(jù)工程仿生原理，通過增大摘穗輥與玉米莖稈之間當(dāng)量摩擦因數(shù)，增強(qiáng)攫取能力，設(shè)計(jì)了表面具有凸起和凹坑仿生幾何結(jié)構(gòu)的摘穗輥機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低損傷摘穗。王騫等[26]基于激振摘穗模型設(shè)計(jì)了穗莖兼收玉米收獲機(jī)，分析了激振波振幅和頻率對(duì)摘穗性能的影響，提升了作業(yè)性能。崔濤等[27]設(shè)計(jì)了4刀+“L”型凸棱的摘穗與秸稈粉碎復(fù)式作業(yè)機(jī)構(gòu)，摘穗效果良好，籽粒損傷率和果穗損失率低。付乾坤等[28]設(shè)計(jì)了輪式剛?cè)狁詈蠝p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(jī)構(gòu)，籽粒損失率降低了 47.0%以上。李克鴻[29]針對(duì)籽粒破碎率、果穗損失率研制了間隙可調(diào)組合式玉米摘穗機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)摘穗板間隙可根據(jù)玉米莖稈粗細(xì)實(shí)時(shí)調(diào)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(shí)剪切果穗穗柄的方式，實(shí)現(xiàn)柔性低損摘穗。文獻(xiàn)[31-34]采取梳脫式摘穗機(jī)構(gòu)、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(jìn)措施降低果穗含雜率。

國外生產(chǎn)企業(yè)也進(jìn)行了大量的研究與改進(jìn)。John Deer 600C系列割臺(tái)采用六棱刀輥與摘穗板直板配合的方式，自動(dòng)對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)的玉米割臺(tái)，增加四棱刀輥長度，降低了摘穗輥的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，減少玉米破碎損失。Oxbo 50 系列玉米收獲機(jī)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(dú)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(duì)莖稈進(jìn)行粉碎，實(shí)現(xiàn)摘穗與莖稈處理一體化作業(yè)。360yield通過對(duì)莖稈進(jìn)行切碎處理，促進(jìn)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(gè)徑向刀與10個(gè)軸向刀相互作用，對(duì)莖稈進(jìn)行軸向和徑向交叉連續(xù)切割，切碎效果顯著。對(duì)上述拉莖輥特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果如表1所示。

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

1.1.2摘穗輔助機(jī)構(gòu)

為減少摘穗過程中果穗的損失，國內(nèi)外企業(yè)在摘穗割臺(tái)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(tái)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(shí)，分禾器前端可加裝弓形板或環(huán)圈，也可仿形貼地，對(duì)倒伏玉米收獲具有較好的適應(yīng)性，多用于西歐國家生產(chǎn)的聯(lián)合收獲機(jī)。John Deere S790型聯(lián)合收獲機(jī)、國豐4YZP-2型自走式玉米收獲機(jī)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(shí)現(xiàn)被動(dòng)扶禾向主動(dòng)扶禾的轉(zhuǎn)化，所以其性能更好。New Holland CX 8070 型聯(lián)合收獲機(jī)、CASE 9240型聯(lián)合收獲機(jī)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(tái)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(tái)摘穗道前部、分禾器末端安裝果穗防掉落護(hù)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(hù)板Fig.2 Ear guard plate

1.2 剝皮機(jī)構(gòu)

玉米果穗收獲時(shí)一般含水量較大，苞葉吸濕性、包裹性強(qiáng)，籽粒不能及時(shí)干燥，會(huì)引起霉?fàn)€、變質(zhì)或發(fā)芽現(xiàn)象。依靠剝皮裝置實(shí)現(xiàn)苞葉去除有助于提高玉米產(chǎn)品質(zhì)量、降低損失[41]。剝皮裝置主要由若干對(duì)相向回轉(zhuǎn)的剝皮輥和壓送器組成。壓送器設(shè)置在剝皮輥上方，避免果穗剝皮過程的跳動(dòng)，如圖3所示。工作時(shí)壓送器將玉米果穗壓向剝皮輥并向后推送，旋轉(zhuǎn)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(nèi)外專家學(xué)者對(duì)剝皮輥材料與表面形狀、運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)參數(shù)、配置形式及壓送器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[43-47]。

圖3 玉米剝皮裝置結(jié)構(gòu)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(jī)架 5.傳動(dòng)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?fù)黄痖g設(shè)有可拆卸凸釘以提高對(duì)苞葉的抓取能力。橡膠輥表面為耐磨性好的橡膠環(huán)，內(nèi)部為鋼制芯軸，其剝凈率高，籽粒破碎少，適應(yīng)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(duì)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(nóng)業(yè)機(jī)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(diǎn)，應(yīng)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(chǎng)上玉米聯(lián)合收獲機(jī)多采用槽形配置。為驗(yàn)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(zhuǎn)速和兩輥相對(duì)位置角為因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過方差分析得出剝皮輥配置對(duì)苞葉剝凈率和籽粒啃傷率有顯著的影響。遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的玉米剝皮機(jī)中壓送器選用可調(diào)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(jié)構(gòu)

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(jù)結(jié)構(gòu)的不同，壓送裝置分為星輪式和葉輪式，如圖4所示，在實(shí)際生產(chǎn)中葉輪式壓送器應(yīng)用最廣泛[54]。為了驗(yàn)證葉輪式壓送器的作業(yè)性能，針對(duì)含水率較大且苞皮較緊的玉米品種，雷沃公司設(shè)計(jì)的雷沃谷神CR3D型玉米收獲機(jī)剝皮機(jī)將葉輪式壓送器升級(jí)為全星輪壓送器，新壓送器不僅靠葉輪重力對(duì)果穗壓送，而且對(duì)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(dòng)的撥送裝置，保證果穗沿剝皮輥方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也可將莖稈混雜物等撥送出機(jī)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(jī)械化技術(shù)

2.1 典型脫粒裝置結(jié)構(gòu)

隨著“土地流轉(zhuǎn)”和規(guī)模化經(jīng)營主體的發(fā)展，土地集約化管理，種植習(xí)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(jī)械化收獲的發(fā)展趨勢(shì)[58]。脫粒裝置作為實(shí)現(xiàn)籽粒直收的核心部件之一，通過對(duì)進(jìn)入脫粒室的果穗進(jìn)行擊打、碰撞、揉搓，實(shí)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(duì)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(jī)換裝玉米割臺(tái)、更換脫粒部件及調(diào)整作業(yè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)脫粒，作業(yè)時(shí)不僅脫凈率高、破碎率低、分離性能好等，且對(duì)作物種類、品種、水分等有很強(qiáng)適應(yīng)性。但在脫粒過程中，破碎率會(huì)隨著脫凈率升高而增大，為解決該矛盾出現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)形式的脫粒裝置。根據(jù)作物沿脫粒滾筒運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(nèi)脫粒行程小，脫粒時(shí)間短，玉米大顆粒作物進(jìn)行脫粒作業(yè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高的玉米破碎率。該裝置有一定分離作用，但必須與獨(dú)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(yùn)動(dòng)過程受到脫粒元件的反復(fù)作用實(shí)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(shí)間長、過程柔和、脫凈率高和破碎率低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)玉米、小麥、大豆、水稻等作物具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。但由于脫粒分離裝置在收獲機(jī)上橫向布置，機(jī)身較寬，與割臺(tái)不易對(duì)稱配置，一般只用于大型聯(lián)合收獲機(jī)上。

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

隨著生產(chǎn)發(fā)展，為滿足大喂入量谷物收獲機(jī)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(gè)切流滾筒，使容易脫粒的籽粒先行脫粒分離，實(shí)現(xiàn)果穗預(yù)脫粒，同時(shí)提高軸流滾筒喂入速度，對(duì)上述聯(lián)合收獲機(jī)采用的典型脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)[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(duì)作業(yè)參數(shù)(轉(zhuǎn)速、間隙等)的調(diào)整均能得到較好的籽粒收獲性能。但由于國外多以大型機(jī)具為主，整機(jī)機(jī)構(gòu)龐大，適宜在新疆、東北、內(nèi)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(shí)籽粒含水率30%左右，利用以上收獲機(jī)進(jìn)行籽粒收獲時(shí)，依然存在破碎率高、脫凈率低、損失嚴(yán)重等問題。需要針對(duì)我國國情進(jìn)行高含水率玉米低破碎脫粒分離技術(shù)研究。

2.2 脫粒部件

脫粒環(huán)節(jié)中籽粒受到的機(jī)械損傷是直收過程中籽粒破碎的主要來源[65]。國標(biāo)規(guī)定籽粒直收時(shí)玉米籽粒含水率應(yīng)不高于25%，但實(shí)際生產(chǎn)中為爭搶農(nóng)時(shí)，玉米籽粒收獲時(shí)含水率一般高于國標(biāo)，另外，玉米果穗在脫粒過程中會(huì)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(guān)。

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(duì)果穗進(jìn)行擊打、揉搓，實(shí)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(qiáng)度大、籽粒破碎率高，但釘齒抓取果穗能力強(qiáng)，在果穗不均勻喂入和潮濕情況下具有良好的適應(yīng)性。CHOWDHURY[66]通過室內(nèi)玉米脫粒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滾筒釘齒數(shù)目的增加導(dǎo)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(shí)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(shí)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(shè)置紋桿塊，主要起脫粒作用；后端設(shè)置釘齒，主要起攪動(dòng)分離作用，兼具脫粒功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yàn)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，實(shí)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(shí)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(jìn)一步深入研究打下了基礎(chǔ)。

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(jìn)行玉米果穗脫粒，實(shí)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(jī)常用柵格式凹板結(jié)構(gòu)，如圖7所示。柵格式凹板強(qiáng)度高、剛度好，篩孔率一般為40%～70%，分離率高達(dá)75%～90%，分離能力強(qiáng)，夾帶損失小，適應(yīng)性強(qiáng)，大多數(shù)玉米聯(lián)合收獲機(jī)采用柵格式凹板[73]。

圖7 柵格凹板形式Fig.7 Form of grid concave1.側(cè)弧板 2.橫格板 3.篩條

柵格式凹板結(jié)構(gòu)上主要由橫格板、篩條、側(cè)弧板、凹板安裝板組成。FOX[74]利用高速攝像系統(tǒng)觀測(cè)玉米機(jī)械脫粒過程，發(fā)現(xiàn)脫粒時(shí)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(shí)通過凹板篩孔的籽粒將隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)一步提高。MAHMOUD等[75]、PUAUSKAS等[76]研究了分離凹板對(duì)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(shí)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(yàn)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(dòng)且橫格板頂端有棱角，橫格板對(duì)籽粒碰撞、剪切強(qiáng)度大，籽粒損傷嚴(yán)重，破碎率高。柵格式凹板分離篩孔尺寸小，喂入量大時(shí)不利于籽粒及時(shí)分離，夾帶損失高，易造成凹板堵塞[77]。為了對(duì)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(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分段研究，文獻(xiàn)[78-81]設(shè)計(jì)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(duì)玉米果穗的碰撞強(qiáng)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(shí)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(cè)弧板 4.凹板安裝板 5.柵格式橫格板 6.柵格式側(cè)弧板 7.篩條

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，與脫粒滾筒逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向一致，在脫粒過程中有助于玉米果穗螺旋向后移動(dòng)。脫粒裝置前段玉米果穗密度相對(duì)較大，凹板與果穗、果穗與果穗間的相互作用增強(qiáng)，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(xì)圓管相對(duì)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(diào)制(降低籽粒與芯軸連接力、籽粒與籽粒支撐強(qiáng)度)，達(dá)到果穗預(yù)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(xì)圓管相對(duì)密集、數(shù)量多、分離柵格尺寸小，有利于提高對(duì)未脫凈果穗的碰撞次數(shù)，盡可能降低未脫凈率，同時(shí)減少碎芯軸的下落，降低后續(xù)清選負(fù)擔(dān)。因此分段組合式凹板圓管間距前疏后密型設(shè)計(jì)保證前后段均勻脫粒分離，進(jìn)一步降低高含水率籽粒直收作業(yè)的籽粒破碎率，實(shí)現(xiàn)果穗脫粒分段精細(xì)化設(shè)計(jì)。

2.2.3脫粒裝置工作參數(shù)研究

基于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的作業(yè)參數(shù)優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，對(duì)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)玉米果穗低損脫粒作業(yè)。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)脫粒裝置參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了大量研究。SRISON等[82]研究了脫粒滾筒作業(yè)參數(shù)對(duì)玉米脫粒破碎和功耗的影響；ARNOLD[83]、WAELTI等[84]研究了滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒與凹板間隙、喂入量、滾筒上板齒類型及數(shù)量等對(duì)脫粒效率和破碎率的影響，結(jié)果表明造成籽粒機(jī)械損傷的主要原因是滾筒轉(zhuǎn)速。PHATCHANIDA等[85]研究了玉米脫粒機(jī)的導(dǎo)向葉片傾角和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)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(yàn)臺(tái)，重點(diǎn)研究了喂入方式和喂入量、滾筒速度和脫粒間隙等對(duì)不同品種、不同含水率玉米脫粒破碎率的影響，試驗(yàn)得到不同玉米品種籽粒含水率脫粒時(shí)合適的滾筒轉(zhuǎn)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(duì)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(duì)功耗和籽粒損失有重要影響，對(duì)籽粒破碎率無顯著影響。何曉鵬等[89]設(shè)計(jì)了一種寬板齒、低轉(zhuǎn)速的擠搓式玉米脫粒機(jī)，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(jié)合傳統(tǒng)擠搓式玉米脫粒技術(shù)，提出將彈簧齒和壓板機(jī)構(gòu)置于一體的玉米脫粒機(jī)，與傳統(tǒng)玉米脫粒機(jī)相比，脫粒性能得到了提高。YANG等[91]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合式脫粒滾筒，通過對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡有限元模擬和自由狀態(tài)下模態(tài)分析，驗(yàn)證了該脫粒滾筒機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性；陳孝海[92]通過建立籽粒數(shù)學(xué)模型，研究玉米擠搓式脫粒時(shí)玉米籽粒受到脫粒部件作用力的情況，通過對(duì)玉米籽粒不同部位受到載荷的情況進(jìn)行仿真分析，得到對(duì)籽粒側(cè)面和腹面施加壓力的方式適合玉米的擠搓脫粒;楊立權(quán)等[93]設(shè)計(jì)了切流-橫軸流脫粒試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)確定了最佳作業(yè)參數(shù)；李心平等[94]對(duì)不同含水率的玉米穗進(jìn)行了不同喂入量和不同脫粒輥轉(zhuǎn)速的脫粒試驗(yàn)，結(jié)果表明:籽粒含水率與破碎率呈二次函數(shù)關(guān)系，喂入量和脫粒輥轉(zhuǎn)速均與破損率呈正相關(guān)。

張東興團(tuán)隊(duì)[95]針對(duì)籽粒破碎形式進(jìn)行脫粒方法與機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)，在27%的籽粒含水率下，籽粒破碎率由13.73%降至5.04%，為實(shí)現(xiàn)高含水率低破碎脫粒做了初步嘗試。

3 玉米機(jī)械化收獲智能化技術(shù)研究進(jìn)展

脫粒部件結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)的最佳類型與參數(shù)。在生產(chǎn)過程中，多需要機(jī)手根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，要求機(jī)手對(duì)農(nóng)藝、農(nóng)機(jī)具有較高的認(rèn)知水平，而我國農(nóng)機(jī)駕駛員一般知識(shí)水平不高，制約了我國收獲質(zhì)量的提升。通過機(jī)具智能化輔助裝置，實(shí)現(xiàn)工作參數(shù)的智能調(diào)整，為收獲質(zhì)量進(jìn)一步提升提供了可能。

隨著GPS、GIS、傳感與檢測(cè)、信息處理、自動(dòng)控制及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在收獲領(lǐng)域的應(yīng)用，玉米機(jī)械化收獲逐漸向智能化、自動(dòng)化與舒適化方向發(fā)展，如圖9a所示[96-100]。通過自動(dòng)對(duì)行、喂入量自動(dòng)調(diào)節(jié)、凹板間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)及產(chǎn)量監(jiān)測(cè)等技術(shù)的實(shí)施，大幅度降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約運(yùn)營成本，提高產(chǎn)量及效率，同時(shí)可結(jié)合產(chǎn)量監(jiān)測(cè)為后期產(chǎn)量圖及變量施肥提供參考依據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式[101]。如圖9b所示，John Deere通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使收獲機(jī)、拖拉機(jī)等作業(yè)機(jī)械之間數(shù)據(jù)和資源共享，實(shí)現(xiàn)智能管理，機(jī)器同步作業(yè)，農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量雙提升。

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

3.1 摘穗智能化技術(shù)

3.1.1收獲自動(dòng)對(duì)行技術(shù)

收獲作業(yè)時(shí)間長，駕駛員易產(chǎn)生駕駛疲勞。在收獲過程中，收獲機(jī)對(duì)行質(zhì)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(dòng)尋行系統(tǒng)。如圖10所示，TrueSight自動(dòng)尋行系統(tǒng)利用機(jī)械感應(yīng)棒檢測(cè)秸稈，與轉(zhuǎn)向裝置集成，引導(dǎo)聯(lián)合收獲機(jī)沿行前進(jìn)，對(duì)玉米植株進(jìn)行對(duì)行收獲[102]。John Deere的RowTrak Ⅱ?qū)π行凶邔?dǎo)向系統(tǒng)，基于GPS和自尋行傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)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(nèi)外關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航方法主要有模糊控制、PID控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等[104]。國內(nèi)陳剛等[105]采用PID調(diào)節(jié)控制車輪輪向輪偏，設(shè)計(jì)了收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行自校正系統(tǒng)。黃沛琛等[106]提出了一種基于改進(jìn)純追蹤模型的農(nóng)業(yè)機(jī)械地頭轉(zhuǎn)向的控制方法，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)前視距離，實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤與地頭轉(zhuǎn)向。

圖10 自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)Fig.10 Automatic line finding system

3.1.2割臺(tái)高度自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)

準(zhǔn)確調(diào)節(jié)割臺(tái)高度是聯(lián)合收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)高效率、低能耗工作的基本要求[107]。割臺(tái)過高，會(huì)導(dǎo)致收割損失率增大；割臺(tái)過低，則可能導(dǎo)致收獲機(jī)割臺(tái)作業(yè)負(fù)荷過大[108-109]。國外大多采用割臺(tái)仿形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)割臺(tái)高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，割臺(tái)高度自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)利用力學(xué)感應(yīng)裝置控制接觸桿與地面之間的接觸力大小從而控制割臺(tái)與地面之間距離，使留茬高度保持一致，從而降低割臺(tái)漏穗損失，減小籽粒損失率，適應(yīng)在自動(dòng)對(duì)行收獲時(shí)不同地表高度對(duì)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(tái)高度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖11所示。該裝置在John Deere、Geringhoff等公司割臺(tái)上廣泛采用。國內(nèi)楊銀輝[110]設(shè)計(jì)了基于超聲波傳感器的割臺(tái)高度自動(dòng)控制系統(tǒng)，在割臺(tái)底部安裝多個(gè)超聲波傳感器以檢測(cè)割臺(tái)離地高度，實(shí)現(xiàn)割臺(tái)高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖11 割臺(tái)高度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig.11 Automatic height adjustment system of cutting table

3.2 產(chǎn)量與水分監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)收獲機(jī)物料流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)獲得收獲過程中谷物產(chǎn)量，對(duì)作業(yè)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、間隙等進(jìn)行自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)控，并保證收獲作業(yè)的安全性。國外大型收獲機(jī)已配置完善的商用化產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，我國收獲機(jī)目前剛開始應(yīng)用。目前采用的產(chǎn)量監(jiān)測(cè)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(jī)以沖擊力稱量為主，CLAAS、Massey Ferguson則通過位移測(cè)量或輻射式傳感器進(jìn)行體積流量測(cè)定。

圖12 產(chǎn)量監(jiān)測(cè)傳感器Fig.12 Output monitoring sensor

CLAAS、CASE IH、John Deere等收獲機(jī)企業(yè)在聯(lián)合收獲機(jī)籽粒升運(yùn)裝置安裝谷物水分傳感器，通過谷物水分的測(cè)量來協(xié)助駕駛員或智能脫?？刂葡到y(tǒng)完成對(duì)收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)的調(diào)整，以達(dá)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(shù)

玉米聯(lián)合收獲機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，其脫粒性能受作業(yè)工況影響，難以保證實(shí)際作業(yè)的穩(wěn)定性，尤其是高含水率玉米籽粒收獲時(shí)，破碎率高，且潮濕苞葉易堵塞脫粒凹板。通過對(duì)籽粒破碎率、未脫凈率及含水率等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)控制喂入量、凹板間隙及滾筒轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)低損高效籽粒直收作業(yè)。LIU等[111]基于音頻傳感器設(shè)計(jì)了軸流式脫粒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了籽粒損失的實(shí)時(shí)檢測(cè)。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(dá)為驅(qū)動(dòng)力自適應(yīng)脫粒滾筒負(fù)載的變化，跟蹤性能良好，調(diào)速誤差范圍小于5%，滿足轉(zhuǎn)速控制要求。梁學(xué)修等[113]基于滾筒扭矩、轉(zhuǎn)速推測(cè)及經(jīng)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(dòng)態(tài)性能，有效地進(jìn)行了喂入量的預(yù)測(cè)。李耀明等[114]針對(duì)喂入量的波動(dòng)導(dǎo)致作業(yè)性能下降及脫粒滾筒堵塞等問題，設(shè)計(jì)了由凹板間隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)和凹板篩后側(cè)油壓力采集系統(tǒng)組成的脫粒滾筒負(fù)荷監(jiān)測(cè)和凹板間隙調(diào)節(jié)裝置，直接測(cè)量喂入量大小實(shí)現(xiàn)脫粒間隙調(diào)節(jié)，有效預(yù)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(jī)上都安裝了脫粒性能實(shí)時(shí)檢測(cè)與作業(yè)參數(shù)自調(diào)節(jié)系統(tǒng)以適應(yīng)當(dāng)前玉米籽粒破碎率較高的現(xiàn)狀，相對(duì)而言，我國玉米智能化收獲相對(duì)于發(fā)達(dá)國家起步較晚，自動(dòng)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(jìn)階段。借鑒國外先進(jìn)的GPS、GIS、傳感器等，將PID控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制技術(shù)應(yīng)用到玉米機(jī)械化收獲中，提高收獲機(jī)的適應(yīng)性，推動(dòng)我國高含水率低損收獲研究進(jìn)程。

4 發(fā)展趨勢(shì)分析

為提升我國玉米機(jī)械化收獲技術(shù)水平和玉米產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭力，今后應(yīng)著力發(fā)展以下方面：

(1)建立標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化檢測(cè)方法與技術(shù)手段。我國目前收獲質(zhì)量評(píng)價(jià)主要依賴人工檢測(cè)，結(jié)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(cè)方法不適合我國發(fā)展現(xiàn)狀。針對(duì)我國玉米收獲作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，突破關(guān)鍵性能檢測(cè)技術(shù)方法與手段，有助于把眾多研究機(jī)構(gòu)之間的成果串聯(lián)起來，建立收獲技術(shù)研究大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，深度挖掘收獲質(zhì)量影響因素與調(diào)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(shù)水平與質(zhì)量。

(2)加快摘穗收獲方式向籽粒直收方式轉(zhuǎn)變，兼顧特殊收獲需求，發(fā)展高性能、高效率、高可靠性農(nóng)機(jī)裝備。針對(duì)我國各地生產(chǎn)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(diǎn)，深入研究影響摘穗裝置、剝皮裝置、脫粒裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)，創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化高效減損收割、高通量脫粒分離等核心技術(shù)與關(guān)鍵部件，不斷提高收獲質(zhì)量和效率，促進(jìn)各部件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，提升可靠性。針對(duì)籽粒直收方式的轉(zhuǎn)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(chǎn)需求，通過簡單更換凹板等部件實(shí)現(xiàn)脫粒分離裝置的通用化，提高機(jī)具利用效率。

(3)向智能化方向發(fā)展。針對(duì)聯(lián)合收獲高效率、高質(zhì)量的發(fā)展趨勢(shì)，以智能化控制技術(shù)為重點(diǎn)，突破關(guān)鍵工況參數(shù)及作業(yè)質(zhì)量參數(shù)采集傳感器的研究與開發(fā)，精準(zhǔn)采集機(jī)具作業(yè)信息(工況參數(shù)、作物水分、喂入量等)與收獲質(zhì)量指標(biāo)(籽粒破碎率、脫凈率、收獲損失率、產(chǎn)量等)，顯示收獲裝置實(shí)時(shí)工作狀態(tài)以及維修保養(yǎng)提示，向企業(yè)、駕駛員及農(nóng)戶等反映真實(shí)作業(yè)情況；研究各參數(shù)對(duì)收獲質(zhì)量指標(biāo)的影響模型，建立精準(zhǔn)多參數(shù)融合的智能調(diào)控策略決策，以期實(shí)現(xiàn)效率與效益并存的智能高效收獲；結(jié)合GPS、GIS、RS等技術(shù)，生成實(shí)時(shí)產(chǎn)量、水分分布圖，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)等遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)測(cè)，為生產(chǎn)部門決策等提供準(zhǔn)確信息。