摘 要： 在研究國內(nèi)玉米聯(lián)合收獲機割臺系統(tǒng)、軸流脫粒系統(tǒng)、智能清選系統(tǒng)、谷物流量傳感系統(tǒng)和在線監(jiān)測系統(tǒng)等關(guān)鍵部件技術(shù)研究概況的基礎(chǔ)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(shù)特點，為今后研究技術(shù)和性能先進的玉米聯(lián)合收獲機提供參考。

關(guān)鍵詞：玉米；聯(lián)合收獲機；技術(shù)進展；青飼料收獲機；割臺；脫粒系統(tǒng)

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(chǎn)效率的提升直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。近年來，隨著科技不斷進步和農(nóng)業(yè)機械化水平日益提高，玉米聯(lián)合收獲機作為實現(xiàn)玉米生產(chǎn)自動化的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展受到了廣泛關(guān)注。但是，玉米聯(lián)合收獲機在實際應(yīng)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(tài)，影響了玉米收獲的質(zhì)量和效率；另一方面，土地集約化程度不高和種植結(jié)構(gòu)多樣化制約了玉米聯(lián)合收獲機的推廣應(yīng)用。此外，為了提高經(jīng)濟效益，一些農(nóng)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(lián)合收獲機的發(fā)展。

本研究梳理和分析國內(nèi)玉米聯(lián)合收獲機技術(shù)進展，探討其發(fā)展趨勢，分析玉米聯(lián)合收獲機關(guān)鍵工作部件在性能、部件設(shè)計、作業(yè)效率等方面的技術(shù)特點，展望玉米聯(lián)合收獲機技術(shù)發(fā)展方向，為提高我國玉米收獲機械化水平奠定基礎(chǔ)。

1 技術(shù)分析

1.1 割臺系統(tǒng)

割臺是玉米聯(lián)合收獲機的關(guān)鍵核心部件，相關(guān)研究內(nèi)容較多。耿愛軍等[1] 針對國內(nèi)玉米收獲機割臺高度機械調(diào)控存在的問題，研發(fā)了一套割臺高度自動調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合了浮動壓緊式仿形機構(gòu)、STM32控制單元和相關(guān)電子模塊，通過角度傳感器監(jiān)測并配合扭簧優(yōu)化的仿形板適應(yīng)地面變化，確保割臺貼合地形。系統(tǒng)運用PID 控制算法自動調(diào)節(jié)割臺高度，實現(xiàn)精確控制。測試顯示，在自動模式下割臺高度調(diào)節(jié)誤差控制在20 mm 內(nèi)，響應(yīng)速度達0.42 m/s，滿足玉米收獲機割臺調(diào)控要求，為收獲機的智能化設(shè)計提供了技術(shù)支持。特別是在南方丘陵地區(qū)，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(nóng)藝現(xiàn)狀，對割臺進行了優(yōu)化研究，旨在減少收獲過程中的籽粒損失。研究內(nèi)容：一是對南方地區(qū)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(shù)，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(jié)構(gòu)功能，優(yōu)化關(guān)鍵部件，建立數(shù)學模型，并進行了實地測試以驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性；三是通過模態(tài)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(shè)計曲面響應(yīng)試驗，優(yōu)化撥禾輪安裝位置、高度、轉(zhuǎn)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(qū)玉米收獲機械化的發(fā)展和提升收獲效率與質(zhì)量有重要作用。

金誠謙等[3] 為了提高聯(lián)合收獲機割臺高度調(diào)控系統(tǒng)的地形響應(yīng)靈敏度和精度，設(shè)計了一種主副板壓緊式仿形機構(gòu)，包括主副仿形板、彈簧、角度傳感器和四連桿傳動機構(gòu)。通過幾何和力學模型確定關(guān)鍵參數(shù)，并運用粒子群優(yōu)化和多體動力學?離散元素法（MBDDEM）耦合進行優(yōu)化測試。優(yōu)化結(jié)果表明，彈簧剛度系數(shù)和初始長度是影響因素。最佳參數(shù)組合：彈簧剛度系數(shù)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(jié)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(yīng)的土壤沉降距離lt;10 mm，驗證了仿形機構(gòu)設(shè)計參數(shù)的合理性和割臺仿形系統(tǒng)的可靠性，可滿足收獲需求。

姚傳鑫[4] 針對現(xiàn)行玉米聯(lián)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(gòu)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(shè)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(yīng)曲面分析，得出了更適合的作業(yè)參數(shù)。此外，還提出了錐形脫粒分離裝置的創(chuàng)新設(shè)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(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)了更高效的脫粒效果。針對割臺高度控制問題，研究開發(fā)了割臺仿形測控系統(tǒng)，結(jié)合超聲波傳感器與機械仿形機構(gòu)的測量方案，提高了割臺的作業(yè)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(yōu)化的PID控制算法，實現(xiàn)了割臺運動的精確控制。研究結(jié)果表明，所提方案能顯著提高玉米聯(lián)合收獲機的作業(yè)質(zhì)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(yīng)用前景。

1.2 軸流脫粒系統(tǒng)

目前，國內(nèi)外大多數(shù)聯(lián)合收獲機使用縱軸流脫粒系統(tǒng)，其性能對谷物的脫粒效果至關(guān)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(lián)合收獲機中橫軸流脫粒分離裝置的性能，研究了滾筒轉(zhuǎn)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(yīng)的數(shù)學模型來預(yù)測未脫凈率和夾帶損失率。模型驗證試驗結(jié)果顯示，未脫凈率和夾帶損失率的預(yù)測誤差分別為8.23% 和2.90%。模型及試驗結(jié)果均確認了這些參數(shù)對脫粒分離性能具有顯著影響，從而為優(yōu)化橫軸流脫粒分離裝置結(jié)構(gòu)提供了理論支撐。

金冬博[6] 針對單縱軸流玉米聯(lián)合收獲機在實際操作中存在控制系統(tǒng)復(fù)雜、工作效率和質(zhì)量不高的問題，設(shè)計了一種高智能化控制系統(tǒng)，以提升收獲機的性能。該系統(tǒng)綜合考慮工作地點、作業(yè)時間和作物含水率等因素，自動調(diào)整脫粒滾筒轉(zhuǎn)速和凹板間隙，實現(xiàn)了最優(yōu)工作參數(shù)的實時調(diào)節(jié)。采用液壓比例控制技術(shù)和電機控制技術(shù)相結(jié)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(tǒng)的有效性。

劉婉茹等[7] 優(yōu)化了縱軸流稻谷脫粒設(shè)備中鼓形脫粒滾筒的棒齒結(jié)構(gòu)，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(shù)，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(yōu)化后的彎曲棒齒設(shè)計比傳統(tǒng)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(qū)小型縱軸流收獲機的性能優(yōu)化具有重要參考價值。

在華北地區(qū)，由于玉米收獲季節(jié)籽粒含水率較高，使用常規(guī)的釘齒式和桿齒式脫粒組件會導(dǎo)致較高的籽粒破碎率。為解決這一問題，王鎮(zhèn)東等[8] 研究開發(fā)了一種新型紋桿式脫粒元件，并對其結(jié)構(gòu)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(yōu)化設(shè)計。利用EDEM 軟件進一步研究了紋桿頂部參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。試驗結(jié)果表明，最佳的紋桿參數(shù)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(zhuǎn)速和凹板間隙等工作參數(shù)對脫粒效果的影響。在籽粒含水率28.5% 時，滾筒轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)

作為玉米聯(lián)合收獲機的核心組成部分，清選系統(tǒng)中各項結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確調(diào)節(jié)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(guān)重要的作用。劉鵬等[9] 為提升國內(nèi)谷物收獲機的清選效率，針對風篩式清選裝置的作業(yè)參數(shù)調(diào)控和監(jiān)測自動化水平較低的問題，分析了4 個關(guān)鍵清選參數(shù)（振動篩曲柄轉(zhuǎn)速、風門開度、風機轉(zhuǎn)速和篩片開度）的調(diào)節(jié)原則，并設(shè)計了一套多參數(shù)可調(diào)可測式清選系統(tǒng)。該系統(tǒng)改進了參數(shù)的自動調(diào)控、監(jiān)測和顯示，通過電力驅(qū)動實現(xiàn)了綠色環(huán)保作業(yè)。系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度達97.17% 以上，確保了參數(shù)的精確調(diào)控和實時顯示。田間試驗表明，安裝該系統(tǒng)的4LZ-4 型收獲機收獲總損失率3.13%， 含雜率2.70%，滿足行業(yè)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(shè)計了一種結(jié)合風機和雙層魚鱗狀篩網(wǎng)的清選裝置。對該裝置建立數(shù)學模型，并進行理論分析，識別了影響清選效率的關(guān)鍵因素。利用ADAMS 進行動態(tài)仿真，得到了清選篩動態(tài)加速度的特征曲線，并對風機蝸殼的主要參數(shù)進行了精細化的優(yōu)化。試驗采用Box-Behnken 設(shè)計，以籽粒的雜質(zhì)含量和損失率作為試驗指標，通過變化風機轉(zhuǎn)速、振動頻率和篩網(wǎng)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(tài)，確定了合適的篩網(wǎng)加速度范圍，并通過對振動篩連桿進行數(shù)學建模，找到了影響清選效果的主要因素。在優(yōu)化的參數(shù)下，即風機轉(zhuǎn)速1 050 r/min、振動頻率6 Hz、篩網(wǎng)孔徑17 mm 時，籽粒的雜質(zhì)含量降至0.94%，損失率降至1.19%，顯示出清選裝置的參數(shù)優(yōu)化能有效滿足行業(yè)要求。

1.4 谷物流量傳感系統(tǒng)

精確獲取和繪制作物產(chǎn)量分布圖是實施精細農(nóng)業(yè)和精準管理的關(guān)鍵。安裝在玉米聯(lián)合收獲機上的產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)可以提供這些數(shù)據(jù)，支持田間管理和資源優(yōu)化，增加產(chǎn)量，減少污染，促進可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展，并推動國內(nèi)農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。谷物產(chǎn)量監(jiān)測技術(shù)主要分為沖擊式、容積式、動態(tài)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(tài)稱量因田間條件和機器振動導(dǎo)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(fā)了一種基于糧流壓力原理的在線監(jiān)測系統(tǒng)，并構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)學模型。該系統(tǒng)包括糧流監(jiān)測裝置、定位裝置、割臺高度控制開關(guān)、核心處理器和人機交互設(shè)備等。系統(tǒng)實現(xiàn)了糧食收獲過程中產(chǎn)量的實時測量、顯示和存儲。通過優(yōu)化試驗，確定了傳感器數(shù)量、安裝位置和設(shè)備傾角的最佳參數(shù)，實現(xiàn)了糧食產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)的精確度。試驗表明，系統(tǒng)監(jiān)測誤差5.28%。能夠滿足精準農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)需求。

馬鑫等[13] 開發(fā)了一套利用CAN 總線技術(shù)的微波產(chǎn)量感應(yīng)器。該裝置通過在收獲機上安裝的微波模塊發(fā)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(chǎn)量數(shù)據(jù)。

為了準確監(jiān)測農(nóng)作物的損失率，李耀明等[14] 設(shè)計了一套籽粒損失監(jiān)測傳感器標定試驗臺，由升降平臺、升降驅(qū)動裝置、給料裝置和傳感器安裝平臺等構(gòu)成。該設(shè)備能夠在實驗室環(huán)境下模擬不同的作業(yè)條件，通過調(diào)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(jié)果顯示，該監(jiān)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(nèi)。基于實驗室的標定結(jié)果，確定了傳感器在田間監(jiān)測時的最佳安裝位置，田間測試顯示夾帶損失的最大監(jiān)測誤差3.40%，證明了標定試驗臺在精確監(jiān)測作物損失方面的有效性。

1.5 在線監(jiān)測系統(tǒng)

張敏等[15] 開發(fā)了一種利用近紅外光譜技術(shù)的谷物蛋白含量在線檢測系統(tǒng)，集成到玉米聯(lián)合收獲機中，用于收獲時實時監(jiān)測作物蛋白含量及記錄采樣位置。系統(tǒng)由近紅外傳感器、螺旋取樣機構(gòu)、PID 控制步進電機、GPS/北斗定位和數(shù)據(jù)處理軟件組成，能在不同玉米籽粒流經(jīng)時進行光譜捕獲和定位信息記錄。室內(nèi)外測試表明，系統(tǒng)預(yù)測性能穩(wěn)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(nóng)業(yè)提供參考。

2 產(chǎn)品技術(shù)特點

近年來，國內(nèi)玉米聯(lián)合收獲機發(fā)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(chǎn)品列舉如下。

2.1 中聯(lián)收獲4YZL-5（G4）型自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機

①采用四連桿鉸接結(jié)構(gòu)，割臺角度調(diào)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(yīng)速度快，瞬時傳遞轉(zhuǎn)速訊息，精密聯(lián)動報警，預(yù)防突發(fā)事件。③利用人體仿生學原理，設(shè)計指型壓送裝置，5 組20 輥同步開動，柔性剝皮技術(shù)，提速作業(yè)效能品質(zhì)。④機械離合攪龍卸糧，智能化無人工作業(yè)，卸籽粒效能較高。

2.2 雷沃谷神GK120 PRO 型聯(lián)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(dǎo)草板、喂入葉片螺旋角優(yōu)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(jié)構(gòu)全新優(yōu)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(diào)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(diào)速，卸糧筒一鍵開合，糧箱蓋電動開合，扶手箱高低電控調(diào)節(jié)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(yè)，適用于東北、中原，以及新疆維吾爾自治區(qū)（簡稱新疆）的大型農(nóng)服組織、合作社進行大地塊作業(yè)。

2.3 美迪9QZ-3000 型自走式青飼料收獲機

①往復(fù)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(tǒng)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(jīng)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(qū)液壓無級變速驅(qū)動橋，取代傳統(tǒng)無級變速輪和離合器，驅(qū)動動力強勁，大大降低故障率，提高作業(yè)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(tǒng)，反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性好、可靠性高。④裝備電控系統(tǒng)，智能操縱、簡單靈活，駕駛員疲勞感降低、舒適度提升。

3 發(fā)展趨勢

3.1 不同地區(qū)產(chǎn)品發(fā)展趨勢

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

3.2 技術(shù)發(fā)展趨勢

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

（2）多樣化和個性化。開發(fā)適合不同地區(qū)、不同種植模式的收獲機型號，滿足農(nóng)民對機械設(shè)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(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、故障診斷、智能維護等功能，幫助農(nóng)民更好地管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

（4）節(jié)能和環(huán)保。未來玉米聯(lián)合收獲機將更加注重環(huán)保和節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。如采用更加高效的發(fā)動機、優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)、使用可再生能源等，降低能源消耗，減少環(huán)境污染。

4 結(jié)束語

我國是玉米生產(chǎn)大國，隨著玉米產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，玉米聯(lián)合收獲機作為促進產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵手段，其技術(shù)性能、作業(yè)效率和智能化程度也將取得更大的突破。同時，玉米聯(lián)合收獲機技術(shù)的發(fā)展還面臨著諸多挑戰(zhàn)。在解決機械性能不穩(wěn)定、智能化水平不足等問題上，仍需科研機構(gòu)和企業(yè)持續(xù)投入研發(fā)力量，加大技術(shù)創(chuàng)新力度。展望未來，玉米聯(lián)合收獲機技術(shù)不斷取得新的突破和進展，為提升我國玉米生產(chǎn)效率和質(zhì)量作出更大的貢獻。推動我國農(nóng)業(yè)機械化水平再上新臺階，為構(gòu)建現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)體系、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)強國目標提供有力支撐。