喬金友，韓兆楨，李傳磊，陳海濤，衣佳忠，姜　巖，張東光

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030；2.內(nèi)蒙古阿拉善盟額濟(jì)納旗農(nóng)牧業(yè)機(jī)械化推廣站，內(nèi)蒙古 額濟(jì)納旗　735400)

?

不同收獲機(jī)組時(shí)間利用率規(guī)律的比較研究

喬金友1，韓兆楨1，李傳磊1，陳海濤1，衣佳忠1，姜巖1，張東光2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030；2.內(nèi)蒙古阿拉善盟額濟(jì)納旗農(nóng)牧業(yè)機(jī)械化推廣站，內(nèi)蒙古 額濟(jì)納旗735400)

摘要：收獲作業(yè)是作物生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，提高收獲作業(yè)效率已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。為了進(jìn)一步研究收獲機(jī)組時(shí)間利用率隨地塊條件的變化規(guī)律，采用跟蹤試驗(yàn)方法測取定距離條件下不同聯(lián)合收獲機(jī)組作業(yè)的各類時(shí)間消耗項(xiàng)目，進(jìn)而建立不同地塊條件下不同收獲機(jī)組各類時(shí)間項(xiàng)目及時(shí)間利用率的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。利用MatLab2012a編程計(jì)算，繪制出不同收獲機(jī)組時(shí)間利用率隨地塊長度、面積的變化規(guī)律圖，從而得出不同收獲機(jī)組機(jī)組適用的地塊條件，為不同地塊條件的收獲作業(yè)提供選型依據(jù)。通過研究機(jī)組作業(yè)技術(shù)指標(biāo)隨地塊條件的變化規(guī)律，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)機(jī)器型號選擇。

關(guān)鍵詞：收獲機(jī)組；時(shí)間利用率；地塊條件；變化規(guī)律

0引言

收獲作業(yè)是作物生產(chǎn)過程關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)之一，選擇適宜的收獲機(jī)械適時(shí)完成收獲作業(yè)是糧食豐產(chǎn)豐收的重要保障[1]。

關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性與地塊條件的關(guān)系有廣泛研究。1980年，黃肇先等探討了田塊大小和作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性關(guān)系，指出若大量推廣73.5kW級拖拉機(jī)，則東北及西北平原區(qū)地長以500～800m為宜，華北平原地長以300～400m為宜[2]。1986年，陳麗能提出適于南方水田地區(qū)田間作業(yè)機(jī)組技術(shù)生產(chǎn)率計(jì)算模型和機(jī)組生產(chǎn)率等一系列數(shù)學(xué)模型[3]。1995年，杜兵通過對具有代表性的耕、耙、播、收這4種農(nóng)機(jī)作業(yè)的工作時(shí)間分析，探討了班次時(shí)間構(gòu)成項(xiàng)目分類的合理性，并對班次時(shí)間項(xiàng)目構(gòu)成進(jìn)行了改進(jìn)[4]。2001年，陳麗能對南方水田地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)組進(jìn)行了研究，建立了生產(chǎn)率的計(jì)算模型,分析了影響機(jī)組生產(chǎn)率的主要因素,包括地塊大小與地塊長度對生產(chǎn)率的影響[5]。2008年，孔德剛等人對黑龍江鶴山農(nóng)場農(nóng)業(yè)機(jī)組進(jìn)行了調(diào)查研究，通過對時(shí)間項(xiàng)目分類來分析測試機(jī)組時(shí)間利用率和作業(yè)效率[6]。2015年，喬金友等研究了收獲機(jī)組時(shí)間利用率隨地塊條件的變化規(guī)律，并建立相應(yīng)的模型[7]。由于該文獻(xiàn)僅研究雷沃谷神GF40收獲機(jī)械，為了更好地給農(nóng)業(yè)收獲作業(yè)選型提供依據(jù)，本研究進(jìn)一步對多種聯(lián)合收獲機(jī)組進(jìn)行探討，以其得到不同機(jī)組適用不同地塊的規(guī)律，更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)收獲作業(yè)。

1試驗(yàn)材料及方法

1.1　試驗(yàn)對象及試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)選擇黑龍江省紅星農(nóng)場作為研究地點(diǎn)，采用定距離測時(shí)間的方法測試不同收獲機(jī)組作業(yè)過程中各項(xiàng)時(shí)間消耗。測試儀器主要有秒表(精度0.01s)、數(shù)碼攝像機(jī)、Unistrong UG801 GPS手持終端、皮尺及鋼卷尺等。

本研究對8種不同功率的聯(lián)合收獲機(jī)組完成大豆收獲作業(yè)來進(jìn)行測試試驗(yàn)，各機(jī)組相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　測試機(jī)型基本參數(shù)

1.2　試驗(yàn)方案

在不影響收獲機(jī)組正常作業(yè)的情況下，采用定距離測時(shí)間的方法，測取機(jī)組在進(jìn)行大豆收獲作業(yè)過程中發(fā)生的各類時(shí)間消耗項(xiàng)目。為了更真實(shí)測取機(jī)組作業(yè)時(shí)間消耗，試驗(yàn)時(shí)劃定兩個作業(yè)測試區(qū)，地頭10m為第1作業(yè)測區(qū)，測取機(jī)組在加減速段的各類時(shí)間消耗；地頭10～110m為第2測區(qū)，測取機(jī)組勻速作業(yè)時(shí)的各類時(shí)間消耗，以及在地頭測量機(jī)組轉(zhuǎn)彎、卸糧等時(shí)間消耗。

2收獲機(jī)組時(shí)間利用率數(shù)學(xué)模型

收獲機(jī)組完成作業(yè)任務(wù)的總時(shí)間等于試驗(yàn)測得的各時(shí)間項(xiàng)目數(shù)值之和，各類時(shí)間項(xiàng)目數(shù)值等于不同地塊的相應(yīng)時(shí)間數(shù)值之和[8]。據(jù)上述原理，結(jié)合試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，可建立收獲機(jī)組在一個班次的各時(shí)間消耗項(xiàng)目計(jì)算模型，進(jìn)而建立收獲機(jī)組在整個班次的時(shí)間利用率模型，即

(1)

式中Tbi—總作業(yè)時(shí)間；

Tzi—純作業(yè)時(shí)間；

Tubi—準(zhǔn)備卸糧時(shí)間；

Tui—卸糧時(shí)間；

Tuai—準(zhǔn)備進(jìn)地作業(yè)時(shí)間；

Tti—轉(zhuǎn)彎時(shí)間；

Tyi—地塊轉(zhuǎn)移時(shí)間；

Tsi—停車時(shí)間(包括故障時(shí)間、休息時(shí)間和加油時(shí)間等)。

2.1　收獲機(jī)組純作業(yè)時(shí)間模型

收獲機(jī)組的純作業(yè)時(shí)間是各不同地塊純作業(yè)時(shí)間之和。收獲機(jī)組完成第i塊地消耗的純作業(yè)時(shí)間是收獲機(jī)組在第i地塊完成ni個行程所需的時(shí)間，即

Tzi=ni·tzi

(2)

對一塊地進(jìn)行分析，機(jī)組完成1個行程作業(yè)要經(jīng)過進(jìn)出地頭的加速或減速和機(jī)組在作業(yè)速度穩(wěn)定后的時(shí)間。試驗(yàn)時(shí)分別測取每行程0～10m和10～110m的時(shí)間值，在進(jìn)行剔除異常數(shù)值等相關(guān)數(shù)據(jù)處理后求得平均時(shí)間值。因此，機(jī)組完成1個行程的純作業(yè)時(shí)間計(jì)算模型為

(3)

式中Tzi—第i地塊單個行程的純作業(yè)時(shí)間(s)；

Li—第i地塊的長度(m)；

機(jī)組完成一塊地作業(yè)時(shí)的作業(yè)行程數(shù)是地塊寬度與機(jī)組作業(yè)幅寬之比，比值可能是小數(shù)，即取整后剩余地塊寬度小于機(jī)組的作業(yè)幅度。這種情況下，機(jī)組仍需走1個行程才能完成剩余作業(yè)任務(wù)。所以，該比值需向上取整，即

式中ni—收獲機(jī)組完成整塊地時(shí)的作業(yè)行程數(shù)量；

Wi—第i地塊寬度(m)；

Bi—收獲機(jī)組作業(yè)幅寬(m)。

2.2　收獲機(jī)組卸糧及相關(guān)時(shí)間項(xiàng)目計(jì)算模型

機(jī)組完成第i塊地作業(yè)時(shí)的卸糧總時(shí)間Tui等于單次卸糧時(shí)間tui與卸糧次數(shù)mui之積；而卸糧準(zhǔn)備時(shí)間tubi是為正確完成卸糧任務(wù)對收獲機(jī)或接糧車的位置進(jìn)行調(diào)整所需要的時(shí)間，卸糧后準(zhǔn)備進(jìn)地時(shí)間tuai是機(jī)組卸糧后調(diào)整收獲機(jī)組進(jìn)地作業(yè)所需要的時(shí)間。因此，卸糧準(zhǔn)備時(shí)間和卸糧后準(zhǔn)備作業(yè)時(shí)間所發(fā)生的次數(shù)(mubi和muai)與卸糧次數(shù)mui相等，即

mui=mubi=muai

(5)

(6)

卸糧次數(shù)mui計(jì)算模型推導(dǎo)如下：收獲機(jī)組的卸糧次數(shù)mui是作業(yè)第i塊地的作業(yè)行程數(shù)ni與一次卸糧對應(yīng)的行程數(shù)的比值，且向上取整。

雙側(cè)卸糧時(shí)，由于收獲機(jī)組在地塊兩側(cè)均可卸糧，故一次卸糧對應(yīng)的作業(yè)行程數(shù)為收獲作業(yè)的最大距離Lmax與地塊長度Li的比值，且向下取整。收獲機(jī)組在第i塊地作業(yè)時(shí)卸糧次數(shù)為

設(shè)Lmax為收獲機(jī)組卸空糧箱后作業(yè)至糧箱滿箱時(shí)所經(jīng)過的最大距離，則

(8)

式中ρ—大豆堆積密度(kg/m3)；

V0—機(jī)組糧箱容積(m3)；

y—作業(yè)地塊收獲糧食產(chǎn)量(kg/hm2)。

2.3　其他時(shí)間項(xiàng)目的計(jì)算模型

1)轉(zhuǎn)彎時(shí)間的計(jì)算模型。收獲機(jī)組在第i塊地的轉(zhuǎn)彎時(shí)間Tti為轉(zhuǎn)彎平均時(shí)間tti與轉(zhuǎn)彎次數(shù)mti的乘積，即

(9)

每一個行程都會有一次轉(zhuǎn)彎，即

mti=ni

(10)

2)地塊轉(zhuǎn)移時(shí)間的計(jì)算模型。每作業(yè)1個地塊有1次地塊轉(zhuǎn)移，且每次地塊轉(zhuǎn)移時(shí)間都是不定的，在整個作業(yè)季內(nèi)，其時(shí)間模型為

Tyi=tyi

(11)

其中，tyi代表收獲機(jī)組從第i地塊轉(zhuǎn)移到第(i+1)地塊的轉(zhuǎn)移時(shí)間。

3)停止時(shí)間的計(jì)算模型。停止時(shí)間出現(xiàn)頻率不固定，每次停歇時(shí)間長短也不相等，在整個作業(yè)季內(nèi)，其時(shí)間模型為

Tsi=tsi

(12)

其中，tsi代表在第i地塊上工作時(shí)，機(jī)組停止工作的時(shí)間。

綜上所述，設(shè)在整個班次內(nèi)聯(lián)合收獲機(jī)采用雙側(cè)卸糧方式作業(yè)n個地塊；同時(shí)，已知地塊的長度Li和寬度Wi，收獲機(jī)組的幅寬B。根據(jù)以上各式，得整個作業(yè)季節(jié)時(shí)間利用率計(jì)算模型為

(13)

當(dāng)采用雙側(cè)卸糧時(shí)，有

3數(shù)據(jù)處理

收獲機(jī)組在班次時(shí)間內(nèi)可能完成多地塊的作業(yè)任務(wù)，機(jī)組在每個地塊作業(yè)時(shí)需要行走多個行程。試驗(yàn)時(shí)，首先根據(jù)測試記錄，將數(shù)據(jù)分類并確定收獲機(jī)組作業(yè)時(shí)間消耗項(xiàng)目，包括純作業(yè)時(shí)間、轉(zhuǎn)彎時(shí)間、卸糧準(zhǔn)備時(shí)間、卸糧時(shí)間、卸糧后準(zhǔn)備進(jìn)地時(shí)間、地塊轉(zhuǎn)移時(shí)間及停止時(shí)間等。然后，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)處理，剔除因記錄不準(zhǔn)或測試不正確的異常數(shù)據(jù)，再對收獲機(jī)組作業(yè)過程中多項(xiàng)時(shí)間數(shù)值進(jìn)行平均處理，計(jì)算各類時(shí)間項(xiàng)目測試數(shù)據(jù)的平均值(停止時(shí)間為班次內(nèi)多地塊停止時(shí)間總和平均到每地塊上的時(shí)間)。各收獲機(jī)組作業(yè)消耗時(shí)間構(gòu)成及處理后數(shù)值如表2所示。

表2　各個測試機(jī)組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表2

4機(jī)組時(shí)間利用率隨地塊條件變化規(guī)律研究

根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際地塊面積及長度分布情況，同時(shí)考慮便于分析時(shí)間利用率變化規(guī)律，選擇地塊面積從0.5～10hm2、地塊長度從200～1 600m等步長變化。根據(jù)雙側(cè)卸糧方式的時(shí)間利用率，計(jì)算模型采用MatLab2012a可得不同收獲機(jī)組在不同地塊面積、不同地塊長度下的時(shí)間利用率。采用Excel繪制各聯(lián)合收獲機(jī)組的時(shí)間利用率，隨地塊條件變化規(guī)律，如圖1～圖8所示。

圖1　約翰迪爾R40時(shí)間利用率變化規(guī)律

圖2　約翰迪爾L60時(shí)間利用率變化規(guī)律

圖4　約翰迪爾W80時(shí)間利用率變化規(guī)律

圖5　約翰迪爾C110時(shí)間利用率變化規(guī)律

圖6　約翰迪爾C230時(shí)間利用率變化規(guī)律

圖7　約翰迪爾9660時(shí)間利用率變化規(guī)律

圖8　凱斯6130時(shí)間利用率變化規(guī)律

分析各圖可知：收獲機(jī)組時(shí)間利用率隨地塊長度的增大而增大，隨地塊面積的增大而增大。同時(shí)，得出了各種收獲機(jī)組適宜的最小地塊長度和面積，如表3所示。

表3　各機(jī)型適宜地塊長度和面積

由表3可以看出：不同聯(lián)合收獲機(jī)組適宜作業(yè)的地塊條件不一樣；隨著收獲機(jī)組功率的增大，收獲機(jī)組適宜作業(yè)的地塊面積整體上呈增大的趨勢。

由表3可知：當(dāng)機(jī)組的額定功率為50kW左右、幅寬為2～3m且糧箱容積為1.4～3m3時(shí)，機(jī)組適宜作業(yè)的地塊面積至少為2hm2，地塊長度至少為400m；當(dāng)機(jī)組的額定功率為80kW左右、，幅寬為3～4m且糧箱容積為3～4m3時(shí)，機(jī)組適宜作業(yè)的地塊面積至少為3hm2，長度至少為600m；機(jī)組的額定功率為110kW左右、幅寬為4～4.5m且糧箱容積為4～4.5m3時(shí)，機(jī)組適宜作業(yè)的地塊面積至少為4hm2，長度至少為600m；機(jī)組的額定功率為150kW左右、幅寬為4.5～5m且糧箱容積為4.5～5m3時(shí)，機(jī)組適宜作業(yè)的地塊面積至少為4hm2，長度至少為600m；當(dāng)機(jī)組的額定功率230kW左右、幅寬為7～8m且糧箱容積為10.5～11m3時(shí)，機(jī)組適宜作業(yè)的地塊面積至少為5hm2，長度至少為800m。

5結(jié)論

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際作業(yè)情況，根據(jù)雙側(cè)卸糧方式下建立了收獲機(jī)組時(shí)間利用率隨地塊條件變化規(guī)律的計(jì)算模型，進(jìn)一步探討了8種不同功率級的聯(lián)合收獲機(jī)組在不同地塊條件的時(shí)間利用率變化規(guī)律，得出收獲機(jī)組的時(shí)間利用率隨地塊長度或面積的增大而增大的結(jié)論。根據(jù)規(guī)律并且綜合考慮機(jī)組功率、工作幅寬及糧倉的面積，給出不同聯(lián)合收獲機(jī)組適宜收獲的最小地塊長度和地塊面積。在一般情況下，小功率的收獲機(jī)組幅寬一般為2～3m，適宜作業(yè)的地塊長度為400m，地塊面積為2hm2；中等功率的收獲機(jī)組幅寬在4～6m，適宜作業(yè)的地塊長度為600m，地塊面積為4hm2；大功率的收獲機(jī)組工作幅寬為7～11m，適宜作業(yè)的地塊長度為1 000m，地塊面積為6hm2。在收獲作業(yè)時(shí)，選擇合適的收獲機(jī)組可以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)效率。

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Comparative Research on the Regularities of Time Utilization Rate of Different Combines

Qiao Jinyou1, Han Zhaozhen1, Li Chuanlei1, Chen Haitao1, Yi Jiazhong1, Jiang Yan1, Zhang Dongguang2

(1.Northeast Agricultural University, Engineering College, Harbin 150030, China; 2.Inner Mongolia Alashan Ejinaqi Agricultural Mechanization romotio Station, Ejinaqi 735400, China)

Abstract：Harvesting operation is an important part of the process of crop production, improving the efficiency of harvesting operation has become an important part of agricultural production. In order to further study the change rule of the time utilization rate of the harvest unit with the plot conditions, the method of tracking test was used to determine the time consumption of different units under different conditions. Using MATAB2012a programming calculation, drawing out the different harvest time with the plot length, the area of the change of the plot, so that different harvest units of the application of the conditions for different conditions of the harvest to provide the basis for the selection of. By studying the variation of the operating conditions of the units with the conditions of the plots, the model selection of agricultural machinery.

Key words：harvest unit; time utilization; plot condition; the change regularities

中圖分類號：S233.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0133-06

作者簡介：喬金友(1969-)，男，黑龍江林甸人，副教授，博士，(E-mail)qiaojinyou@163.com。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503116-04)；國家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家“十二五”項(xiàng)目(CARS-04-PS22)

收稿日期：2015-08-18