王鵬，金誠謙，2，王超，李盼盼，趙紫皓

(1. 山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院,山東淄博,255000;2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,南京市,210014)

0 引言

脫粒分離裝置是谷物聯(lián)合收獲機的核心部件,直接影響到谷物收獲的破碎率、損失率和含雜率。脫粒系統(tǒng)結構的優(yōu)化和脫粒系統(tǒng)智能化水平的提高,對提高谷物聯(lián)合收獲機作業(yè)質量十分關鍵。當前,我國農(nóng)業(yè)機械發(fā)展水平依然落后于歐美發(fā)達國家,農(nóng)業(yè)機械發(fā)展水平仍有較大提升空間,因此,本文從脫粒滾筒及凹板篩等關鍵零部件結構設計、脫粒系統(tǒng)功耗分析和負荷測控、脫粒過程理論分析、脫粒破碎率監(jiān)測和智能控制等方面對脫粒系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行總結,并分析脫粒系統(tǒng)發(fā)展的趨勢和需求,為脫粒系統(tǒng)發(fā)展方向提供參考,促進聯(lián)合收獲機脫粒系統(tǒng)現(xiàn)代化水平的提高,滿足現(xiàn)代化收獲作業(yè)的要求。

1 脫粒系統(tǒng)結構

1.1 典型脫粒裝置結構

谷物聯(lián)合收獲機的脫粒裝置根據(jù)谷物喂入方式可分為全喂入式和半喂入式脫粒裝置。

全喂入式即割臺切下谷物全部被送入脫粒室內,按作物沿滾筒的流向可分為軸流式和切流式兩種。切流式脫粒裝置由滾筒和凹板等組成。谷物經(jīng)輸送裝置沿旋轉滾筒前部切線方向喂入,沿滾筒后部切線方向拋出,在滾筒與凹板之間的空隙中受到滾筒的多次打擊和搓擦,籽粒被脫下。其特點是作物脫粒時間較短,需配備分離裝置進行籽粒秸草分離。軸流式脫粒裝置由脫粒滾筒、凹板和頂蓋等組成。凹板和頂蓋形成一個圓筒,把滾筒包圍起來,其間為脫粒室。待脫分谷物在脫粒室內沿脫粒滾筒軸向螺旋運動,在滾筒和凹板的打擊和搓擦作用下,谷物被脫下,并通過凹板篩分離出來。莖稈從滾筒的排草口排出。軸流式脫粒裝置的特點是脫粒時間長、脫粒干凈、對谷粒易碎的作物有較好的適應性,幾乎全部谷粒都可從凹板篩分離出來,可以取消尺寸龐大的逐稿器,但是生產(chǎn)率較切流式要低一些,且秸稈打的比較碎,從凹板篩分離的脫出物含雜較多,清選比較困難。

半喂入式脫粒即禾稈的莖部由夾持輸送鏈夾持并沿滾筒軸向輸送,穗頭進入脫粒室,秸草仍被夾持從滾筒末端排出。半喂入式脫粒裝置特別適合水稻,也可用于小麥,但只適用植株梢部結穗的作物,對作物種類適應范圍窄。根據(jù)谷物與滾筒的相對位置不同,分為上脫、下脫、側脫三種方式。

除以上兩種典型脫粒裝置外,現(xiàn)有谷物聯(lián)合收獲機還有雙切流滾筒式、切流軸流組合式等脫粒系統(tǒng)。目前國內外市場上典型的聯(lián)合收獲機脫粒系統(tǒng)結構見表1。

表1 典型聯(lián)合收獲機脫粒系統(tǒng)結構Tab. 1 Structure of typical combine threshing system

1.2 脫粒滾筒結構

現(xiàn)有中小型聯(lián)合收獲機脫粒系統(tǒng)使用的滾筒結構主要為軸流式滾筒,大型聯(lián)合收獲機有切流式滾筒與軸流式滾筒相組合的形式、切流式滾筒與雙軸流滾筒組合的形式以及雙切流式滾筒組合等形式。脫粒滾筒上打擊元件形式有紋桿式、釘齒式、桿齒式和弓齒式,其中紋桿、釘齒、桿齒主要應用于全喂入式谷物聯(lián)合收獲機。脫粒滾筒上安裝一種或者多種脫粒元件。弓齒主要應用于半喂入式水稻聯(lián)合收獲機,梳刷和打擊作用強,脫粒的破碎率少,莖稈完整性好。

1.3 凹板篩結構

現(xiàn)有脫粒系統(tǒng)凹板篩結構形式有柵格式、圓孔式。現(xiàn)有的谷物聯(lián)合收獲機脫粒凹板主要為柵格式凹板,切流式凹板包角一般小于150°,軸流式脫粒系統(tǒng)凹板包角有180°左右和360°兩種,360°包角的凹板能使脫粒更加柔和、徹底,籽粒分離效率更高。根據(jù)收獲作物不同,目前農(nóng)機企業(yè)都提供了可以快速更換的柵格大小不同的凹板篩,以適應不同作物脫粒需求。部分先進的聯(lián)合收獲機凹板篩上裝有凹板篩開閉裝置,如Claas的LEXION 8900-7400型號的聯(lián)合收獲機,可以改變脫粒凹板篩孔面積,提高對喂入作物的適應性。

1.4 頂蓋結構

對于軸流式脫粒系統(tǒng),其頂蓋結構對作物在脫粒室內運動的速度有重要影響。頂蓋內側有螺旋線形導流板,導流板的螺旋角過大,會阻礙作物軸向輸送,造成作物積壓、滯留,秸草、籽粒破碎增大。根據(jù)作業(yè)效果,脫粒系統(tǒng)自動調節(jié)導流板角度至合適大小有助于提高脫粒系統(tǒng)作業(yè)效率。部分型號聯(lián)合收獲機裝有導流板角度調節(jié)裝置,比如CASE IH Axial-Flow? 250系列。

目前脫粒系統(tǒng)結構多種多樣,大型聯(lián)合收獲機多采用切流—縱軸流組合式脫粒系統(tǒng),中小型聯(lián)合收獲機采用全喂入式脫粒裝置的較多,半喂入式較少。脫粒系統(tǒng)關鍵部件為脫粒滾筒和脫粒凹板。單滾筒脫粒系統(tǒng)多用在中小型聯(lián)合收獲機上,多滾筒脫粒系統(tǒng)多用在大型聯(lián)合收獲機,脫粒凹板結構大多為柵格式。

2 關鍵部件

2.1 脫粒滾筒

世界上領先的農(nóng)機企業(yè)生產(chǎn)的大型谷物聯(lián)合收獲機,單脫粒滾筒都采用組合式脫粒元件,脫粒滾筒不同位置采用不同的結構。大喂入量聯(lián)合收獲機脫粒系統(tǒng)多采用雙滾筒或多滾筒組合結構。

2.1.1 單縱軸流脫粒滾筒

對全喂入式聯(lián)合收獲機脫粒系統(tǒng),JohnDeereS系列的單縱軸流脫粒滾筒極具代表性,其結構如圖1所示。該脫粒滾筒呈子彈形,由喂入部分、主脫粒部分、主分離部分、排出部分組成,四個部分結構各不相同,各部分結構適應其工作要求,整體性能較出色。

圖1 JohnDeereS系列縱軸流脫粒滾筒

2.1.2 可變直徑脫粒滾筒

脫粒間隙對脫粒系統(tǒng)工作性能的影響是通過改變脫粒室空間大小使脫粒系統(tǒng)對作物的打擊、搓擦等作用強度改變,進而實現(xiàn)脫粒系統(tǒng)性能的改變。傳統(tǒng)改變脫粒室空間大小的方法是通過改變凹板篩與脫粒滾筒的相對位置,這種方式的缺點在于脫粒間隙改變會使脫粒滾筒相對脫粒凹板出現(xiàn)偏心,脫粒間隙改變不均勻,影響脫粒系統(tǒng)性能。于是相關學者對改變脫粒室空間的另一種方法:改變脫粒滾筒直徑展開了研究。王勛威等[1]設計了一種脫粒間隙可調脫粒滾筒,使用間隙調節(jié)機構代替?zhèn)鹘y(tǒng)脫粒滾筒的輻盤,并附加間隙控制機構,兩端調節(jié)鏈輪位于脫粒室外,可以實現(xiàn)手動調節(jié)。李耀明等[2-4]對同心和非同心脫粒間隙的水稻脫粒進行了離散元仿真分析和試驗驗證,得到了如下結論:通過改變脫粒滾筒直徑調節(jié)脫粒間隙盡管方法更復雜,但可以更有效地提高脫粒分離率和作物輸送效率;后續(xù)通過離散元仿真與驗證試驗得出同心脫粒間隙可以降低脫粒破碎率,減少碎秸稈,有助于清選;并設計了一種齒桿單動變直徑脫粒滾筒,結構如圖2所示,伸長量準確性達到100%。田間小麥收獲試驗證明,在不同喂入量采用可變直徑脫粒滾筒,選用合理的脫粒間隙,相比傳統(tǒng)的脫粒滾筒最大可降低夾帶損失6.73%,減少籽粒破碎42.4%,減少50%的未脫凈。

圖2 齒桿單動變直徑脫粒滾筒結構示意圖

2.1.3 同軸差速軸流脫粒滾筒

同軸差速軸流式脫粒滾筒是在同一根軸上設置兩段轉速不同的滾筒,前段轉速低,后段轉速高。作業(yè)時作物從低速端切向喂入,在低轉速段脫下絕大部分籽粒,少量難以脫下籽粒進入高轉速段滾筒后脫下。這種滾筒最早于2007年陳德俊等[5]進行了設計研究,證明了其對粳稻和糯稻有較好的脫粒能力。陳霓等[6]在試驗的基礎上用MATLAB離散余弦傅氏分析法,分別建立了單速和差速脫粒情況下不同脫出物軸向分布的數(shù)學模型及其分布曲線,發(fā)現(xiàn)差速脫粒的質量優(yōu)于單速脫粒。王志明等[7]設計了橫置差速軸流脫分選系統(tǒng),通過對該系統(tǒng)進行一系列試驗,發(fā)現(xiàn)了影響該系統(tǒng)損失率、含雜率、破碎率及脫粒功耗的主要因素,并獲得了該系統(tǒng)最優(yōu)工作參數(shù)組合,且該系統(tǒng)總功耗略低于常規(guī)設計指標。田立權等[8]設計了同軸雙滾筒聯(lián)合收獲機,與先前切向喂入差速滾筒不同,其為縱軸流式滾筒,如圖3所示,其中Ⅰ表示喂入段,Ⅱ表示低速脫粒段,Ⅲ表示高速脫粒段。在該收獲機上脫粒滾筒與回轉式凹板為主要脫粒部件,試驗表明該脫粒系統(tǒng)性能較好。侯杰等[9]在該類型縱軸流滾筒上研究了剛性和剛柔耦合的桿齒、弓齒和刀齒脫水稻的性能差異,發(fā)現(xiàn)刀齒對水稻的脫粒效果不佳;與剛性的桿齒和弓齒相比,剛柔耦合的桿齒和弓齒破碎率分別降低19.64%和17.36%,未脫凈率有所增加,但依舊遠低于國家標準。

圖3 同軸雙速托滾筒結構圖

脫粒滾筒向更低損失、低破碎、高脫凈率方向發(fā)展,并且脫粒功耗更低。差速脫粒滾筒對提高脫粒效果,降低滾筒脫粒功耗很有意義。變直徑脫粒滾筒有較好的參數(shù)可調性,可以提高脫粒滾筒在不同作業(yè)條件下的適應性。但是這些滾筒結構都較一般滾筒更復雜,還有待進一步研究。

2.2 脫粒凹板

2.2.1 凹板間隙調節(jié)裝置

現(xiàn)有的許多谷物聯(lián)合收獲機都裝有凹板間隙調節(jié)裝置,如JohnDeereS系列、Claas LEXION 8900-7400系列、FendtC系列和L系列聯(lián)合收獲機。FendtC系列聯(lián)合收獲機凹板間隙調節(jié)裝置的凹板篩前后開度均可單獨調整,調節(jié)機構由電控驅動,在駕駛室內即可完成調節(jié)。許多學者對脫粒間隙調節(jié)裝置進行了研究。

李耀明等[10]設計了一種凹板間隙調節(jié)裝置,如圖4所示,該裝置將原結構中分開的切流和第一橫軸流凹板篩設計成整體式凹板篩,采用四支油缸平行推拉脫粒凹板實現(xiàn)凹板間隙調節(jié)?？导姻蔚萚11]設計了一種對稱可調式凹板篩應用于大豆聯(lián)合收獲機,以改善傳統(tǒng)凹板間隙調整方法單一、脫粒間隙參數(shù)與作物適應性差的問題,其結構如圖5所示,試驗結果表明該結構優(yōu)于豎直調節(jié)式凹板篩,可達到降低大豆破碎率、脫凈率和夾帶損失率的目的。

圖4 凹板間隙調節(jié)裝置結構示意圖

圖5 對稱可調式凹板篩結構圖

2.2.2 其他脫粒凹板

為進一步提高脫粒系統(tǒng)對作物的適應性,農(nóng)機企業(yè)和相關專家學者對可以改變脫粒強度的脫粒凹板進行了研究。滕悅江等[12]設計了分段式脫縱軸流脫粒分離裝置,凹板篩下兩側裝有可開閉的擋板,可以改變作物在脫粒室內的停留時間,從而改變脫粒強度。劉正懷等[13]針對半喂入式聯(lián)合收獲機在收獲高產(chǎn)水稻時易發(fā)生脫粒滾筒堵塞的問題,設計了活動柵格凹板脫粒分離裝置,通過試驗對比,相對于固定式凹板篩,作業(yè)效率提高30%以上。

脫粒凹板篩對于不同的作物,需要不同的結構來最優(yōu)的脫粒分離效果。改變脫粒間隙是改變脫粒強度的一種方式,可調脫粒間隙的凹板篩可以根據(jù)需要改變脫粒系統(tǒng)脫粒強度,從而獲得較好的脫粒效果,均勻的改變脫粒間隙是一個研究方向。此外,可以根據(jù)脫粒系統(tǒng)作業(yè)效果分段打開和關閉的脫粒凹板篩可在很大程度上改變脫粒強度,不過這種結構相對復雜,開合時機依賴駕駛員經(jīng)驗或脫粒系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)。

2.3 脫粒系統(tǒng)部件的作物適用性

目前聯(lián)合收獲機通過更換部件(如割臺、凹板篩等)、改變作業(yè)參數(shù)等方式來適應不同作物收獲,以獲得最佳作業(yè)效果。針對不同谷物,根據(jù)其特性選擇合適的脫粒元部件,有利于降低脫粒破碎率、減少未脫凈率以及降低脫出物含雜率。相關專家學者對不同作物對應的最佳脫粒系統(tǒng)結構展開了研究。

康棟等[14]研究了凹板篩曬條間距、脫粒元件、脫粒滾筒轉速、脫粒間隙四個因素對谷子脫粒效果的影響,經(jīng)過對全釘齒、全桿齒、全紋桿、半釘齒半紋桿四種脫粒齒桿單因素試驗,得出全紋桿脫粒元件下脫粒損失率最低,并通過一系列試驗獲得了篩條間距、滾筒轉速、脫粒間隙對谷子脫粒性能的影響,可為谷子專用脫粒系統(tǒng)設計提供參考。李心平等[15]設計了一種縱軸流雙柔性碾搓式谷子脫粒裝置,其柔性滾筒采用柔性耐磨橡膠輥作為脫粒元件,凹板采用柔性微動凹板,可以滿足谷子脫粒低破碎率、低谷碼率和低未脫凈損失率的要求。楊立權等[16]研究了切流-橫軸流機型對玉米籽粒收獲的適應性,對脫粒元件的結構及排布進行了改進,得到了玉米籽粒含水率和脫粒系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)對破碎率的影響,為玉米籽粒收獲系統(tǒng)設計提供了科學依據(jù)。蘇媛等[17]為降低玉米籽粒收獲破碎率,以軸流釘齒式玉米籽粒收獲機脫粒系統(tǒng)為基礎,優(yōu)化設計了一種弧面釘齒,與傳統(tǒng)梯形釘齒相比,能增大脫粒過程中與果穗的作用面積,減少與玉米籽粒的作用力,可以降低籽粒破碎率;又研究了釘齒材料對脫粒效果的影響,發(fā)現(xiàn)丁腈橡膠弧面釘齒和聚氨酯橡膠弧面釘齒相較于傳統(tǒng)性釘齒破碎率降低達20%。李義博等[18]在此基礎上改進設計了橡膠層與碳鋼層復合結構的脫粒釘齒,自制丁腈橡膠、天然橡膠和三元乙丙橡膠作為復合釘齒的外層結構材料,研究表明復合釘齒能顯著提高玉米果穗脫粒性能,其中三元乙丙橡膠復合釘齒性能最佳,較傳統(tǒng)碳鋼釘齒籽粒破碎率降低52.85%～57.68%。王鎮(zhèn)東等[19]針對玉米收獲機設計了低損變徑脫粒滾筒,證明了該滾筒能有效降低籽粒破碎率及未脫凈率。耿端陽等[20]設計了橫軸流式玉米柔性脫粒裝置,脫粒滾筒為帶柔性釘齒和彈性短紋桿的脫粒滾筒,試驗證明該裝置優(yōu)于常規(guī)脫粒裝置。付君等[21]針對小麥脫凈率低、損傷率高的問題,創(chuàng)新設計了剛柔耦合式小麥脫粒弓齒,能夠明顯降低小麥脫粒破碎率,提高脫凈率。金誠謙等[22]研究了不同脫粒元件結構的脫粒滾筒對大豆收獲質量的影響,得出三種不同脫粒滾筒在不同作業(yè)參數(shù)條件下對大豆收獲破碎率和未脫凈率的影響關系。

前述脫粒滾筒、脫粒凹板篩以及脫粒元件,對不同作物都有其作業(yè)效果較優(yōu)的結構,研究適應多作物的脫粒滾筒及其脫粒元件結構形式,對降低脫粒破碎率、含雜率、未脫凈率都有重要意義。目前應用廣泛的柵格式脫凹板對不同作物需要不同的結構參數(shù)來獲得較優(yōu)的脫分效果?？勺冎睆矫摿L筒、脫粒間隙可調節(jié)的凹板篩以及分段式可調強度脫粒凹板等都有利于提高脫粒系統(tǒng)的多作物脫粒適應性。對特定作物研究專用脫粒零部件,可以大幅提高脫粒系統(tǒng)對特定作物的脫粒性能,具有重要意義。

3 關鍵技術

為提高脫粒系統(tǒng)作業(yè)性能,獲得最佳作業(yè)效果,除了對脫粒系統(tǒng)結構進行優(yōu)化外,對脫粒系統(tǒng)的動力學模型、功耗與負荷、工作參數(shù)及智能化等方面的研究十分關鍵,國內外專家學者也對此展開了研究。

3.1 脫粒滾筒功耗

脫粒系統(tǒng)的功耗分析是結構優(yōu)化的重要依據(jù),對作業(yè)質量和效率提升具有重要意義,相關學者對脫粒系統(tǒng)功耗模型展開了許多研究。

盧康[23]對橫軸流桿齒式脫粒分離裝置功耗進行了研究,得出功耗的影響因素主次順序為滾筒轉速、脫粒間隙、導草板導角。謝干等[24-25]為降低水稻聯(lián)合收獲機脫粒功耗,同時減少滾筒堵塞,設計了鼓形桿齒軸流式脫粒滾筒,建立了鼓式齒桿縱軸流脫粒滾筒動力學模型,并對滾筒功耗進行了研究。結果表明:在滿足脫粒性能的基礎上,對比傳統(tǒng)圓柱形脫粒滾筒,相同條件下鼓形脫粒滾筒的平均功耗降低5%～15%。

3.2 脫粒系統(tǒng)理論分析

任述光等[26]研究了柔性桿齒脫粒過程中的彈性振動,基于Timoshenko Beam理論建立柔性脫粒齒自由彎曲振動的微分方程,利用ANSYS軟件分析柔性脫粒齒對打擊力激勵的影響,得到了在一定脫粒滾筒轉速及喂入速度一定的條件下,有利于脫粒的齒長和齒直徑。張浩天等[27]對切縱流水稻收割機的滾筒結構進行靜力學和模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)與工作轉速頻率存在共振,為此設計了一種具有伸縮脫粒元件的偏心切流滾筒結構,并在ANSYS軟件中進行了靜力學仿真及軸端約束模態(tài)分析,改善了滾筒的工作性能。錢震杰等[28]建立了柔性齒桿與谷物含摩擦打擊動力學模型,研究表明與普通剛性脫粒齒相比,柔性齒有助于提高脫凈率和降低籽粒破碎。

3.3 脫粒負荷測控

李耀明等[10]通過測量凹板篩后側的壓力來表征脫粒滾筒的負荷。許重斌[29]在分析玉米籽粒收獲機易堵塞部位的堵塞機理的基礎上,從發(fā)動機特性曲線角度出發(fā)分析發(fā)動機功率、轉速與收獲機堵塞的關系,并設計一套液壓控制系統(tǒng)調節(jié)作業(yè)參數(shù)預防堵塞故障,設計了相應的軟件程序,進行了田間試驗驗證了其系統(tǒng)的可靠性。

3.4 脫粒破碎監(jiān)測

脫粒系統(tǒng)作業(yè)過程中籽粒破碎率在很大程度上反映了脫粒系統(tǒng)工作狀態(tài)和性能,對脫粒系統(tǒng)工作參數(shù)的在線調控也具有很大的參考意義,因此,相關學者對破碎率在線監(jiān)測開展了許多研究。

陳璇[30]利用K-Means對雜余與破碎谷物進行粗提取,在通過分水嶺算法進行分割,使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練識別模型,進而對雜余、破碎谷物、完好谷物進行識別,田間試驗谷物破碎率平均識別率為86.63%。日本Mahirah等[31]采用一種雙燈源視覺系統(tǒng)檢測水稻中雜質和破碎籽粒,系統(tǒng)檢測的R2值大于0.7,具有檢測相關性。張新偉等[32]提出一種遺傳算法(GA)與改進脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(PCNN)相結合的分割方法(GA+改進PCNN),該方法對粘連玉米籽粒的分割準確率為98%,但是單幅圖像處理時間為22.07 s,用時長于各比較算法,但分割效果最理想。陳進等[33-35]采用帶色彩恢復的多尺度Retinex算法增強原始圖像,該方法破碎籽粒識別的綜合評價指標值為84.74%,平均識別一幅圖像的時間為3.24 s;為解決圖像訓練數(shù)據(jù)匱乏和訓練過擬合問題,建立基于改進U-Net網(wǎng)絡的收獲水稻籽粒圖像分割模型;對含雜率傳感器采樣盒進行了設計,傳感器采用雙LED光源,CMOS相機獲取圖像,并有防水防塵罩,滿足田間作業(yè)監(jiān)測的要求。陳滿等[36]采用改進的分水嶺算法對大豆圖像進行分割,建立了基于顏色特征值的大豆成分分類識別算法,對大豆樣本中完整籽粒、破碎籽粒及雜質進行識別,完整籽粒查準率為87.26%、查全率為86.17%、破碎籽粒查準率為86.45%、查全率為79.42%。張徐康[37]提出了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的水稻破碎率檢測方法,該方法對破碎水稻識別率可達到89.11%,可有效識別水稻圖像中破碎水稻。

3.5 智能控制

聯(lián)合收獲機智能化發(fā)展是進一步提高作業(yè)效率的必然要求,目前國外領先的農(nóng)機企業(yè),如Claas、JohnDeere、CaseIH等生產(chǎn)的大型聯(lián)合收獲機都搭載了整車智能控制系統(tǒng)。對于脫粒系統(tǒng)智能化作業(yè),近年來相關專家學者也進行了許多研究。

Omid等[38]設計了基于專家知識的聯(lián)合收割機模糊邏輯控制系統(tǒng),根據(jù)脫粒損失對脫粒滾筒轉速、脫粒間隙、前進速度、清選風機轉速進行調整。Hiregoudar等[39]基于谷物含水率和脫粒損失檢測設計了一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡,用以建立前進速度和收獲損失間的關系。將機器學習應用于農(nóng)機領域,雖可以處理復雜的田間作業(yè)場景,但前期需大量農(nóng)機的田間作業(yè)數(shù)據(jù),對嵌入式平臺的算力也有一定要求。寧小波[40]建立了基于關聯(lián)規(guī)則聯(lián)合收獲機全論域作業(yè)速度自適應模型,與基于關聯(lián)規(guī)則控制的普通模型相比,獲得了更好的收獲性能。韓樹欽[41]設計了脫粒滾筒電夜比例控制系統(tǒng),以泵控液壓馬達驅動脫粒滾筒,該系統(tǒng)受擾動作用產(chǎn)生震蕩,經(jīng)過較短時間調整,可回到原平衡狀態(tài)工作,可以實現(xiàn)對轉速的自動控制。張真等[42]設計了一種基于CAN總線的玉米收獲機智能收獲控制系統(tǒng),通過探索脫粒滾筒轉速、凹板間隙和作業(yè)速度等參數(shù)對籽粒損傷的影響機理,實現(xiàn)多參數(shù)聯(lián)合調控。邢高勇[43]設計了一種小區(qū)谷物聯(lián)合收獲機的智能調控系統(tǒng),該系統(tǒng)以模糊PID控制算法控制滾筒轉速,具有堵塞預警和報警措施。

張亞偉[44]設計了一種基于模糊控制的脫粒分離質量控制策略,其構建的控制策略對實驗樣機可降低夾帶損失率41.86%以上,可降低破碎率39.13%以上。張學軍等[45]設計了基于自抗擾和動態(tài)矩陣模型的控制系統(tǒng),并對聯(lián)合收獲機的時變干擾進行在線估計,對脫粒滾筒的控制延遲進行基于動態(tài)矩陣模型預測控制;該控制系統(tǒng)能夠使脫粒滾筒獲得平穩(wěn)的速度控制效果。劉青山[46]對脫粒滾筒負荷進行建模分析,選擇基于Smith預估補償?shù)哪：齈ID控制器對速度進行調控,然后使用Simulink仿真分析了該算法的可行性,并進行田間試驗,驗證了控制效果。

脫粒滾筒功耗研究、脫粒系統(tǒng)工作原理的理論分析研究對脫粒零部件的設計有重要指導意義,能在脫粒系統(tǒng)結構設計方面降低脫粒破碎率、含雜率及未脫凈率,提升脫粒系統(tǒng)的作業(yè)性能。這兩方面的研究也是脫粒系統(tǒng)實現(xiàn)高質量、高效率作業(yè)的根本保障。脫粒系統(tǒng)負荷測控、脫粒系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測、脫粒質量在線監(jiān)測等研究是脫粒系統(tǒng)實現(xiàn)智能化作業(yè)的前提條件。脫粒系統(tǒng)智能化是發(fā)展趨勢。聯(lián)合收獲機是割臺、喂入、脫粒清選等多個部分協(xié)同工作的系統(tǒng),其工況復雜。脫粒系統(tǒng)作為其重要組成部分,要實現(xiàn)智能化,不僅需要研究系統(tǒng)內部工作參數(shù)的調控方法,還需要收獲機的其他系統(tǒng)配合支持。

4 發(fā)展趨勢

4.1 向低損失、高效率發(fā)展

隨著作物產(chǎn)量的提高,無論大、中小聯(lián)合收獲機都在向大喂入量方向發(fā)展,這對脫粒系統(tǒng)作業(yè)效率也提出了更高的要求。要實現(xiàn)脫粒系統(tǒng)作業(yè)效率和質量的提升,可以從脫粒滾筒、脫粒打擊元件、脫粒凹板篩等關鍵部件優(yōu)化設計方面展開研究,也可以通過優(yōu)化脫粒系統(tǒng)在不同作物含水率、種植密度、土壤狀態(tài)等收獲條件下的工作參數(shù)來實現(xiàn);還需要減少脫粒系統(tǒng)故障發(fā)生,提高系統(tǒng)可靠性,可以通過完善脫粒系統(tǒng)負荷監(jiān)測及故障預警功能來實現(xiàn)。

4.2 提高多作物適應性

目前聯(lián)合收獲機多作物兼收適應性還需要提高,其中脫粒系統(tǒng)多作物適應性的提高十分重要。要提高脫粒系統(tǒng)對不同作物的適應性,可以針對對于不同作物,根據(jù)其收獲特性設計專用的脫粒零部件,通過試驗驗證專用零部件結構和最優(yōu)作業(yè)參數(shù);在獲得不同作物的專用脫粒零部件后,要實現(xiàn)一臺聯(lián)合收獲機脫粒系統(tǒng)對多種作物的高適應性,可以從不同結構脫粒零部件互換性方面以及零部件互換前后脫粒系統(tǒng)的可調整性方面進行研究。由于脫粒系統(tǒng)對不同作物的最佳作業(yè)參數(shù)也不同,要實現(xiàn)單一脫粒系統(tǒng)對多種作物的高質量脫粒,可以通過田間試驗積累數(shù)據(jù),建立脫粒系統(tǒng)作業(yè)數(shù)據(jù)庫,為脫粒系統(tǒng)對不同作物作業(yè)時提供數(shù)據(jù)參考。破碎率監(jiān)測裝置也需要具有多作物通用性,能夠根據(jù)作物種類改變識別算法,可以對不同作物進行機器視覺方面的研究。

4.3 提高智能化水平

提升脫粒系統(tǒng)智能化水平,要求作業(yè)效果實時感知,即脫粒系統(tǒng)的滾筒轉速、脫粒間隙、導流板角度、喂入量、脫粒破碎率等信息能夠實時顯示,為駕駛員提供脫粒系統(tǒng)的實時工作狀態(tài);要求脫粒系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)能夠實時調控,即在脫粒系統(tǒng)中運用現(xiàn)代控制理論,使脫粒系統(tǒng)根據(jù)感知信息如喂入量、作物種類、作物含水率、破碎率等,自動調整自身工作參數(shù)(滾筒轉速、脫粒間隙等),保持良好的作業(yè)質量和較高的工作效率。