不同收获机组时间利用率规律的比较研究

乔金友，韩兆桢，李传磊，陈海涛，衣佳忠，姜　岩，张东光

(1.东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030；2.内蒙古阿拉善盟额济纳旗农牧业机械化推广站，内蒙古 额济纳旗　735400)



不同收获机组时间利用率规律的比较研究

乔金友1，韩兆桢1，李传磊1，陈海涛1，衣佳忠1，姜岩1，张东光2

(1.东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030；2.内蒙古阿拉善盟额济纳旗农牧业机械化推广站，内蒙古 额济纳旗735400)

摘要：收获作业是作物生产过程的重要环节，提高收获作业效率已成为农业生产的重要组成部分。为了进一步研究收获机组时间利用率随地块条件的变化规律，采用跟踪试验方法测取定距离条件下不同联合收获机组作业的各类时间消耗项目，进而建立不同地块条件下不同收获机组各类时间项目及时间利用率的数学计算模型。利用MatLab2012a编程计算，绘制出不同收获机组时间利用率随地块长度、面积的变化规律图，从而得出不同收获机组机组适用的地块条件，为不同地块条件的收获作业提供选型依据。通过研究机组作业技术指标随地块条件的变化规律，指导农业机器型号选择。

关键词：收获机组；时间利用率；地块条件；变化规律

0引言

收获作业是作物生产过程关键作业环节之一，选择适宜的收获机械适时完成收获作业是粮食丰产丰收的重要保障[1]。

关于农业机械作业技术性、经济性与地块条件的关系有广泛研究。1980年，黄肇先等探讨了田块大小和作业的经济性关系，指出若大量推广73.5kW级拖拉机，则东北及西北平原区地长以500～800m为宜，华北平原地长以300～400m为宜[2]。1986年，陈丽能提出适于南方水田地区田间作业机组技术生产率计算模型和机组生产率等一系列数学模型[3]。1995年，杜兵通过对具有代表性的耕、耙、播、收这4种农机作业的工作时间分析，探讨了班次时间构成项目分类的合理性，并对班次时间项目构成进行了改进[4]。2001年，陈丽能对南方水田地区的农业机组进行了研究，建立了生产率的计算模型,分析了影响机组生产率的主要因素,包括地块大小与地块长度对生产率的影响[5]。2008年，孔德刚等人对黑龙江鹤山农场农业机组进行了调查研究，通过对时间项目分类来分析测试机组时间利用率和作业效率[6]。2015年，乔金友等研究了收获机组时间利用率随地块条件的变化规律，并建立相应的模型[7]。由于该文献仅研究雷沃谷神GF40收获机械，为了更好地给农业收获作业选型提供依据，本研究进一步对多种联合收获机组进行探讨，以其得到不同机组适用不同地块的规律，更好地指导农业收获作业。

1试验材料及方法

1.1　试验对象及试验设备

本试验选择黑龙江省红星农场作为研究地点，采用定距离测时间的方法测试不同收获机组作业过程中各项时间消耗。测试仪器主要有秒表(精度0.01s)、数码摄像机、Unistrong UG801 GPS手持终端、皮尺及钢卷尺等。

本研究对8种不同功率的联合收获机组完成大豆收获作业来进行测试试验，各机组相关参数如表1所示。

表1　测试机型基本参数

1.2　试验方案

在不影响收获机组正常作业的情况下，采用定距离测时间的方法，测取机组在进行大豆收获作业过程中发生的各类时间消耗项目。为了更真实测取机组作业时间消耗，试验时划定两个作业测试区，地头10m为第1作业测区，测取机组在加减速段的各类时间消耗；地头10～110m为第2测区，测取机组匀速作业时的各类时间消耗，以及在地头测量机组转弯、卸粮等时间消耗。

2收获机组时间利用率数学模型

收获机组完成作业任务的总时间等于试验测得的各时间项目数值之和，各类时间项目数值等于不同地块的相应时间数值之和[8]。据上述原理，结合试验测试数据，可建立收获机组在一个班次的各时间消耗项目计算模型，进而建立收获机组在整个班次的时间利用率模型，即

(1)

式中Tbi—总作业时间；

Tzi—纯作业时间；

Tubi—准备卸粮时间；

Tui—卸粮时间；

Tuai—准备进地作业时间；

Tti—转弯时间；

Tyi—地块转移时间；

Tsi—停车时间(包括故障时间、休息时间和加油时间等)。

2.1　收获机组纯作业时间模型

收获机组的纯作业时间是各不同地块纯作业时间之和。收获机组完成第i块地消耗的纯作业时间是收获机组在第i地块完成ni个行程所需的时间，即

Tzi=ni·tzi

(2)

对一块地进行分析，机组完成1个行程作业要经过进出地头的加速或减速和机组在作业速度稳定后的时间。试验时分别测取每行程0～10m和10～110m的时间值，在进行剔除异常数值等相关数据处理后求得平均时间值。因此，机组完成1个行程的纯作业时间计算模型为

(3)

式中Tzi—第i地块单个行程的纯作业时间(s)；

Li—第i地块的长度(m)；

机组完成一块地作业时的作业行程数是地块宽度与机组作业幅宽之比，比值可能是小数，即取整后剩余地块宽度小于机组的作业幅度。这种情况下，机组仍需走1个行程才能完成剩余作业任务。所以，该比值需向上取整，即

式中ni—收获机组完成整块地时的作业行程数量；

Wi—第i地块宽度(m)；

Bi—收获机组作业幅宽(m)。

2.2　收获机组卸粮及相关时间项目计算模型

机组完成第i块地作业时的卸粮总时间Tui等于单次卸粮时间tui与卸粮次数mui之积；而卸粮准备时间tubi是为正确完成卸粮任务对收获机或接粮车的位置进行调整所需要的时间，卸粮后准备进地时间tuai是机组卸粮后调整收获机组进地作业所需要的时间。因此，卸粮准备时间和卸粮后准备作业时间所发生的次数(mubi和muai)与卸粮次数mui相等，即

mui=mubi=muai

(5)

(6)

卸粮次数mui计算模型推导如下：收获机组的卸粮次数mui是作业第i块地的作业行程数ni与一次卸粮对应的行程数的比值，且向上取整。

双侧卸粮时，由于收获机组在地块两侧均可卸粮，故一次卸粮对应的作业行程数为收获作业的最大距离Lmax与地块长度Li的比值，且向下取整。收获机组在第i块地作业时卸粮次数为

设Lmax为收获机组卸空粮箱后作业至粮箱满箱时所经过的最大距离，则

(8)

式中ρ—大豆堆积密度(kg/m3)；

V0—机组粮箱容积(m3)；

y—作业地块收获粮食产量(kg/hm2)。

2.3　其他时间项目的计算模型

1)转弯时间的计算模型。收获机组在第i块地的转弯时间Tti为转弯平均时间tti与转弯次数mti的乘积，即

(9)

每一个行程都会有一次转弯，即

mti=ni

(10)

2)地块转移时间的计算模型。每作业1个地块有1次地块转移，且每次地块转移时间都是不定的，在整个作业季内，其时间模型为

Tyi=tyi

(11)

其中，tyi代表收获机组从第i地块转移到第(i+1)地块的转移时间。

3)停止时间的计算模型。停止时间出现频率不固定，每次停歇时间长短也不相等，在整个作业季内，其时间模型为

Tsi=tsi

(12)

其中，tsi代表在第i地块上工作时，机组停止工作的时间。

综上所述，设在整个班次内联合收获机采用双侧卸粮方式作业n个地块；同时，已知地块的长度Li和宽度Wi，收获机组的幅宽B。根据以上各式，得整个作业季节时间利用率计算模型为

(13)

当采用双侧卸粮时，有

3数据处理

收获机组在班次时间内可能完成多地块的作业任务，机组在每个地块作业时需要行走多个行程。试验时，首先根据测试记录，将数据分类并确定收获机组作业时间消耗项目，包括纯作业时间、转弯时间、卸粮准备时间、卸粮时间、卸粮后准备进地时间、地块转移时间及停止时间等。然后，对试验数据进行有效性检验处理，剔除因记录不准或测试不正确的异常数据，再对收获机组作业过程中多项时间数值进行平均处理，计算各类时间项目测试数据的平均值(停止时间为班次内多地块停止时间总和平均到每地块上的时间)。各收获机组作业消耗时间构成及处理后数值如表2所示。

表2　各个测试机组的试验数据

续表2

4机组时间利用率随地块条件变化规律研究

根据农业生产中实际地块面积及长度分布情况，同时考虑便于分析时间利用率变化规律，选择地块面积从0.5～10hm2、地块长度从200～1 600m等步长变化。根据双侧卸粮方式的时间利用率，计算模型采用MatLab2012a可得不同收获机组在不同地块面积、不同地块长度下的时间利用率。采用Excel绘制各联合收获机组的时间利用率，随地块条件变化规律，如图1～图8所示。

图1　约翰迪尔R40时间利用率变化规律

图2　约翰迪尔L60时间利用率变化规律

图4　约翰迪尔W80时间利用率变化规律

图5　约翰迪尔C110时间利用率变化规律

图6　约翰迪尔C230时间利用率变化规律

图7　约翰迪尔9660时间利用率变化规律

图8　凯斯6130时间利用率变化规律

分析各图可知：收获机组时间利用率随地块长度的增大而增大，随地块面积的增大而增大。同时，得出了各种收获机组适宜的最小地块长度和面积，如表3所示。

表3　各机型适宜地块长度和面积

由表3可以看出：不同联合收获机组适宜作业的地块条件不一样；随着收获机组功率的增大，收获机组适宜作业的地块面积整体上呈增大的趋势。

由表3可知：当机组的额定功率为50kW左右、幅宽为2～3m且粮箱容积为1.4～3m3时，机组适宜作业的地块面积至少为2hm2，地块长度至少为400m；当机组的额定功率为80kW左右、，幅宽为3～4m且粮箱容积为3～4m3时，机组适宜作业的地块面积至少为3hm2，长度至少为600m；机组的额定功率为110kW左右、幅宽为4～4.5m且粮箱容积为4～4.5m3时，机组适宜作业的地块面积至少为4hm2，长度至少为600m；机组的额定功率为150kW左右、幅宽为4.5～5m且粮箱容积为4.5～5m3时，机组适宜作业的地块面积至少为4hm2，长度至少为600m；当机组的额定功率230kW左右、幅宽为7～8m且粮箱容积为10.5～11m3时，机组适宜作业的地块面积至少为5hm2，长度至少为800m。

5结论

结合试验结果及实际作业情况，根据双侧卸粮方式下建立了收获机组时间利用率随地块条件变化规律的计算模型，进一步探讨了8种不同功率级的联合收获机组在不同地块条件的时间利用率变化规律，得出收获机组的时间利用率随地块长度或面积的增大而增大的结论。根据规律并且综合考虑机组功率、工作幅宽及粮仓的面积，给出不同联合收获机组适宜收获的最小地块长度和地块面积。在一般情况下，小功率的收获机组幅宽一般为2～3m，适宜作业的地块长度为400m，地块面积为2hm2；中等功率的收获机组幅宽在4～6m，适宜作业的地块长度为600m，地块面积为4hm2；大功率的收获机组工作幅宽为7～11m，适宜作业的地块长度为1 000m，地块面积为6hm2。在收获作业时，选择合适的收获机组可以提高农业机械化作业效率。

参考文献：

[1]张宗毅，曹光乔.2014年我国农机化发展形势分析[J].中国农机化学报,2014,35(1):3-4.

[2]黄肇先.田块大小和机械化的经济性[J].农业工程,1980(3):2-6.

[3]陈丽能.拖拉机田间作业的最佳功率[J].农业机械学报,1986,17(2):41-48.

[4]卢林瑞，王庆喜，刘斌，等.田间移动机组的生产率[J].吉林农业大学学报,1992,14(2):69-73.

[5]陈丽能,马广.拖拉机田间作业机组的生产率及其影响因素的研究[J].农业机械学报,2001,32(2):99-102,117.

[6]孔德刚，赵永超，刘立意，等. 大功率农机作业效率与机组合理运用模式的研究[J].农业工程学报，2008，24(8)：143-146.

[7]杜兵.农机作业班时间构成项目分类的分析及改进[J].北京农业工程大学学报,1995,15(1):64-68.

[8]高焕文.农业机械化生产学(上册)[M].北京:中国农业出版社,2002:28-29.

[9]余友泰.农业机械化工程[M].北京：中国展望出版社，1987:10-21.

[10]李宝筏，张东兴.农业装备系统优化[M].北京:中国农业大学出版社,2005:12-13.

[11]Hunt D.Farm power and machinery management[M].Ames Iowa State University Press,1983:321-346.

[12]王福林. 国营农场联合收割机综合状态分类问题的探讨[J].东北农学院学报,1991,22(2):190-194.

[13]Kline D E, Bender D A, B.A. McCarl, et al. Machinery selection using expert systems and linear programming[J].Computers & Electronics in Agriculture, 1988,32(3):45-61.

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

中图分类号：S233.4

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0133-06

作者简介：乔金友(1969-)，男，黑龙江林甸人，副教授，博士，(E-mail)qiaojinyou@163.com。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201503116-04)；国家大豆产业技术体系岗位科学家“十二五”项目(CARS-04-PS22)

收稿日期：2015-08-18