联合收割机生产率计算模型与适宜作业路线分析

张 凯，白美健，李益农，章少辉，杜太生



联合收割机生产率计算模型与适宜作业路线分析

张 凯1,2，白美健1※，李益农1，章少辉1，杜太生2

（1. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083）

提高农业机械生产率可大大节约农业生产成本。本文将田间试验与数值模拟相结合，首先在综合分析收割机作业时间构成的基础上，构建了不同作业路线下收割机生产率计算模型；其次实测了3种型号收割机在不同田块条件下整个收割过程中各个作业环节的时间及其工作特性参数；最后基于计算模型和实测参数，采用MATLAB进行编程，模拟分析了不同型号收割机、作业路线和田块面积下收割机生产率的变化规律。结果表明，收割机生产率随田块长宽比、田块面积和割台幅宽的增大而增大；采用“回”形和“U”形相结合的收割机作业路线，可提高收割机生产率8%以上。该结果可为农机实际作业路线选择和农田系统优化布局提供参考。

农业机械；模型；试验；生产率；作业路线；田块条件

0 引 言

农业机械化是农业现代化的重要组成部分，作物收割机械化是农业机械化的重要环节。农业机械化不仅能减轻农民负担，提高生产效率，增加农民收益，更能推动农业向标准化、规模化、产业化发展，促进传统农业向现代农业转变。

农机作业效率与农机性能、农田系统布局、农机作业路线等因素相关。近年来，随着国家在农业机械化发展上的政策倾斜和资金投入力度加大，学者们针对如何降低农业机械化成本和提高其工作效率展开了一系列研究。改进机械性能方面：Veerangouda[1]和Vahedi[2]对收割机的作业质量、工作效率、作业成本等进行了对比分析；陈树人等[3-5]对收割机割台、整机振动进行了分析,并阐述了上述振动对收割机可靠性的影响；Baruah等[6-7]建立了联合收割机的能量需求模型,并以水稻、小麦为对象，对其进行了应用验证。机械设计方面：由于我国南北差异，南方稻田多以丘陵为主，田块小而高低不齐，设计多以“小、轻、稳”型的小动力多功能耕地机具、手扶式插秧机和轻简型水稻联合收割机为主；北方地域广阔、地势平坦，主要以设计大型的系列化、乘座化、复式化的综合型农机具为主。在农机选型和配备方面，有些专家[8-11]探讨采用线性规划或非线性规划方法，有些专家采用模糊综合评价方法进行优选[12-14]。农田系统优化布局方面：X.P.Gonzalez综合了土地规模、形状、分散性对生产率的影响，提出了一种评估土地分布的方法，并应用于土地整合和优化方面[15]。在适宜的农机型号的选择方面，在探讨单个田块面积与机械可能作业面积间相关关系的基础上，得到不同田块面积下的规模效应及其单日生产率，并以收割机生产率为指标确定不同型号收割机对应的田块面积适宜值[16]。

已有针对提高农机生产率的研究，多数侧重在对农机本身的改进，而对于如何通过优化农田系统布局和农机作业路线来提高其生产率方面可借鉴的成果较少。为此，本文以水稻收割机作业为例，通过对不同型号收割机、不同田块条件下农机作业过程的详细观测和分析，提出了3种常见的农机作业路线及相应的农机作业时间估算模型，模拟分析了不同型号收割机生产率对农机作业路线、田块条件（面积和长宽比）的响应关系，以期可为收割机作业路线优选和农田系统优化布局提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 收割机生产率定义

收割机生产率是指收割机械在一定条件下在单位时间内能完成的工作量。生产率可分为理论生产率、技术生产率和实际生产率。理论生产率是制造厂家根据机械的结构和性能，不考虑外界影响因素提供的生产率数据。技术生产率仅考虑了不同的工作对象，而未考虑停歇时间。实际生产率是实际完成工作量与所用总时间的比，是农业生产中的重要指标[17-19]，计算公式见式（1）。

收割机在作业过程中可能采用不同的卸粮方式，由于收割机卸粮方式受到地理条件、道路条件、驾驶员技术水平、收割机技术参数等条件的限制[20-21]，为使研究结论具有通用性，本研究采取一台收割机配一名工人在收割机出粮口用口袋接粮。

1.2 收割机作业路线

收割机在矩形田块作业时，常采用图1所示的3种作业路线，路线Ⅰ为“U”形作业，路线Ⅱ为“回”形作业，路线Ⅲ为先进行“回”形作业，再采用“U”形作业。

图1 矩形田块的收割机常用作业路线

1.3 收割机作业时间构成

在单个田块中，收割机作业时间由非恒速行驶作业时间（包括收割机进入地头，驶出地尾，转弯前减速，转弯后加速4个环节），恒速行驶作业时间，收割机总转弯时间3部分构成，收割机作业总时间为各阶段作业时间之和[17,22-23]，计算公式见式(2)。

1.4 收割机田间作业数据观测

收割机田间作业数据观测在黑龙江省绥化市庆安国家灌溉试验重点站和东禾农业集团进行，该地区是典型的寒区黑土分布区，试验区种植品种为龙稻18，于2017年10月7日-10日开展收割试验，试验选取3块规模为50 m×200 m用于参数确定。参考文献[24-25]的方法，选择功率、幅宽不同的3种型号收割机（久保田PRO488、常发CF805N、雷沃谷神GF40）为试验对象，跟踪其在图1所示的3种不同作业路线时的作业过程，记录3种作业路线下进入地头、驶出地尾的非恒速行驶作业时间、恒速行驶作业时间与相应路程、作业中90°和180°转弯时间及未作业180°转弯时间共5种收割机作业详细信息，每个试验设置3个重复。

收割机恒速行驶速度、种植密度和割台幅宽是影响其喂入量的因素，而收割机的期望喂入量又与其本身的脱粒滚筒转速有关[26]。因此对于某种型号收割机在相同种植密度稻田作业时，其恒速行驶速度是与该型号收割机本身有关的参数，具有普适性。非恒速行驶作业时间、转弯时间均为只与收割机型号有关的参数。

采用常发CF805N收割机对17块大小不同的田块进行模型验证试验，田块规模及对应作业路线见表1。

表1 田块规模表

表2 各收割机时间参数试验数据

2 收割机生产率估算模型构建与验证

2.1 路线Ⅰ收割机生产率模型建立

由图1a作业路线轨迹图可知，收割机采用作业路线Ⅰ完成任一田块的收割任务时，所需总时间包括恒速行驶时间，非恒速行驶时间和转弯时间3部分。所需总时间则取决于完成整个田块的作业行程数和完成每一行程时各作业环节所需时间。

2.1.1 作业行程数

收割机完成田块作业时的作业行程数是田块宽度与收割机割台幅宽之比。由于其比值可能是小数，取整后剩余田块宽度小于机组的作业幅宽，这种情况下，机组仍需再作业一个行程才能完成剩余作业任务[27]。故该比值需向上取整，可用式（3）表示

2.1.2 恒速行驶时间

2.1.3 非恒速行驶时间

由田间观测可知作业路线Ⅰ下非恒速行驶时间主要为收割机进入地头和驶出地尾所需时间，收割机完成任一田块谷物收割任务时非恒速作业所需总时间的估算见式（6）[28]。

2.1.4 转弯时间

综上，依据路线Ⅰ的分析，可得到路线Ⅰ下收割机生产率计算模型为

2.2 路线Ⅱ收割机生产率模型建立

由图1b可知，路线Ⅱ下收割机作业所需总时间除了路线Ⅰ的3部分外，还包括整个田块最后不够1圈时所需的时间。

2.2.1 作业行程数

路线Ⅱ中收割机作业行程数以圈来计，收割机在田块中完成1圈记作1次行程，因此收割完一块地的作业行程数是田块宽度与2倍收割机割台幅宽之比。由于其比值可能是小数，四舍五入取整后出现下面2种情况：当出现“舍”的情况，收割机在收割完最后一圈后还需沿田块长边方向收割一段距离才能完全收割完毕，该段收割方式与路线Ⅰ相同，所需时间计算如式（9）；当出现“入”的情况，收割机在收割完最后一圈后收割完毕。因此，用式（10）表示行程数，用分段函数（11）表示该过程。

2.2.2 转弯时间

2.2.3 恒速行驶时间

路线Ⅱ中，收割机恒速行驶作业速度与路线Ⅰ相同，根据其行进特征，单行程的恒速行驶作业时间计算模型可用式（13）表示，总恒速行驶作业时间可用式（14）表示。

2.2.4 非恒速行驶时间

综上可得，路线Ⅱ下收割机生产率计算模型为

2.3 路线Ⅲ收割机生产率模型建立

路线Ⅰ与路线Ⅱ的收割机行进方式结合形成路线Ⅲ，唯一不同的是，路线Ⅰ中收割机转180°时需要作业，而路线Ⅲ转180°时不需要作业。因此路线Ⅲ需要确定收割机转180°需要的宽度，经实测大约需要收割机长度1.5倍左右的空间，而收割机割台幅宽约为长度的一半，故路线Ⅲ至少先进行3圈“回”形路线作业。

“U”形路线恒速行驶作业时间可以表示为式（19）

综上，依据路线Ⅲ的行进方式，可以得到相应的收割机生产率计算模型为

由不同作业路线下收割机生产率计算公式（8）、（15）和（21）可知，不同作业路线下收割机生产率的差异主要取决于完成相同作业面积时转弯次数、转弯角度和转弯时间。转弯次数越多、转弯时间越长，收割机生产率越低。

2.4 收割机生产率模型验证

图2给出了采用常发CF805N收割机对17个试验稻田进行收割时，实测所得的收割机生产率与采用生产率模型模拟所得值的对比情况。根据现有的田块数量和面积，选取6个试验田块采用路线Ⅰ，6个试验田块采用路线Ⅱ,5个试验田块采用路线Ⅲ，每种路线生产率模型验证所选取的田块面积尽量均衡。3种路线生产率实测值和模拟值相对误差分别在在8%以内，平均相对误差在5%以内，3种路线下实测值与模拟值相关系数达0.96以上，该结果说明本文所建模型的计算值与实测值一致性良好。

图2 收割机不同作业路线生产率模拟值和实测值

3 收割机生产率影响因素分析

收割机作业过程中与其有关的收割机型号，收割机作业路线、田块面积和田块长宽比是影响收割机生产率的因素[28-31]。为了进一步了解生产率对各影响因素变化的响应规律。本文借助数值模拟试验进行分析。数值模拟考虑了3种机型，3种作业路线，2种田块面积（经调研，田块面积0.3 hm2、1 hm2分别为当地散户、农场常见面积），长宽比（1～10），共计474种组合方案。基于本文构建的收割机生产率模型，利用MATLAB编制计算程序，模拟获得所有试验组合方案下的收割机生产率。

图3给出了不同型号收割机、作业路线和田块面积下，生产率随田块长宽比的变化趋势图。结果表明，任意田块面积、收割机作业路线和型号下，收割机生产率对田块长宽比的响应规律相似，均随着田块长宽比的增加而显著增加，并呈较好的指数关系。说明增大田块长宽比能显著提高收割机生产率，其原因是较大的长宽比会减少收割机转弯次数，提高恒速行驶收割距离。随着长宽比值的增大收割机生产率的增长趋势减缓，其原因是当长宽比达到较高水平后，再增加长宽比减少的收割转弯、加减速次数减少，生产率极大值为除进出地头外其余均为恒速行驶作业的情况。

在长宽比不变的情况下，生产率随着田块面积和收割机幅宽的增大而增大，说明增大面积或采用较大型号的收割机能够提高收割机生产率。对比3种作业路线，在长宽比不变的情况下，不同田块面积下收割机生产率对行进路线的响应规律相似，均是路线Ⅲ生产率明显大于另外2种作业路线下的值，路线Ⅱ与路线Ⅰ差距不明显。路线Ⅲ和路线Ⅱ、路线Ⅰ收割机生产率的差值与收割机型号和田块面积有关，当田块面积一定时，其差值随着收割机幅宽增大而增大；收割机型号一定时，其差值随着田块面积增大而增大。面积为0.3和1 hm2时，3种型号收割机在路线Ⅲ作业模式下比同组较低生产率作业路线的增幅分别为8%、11%、17%，和18%、20%、22%。“回”形作业与“U”形作业相结合的收割机作业路线可显著提高生产率。

图3 三种作业路线下不同收割机的生产率与田块长宽比关系曲线

4 结 论

1）本研究在对不同条件下收割机作业过程进行详细跟踪观测的基础上，提出了不同作业路线下收割机作业时间构成，及其相应的计算公式，建立了不同作业路线下收割机生产率计算模型。3种路线生产率实测值和模拟值相对误差分别在在8%以内，平均相对误差在5%以内，三种路线下实测值与模拟值相关系数达0.96以上，所建模型的计算值与实测值一致性良好。

2）通过474组方案的模拟结果可以得知，影响收割机生产率的主要因素为收割机型号和作业路线，田块面积和长宽比；适当增大田块面积、田块长宽比和收割机幅宽，选择适宜的作业路线均可提高收割机生产率。田块面积为0.3 hm2和1 hm2的条件下，“回”形作业与“U”形作业相结合的收割机作业路线可提高其生产率8%以上。

本研究所得的收割机生产率计算模型，可为农机实际作业和农田系统优化布局提供一定的技术参考，但农田灌溉系统布局除考虑机械作业效率外，还需要考虑灌溉水利用率、工程投资、以及农业生产活动的便利性等多个目标，故适宜的田块面积和长宽比不是越大越好，还需要在下一步研究中进行多目标优化确定。

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Combine harvester productivity calculation model and analysis of suitable operation route

Zhang Kai1,2, Bai Meijian1※, Li Yinong1, Zhang Shaohui1, Du Taisheng2

(1.,,, 100038; 2.,,100083,)

Agricultural mechanization is an important part of the agricultural modernization, mechanization of crop harvesting is an important link of agricultural mechanization, increasing productivity of agricultural machinery can greatly reduce the cost of agricultural production. In this thesis, field trial and numerical simulation were adopted to find agricultural machinery working routes with higher harvesting productivity. First of all, the “U”-shape working route, the “concentric square” working route, and the “concentric square” and “U”-shape combined operation modes were selected from the commonly used harvesting routes. These routes were combine harvester operating routes with higher theoretical productivity without repeated routes. Secondly, the working time composition of the combine harvester was comprehensively analyzed. The running time of the combine harvester consisted of 3 parts: non-constant speed driving time (including the combine harvester entering the farmland, driving out of the farmland, decelerating before turning, accelerating after turning), constant speed driving time and total turning time. The total running time of the combine harvester was the sum of the running time of each part. On this basis, the productivity calculation model of the combine harvester under different running routes was built. In order to obtain the time parameters of each part, 3 kinds of combines with different power and header width were selected as test objects, the operation process was tracked, and the agricultural machinery operation was recorded when 3 different operation routes were used in different specifications field. Finally, 3 working route models including calculation models and measurement parameters were written by MATLAB. In the numerical simulation, 3 models, 3 operating routes, 2 field sizes, and different aspect ratios were considered, for a total of 474 combinations, MATLAB program was used to simulate the productivity of the combine harvester under all experimental combinations. The results showed that the main factors affecting the production capacity of the combine harvester were its type and working route, the field area and the aspect ratio. The productivity of the harvester could be improved by appropriately increasing the field area, aspect ratio and working width of the harvester. Within the scope of the simulation conditions, the “concentric square” and “U”-shape combined operation modes could increase the productivity of the combine harvester by more than 8%. The research results can provide some technical references for the practical path selection of agricultural machinery and the optimal layout of farmland systems.

agricultural machinery; models; experiments; productivity; operation route; field condition

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.005

S233.4

A

1002-6819(2018)-18-0037-07

2018-04-23

2018-08-02

国家重点研发计划课题（2016YFCO400103）；中国水利水电科学研究院专项（ID0145B082018）

张 凯，博士生，主要从事节水灌溉技术及相关理论研究。 Email：971057337@qq.com

白美健，教授级高工，博士，从事灌溉水管理和精细地面灌溉技术研究。Email：903247335@qq.com

张 凯，白美健，李益农，章少辉，杜太生. 联合收割机生产率计算模型与适宜作业路线分析[J]. 农业工程学报，2018，34(18)：37－43. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.005 http://www.tcsae.org

Zhang Kai, Bai Meijian, Li Yinong, Zhang Shaohui, Du Taisheng. Combine harvester productivity calculation model and analysis of suitable operation route[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 37－43. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.005 http://www.tcsae.org