不同收獲機組時間利用率規律的比較研究

喬金友，韓兆楨，李傳磊，陳海濤，衣佳忠，姜　巖，張東光

(1.東北農業大學 工程學院，哈爾濱　150030；2.內蒙古阿拉善盟額濟納旗農牧業機械化推廣站，內蒙古 額濟納旗　735400)

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不同收獲機組時間利用率規律的比較研究

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.東北農業大學 工程學院，哈爾濱150030；2.內蒙古阿拉善盟額濟納旗農牧業機械化推廣站，內蒙古 額濟納旗735400)

摘要：收獲作業是作物生產過程的重要環節，提高收獲作業效率已成為農業生產的重要組成部分。為了進一步研究收獲機組時間利用率隨地塊條件的變化規律，采用跟蹤試驗方法測取定距離條件下不同聯合收獲機組作業的各類時間消耗項目，進而建立不同地塊條件下不同收獲機組各類時間項目及時間利用率的數學計算模型。利用MatLab2012a編程計算，繪制出不同收獲機組時間利用率隨地塊長度、面積的變化規律圖，從而得出不同收獲機組機組適用的地塊條件，為不同地塊條件的收獲作業提供選型依據。通過研究機組作業技術指標隨地塊條件的變化規律，指導農業機器型號選擇。

關鍵詞：收獲機組；時間利用率；地塊條件；變化規律

0引言

收獲作業是作物生產過程關鍵作業環節之一，選擇適宜的收獲機械適時完成收獲作業是糧食豐產豐收的重要保障[1]。

關于農業機械作業技術性、經濟性與地塊條件的關系有廣泛研究。1980年，黃肇先等探討了田塊大小和作業的經濟性關系，指出若大量推廣73.5kW級拖拉機，則東北及西北平原區地長以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田間作業機組技術生產率計算模型和機組生產率等一系列數學模型[3]。1995年，杜兵通過對具有代表性的耕、耙、播、收這4種農機作業的工作時間分析，探討了班次時間構成項目分類的合理性，并對班次時間項目構成進行了改進[4]。2001年，陳麗能對南方水田地區的農業機組進行了研究，建立了生產率的計算模型,分析了影響機組生產率的主要因素,包括地塊大小與地塊長度對生產率的影響[5]。2008年，孔德剛等人對黑龍江鶴山農場農業機組進行了調查研究，通過對時間項目分類來分析測試機組時間利用率和作業效率[6]。2015年，喬金友等研究了收獲機組時間利用率隨地塊條件的變化規律，并建立相應的模型[7]。由于該文獻僅研究雷沃谷神GF40收獲機械，為了更好地給農業收獲作業選型提供依據，本研究進一步對多種聯合收獲機組進行探討，以其得到不同機組適用不同地塊的規律，更好地指導農業收獲作業。

1試驗材料及方法

1.1　試驗對象及試驗設備

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

本研究對8種不同功率的聯合收獲機組完成大豆收獲作業來進行測試試驗，各機組相關參數如表1所示。

表1　測試機型基本參數

1.2　試驗方案

在不影響收獲機組正常作業的情況下，采用定距離測時間的方法，測取機組在進行大豆收獲作業過程中發生的各類時間消耗項目。為了更真實測取機組作業時間消耗，試驗時劃定兩個作業測試區，地頭10m為第1作業測區，測取機組在加減速段的各類時間消耗；地頭10～110m為第2測區，測取機組勻速作業時的各類時間消耗，以及在地頭測量機組轉彎、卸糧等時間消耗。

2收獲機組時間利用率數學模型

收獲機組完成作業任務的總時間等于試驗測得的各時間項目數值之和，各類時間項目數值等于不同地塊的相應時間數值之和[8]。據上述原理，結合試驗測試數據，可建立收獲機組在一個班次的各時間消耗項目計算模型，進而建立收獲機組在整個班次的時間利用率模型，即

(1)

式中Tbi—總作業時間；

Tzi—純作業時間；

Tubi—準備卸糧時間；

Tui—卸糧時間；

Tuai—準備進地作業時間；

Tti—轉彎時間；

Tyi—地塊轉移時間；

Tsi—停車時間(包括故障時間、休息時間和加油時間等)。

2.1　收獲機組純作業時間模型

收獲機組的純作業時間是各不同地塊純作業時間之和。收獲機組完成第i塊地消耗的純作業時間是收獲機組在第i地塊完成ni個行程所需的時間，即

Tzi=ni·tzi

(2)

對一塊地進行分析，機組完成1個行程作業要經過進出地頭的加速或減速和機組在作業速度穩定后的時間。試驗時分別測取每行程0～10m和10～110m的時間值，在進行剔除異常數值等相關數據處理后求得平均時間值。因此，機組完成1個行程的純作業時間計算模型為

(3)

式中Tzi—第i地塊單個行程的純作業時間(s)；

Li—第i地塊的長度(m)；

機組完成一塊地作業時的作業行程數是地塊寬度與機組作業幅寬之比，比值可能是小數，即取整后剩余地塊寬度小于機組的作業幅度。這種情況下，機組仍需走1個行程才能完成剩余作業任務。所以，該比值需向上取整，即

式中ni—收獲機組完成整塊地時的作業行程數量；

Wi—第i地塊寬度(m)；

Bi—收獲機組作業幅寬(m)。

2.2　收獲機組卸糧及相關時間項目計算模型

機組完成第i塊地作業時的卸糧總時間Tui等于單次卸糧時間tui與卸糧次數mui之積；而卸糧準備時間tubi是為正確完成卸糧任務對收獲機或接糧車的位置進行調整所需要的時間，卸糧后準備進地時間tuai是機組卸糧后調整收獲機組進地作業所需要的時間。因此，卸糧準備時間和卸糧后準備作業時間所發生的次數(mubi和muai)與卸糧次數mui相等，即

mui=mubi=muai

(5)

(6)

卸糧次數mui計算模型推導如下：收獲機組的卸糧次數mui是作業第i塊地的作業行程數ni與一次卸糧對應的行程數的比值，且向上取整。

雙側卸糧時，由于收獲機組在地塊兩側均可卸糧，故一次卸糧對應的作業行程數為收獲作業的最大距離Lmax與地塊長度Li的比值，且向下取整。收獲機組在第i塊地作業時卸糧次數為

設Lmax為收獲機組卸空糧箱后作業至糧箱滿箱時所經過的最大距離，則

(8)

式中ρ—大豆堆積密度(kg/m3)；

V0—機組糧箱容積(m3)；

y—作業地塊收獲糧食產量(kg/hm2)。

2.3　其他時間項目的計算模型

1)轉彎時間的計算模型。收獲機組在第i塊地的轉彎時間Tti為轉彎平均時間tti與轉彎次數mti的乘積，即

(9)

每一個行程都會有一次轉彎，即

mti=ni

(10)

2)地塊轉移時間的計算模型。每作業1個地塊有1次地塊轉移，且每次地塊轉移時間都是不定的，在整個作業季內，其時間模型為

Tyi=tyi

(11)

其中，tyi代表收獲機組從第i地塊轉移到第(i+1)地塊的轉移時間。

3)停止時間的計算模型。停止時間出現頻率不固定，每次停歇時間長短也不相等，在整個作業季內，其時間模型為

Tsi=tsi

(12)

其中，tsi代表在第i地塊上工作時，機組停止工作的時間。

綜上所述，設在整個班次內聯合收獲機采用雙側卸糧方式作業n個地塊；同時，已知地塊的長度Li和寬度Wi，收獲機組的幅寬B。根據以上各式，得整個作業季節時間利用率計算模型為

(13)

當采用雙側卸糧時，有

3數據處理

收獲機組在班次時間內可能完成多地塊的作業任務，機組在每個地塊作業時需要行走多個行程。試驗時，首先根據測試記錄，將數據分類并確定收獲機組作業時間消耗項目，包括純作業時間、轉彎時間、卸糧準備時間、卸糧時間、卸糧后準備進地時間、地塊轉移時間及停止時間等。然后，對試驗數據進行有效性檢驗處理，剔除因記錄不準或測試不正確的異常數據，再對收獲機組作業過程中多項時間數值進行平均處理，計算各類時間項目測試數據的平均值(停止時間為班次內多地塊停止時間總和平均到每地塊上的時間)。各收獲機組作業消耗時間構成及處理后數值如表2所示。

表2　各個測試機組的試驗數據

續表2

4機組時間利用率隨地塊條件變化規律研究

根據農業生產中實際地塊面積及長度分布情況，同時考慮便于分析時間利用率變化規律，選擇地塊面積從0.5～10hm2、地塊長度從200～1 600m等步長變化。根據雙側卸糧方式的時間利用率，計算模型采用MatLab2012a可得不同收獲機組在不同地塊面積、不同地塊長度下的時間利用率。采用Excel繪制各聯合收獲機組的時間利用率，隨地塊條件變化規律，如圖1～圖8所示。

圖1　約翰迪爾R40時間利用率變化規律

圖2　約翰迪爾L60時間利用率變化規律

圖4　約翰迪爾W80時間利用率變化規律

圖5　約翰迪爾C110時間利用率變化規律

圖6　約翰迪爾C230時間利用率變化規律

圖7　約翰迪爾9660時間利用率變化規律

圖8　凱斯6130時間利用率變化規律

分析各圖可知：收獲機組時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，得出了各種收獲機組適宜的最小地塊長度和面積，如表3所示。

表3　各機型適宜地塊長度和面積

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

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

5結論

結合試驗結果及實際作業情況，根據雙側卸糧方式下建立了收獲機組時間利用率隨地塊條件變化規律的計算模型，進一步探討了8種不同功率級的聯合收獲機組在不同地塊條件的時間利用率變化規律，得出收獲機組的時間利用率隨地塊長度或面積的增大而增大的結論。根據規律并且綜合考慮機組功率、工作幅寬及糧倉的面積，給出不同聯合收獲機組適宜收獲的最小地塊長度和地塊面積。在一般情況下，小功率的收獲機組幅寬一般為2～3m，適宜作業的地塊長度為400m，地塊面積為2hm2；中等功率的收獲機組幅寬在4～6m，適宜作業的地塊長度為600m，地塊面積為4hm2；大功率的收獲機組工作幅寬為7～11m，適宜作業的地塊長度為1 000m，地塊面積為6hm2。在收獲作業時，選擇合適的收獲機組可以提高農業機械化作業效率。

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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

文獻標識碼：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。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201503116-04)；國家大豆產業技術體系崗位科學家“十二五”項目(CARS-04-PS22)

收稿日期：2015-08-18