收獲機組作業時間分析與建模

喬金友，韓兆楨，李傳磊，陳海濤，衣佳忠，姜　巖，黃　超，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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收獲機組作業時間分析與建模

喬金友1，韓兆楨1，李傳磊1，陳海濤1，衣佳忠1，姜巖1，黃超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：收獲作業是糧食生產過程關鍵環節之一，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，因此提高農業收獲機組效率已成為收獲作業的重要組成部分。依據收獲機組實際作業測得數據進行分析，明確了典型聯合收獲機作業時間項目構成，建立了純作業、轉彎、卸糧等各個時間項目的數學計算模型。針對3種卸糧方式—單側卸糧、雙側卸糧、滿箱卸糧分別建立數學模型，對3種不同的卸糧方式時間利用率進行了分析比較，同時選擇約翰迪爾9660進行試驗研究。

關鍵詞：收獲機組；時間利用率；地塊條件；模型

0引言

農業機器選型問題作為機器系統優化的內容之一，一直受到國內外學者的高度重視。MassimoLazzari(1996)等人利用遺傳算法的相關理論，建立了數學模型對農業機器系統進行優化[1]。Nanseki(1998)綜合考慮了多方面因素設計了一個專家決策模型，通過輸入農機參數和作物生產過程參數，最后輸出優化的作物總產量、總收入、總成本及種植面積等[2]。Takeshi Ttoh(2002)等人指出線性規劃的一些不足之處，提出一個不確定規劃模型[3]。丹麥專家Henning T. Sogaard等(2004)開發了一個非線性規劃模型，該模型以成本(包括固定成本和可變成本等)最低為原則選擇最優的農業機械系統，模型輸入為種植期限和地塊面積等,模型的輸出是每臺拖拉機的功率、機器的大小和機器數量[4]。雖然現有的農業機器選型方法均將定性與定量相結合，但是針對典型作業機組缺乏針對性和科學性，不能定量指導不同地塊條件下農機選型問題。本文研究作業時間利用率隨地塊條件(面積、長度、寬度、地塊間距離)變化規律的相關研究未見報道。

在測試收獲機組作業時間消耗試驗中發現，收獲機組在作業過程中的時間消耗項目多且出現頻率不一。為了明確各類時間消耗項目對作業機組時間利用率的影響，選擇收獲機組在整個作業季內的作業來研究。分析不同地塊條件下的3種卸糧方式(單側卸糧、雙側卸糧、滿箱卸糧)在作業過程中的時間構成，分別建立純作業時間、卸糧時間、轉彎時間、卸糧前準備時間、卸糧后準備進地時間、停車時間等時間項目數學模型，建立整個作業季節收獲機組時間利用率隨地塊條件變化規律的數學模型。

1機組時間利用率概念

農業機組的時間利用率與許多因素有關，如作業速度、機器的結構形式、工作可靠性及與之協調工作的有關設備等[5]。時間利用率分為純工作小時、作業小時、班次，以及標定單位功率時間利用率。本研究一個作業季(多班次)時間利用率，是農業機組在一個作業季節內純作業時間與總作業時間的比值[6]，則有

(1)

式中K—收獲機組的作業季時間利用率；

Tz—收獲季節的純作業時間；

Tb—收獲季節的總作業時間。

結合地塊條件及實際作業特點，聯合收獲機在作業過程中可采取單側卸糧、雙側卸糧和滿箱卸糧。單側卸糧是接糧車只在地塊一側等待接糧，機組只在地塊一側卸糧；雙側卸糧是機組可以在地塊兩側卸糧；滿箱卸糧即機組糧箱裝滿時即卸糧，接糧車可以到地塊里接糧。考慮到實際生產過程中卸糧方式會受到地理條件、道路條件、技術水平、收獲時間和機器裝備等條件的限制，3種卸糧方式都可能采用。因此，本文分別針對這三種卸糧方式分析機組作業時間構成并建立數學模型。

2收獲機組作業時間構成及其模型的建立

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[7]-[11]。據上述原理，結合試驗測試數據可建立收獲機組在一個作業季的各時間消耗項目計算模型，進而建立收獲機組在整個作業季的時間利用率模型。則有

(2)

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，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的純作業時間之和。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個行程所需要的時間，有

Tzi=ni·tzi

(3)

對于一塊地進行分析，機組完成一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，機組完成一個行程的純作業時間計算模型為

(4)

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，由于比值可能是小數，即取整后剩余地塊寬度小于機組的作業幅度。這種情況下，機組仍需走一個行程才能完成剩余作業任務。所以，該比值需向上取整，有

(5)

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

(6)

(7)

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。

1)單側卸糧時，由于道路等條件限制，收獲機組機組只能在收獲地塊一側進行卸糧，機組至少需要往返作業一次才可能卸糧，故一次卸糧對應的行程數為收獲作業的最大距離Lmax與2 倍的地塊長度Li的比值。根據實際卸糧要求，行程數為正整數，故向下取整。收獲機組在第i地塊作業時卸糧次數為

(8)

2)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

(9)

3)滿箱卸糧時，收獲機組卸糧位置不受地塊條件限制，作業機組在滿箱時即卸糧，故一次卸糧對應的行程數為收獲作業的最大距離Lmax與地塊長度Li的比值。收獲機組在第i塊地作業時卸糧次數為

(10)

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，則有

(11)

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塊地的總轉彎時間Tti為轉彎平均時間tti與轉彎次數mti的乘積，即

(12)

每一個行程都會有一次轉彎，即

mti=ni

(13)

2)地塊轉移時間的計算模型。由于每作業一個地塊有一次地塊轉移，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

(14)

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。由于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

(15)

其中，tsi代表在第i地塊上工作時，機組停止工作的時間。

3不同卸糧方式的收獲機組時間利用率模型

設在整個作業季內，聯合收獲機作業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為

(16)

當采用單側卸糧時，有

(17)

當采用雙側卸糧時，有

(18)

當采用滿箱卸糧時，有

(19)

式(17)~式(19)為收獲機組在不同卸糧方式下的時間利用率隨地塊條件的變化規律模型。

由上述模型可知：在某一卸糧方式下，收獲機組的時間利用率隨地塊長度或寬度的增大而增大；同時，可得不同卸糧方式的收獲機組在卸糧之前的田間作業行程數不同，導致時間利用率不同。在單側卸糧方式下，當收獲機組糧箱剩余容積不足以支撐下兩個行程收獲作業收獲量時，則導致機組糧箱沒有滿箱就卸糧，降低了糧箱容積利用率，增加了卸糧次數，使時間利用率降低。該卸糧方式適用于在實際中只有一側交通便利或接糧車僅有一臺的情況；雙側卸糧要求地塊兩頭交通便利且要有足夠數量接糧車，除去這兩點要求，雙側卸糧在3種卸糧方式中有較明顯的優勢；滿箱卸糧對接糧車靈活性要求較高，會增加接糧車的油耗，經濟性較差，但卸糧次數最少，收獲機組時間利用率較高。

4實例分析

在收獲機組時間利用率隨地塊條件變化規律的研究中，選擇約翰迪爾JD9660聯合收獲機組進行大豆收獲作業來進一步研究不同卸糧方式對時間利用率的影響。為了方便研究，設作業季為10天，分別用不同的卸糧方式來收獲大豆并測取相關時間值。對得到的相關時間數據進行異常值處理后，根據式(3)~式(15)得到相應的時間項目計算模型。

設地塊長度為200~1 200m(步長為200m)，面積為0.5~10hm2(步長為0.5hm2)。JD9660的幅寬為7.7m，功率為224kW，糧箱容積為10.91m3。根據試驗測試數據,由式(17)~式(19)得收獲機組在3種不同卸糧方式下的時間利用率隨地塊條件的變化規律，如圖1~圖3所示。

圖1　約翰迪爾9660時間利用率變化規律(單側卸糧)

圖2　約翰迪爾9660時間利用率變化規律(雙側卸糧)

圖3　約翰迪爾9660時間利用率變化規律(滿箱卸糧)

由圖1~圖3可知：在不同卸糧方式下，收獲機組的時間利用率隨地塊條件的變化曲線是不同的，故卸糧方式的不同對收獲機組的時間利用率有影響。收獲機組在滿箱卸糧作業方式下的時間利用率最大，雙側次之，單側最小。同時可知，收獲機組的時間利用率隨地塊條件的變化而有顯著變化，且隨地塊長度的增大而增大，隨地塊面積的增大而增大。

5結論

通過對農業機組作業時間項目的研究，確定了典型聯合收獲機作業時間構成。結合試驗結果及實際作業情況，分別針對單側卸糧、雙側卸糧、滿箱卸糧建立了典型聯合收獲機組純作業時間、轉彎時間、卸糧時間、停止時間和地塊轉移時間等時間項目的計算模型，從而建立了收獲機組時間利用率隨地塊條件變化的數學模型，為作業機組時間利用率隨地塊條件改變的變化規律的計算提供了理論依據。通過對JD9660的進一步研究，得到該收獲機組的時間利用率與卸糧方式有關，即滿箱卸糧方式的時間利用率最大，雙側卸糧次之，單側卸糧最小；同時得到收獲機組時間利用率隨地塊面積的增大而增大，隨地塊長度的增大而增大。

參考文獻：

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[10]陳麗能,馬廣.拖拉機田間作業機組的生產率及其影響因素的研究[J].農業機械學報，2001，32(2)：99-102.

Analysis and Modeling of Operation Time Items and Times Utilization Rate of Harvest Unit

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

Huang Chao1, Zhang Dongguang2

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

Abstract：Harvesting operation is one of the key links in the process of grain production, choosing the appropriate harvesting machine to finish the harvest is an important guarantee for the harvest of grain yield, so it is important to improve the efficiency of agricultural harvest unit. According to the data model analysis of the actual operation of the harvester, the typical combines harvest machine operation time is defined, and the mathematical model of the operation, turning and unloading is established. For three kinds of unloading ways: unilateral unloading , bilateral unloading grain, trunkful unloading grain mathematical models are established respectively, for three different unloading grain pattern time utilization rate through the analysis and comparison, and John Deere 9660 was studied.

Key words：harvest unit; time utilization; land condition; model

中圖分類號：S233.4

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0069-05

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”任務(CARS-04-PS22)

收稿日期：2015-08-17