聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)研究

趙 宇

(黑河市愛輝區(qū)農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法大隊，黑龍江 黑河 164300)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，隨著農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)的不斷推進，谷物聯(lián)合收割機可以一次性完成谷物收獲、脫粒、清選等作業(yè)環(huán)節(jié)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。在我國糧食生產(chǎn)中，小麥聯(lián)合收獲面積超過87%，水稻聯(lián)合收獲面積超過65%，玉米聯(lián)合收獲面積僅為15%左右。與發(fā)達國家相比還有一定的差距[1]。

我國聯(lián)合收割機智能化及自動化水平較低，由于聯(lián)合收割機結(jié)構(gòu)復雜，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣[2]，因此，聯(lián)合收割機田間作業(yè)時影響因素較為復雜。如，谷物濕度、品種、種植模式、谷物喂入量、機器行進速度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速等，駕駛員不能及時發(fā)現(xiàn)機器故障，嚴重時還導致整機故障停機，影響工作效率，降低聯(lián)合收割機的工作性能。隨著農(nóng)業(yè)機械化自動化、智能化的發(fā)展，對聯(lián)合收割機工作進行實時監(jiān)測有利于駕駛員對聯(lián)合收割機工作狀態(tài)及工作參數(shù)實時調(diào)節(jié)，降低故障發(fā)生率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[3-4]。

本研究對目前國內(nèi)外聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行系統(tǒng)論述，對影響聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)的影響因素進行分析，提出目前聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)存在的主要問題，并給予相應(yīng)的措施，指出未來聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)主要發(fā)展方向與研究重點。研究結(jié)果旨在為提升聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)工作性能及技術(shù)水平提供理論依據(jù)，對于推動農(nóng)業(yè)機械化、自動化及智能化水平具有重要意義。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外聯(lián)合收割機大致分為歐美大型聯(lián)合收割機及日本小型聯(lián)合收割機兩種。在歐美地區(qū)，作物種植多為大型農(nóng)場，以種植小麥為主，兼收玉米、豆類、水稻等，以大型聯(lián)合收割機為主，生產(chǎn)效率高。以美國約翰迪爾、凱斯，德國克拉斯，英國?？松瓰橹饕a(chǎn)企業(yè)，其主要代表聯(lián)合收割機機型如表1所示。目前，在聯(lián)合收割機上采用電子傳感器及智能調(diào)控系統(tǒng)，輔以高精度GPS定位技術(shù)，實現(xiàn)對聯(lián)合收割機的在線監(jiān)測及實時調(diào)控，基本已經(jīng)實現(xiàn)智能化與故障診斷及分類技術(shù)。日本農(nóng)業(yè)種植較為分散，多為小型種植模式，以水稻種植為主，兼收小麥等農(nóng)作物[5]。

表1 國外典型聯(lián)合收割機概況

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國關(guān)于聯(lián)合收割機的研究起步較晚，在19世紀初期，我國初步研制出E514系列聯(lián)合收割機。目前，我國關(guān)于聯(lián)合收割機的研究及技術(shù)相對較為成熟，但是聯(lián)合收割機自動監(jiān)測裝置仍處于初級階段。江蘇大學首次研制出聯(lián)合收割機轉(zhuǎn)速自動監(jiān)測系統(tǒng)，當滾筒轉(zhuǎn)速誤差偏離設(shè)定值時便會發(fā)出報警。后期黑龍江八一農(nóng)墾大學也相繼研制出谷物收獲在線監(jiān)測系統(tǒng)，當谷物喂入量超過設(shè)定值時發(fā)出報警，避免由于喂入量不均勻或喂入量過大造成機器故障。中國農(nóng)業(yè)大學針對國產(chǎn)聯(lián)合收割機配套研發(fā)出智能測產(chǎn)系統(tǒng)，實時更新糧食產(chǎn)量信息及糧食收獲信息。此外，山東農(nóng)業(yè)大學、華中農(nóng)業(yè)大學、上海交通大學結(jié)合相關(guān)農(nóng)業(yè)機械企業(yè)對聯(lián)合收割機在線監(jiān)測系統(tǒng)及故障診斷系統(tǒng)進行研究[6]，但是相關(guān)技術(shù)仍處于初級階段，只能實現(xiàn)單個部件的工作監(jiān)測及報警功能，不能實現(xiàn)各個零部件技術(shù)參數(shù)的實時調(diào)節(jié)與優(yōu)化。

2 性能要求

聯(lián)合收割機監(jiān)測系統(tǒng)的主要性能要求包括適用性、可靠性、智能化及人性化。

2.1 適用性

由于我國地域較廣，不同地區(qū)地形地貌及作物種植方式差異性較大，因此要求不同聯(lián)合收割機在不同地區(qū)及不同種植模式下具有一定的通用性及適用性，有利于我國不同地區(qū)農(nóng)業(yè)機械化及智能化進程，這就要求聯(lián)合收割機在研制過程中各個零部件可以自動調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作物高度、種植密度等。

2.2 可靠性

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，聯(lián)合收割機需要一次性完成作物的收割、脫粒、清選等多項作業(yè)環(huán)節(jié)，因此要求聯(lián)合收割機各個作業(yè)環(huán)節(jié)都具有一定的可靠性，避免由于一項作業(yè)環(huán)節(jié)故障而造成整個作業(yè)環(huán)節(jié)停止，耽誤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進程，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

2.3 智能化

趙春江院士明確指出，目前，我國農(nóng)機裝備發(fā)展重點仍然是提高農(nóng)業(yè)機械及配套裝備的智能化程度，未來發(fā)展中，復合式、高性能及智能化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備仍然是農(nóng)業(yè)機械發(fā)展重點。因此，推進聯(lián)合收割機信息化及智能化對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要意義。

2.4 人性化

農(nóng)業(yè)駕駛是一項枯燥、重復的農(nóng)業(yè)工作，駕駛員要在密閉的駕駛室內(nèi)進行長時間的農(nóng)業(yè)駕駛工作，對于駕駛員身體素質(zhì)及體力素質(zhì)都具有一定的挑戰(zhàn)性及難度，因此，應(yīng)該優(yōu)化駕駛室工作環(huán)境，配合智能監(jiān)控系統(tǒng)及可視化界面，降低駕駛員勞動強度。

3 影響工作性能的主要因素

3.1 聯(lián)合收割機的工作參數(shù)

聯(lián)合收割機機械性能是保障谷物收獲的基礎(chǔ)條件，其工作性能也會影響聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)的工作性能，影響因素主要包括脫粒滾筒、谷物喂入量、機器行進速度等。

3.1.1 脫粒滾筒參數(shù)

脫粒滾筒轉(zhuǎn)速直接影響作物脫粒效率，當滾筒轉(zhuǎn)速過大時，滾筒凹版振動幅度與頻率增加，從而促進谷粒分離，但是轉(zhuǎn)速過大時，會造成谷物籽粒脫落，影響收獲效率。

3.1.2 谷物喂入量

谷物喂入量主要受到機器行進速度、割臺高度及割臺寬度的影響，當喂入量過小時，會造成收割機資源浪費，喂入量過大，會增加喂入裝置的負荷，造成滾筒堵塞，發(fā)生機器故障。

3.1.3 機器行進速度

機器行進速度主要受到田間作業(yè)環(huán)境、谷物濕度及地面環(huán)境的影響，機器行進速度過快，會導致谷物漏割，行進速度過慢，會造成谷物收獲量增加，導致脫粒滾筒堵塞。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)精度

聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)精度主要受到傳感器技術(shù)、高精度定位技術(shù)(GPS)、遙感技術(shù)(RS)及地理信息技術(shù)(GIS)的影響，提高聯(lián)合收割機自動監(jiān)測技術(shù)水平及智能化水平，應(yīng)該實現(xiàn)聯(lián)合收割機關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)及相關(guān)參數(shù)的在線檢測及實時工況的監(jiān)視功能，對于駕駛員及時優(yōu)化技術(shù)參數(shù)提供依據(jù)。

4 聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢

由于聯(lián)合收割機工作結(jié)構(gòu)較為復雜，生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，在提高聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)精度的同時，應(yīng)該提升聯(lián)合收割機故障診斷水平。目前，市面上常見的聯(lián)合收割機故障診斷系統(tǒng)雖然可以實現(xiàn)遠程控制，但是在實際生產(chǎn)中不方便攜帶。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平的不斷提升，移動故障檢測及信息傳輸技術(shù)在航空航天系統(tǒng)、汽車及其他工業(yè)設(shè)備中廣泛應(yīng)用。未來應(yīng)基于移動控制系統(tǒng)進行遠程故障診斷，利用云端采集故障信息進行故障診斷與信息傳輸，主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，關(guān)鍵技術(shù)模塊如圖2所示，可以實現(xiàn)對聯(lián)合收割機工作部件、液壓系統(tǒng)及動力裝置工作狀態(tài)的實時監(jiān)測?；谶h程監(jiān)測服務(wù)端建立數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)，當出現(xiàn)故障時及時將信息傳輸至移動端并進行報警，滿足用戶根據(jù)實時故障信息及工況進行遠程故障檢測與處理。

圖1 基于Android移動控制系統(tǒng)示意圖

圖2 基于Android移動控制系統(tǒng)主要工作模塊示意圖

5 結(jié)論

聯(lián)合收割機是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要農(nóng)業(yè)機械之一，可以一次性完成谷物收割、脫粒、清選等作業(yè)環(huán)節(jié)，其自動監(jiān)測系統(tǒng)是影響田間作業(yè)效率及工作性能的重要組成部分。本研究首先介紹了國內(nèi)外谷物聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，與發(fā)達國家相比，我國聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)存在智能化程度低等問題，未來針對聯(lián)合收割機自動監(jiān)測將充分運用先進的傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、故障診斷技術(shù)、遠程控制技術(shù)等實現(xiàn)對聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)的控制，進一步提高聯(lián)合收割機的智能化控制精度及通用性，滿足不同地區(qū)、不同作物的收獲需求，研究結(jié)果以期為提高聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)的工作性能提供技術(shù)參考，對于推動我國農(nóng)業(yè)機械智能化程度具有重要意義。