智能化小型聯合收割機系統創新設計研究

李曉英 郭飛龍 吳穎琪

摘要：在我國農業快速發展的同時，相關生產方式也面臨一定的挑戰。如今，我國農村人口空心化，大量青壯勞動力不再從事農業生產，農村剩余勞動力大多為老人、兒童等，致使農村勞動力不足。傳統的農業模式已不能滿足農業發展的要求，智能化農業機械的應用成為現代農業發展的必然趨勢。文章基于對山區農民收割作業流程的深入分析，將目標用戶群體在運輸、貯藏、收割等環節的需求作為設計點，將用戶需求轉化為功能后進行設計。針對農機設計面臨的諸多問題，文章提出以下優化點：一是優化收割作業流程，減少非必需的人力工作，從而實現單人高效完成全部作業；二是優化秸稈還田的方式，減少病蟲害的發生及腐熟過程中對農作物養分的爭奪；三是采用模塊化、智能化的手段，增強收割、桔梗入田、裝車、運輸等流程的統一性、流暢性；四是深挖不同使用情況下的農機使用場景，增加農機閑時使用頻率，拓展使用方式。對智能化小型收割機系統進行深入設計與創新，增加農機的使用場景，減少秸稈還田的部分問題，能為我國山區的農業生產帶來一定的積極影響，其中，創新性的功能可促進山區生態農業良好發展，為實現鄉村振興提供服務支持。

關鍵詞：農業機械；小型聯合收割機；智能化產品；創新設計

中圖分類號：S225 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）04-000-04

如今，農業自動化不斷發展，自動化控制技術在農業機械上得到了廣泛應用。在農業發展水平較高的國家中，自動化農業機械不僅形成了適合其國情的農機裝備體系，且不斷向自動化、智能化方向發展。當前，我國農村人口空心化問題日益凸顯，大量青壯年勞動力退出土地耕種，留守農村的婦女、老人等弱勢勞動力承擔了農業生產任務。在鄉村振興戰略背景下，提高農機智能化水平，加快智慧農業應用發展，有利于農業生產活動提質增效。同時，農業規模化經營為智能化農機的應用創造了有利環境，新型職業農民群體的發展加速了智能化農機的普及，新型農村合作社為農機智能化和智慧農業應用提供了機制保障［1］。本文根據前述問題，結合我國農業發展狀況，為新型職業農民群體設計智能化聯合收割機。該聯合收割機可實現智能化收割及秸稈還田，能夠提高收割效率并減少人力消耗。

1 背景

1.1 我國耕作土地及勞動力現狀

我國丘陵地區面積遼闊，約占國土面積的70%［2］。丘陵山區具有地塊面積小、形狀相對不規則的特點，而且相鄰地塊之間高度落差較大，各個農田之間的通道過于狹窄。調研現有產品發現，其具有機器整體尺寸過大、通過性差等不足，從而引發了相關農機在作業中效果不理想等問題。

隨著農業人口的大量轉移，農村剩余勞動力以老人、兒童為主，勞動力匱乏，新的科學技術也無法有效推廣，導致農業資源的利用效率不高，嚴重影響了農業生產率，部分地區還出現了拋荒等問題［3］。在社會轉型的今天，農村勞動人口結構逐漸變化，智能化農機的應用有助于解決農業勞動力斷層和匱乏的問題。

1.2 農機市場調查

調研農機市場發現，目前市面上的小型聯合收割機的品牌主要是雷沃谷神、沃得銳龍、中聯谷王、久保田、東方紅等。同時，國內小型農機產品制造企業多為中小型企業，且在發展特性上保持著獨特性。

對我國市面上小型聯合收割機的品牌特點進行總結，首先在產品上，機械設備性能、適用性和性價比等方面較國外品牌有一定優勢，但整體材質、裝配工藝、制件質量和產品可靠性等還有待提升。其次，在設計上，我國農機在產品形體、線性風格、色彩配置、比例尺度及裝飾等外觀方面，與國外產品存在一定的差距，具有形體粗笨、線條凌亂、色彩單一等諸多問題，這阻礙了我國小型農機產品的市場化發展。

2 小型農機現狀

2.1 小型收割機產品案例

在前文所述的小型農機品牌中，久保田更專注于小型收割機，機械尺寸更小且故障率較低，更適合于小地塊收獲農作物，故而廣受好評。本文以久保田4LZ-4A8（PR01008Q）聯合收割機為例進行分析。

該型號收割機行走、爬坡能力強，并結合液壓、電控技術，匹配多功能手柄。整機外形尺寸為5370 mm×2500 mm×2745 mm，配備54節特制的凹形履帶，可以適應小型耕地任意地況。機械匹配了獨特的右側分禾器，可在作業前，打開右側分禾器，增加50 mm的割幅，從而使割幅達到2.05 m，擴大右側割尖與右側履帶邊緣的距離，減少履帶壓田埂的情況。在脫粒方面，采用大直徑長脫粒滾筒，可保證脫粒干凈，損失較少。久保田4LZ-4A8（PR01008Q）型機械在一定程度上能夠完成山區農作物的收割作業，但其在根本上并未擺脫當前的傳統耕作方式，即在我國山地耕作方式下，因土地歸屬問題，各地塊均需多人操作機械，完成谷物入袋，效率較低，且增加了用戶操作的負擔。

2.2 我國山地農作物收割流程分析

當前我國山地農作物收割主要采用半機械化收割的方式，即采用收割機收割完成后，由人力完成谷物裝袋，主要流程如圖1所示。待農作物成熟后，將收割機開進農田中進行收割。在收割的過程中，機械會完成谷物脫粒、桔梗打碎入田等工序，然后將谷物裝入收割機的谷倉。等谷物倉裝滿后，由多個農民在旁邊將谷物裝入袋中或直接倒入停在路旁的運輸車中，從而完成整個收割過程。對用戶進行調研發現，絕大多數農民并未購買收割機進行作物收割，而是采用租賃的方式，在農忙時雇傭他人收割作物。這種方式致使大多數農民在農忙時節爭搶收割時間，大大延長了作業時間，而部分農民因被動更改工作時段，增加了負擔。

2.3 機會點分析

一是優化收割作業流程，減少非必需的人力工作，實現單人高效完成全部作業。二是調整桔梗入田的方式方法，采用高溫消毒、添加腐熟菌劑及氮肥的方式，減少病蟲害的發生及腐熟過程中對農作物的養分爭奪［4-5］。三是采用模塊化、智能化的手段，增強收割、桔梗入田、裝車、運輸等流程的統一性、流暢性。四是深挖不同使用情況下的農機使用場景，增加農機閑時使用頻率，拓展使用方式。

3 方案設計

3.1 流程設計

本文針對前述問題，提出了一種能夠單人完成收割、脫粒、秸稈還田、裝車、運輸等操作的智能化小型谷物聯合收割機的設計方案，其能在安全作業的前提下，簡化用戶的操作流程，減少用戶的操作負擔，從而實現在山區丘陵地區的行車與作業，完成對農作物的智能化收割。其具體工作流程如圖1所示。

在流程一中，由用戶駕駛裝載有兩個中轉中心且拖掛著自動收割機的小型運輸車，來到作業農田旁邊。到達目的地后，卸下兩個中轉中心及自動收割機，開始作業。在流程二中，完成收割作業的收割機將谷物倒入谷物中轉中心，同時可以在中轉中心補充自動收割機消耗掉的腐熟菌劑及化肥。在流程三中，當其中一個中轉倉裝滿后，用戶即可將中轉倉裝車，將谷物運輸到相應的儲存場地，同時添加相應的腐熟菌劑與化肥。此時返回農田場地，卸下已經空置的中轉倉，再次將另一個滿載的中轉倉裝車，完成循環。

3.2 產品設計

圖2 智能化小型聯合收割機系統

為實現前述工作流程與功能，需要對當前的車輛、收割機與中轉站進行創新再設計，如圖2所示。整個智能化聯合收割機系統由一輛運輸車、兩個中轉倉與一個自動化小型聯合收割機組成，下面將對其結構與功能進行單獨介紹。

3.3 運輸車設計

我國山區公路地形復雜、路窄、彎道多、坡度較陡，且因為地形、氣候、溫度、濕度、地質條件等，路況通常較差。針對山區地形路面窄與路況差等特點，對運輸車的底盤、尺寸及運輸方式進行設計。運輸車采用4個規格為8.25R16LT 6PR的輪胎，能夠更好地適應復雜的路況與地形，且負載能力強、穩定性優良。運輸車機身尺寸（長×寬×高）設計為4560 mm×1610 mm×1870 mm，底盤高度300 mm，能夠更好地適應山區地形及路面。考慮到其特殊的使用方式，車廂部分采用無底盤設計，有助于運輸車適配中轉倉的裝配與運輸。

在車廂部分，為了保證中轉倉在運輸過程中的穩定性，不在過差的路況下出現左右、前后晃動及傾倒的狀況，將車廂部分的外殼抬高，從而在左右方向上支撐起中轉倉。車廂內部添加了固定卡槽，在前后方向上固定了中轉倉；車廂獨特的底部凸起設計，在給予后輪一定的結構空間及動力空間的同時，還能夠在上下方向為中轉倉提供支撐；為了保證能夠固定拖拽收割機，運輸車的車廂后部設計了活動的連接卡扣，能夠方便用戶在一定范圍內輕松連接收割機，且保證其穩固性與安全性。此外，為了增加用戶的使用場景，提高產品使用率，農閑時可在車廂內部增添底盤，以滿足日常的工作需求。

3.4 中轉倉設計

秸稈還田具有降低勞動強度、補充土壤養分、促進腐熟菌劑活動、減少化肥使用量、改善農業生態環境等優點，但在長期的農業生產中，由于秸稈還田量過大或不均勻，土壤秸稈還田生物即秸稈轉化的腐熟菌劑常常與作物幼苗爭奪養分，導致死苗弱苗，增大土壤間隙。同時，其會將秸稈上的病原體帶到土壤中，致使來年發生病蟲害，增加農業生產者的經濟損失。

在粉碎秸稈的同時，應添加適量的腐熟菌劑及氮肥，以補充腐熟菌劑分解時所消耗的土地養分，從而減少對農作物的養分爭奪。針對秸稈還田的特點，對中轉倉物料輸送口進行設計。根據人機工程學，650～1850 mm是存取物品最方便、使用頻率最高、視線最佳的區域［6］。在中轉倉中，在底部支撐柱未啟用的條件下，可添加氮肥及腐熟菌劑的物料輸送口，其頂面高度為1000 mm，物料輸送口高150 mm、寬620 mm，均符合人機工程學標準，可幫助用戶更舒適地完成物料添加等作業。

中轉倉的工作環境有農田旁、倉庫等場地，具有不平穩、土壤松軟等特點，針對中轉倉所處的環境特點，應對其支撐伸縮桿與底部支撐平面進行設計。支撐伸縮桿由四個單獨的小電機與一個大電機分別控制，可根據不同的水平位置，由其內部的水平儀傳感器操控，輸出不同的功率，保持相對的平穩。在中轉倉底部，設計支撐平面，以增大接觸面積，減少中轉倉對地面的壓強，防止中轉倉出現傾覆、陷入等問題。

為方便運輸車安全且高效地將中轉倉對接入車廂中，對中轉倉的外觀進行設計。中轉倉兩側造型尺寸均小于中間最寬處，運輸車可從任意方向對接。在對接時，由中轉倉的底部支撐伸縮柱抬起到最高高度，此時運輸車在中轉倉和運輸車上的距離傳感器、定位傳感器等的輔助下，完成對接。

為了使運輸車的底部空間高于300 mm，防止底盤過低導致在各種路況下對車體或中轉倉造成損壞，在對接完成后，即中轉倉到達車廂最內處后，中轉倉的底部支撐伸縮桿收縮歸位，在重力的作用下，中轉倉即可搭在車廂內部的凸起處，隨即進行自動固定，完成中轉倉的對接。中轉倉上兩側的橡膠摩擦墊可增加與運輸車車廂內側的摩擦力，減少對車廂的損耗。同時，中轉倉前后的橡膠摩擦墊可以防止過差的路況導致中轉箱前后位移而撞擊車廂內部，減小對車廂的損耗。在卸掉中轉倉的過程中，由中轉倉自動解開固定配件，其底部的支撐伸縮桿伸出接觸地面，此時中轉倉并未與運輸車的車廂有接觸。利用中轉倉與地面的摩擦力，保持中轉倉的位置不動，運輸車向前移動，中轉倉即可與運輸車脫離。

中轉倉設計有出糧口，如圖3，用戶在到達需要卸掉倉內谷物的場地后，打開鎖住的糧倉卡扣，中轉倉的前門即可打開，方便用戶將谷物傾倒，完成后續的工序。

3.5 自動收割機設計

針對我國山區田塊面積小、分散、冷浸爛泥田多等特點，自動收割機采用了小型化與自動化的設計。自動收割機以嵌入式PC處理器為核心，結合IOT技術和Linux嵌入式系統，搭載GPS衛星導航系統、RFID、視覺傳感器、攝像頭等設備，并通過物聯網、局域網、無線網等傳輸網絡數據［7］。線路規劃采用多級PID沿線控制、動態PID沿邊控制和BFS算法，以及基于有限狀態機的目標點導航算法，完成基于柵格法的全路徑規劃［8］。在割臺方面，收割機割臺寬度1250 mm，采用V型往復式割刀型式。撥禾輪采用偏心式，其直徑600 mm，撥禾輪板數為5個。理論作業速度1～3 km/小時，喂入量3.8噸/小時。其內部脫粒滾筒采用一個釘齒式滾筒，尺寸為360 mm×1000 mm。同時，內部采用兩個尺寸不同的旋切機，以達到更為細致的秸稈粉碎效果，且在旋切的過程中噴灑腐熟菌劑與氮肥，幫助秸稈更好地腐熟。因機器的使用環境大多為面積不超過一畝的小塊耕地，以國家統計局發布的2021年數據為例，畝產約940斤，換算成體積約為200 L，而收割機糧倉的體積設計為550 L，能夠滿足絕大多數的耕地收割作業。

收割機采用前低后高式履帶底盤設計，不僅具有優良的通過性與穩定性，且爬坡能力強，能夠適應水田、山地等多種復雜地形。在收割機履帶設計中，單側外形尺寸（長×寬×高）為1000 mm×400 mm×320 mm，軌距為600 mm。履帶式行走系統包括18節履帶、驅動輪與拖帶輪，由驅動電機帶動其運行，并配有緊張裝置保持履帶工作穩定性，可實現加減速直行、轉彎等功能，能充分滿足多種環境下的行走、爬坡、收割等作業要求。

我國農村地區的路面硬化率在95%以上［9］。我國交通道路法規定，履帶車可能損害公路路面，因此不得在公路上行駛，故對收割機的行走部進行設計。收割機的硬質路面行走部，采用四組往復式電機，能夠在300mm范圍內伸縮。在運輸狀態時，由收割機連接臂掛在運輸車后部的連接卡扣上，同時硬質路面行走部伸出，從而支撐起收割機，使其履帶距離路面高度為100mm。硬質路面行走部并未安裝有驅動方式，而是采用由運輸車拖拽的從動行走方式。在到達作業場景后，收割機收回硬質路面行走部，由更適合松軟路況的履帶代替行走。

輸糧口組件由一個直徑為150 mm的輸糧口、腐熟菌劑輸入口、激光測距傳感器、電磁鐵與橡膠軟管組成。收割機完成收割作業后，將自動前往中轉倉，由輸糧口組件上的激光測距傳感器對準中轉倉的傳輸接口，對準完成后，收割機輸糧口組件上的傳動機構與電磁鐵相互配合，橡膠軟管給予一定的活動位移空間，完成對接。對接完成后，進行谷物傾倒與腐熟菌劑和氮肥補充。

4 結語

本項設計研究對我國農村人口空心化、人口老齡化與山地農村的環境、工作流程等方面進行了分析與總結，同時對現有的農機相關產品進行了較為細致的探究。針對當前農業生產面臨的諸多問題，從減少人力的角度出發，通過流程設計與產品功能設計，提出了一款智能化小型收割機系統的設計方案，旨在提升我國山區農民勞作舒適性，改良勞作工具，增加農機的使用場景，減少秸稈還田存在的部分問題。智能化小型收割機系統對我國山區的農業生產具有一定的積極影響，其中的創新性功能可促使山區生態農業良好發展，為實現鄉村振興提供支持。

參考文獻：

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［2］ 孫景彬，劉志杰，楊福增，等.丘陵山地農業裝備與坡地作業關鍵技術研究綜述［J］.農業機械學報，2023（2）：1-18.

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［6］ 胡佳.房車空間設計研究［D］.武漢：華中科技大學，2012：45.

［7］ 殷玥.基于嵌入式PC和物聯網的無人駕駛拖拉機研究［J］.農機化研究，2018，40（1）：247-251.

［8］ 張馳洲.基于慣性導航的掃地機器人關鍵技術研究與實現［D］.南昌：南昌大學，2020：2.

［9］ 涂舒云.休閑農業與美麗鄉村協同發展的耦合度評價研究［D］.福州：福建農林大學，2016：23.

作者簡介：李曉英（1972—），女，湖北廣水人，碩士，教授，研究方向：智能交互設計、服務設計。

郭飛龍（1998—），男，河南洛陽人，碩士在讀，研究方

向：智能交互設計、服務設計。

吳穎琪（1998—），女，廣東佛山人，碩士在讀，研究方

向：智能交互設計、服務設計。