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联合收割机

联合收割机

联合收割机（英语：Combine harvester，简称：Combine），是一种能一次完成作物的收割、脱粒、分离茎秆、清除杂物等工序的，从田间直接获取作物的收获机械。联合收割机可用于收割或清理小麦、大麦、玉米、燕麦、水稻、黑麦、高粱等谷物，以及亚麻、油菜籽、大豆、向日癸等非谷物作物。

联合收割机的历史可以追溯至19世纪20年代，苏格兰的帕特里克·贝尔牧师（Rev. Patrick Bell）发明了世界上第一台收割机。19世纪30年代，美国发明家海勒姆·摩尔（Hiram Moore）制造了第一台联合收割机并取得了专利。最初的联合收割机由骡子或马驱动，直到20世纪30年代，拖拉机牵引型号出现后，联合收割机才开始大规模普及。20世纪80年代，中国组织了联合收割机技术和产品的引进。

联合收割机可根据谷物喂入方式、动力供给方式、行走方式分为多种类别，内部系统主要由行走系统和清选系统组成，内部有齿轮、刀片、螺杆、传送带、皮带、杠杆和轮子等部件。

联合收割机联合了收割机和脱粒机的工作流程，在农业生产中的广泛应用，实现了农作物的机械化收获，对于提高农作物机械化水平，改善劳动生产条件、提高劳动生产效率方面有着重要意义。

发展简史

收割机到联合收割机

19世纪20年代，正在攻读牧师学位的苏格兰人帕特里克·贝尔（Patrick Bell）发明了收割机，这一机器体积庞大，用马匹拉动，使用剪刀式的刀片来收割作物，不过，贝尔没有为此发明申请专利。

19世纪30年代，美国发明家海勒姆·摩尔（Hiram Moore）在他的发明中结合了收割机和脱粒机工作流程，制造出了第一台联合收割机并取得了专利。摩尔发明的联合收割机由骡子或马拉动，可以收割、脱粒和风筛谷物。

联合收割机的发明领先于时代，在19世纪，收割机和脱粒机分开使用才是美国农场的主流。于此同时，收割机也在不断地发展。19世纪的收割机由机器背后的六匹马推动，这样可以减少对农作物的踩踏。收割机的收割头前端有一排被称为“镰刀（sickles）”的锋利锯齿，这些锯齿来回滑动，将小麦茎割断，还有一个带有桨叶的卷筒不断转动，确保小麦不会掉在地上。收割头底部的传送带会通往机器侧边，让小麦沿着一个歇着的槽位向上传送，最终落入收割机旁边的另一辆马车中。当马车装满，收割机就会停止工作，直到另一辆马车过来继续接收小麦。

脱粒机最开始由马匹绕圈行走驱动，后来改为由蒸汽机驱动。带有麦穗的马车停放在脱粒机旁，脱粒机将麦穗脱粒，直到小麦粒从麦穗中脱落。麦粒和麦麸会从不同的出口离开脱粒机。脱粒机由6名工作人员操作，负责维护机器、装卸小麦、缝合袋子、清理糠、维护锅炉等。整个收割加脱粒的队伍往往需要30名男子和30匹马，每天可以收割并脱粒30英亩（约12万平方米）作物。

20世纪初，联合收割机成为了农场的主流工具。这一时期的联合收割机需要使用30名男子，但需要多达40匹马驱动。在马匹的使用中，有30至36匹马需要拉动机器，其余的马则拉着马车收集小麦粒。早期的联合收割机重达15吨，有着30英尺（约9米）宽的收割头。联合收割机用马拉动，相比推动可以更快行驶；由于可以同步脱粒，也省去了等待马车的时间，此时的联合收割机每天可以收割30英亩（约16万平方米）作物。随着联合收割机技术的发展，需要的人数从30人逐渐减少为了5至6人。

最早的联合收割机很容易在陡峭的山坡上翻倒，重达15吨且带有锅炉的机器会压死工人或引发火灾。1891年，一家名为霍尔特（Holt）的美国公司为了改善这一情况，发明了一种倾斜机制，使机器的上部沿着山坡倾斜，其他位置则保持水平。这一发明挽救了很多人和动物的生命，并减少了火灾的几率。

1925年，一家名为国际收割机公司（International Harvester）的芝加哥公司推出了其首批由拖拉机牵引的联合收割机。农民不需要购买新的联合收割机，只需要购买一台拖拉机便可以与旧联合收割机组合使用。从此农民省去了喂养40余匹马的负担，只需要添加燃料和维护机器即可。1939年，美国威斯康星州的马西·哈里斯（Massey Harris）公司推出了第一台自牵引式的联合收割机马西·哈里斯21型（Massey Harris Model 21），这一发明被认为是小麦农业史上最重要的进步之一。自牵引式联合收割机比马匹牵引的版本相比体积更小，轮子位于切割头后方，完全避免了践踏庄稼。尽管最开始的型号每天只能收割30英亩（约16万平方米），但农民能够负担得起3到4台机器。

在自牵引式收割机出现后，联合收割机的革新式升级已经基本完成，1925年之后，联合收割机的升级方向主要集中在提高了收割效率和使用体验上，例如增加可以储存麦粒的粮仓、封闭式驾驶室等功能。进入21世纪，联合收割机的体积相比最初的版本增大了数倍，主流的34英尺（约10米）切割头可以每天收割100至200英亩（约40万至20万米）土地，最高速度可以达到6至7英里（约9公里至11公里）每小时，驾驶室中可以配备空调、加热器、收音机、GPS等设备，座椅和方向盘可调节，操作也进一步简化。

中国联合收割机的引进和发展

20世纪80年代之前，中原地区的收获机械行业基础非常薄弱。截止1980年，中国机收率仅有3.1%，机收面积399.2万公顷，全国收获机保有量27045台，主要集中在黑龙江省（14081台）和新疆（3335台）的国营农场中。同期，中国组织各个骨干收割机厂开展了联合收割机先进技术和产品的引进，联合收割机发展主要以仿制为主，代表机型有GT-49型牵引式联合收割机，北京-2型、丰收-3型和东风-5型自走式联合收割机等。主要生产企业有5家，分别是是开封联合收割机厂、佳木斯市联合收割机厂、新疆联合收割机厂、北京联合收割机厂和四平联合收割机厂。

20世纪80年代，中国政府主导了联合收割机先进技术和产品的引进工作，引进了约翰迪尔1000系列收获机技术、东德E512/E514型联合收割机技术等，开封联合收割机场与德国克拉斯公司合作开发了KC070型履带式横轴流水稻联合收割机。

1993年，具有自主知识产权的新疆-2型联合收割机推向市场，成为了中国小麦生产全程机械化收获的主导机型，中国农村小麦收获也进入了机械化。新疆-2型联合收割机奠定了中国收获机械工业的技术基础，促进了中国收获机行业和农机配套产业的快速发展。同一时期，适合大面积收获作业的佳联JL-3060型自走式收获机、以桂林-2为代表的背负式收获机技术成熟并投入市场。

20世纪90年代末，中国出现了一大批联合收割机企业，包括雷沃、金亿等企业开始进入市场。经过十几年的发展，截止2013年，中国联合收割机产品与技术实现了全面升级，以喂入量为例，普遍从2kg每秒升级至5到6kg每秒，除此之外，作业性能、产品质量、智能化水平也得到了提高。

截止2019年，中国已成为联合收割机大国，农业生产所需的联合收割机有95%以上是中国品牌，年产量达20万台。

工作流程

在设计上，联合收割机实质上是一种绑扎型切割装置，它将谷物或种子作物切割并传送到经过改装，使其能在田间移动时完成收割和脱粒。机器通过前端的旋转刀片切割作物，并通过内部的筛子对作物进行脱粒、清洁等工序，最终，脱粒完成的作物会被收集在联合收割机内部的一个储存罐中，而谷壳和秸秆会从后侧的大出口管喷出。

基本组成

联合收割机为例总体结构由工作部分、行走系统、液压系统、电路系统和清选系统等部分组成。

工作部分

联合收割机内部拥有包括齿轮、刀片、螺杆、传送带、皮带、杠杆和轮子等部件，以下图为例：

行走系统

现有联合收割机（以水稻联合收割机为例）的行走方式基本上有两种形式，分别为轮式行走机构和履带式行走机构。

控制系统

联合收割机控制系统包括步进电机、齿轮、和齿扇等传动装置。其中，步进电机和自走底盘各自机架的联接为刚性联接。刚性联接步进电机的齿轮和液压CVT的操纵杆，使其齿扇相互啮合。发出信号是通过控制内部的步进电机旋转实现操纵杆旋转，实现调整联合收割机前进速度的任务。

联合收割机控制系统使用霍尔传感器，传感器能够收集关于滚筒和车速的信息，在接收到信号后，通过模糊神经对控制器进行预测并由AMR内核处理采集到的信息，最终发出驱动步进电机的脉冲信号，并通过步进电机调整液压无极变速器中操作杆的所在的位置，完成无极调整，控制收割机组的前进速度。控制原理如下图：

轮式行走机构

采用轮式行走机构的联合收割机具有结构简单，重量轻，坚固耐用，拆装方便，机动性好等优点。但轮式行走机构联合收割机在水稻收获领域存在严重缺陷，主要表现在对自然条件适应性差，在湿田或水田中工作时下陷严重，甚至无法运行，跨越水沟田埂能力差等。

履带式行走机构

与轮式行走机构相比，履带行走机构具有接地面积大、接地压力小、下陷小、对水田、湿田适应性好等优点。但履带式行走机构也存在诸多缺陷，主要表现在装置复杂、质量大、成本高、易磨损、行走平稳差、转弯时会破坏土壤结构、不适宜在丘陵山区、梯田、小块田、深泥脚田作业等。

液压系统

联合收割机的液压系统组成结构包括液压泵、安全溢流阀、调速阀、电磁换向阀、液压缸和压力表等主要部件。通过调整速度调节阀的开口大小，对液压缸的流量大小进行调整，从而调整液压缸的运动速度。

电路系统

联合收割机行走速度控制系统电路相对复杂，主要包括信号采集电路、显示系统电路和输出控制电路三个大类。

数据采集模块，即信号采集电路的主要功能是对收割机集箱的工作参数进行采集，参数包括采集联合收割机作业过程中产生的进给量和行走速度。

联合收割机的显示系统电路通过单片机从压力传感器和霍尔传感器采集收割机的进给信号和驱动轴的速度信号来进行运算，计算得出进给量和进给速度，再控制显示装置。

联合收割机的输出控制电路通过传感器所检测到的信号及控制单元的指令，使得单片机控制系统能够发送控制信号给执行装置，让机械按照指令进行运作。

清选系统

联合收割机的清选系统主要部件有物料输送带、接料仓、一级扬谷器、二级扬谷器、旋风分离筒、吸杂风机等，主要工作部件的结构尺寸与相对位置需要根据联合收割机整机配置要求确定。

主要分类

联合收割机的分类方式主要有按谷物喂入方式、动力供给方式、行走方式三种分类方法。

应用领域

联合收割机被广泛应用于农业领域，可用于收割或清理包括小麦、大麦、玉蜀黍属、燕麦、水稻、黑麦、高粱等谷物，以及亚麻、油菜籽、大豆、向日癸等非谷物作物在内的几乎所有粮食作物。

发展趋势

截止2020年，各个国家联合收割机技术发展进度不同，联合收割机机型众多，但所有技术升级都以提高联合收割机作业效率为主要目的，向着大型化、智能化和功能复合化方向发展。

大型化

大型/超大型联合收割机虽然使用场景和使用区域有限，但一直是世界几大农机巨头的研制重点。一方面，超大型收割机代表了业内最高的技术含量，同时也能展示开发该收割机的农机公司的市场地位。超大型联合收割机发动机功率大、收割宽幅大、喂入量大，能提高联合收割机的作业效率，同时降低了生产成本。

智能化

国际农机企业在联合收割机的设计和研制方面，普遍采用了计算机辅助设计、辅助制造和辅助实验，同时将机电液一体化、信息化和智能化等新技术融入联合收割机的开发中，市县对联合收割机各项作业参数的实时监控和自动调控。截止2020年，部分联合收割机型号的产量测量传感器系统可以实时测量，并记录作物产量、水分含量、生产量，并将这些信息用于切碎机，为适应收割环境做出动态调整。发达国家的联合收割机中，产量监测系统已经达到了高度普及。此外，GPS 定位、自动驾驶、系统监控等电子信息技术也在不断融入联合收割机的设计中，使得联合收割机的信息化和智能化水平不断提高。

功能复合化

世界范围内主要农作物耕种区普遍存在多种作物轮作制度，这就要求联合收割机具有功能复合性，能够实现一机多用，提高生产效率，降低使用成本。国际企业开发联合收割机过程中普遍采用模块化设计思路，将割台底盘设计成一个通用性很强的平台，再根据收获作物的特点选择配置相应的割台。脱粒、分离、清洗、秸秆流控制等环节一般是通过调节参数满足不同作物的要求。现代化的联合收割机已经不再要求操作员逐项调节各个参数，只需要选定收获作物的模式，系统就可以自动匹配各项装置的参数。