智能化小型联合收割机系统创新设计研究

李晓英 郭飞龙 吴颖琪

摘要：在我国农业快速发展的同时，相关生产方式也面临一定的挑战。如今，我国农村人口空心化，大量青壮劳动力不再从事农业生产，农村剩余劳动力大多为老人、儿童等，致使农村劳动力不足。传统的农业模式已不能满足农业发展的要求，智能化农业机械的应用成为现代农业发展的必然趋势。文章基于对山区农民收割作业流程的深入分析，将目标用户群体在运输、贮藏、收割等环节的需求作为设计点，将用户需求转化为功能后进行设计。针对农机设计面临的诸多问题，文章提出以下优化点：一是优化收割作业流程，减少非必需的人力工作，从而实现单人高效完成全部作业；二是优化秸秆还田的方式，减少病虫害的发生及腐熟过程中对农作物养分的争夺；三是采用模块化、智能化的手段，增强收割、桔梗入田、装车、运输等流程的统一性、流畅性；四是深挖不同使用情况下的农机使用场景，增加农机闲时使用频率，拓展使用方式。对智能化小型收割机系统进行深入设计与创新，增加农机的使用场景，减少秸秆还田的部分问题，能为我国山区的农业生产带来一定的积极影响，其中，创新性的功能可促进山区生态农业良好发展，为实现乡村振兴提供服务支持。

关键词：农业机械；小型联合收割机；智能化产品；创新设计

中图分类号：S225 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）04-000-04

如今，农业自动化不断发展，自动化控制技术在农业机械上得到了广泛应用。在农业发展水平较高的国家中，自动化农业机械不仅形成了适合其国情的农机装备体系，且不断向自动化、智能化方向发展。当前，我国农村人口空心化问题日益凸显，大量青壮年劳动力退出土地耕种，留守农村的妇女、老人等弱势劳动力承担了农业生产任务。在乡村振兴战略背景下，提高农机智能化水平，加快智慧农业应用发展，有利于农业生产活动提质增效。同时，农业规模化经营为智能化农机的应用创造了有利环境，新型职业农民群体的发展加速了智能化农机的普及，新型农村合作社为农机智能化和智慧农业应用提供了机制保障［1］。本文根据前述问题，结合我国农业发展状况，为新型职业农民群体设计智能化联合收割机。该联合收割机可实现智能化收割及秸秆还田，能够提高收割效率并减少人力消耗。

1 背景

1.1 我国耕作土地及劳动力现状

我国丘陵地区面积辽阔，约占国土面积的70%［2］。丘陵山区具有地块面积小、形状相对不规则的特点，而且相邻地块之间高度落差较大，各个农田之间的通道过于狭窄。调研现有产品发现，其具有机器整体尺寸过大、通过性差等不足，从而引发了相关农机在作业中效果不理想等问题。

随着农业人口的大量转移，农村剩余劳动力以老人、儿童为主，劳动力匮乏，新的科学技术也无法有效推广，导致农业资源的利用效率不高，严重影响了农业生产率，部分地區还出现了抛荒等问题［3］。在社会转型的今天，农村劳动人口结构逐渐变化，智能化农机的应用有助于解决农业劳动力断层和匮乏的问题。

1.2 农机市场调查

调研农机市场发现，目前市面上的小型联合收割机的品牌主要是雷沃谷神、沃得锐龙、中联谷王、久保田、东方红等。同时，国内小型农机产品制造企业多为中小型企业，且在发展特性上保持着独特性。

对我国市面上小型联合收割机的品牌特点进行总结，首先在产品上，机械设备性能、适用性和性价比等方面较国外品牌有一定优势，但整体材质、装配工艺、制件质量和产品可靠性等还有待提升。其次，在设计上，我国农机在产品形体、线性风格、色彩配置、比例尺度及装饰等外观方面，与国外产品存在一定的差距，具有形体粗笨、线条凌乱、色彩单一等诸多问题，这阻碍了我国小型农机产品的市场化发展。

2 小型农机现状

2.1 小型收割机产品案例

在前文所述的小型农机品牌中，久保田更专注于小型收割机，机械尺寸更小且故障率较低，更适合于小地块收获农作物，故而广受好评。本文以久保田4LZ-4A8（PR01008Q）联合收割机为例进行分析。

该型号收割机行走、爬坡能力强，并结合液压、电控技术，匹配多功能手柄。整机外形尺寸为5370 mm×2500 mm×2745 mm，配备54节特制的凹形履带，可以适应小型耕地任意地况。机械匹配了独特的右侧分禾器，可在作业前，打开右侧分禾器，增加50 mm的割幅，从而使割幅达到2.05 m，扩大右侧割尖与右侧履带边缘的距离，减少履带压田埂的情况。在脱粒方面，采用大直径长脱粒滚筒，可保证脱粒干净，损失较少。久保田4LZ-4A8（PR01008Q）型机械在一定程度上能够完成山区农作物的收割作业，但其在根本上并未摆脱当前的传统耕作方式，即在我国山地耕作方式下，因土地归属问题，各地块均需多人操作机械，完成谷物入袋，效率较低，且增加了用户操作的负担。

2.2 我国山地农作物收割流程分析

当前我国山地农作物收割主要采用半机械化收割的方式，即采用收割机收割完成后，由人力完成谷物装袋，主要流程如图1所示。待农作物成熟后，将收割机开进农田中进行收割。在收割的过程中，机械会完成谷物脱粒、桔梗打碎入田等工序，然后将谷物装入收割机的谷仓。等谷物仓装满后，由多个农民在旁边将谷物装入袋中或直接倒入停在路旁的运输车中，从而完成整个收割过程。对用户进行调研发现，绝大多数农民并未购买收割机进行作物收割，而是采用租赁的方式，在农忙时雇佣他人收割作物。这种方式致使大多数农民在农忙时节争抢收割时间，大大延长了作业时间，而部分农民因被动更改工作时段，增加了负担。

2.3 机会点分析

一是优化收割作业流程，减少非必需的人力工作，实现单人高效完成全部作业。二是调整桔梗入田的方式方法，采用高温消毒、添加腐熟菌剂及氮肥的方式，减少病虫害的发生及腐熟过程中对农作物的养分争夺［4-5］。三是采用模块化、智能化的手段，增强收割、桔梗入田、装车、运输等流程的统一性、流畅性。四是深挖不同使用情况下的农机使用场景，增加农机闲时使用频率，拓展使用方式。

3 方案设计

3.1 流程设计

本文针对前述问题，提出了一种能够单人完成收割、脱粒、秸秆还田、装车、运输等操作的智能化小型谷物联合收割机的设计方案，其能在安全作业的前提下，简化用户的操作流程，减少用户的操作负担，从而实现在山区丘陵地区的行车与作业，完成对农作物的智能化收割。其具体工作流程如图1所示。

在流程一中，由用户驾驶装载有两个中转中心且拖挂着自动收割机的小型运输车，来到作业农田旁边。到达目的地后，卸下两个中转中心及自动收割机，开始作业。在流程二中，完成收割作业的收割机将谷物倒入谷物中转中心，同时可以在中转中心补充自动收割机消耗掉的腐熟菌剂及化肥。在流程三中，当其中一个中转仓装满后，用户即可将中转仓装车，将谷物运输到相应的储存场地，同时添加相应的腐熟菌剂与化肥。此时返回农田场地，卸下已经空置的中转仓，再次将另一个满载的中转仓装车，完成循环。

3.2 产品设计

图2 智能化小型联合收割机系统

为实现前述工作流程与功能，需要对当前的车辆、收割机与中转站进行创新再设计，如图2所示。整个智能化联合收割机系统由一辆运输车、两个中转仓与一个自动化小型联合收割机组成，下面将对其结构与功能进行单独介绍。

3.3 运输车设计

我国山区公路地形复杂、路窄、弯道多、坡度较陡，且因为地形、气候、温度、湿度、地质条件等，路况通常较差。针对山区地形路面窄与路况差等特点，对运输车的底盘、尺寸及运输方式进行设计。运输车采用4个规格为8.25R16LT 6PR的轮胎，能够更好地适应复杂的路况与地形，且负载能力强、稳定性优良。运输车机身尺寸（长×宽×高）设计为4560 mm×1610 mm×1870 mm，底盘高度300 mm，能够更好地适应山区地形及路面。考虑到其特殊的使用方式，车厢部分采用无底盘设计，有助于运输车适配中转仓的装配与运输。

在车厢部分，为了保证中转仓在运输过程中的稳定性，不在过差的路况下出现左右、前后晃动及倾倒的状况，将车厢部分的外壳抬高，从而在左右方向上支撑起中转仓。车厢内部添加了固定卡槽，在前后方向上固定了中转仓；车厢独特的底部凸起设计，在给予后轮一定的结构空间及动力空间的同时，还能够在上下方向为中转仓提供支撑；为了保证能够固定拖拽收割机，运输车的车厢后部设计了活动的连接卡扣，能够方便用户在一定范围内轻松连接收割机，且保证其稳固性与安全性。此外，为了增加用户的使用场景，提高产品使用率，农闲时可在车厢内部增添底盘，以满足日常的工作需求。

3.4 中转仓设计

秸秆还田具有降低劳动强度、补充土壤养分、促进腐熟菌剂活动、减少化肥使用量、改善农业生态环境等优点，但在长期的农业生产中，由于秸秆还田量过大或不均匀，土壤秸秆还田生物即秸秆转化的腐熟菌剂常常与作物幼苗争夺养分，导致死苗弱苗，增大土壤间隙。同时，其会将秸秆上的病原体带到土壤中，致使来年发生病虫害，增加农业生产者的经济损失。

在粉碎秸秆的同时，应添加适量的腐熟菌剂及氮肥，以补充腐熟菌剂分解时所消耗的土地养分，从而减少对农作物的养分争夺。针对秸秆还田的特点，对中转仓物料输送口进行设计。根据人机工程学，650～1850 mm是存取物品最方便、使用频率最高、视线最佳的区域［6］。在中转仓中，在底部支撑柱未启用的条件下，可添加氮肥及腐熟菌剂的物料输送口，其顶面高度为1000 mm，物料输送口高150 mm、宽620 mm，均符合人机工程学标准，可帮助用户更舒适地完成物料添加等作业。

中转仓的工作环境有农田旁、仓库等场地，具有不平稳、土壤松软等特点，针对中转仓所处的环境特点，应对其支撑伸缩杆与底部支撑平面进行设计。支撑伸缩杆由四个单独的小电机与一个大电机分别控制，可根据不同的水平位置，由其内部的水平仪传感器操控，输出不同的功率，保持相对的平稳。在中转仓底部，设计支撑平面，以增大接触面积，减少中转仓对地面的压强，防止中转仓出现倾覆、陷入等问题。

为方便运输车安全且高效地将中转仓对接入车厢中，对中转仓的外观进行设计。中转仓两侧造型尺寸均小于中间最宽处，运输车可从任意方向对接。在对接时，由中转仓的底部支撑伸缩柱抬起到最高高度，此时运输车在中转仓和运输车上的距离传感器、定位传感器等的辅助下，完成对接。

为了使运输车的底部空间高于300 mm，防止底盘过低导致在各种路况下对车体或中转仓造成损坏，在对接完成后，即中转仓到达车厢最内处后，中转仓的底部支撑伸缩杆收缩归位，在重力的作用下，中转仓即可搭在车厢内部的凸起处，随即进行自动固定，完成中转仓的对接。中转仓上两侧的橡胶摩擦垫可增加与运输车车厢内侧的摩擦力，减少对车厢的损耗。同时，中转仓前后的橡胶摩擦垫可以防止过差的路况导致中转箱前后位移而撞击车厢内部，减小对车厢的损耗。在卸掉中转仓的过程中，由中转仓自动解开固定配件，其底部的支撑伸缩杆伸出接触地面，此时中转仓并未与运输车的车厢有接触。利用中转仓与地面的摩擦力，保持中转仓的位置不动，运输车向前移动，中转仓即可与运输车脱离。

中转仓设计有出粮口，如图3，用户在到达需要卸掉仓内谷物的场地后，打开锁住的粮仓卡扣，中转仓的前门即可打开，方便用户将谷物倾倒，完成后续的工序。

3.5 自动收割机设计

针对我國山区田块面积小、分散、冷浸烂泥田多等特点，自动收割机采用了小型化与自动化的设计。自动收割机以嵌入式PC处理器为核心，结合IOT技术和Linux嵌入式系统，搭载GPS卫星导航系统、RFID、视觉传感器、摄像头等设备，并通过物联网、局域网、无线网等传输网络数据［7］。线路规划采用多级PID沿线控制、动态PID沿边控制和BFS算法，以及基于有限状态机的目标点导航算法，完成基于栅格法的全路径规划［8］。在割台方面，收割机割台宽度1250 mm，采用V型往复式割刀型式。拨禾轮采用偏心式，其直径600 mm，拨禾轮板数为5个。理论作业速度1～3 km/小时，喂入量3.8吨/小时。其内部脱粒滚筒采用一个钉齿式滚筒，尺寸为360 mm×1000 mm。同时，内部采用两个尺寸不同的旋切机，以达到更为细致的秸秆粉碎效果，且在旋切的过程中喷洒腐熟菌剂与氮肥，帮助秸秆更好地腐熟。因机器的使用环境大多为面积不超过一亩的小块耕地，以国家统计局发布的2021年数据为例，亩产约940斤，换算成体积约为200 L，而收割机粮仓的体积设计为550 L，能够满足绝大多数的耕地收割作业。

收割机采用前低后高式履带底盘设计，不仅具有优良的通过性与稳定性，且爬坡能力强，能够适应水田、山地等多种复杂地形。在收割机履带设计中，单侧外形尺寸（长×宽×高）为1000 mm×400 mm×320 mm，轨距为600 mm。履带式行走系统包括18节履带、驱动轮与拖带轮，由驱动电机带动其运行，并配有紧张装置保持履带工作稳定性，可实现加减速直行、转弯等功能，能充分满足多种环境下的行走、爬坡、收割等作业要求。

我国农村地区的路面硬化率在95%以上［9］。我国交通道路法规定，履带车可能损害公路路面，因此不得在公路上行驶，故对收割机的行走部进行设计。收割机的硬质路面行走部，采用四组往复式电机，能够在300mm范围内伸缩。在运输状态时，由收割机连接臂挂在运输车后部的连接卡扣上，同时硬质路面行走部伸出，从而支撑起收割机，使其履带距离路面高度为100mm。硬质路面行走部并未安装有驱动方式，而是采用由运输车拖拽的从动行走方式。在到达作业场景后，收割机收回硬质路面行走部，由更适合松软路况的履带代替行走。

输粮口组件由一个直径为150 mm的输粮口、腐熟菌剂输入口、激光测距传感器、电磁铁与橡胶软管组成。收割机完成收割作业后，将自动前往中转仓，由输粮口组件上的激光测距传感器对准中转仓的传输接口，对准完成后，收割机输粮口组件上的传动机构与电磁铁相互配合，橡胶软管给予一定的活动位移空间，完成对接。对接完成后，进行谷物倾倒与腐熟菌剂和氮肥补充。

4 结语

本项设计研究对我国农村人口空心化、人口老龄化与山地农村的环境、工作流程等方面进行了分析与总结，同时对现有的农机相关产品进行了较为细致的探究。针对当前农业生产面临的诸多问题，从减少人力的角度出发，通过流程设计与产品功能设计，提出了一款智能化小型收割机系统的设计方案，旨在提升我国山区农民劳作舒适性，改良劳作工具，增加农机的使用场景，减少秸秆还田存在的部分问题。智能化小型收割机系统对我国山区的农业生产具有一定的积极影响，其中的创新性功能可促使山区生态农业良好发展，为实现乡村振兴提供支持。

参考文献：

［1］ 张铁刚.提高农机智能化水平 加快智慧农业应用发展［J］.农业机械，2022（5）：66-68.

［2］ 孙景彬，刘志杰，杨福增，等.丘陵山地农业装备与坡地作业关键技术研究综述［J］.农业机械学报，2023（2）：1-18.

［3］ 杨建花.我国农业人口转移对农村经济的影响探讨［J］.经济研究导刊，2022（4）：23-25.

［4］ 朱紫娟.稻麦轮作体系秸秆还田与氮肥梯度效应研究［D］.扬州：扬州大学，2022：3.

［5］ 马玉丹.土壤消毒和土壤改良对三七连作障碍的消减效应［D］.昆明：昆明理工大学，2022：2.

［6］ 胡佳.房车空间设计研究［D］.武汉：华中科技大学，2012：45.

［7］ 殷玥.基于嵌入式PC和物联网的无人驾驶拖拉机研究［J］.农机化研究，2018，40（1）：247-251.

［8］ 張驰洲.基于惯性导航的扫地机器人关键技术研究与实现［D］.南昌：南昌大学，2020：2.

［9］ 涂舒云.休闲农业与美丽乡村协同发展的耦合度评价研究［D］.福州：福建农林大学，2016：23.

作者简介：李晓英（1972—），女，湖北广水人，硕士，教授，研究方向：智能交互设计、服务设计。

郭飞龙（1998—），男，河南洛阳人，硕士在读，研究方

向：智能交互设计、服务设计。

吴颖琪（1998—），女，广东佛山人，硕士在读，研究方

向：智能交互设计、服务设计。