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^[1]。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^[4]。

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^[3]，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^[4]。20世纪80年代，中国组织了联合收割机技术和产品的引进^[6]。

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^[7]，内部系统主要由行走系统和清选系统组成^[8][9]，内部有齿轮、刀片、螺杆、传送带、皮带、杠杆和轮子等部件^[10]。

联合收割机联合了收割机和脱粒机的工作流程^[11]，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^[1]。

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^[2]，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^[3]。

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^[11]，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^[3]。

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^[11]。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^[11]。

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、清理糠麸fū、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^[11]。

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^[11]。

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^[11]。

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^[11]。

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^[11]。

20世纪80年代之前，中国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（14081台）和新疆（3335台）的国有农场中。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^[12]。

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^[12][13]。

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^[12]。

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^[12]。

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^[12]。

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^[4]。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^[1][10]。^[注1]

联合收割机为例总体结构由工作部分^[10]、行走系统、液压系统^[8]、电路系统^[8]和清选系统等部分组成^[9]。

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^[10]：

割台：谷物作物首先被位于前部的割台采集，该割台的两端配有一对称为切割分离器的锋利夹具。一般来说，割台越宽，收割机在田地中的切割速度和效率就越高。不同的作物需要使用不同的割台；割台通常由液压系统驱动，可以从驾驶室内以不同方式升降和调整角度。割台可以被取下，并沿着收割机的长度拖在后面，以适应狭窄的道路。拾取轮：一个缓慢旋转的轮子，称为拾取轮（或拾取器轮），将作物向下推向刀具。拾取轮具有水平条，称为齿条，以及垂直的齿或牙齿，用于抓取植物的茎。刀杆：刀杆贯穿整个割台，在拾取轮下方延伸。其齿（有时称为割草指）重复地开合，将作物从根部切割下来。螺杆：螺杆也被称为螺旋输送器，位于刀杆后方，旋转的螺杆会将切割下的作物向中心输送，并通过传送带将作物上升到联合收割机主体内部的处理部分中。脱粒滚筒：击打切割下的作物，将谷物从茎杆上摇落。收集仓：收集脱离后的谷粒，内部包含筛子。麦秆行走器：不需要的杂质会沿着传送带朝机器的后部传送，在此期间脱落的谷粒也可以被再次收集至收集仓中卸粮装置：当收集仓满后，可通过侧边的管道喷入拖车或卡车中。排出装置：不需要的杂质（如秸秆、麦麸）会从机器后部的出口排出，某些型号的联合收割机配有旋转的喷洒结构，可以将杂质均匀铺洒在地上，有些型号的机器配有打包机，可以直接将杂质打包用作动物饲料。

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^[14]。

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无级变速器的操纵杆，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^[8]。

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^[8]：

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^[14]。

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^[14]。

联合收割机的液压系统组成结构包括液压泵、溢流阀、调速阀、电磁换向阀、液压缸和压力表等主要部件。通过调整速度控制阀的开口大小，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^[8]。

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^[8]。

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^[8]。

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^[8]。

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^[9]。

行走速度是影响收割机作业质量和作业效率的最重要因素，当确定收割机的割幅、割台高度和作物属性后，收割机作业质量会收到滚筒转速的影响，而滚筒的转速又根据行走速度而确定。结合滚筒角速度”作物密度“发动机功率和机器行走速度等的树蕨模型，可以构建出行走速度控制系统模型，如公式（1）和公式（2）^[8]：

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^[7]。

分类方式	类型	特点	二级分类	代表机型	图片
谷物喂入方式	全喂入	谷物茎秆和穗头全部喂入脱粒装置进行脱粒。 按谷物通过滚筒的方向不同，又可分切流滚筒式和轴流滚筒式2种	切流滚筒式	太湖牌TH988切纵流联合收割机[20]
			轴流滚筒式	凯斯4088轴流滚筒联合收割机[21]
	半喂入	用夹持输送装置夹住谷物茎秆，只将作物穗头切断喂入滚筒，并沿滚筒轴线方向运行脱粒。由于茎秆不进入脱粒器，简化了机器结构。缺点是对进入脱粒装置前的 茎秆整齐度要求较高及作业效率较低	-	洋马AG600R(G4)半喂入收割机
	割前脱粒	利用作物在田间的站立状态（未 割），直接将谷粒从穗头或茎秆上摘脱下来，然后进行复脱、分离和清选。 脱掉谷粒后的茎秆仍直立于田间或割倒铺放在田间。 割前脱粒式具有半喂入式的特点，但割前脱粒的飞溅损失较难控制	-	-	-
动力供给方式	牵引式	工作时由拖拉机牵引，优点是制造成本 低且可提高拖拉机利用率。 缺点是机组尺寸大，机动性差，不能自行开道作业	-	希森天成4UL-170Z马铃薯联合收割机[22]
	自走式	集收割、脱粒、集粮和行走为一体，结构紧凑、机动性好，收获作业时能自行开道，作业效率高。 缺点是制造成本高、利用率低	-	中联收获4LZ-9L切纵轴流自走式谷物联合收割机[23]
	背负式	将联合收割装置悬挂安装在拖拉机上， 割台位于拖拉机前方，脱粒、清选机构位于拖拉机后方， 中间输送装置设在一侧，具有自走式的优点且制造成本低。 缺点是配置受到拖拉机限制	-	玉丰之王4YW-3背负式玉米收割机[24]
	通用底盘式	将联合收割装置悬挂安装在通用 底盘上，收获季节过后，可拆下再装上其他农具使用，可 充分发挥动力机和底盘作用。 缺点是由于各种农具要求不同，相互牵制较多，设计和拆装要求也较多	-	-	-
行走方式	轮式行走	轮式行走联合收割机是联合收割机的主流类型，使用轮子进行移动，能适应除水田外的大多数土地类型	-	雷沃谷神GE80S-H（4LZ-8E2)（G4）轮式谷物联合收割机
	履带行走	履带式全喂人水稻联合收割机是在结合利用 了背负式收割机的工作部件和履带底盘的成熟技术 ,是中国收获水稻的主要机型	-	罗斯托夫VECTOR 450 Track谷物联合收割机

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在内的几乎所有粮食作物^[4][25]。

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^[26]。

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^[26]。

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^[26]。

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^[26]。

根据GB/T 6979.1-2005（收获器械 联合收割机及功能部件）标准，收获机械联合收割机及其功能部件相关的主要术语和定义如下^[29]：

谷物损伤：由机器本身引起的谷物损伤，通过样品中损伤籽粒所占的重量百分比衡量，保留一位小数。可见谷物损伤：目测可以观察到的籽粒表面的损伤。不可见谷物损伤：需要通过仪器或特殊过程才能观察到的损伤。未脱净穗头：籽粒没有被完全分离的穗头或断穗头。二次处理量：从清选机构上排出的，需进行再处理的作物。草谷比：样品中茎杆质量与籽粒质量之比。收获排出物：从联合收割机内排出的作物茎杆部分 ，包括杂草籽粒。颖壳：从清粮装置内排出的剩余物。茎杆：从分离装置内排出的剩余物。含水率（水分）：以湿基表达的含水率，计算方法见 GB/T 6979. 2-2005中3.1.3。作物高度：在作物直立的条件下，从地面到顶端的距离 ，单位为毫米（MM)。穗幅差：在作物自然状态下测定。每测点选有代表性的最高、最低的植株，测量茎杆基部（地面起）至穗尖 （不包括芒）的高度，其差值为穗幅差（特殊者除外）。倒伏程度：作物倒伏程度按不倒伏、中等倒伏和严重倒伏表示。穗头根部和茎杆基部连线与地面垂直线间夹 角为倒伏角。倒伏角 0°-30°为不倒伏，30°-60°为中等倒伏 ，60°以上为严重倒伏。成熟期：成熟期按乳熟期、蜡熟期 、完熟期、黄熟期和过熟期表示。割茬高度：割茬指作物被收割之后残留在地表的部分。割茬高度指割茬直立条件下的高度。自然落粒：田间每1平方米内的自然落粒重 ，单位为克每平方米（g/㎡ ) 。

谷物收获机械：用来完成作物切割、挖掘、摘取、捡拾或脱粒、分离、清选、将谷物送往粮箱和将杂余抛回地面的谷物收获机械。驾驶室。封闭驾驶室：将驾驶员完全包围起来 ，包含空调系统或加压系统等 ，用以防止外部空气 、灰尘等进入驾驶员周围空间的装置 。普通驾驶室：将驾驶员完全包围起来 ，无空调系统或加压系统，为驾驶员改善工作环境的薄壳型装置。割台：具有收集、切割、摘取或捡拾作物功能的联合收割机部件。切割器：割台上用于切割作物的往复式部件。分禾器：将本行程中待割作物与相邻的未割作物分开（或将同行程中的待割作物分开）的装置 。拨禾轮：将待割作物引向切割器 ，并将割后作物推向割台输送装置的旋转部件。扶禾器：将待割作物扶起后引向切割器、并将割后作物引向割台输送装置的部件。旋转切割器：割台上用于切割作物的旋转式部件 。捡拾装置：具有捡拾功能的装置 ，能将割下的作物输送到割台输送机构。打捆机构：具有打捆功能的装置。喂入装置：具有喂人功能的装置。脱粒装置：具有脱粒功能的装置。通常由脱粒滚筒和凹板组成，可分为全喂人、入式脱粒装置和半喂入式脱粒装置。分离装置：不具有脱粒功能的所有分离部件。逐稿器：由数个安装在旋转曲轴上带有透孔的键箱组成 ，其宽度等于联合收割机分离室的宽度。清选装置：具有清选功能的装置 。通常由清选室和清选风机组成。粮箱：联合收割机上存贮籽粒的容器传送装置：联合收割机内部用于输送物料的装置 。例如 ：斗式 、螺旋、刮板或其他无透孔的输送带。卸粮器：具有卸粮功能的装置。颖壳撒布器：撒布或分布清选装置排出的颖壳的装置。