周陳林,汪小旵,何瑞銀,徐高明,梁 磊,丁啟朔*
(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,江蘇 南京 210031;2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,江蘇 南京 210031)
【研究意義】農(nóng)業(yè)機械化是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑[1],機械化是提高生產(chǎn)效率、減少勞動強度、提高作物生產(chǎn)率和盈利能力的關(guān)鍵農(nóng)業(yè)技術(shù)[2]。農(nóng)業(yè)機械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)被廣泛使用[3]。對于水稻收獲環(huán)節(jié)而言,該環(huán)節(jié)是機械化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)且季節(jié)性較強,收獲期延遲將造成適時性損失,導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低,造成經(jīng)濟損失[4]。提高作業(yè)效率,有利于搶農(nóng)時、減少收獲損失[5]。因此農(nóng)民在收獲之前明確作業(yè)時間、成本消耗和收割機作業(yè)效率對于提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)至關(guān)重要[6]。收割機的作業(yè)效率受到地塊地理特征、田間作業(yè)方式及機械性能等因素的影響[7],開展其對收割機作業(yè)效率影響機理的研究,能夠為提高收割機作業(yè)效率提供參考依據(jù)。【前人研究進展】國內(nèi)外專家針對提高農(nóng)機作業(yè)效率、降低生產(chǎn)成本等問題從不同角度進行了一系列的研究。Gonzalez 等[8]針對地塊規(guī)模、形狀等地塊地理特征對耕作機械作業(yè)效率的影響進行了研究;喬金友等[9-10]建立了收割機組技術(shù)生產(chǎn)率及純時間利用率與地塊條件的關(guān)系模型,并探究了其變化規(guī)律;張凱等[11]建立了不同作業(yè)路線下收割機生產(chǎn)率計算模型,探究了收割機作業(yè)路線及地塊面積與收割機生產(chǎn)率的變化規(guī)律;Spekken 等[12]根據(jù)地塊的形狀得到最優(yōu)作業(yè)方向,實現(xiàn)了農(nóng)機作業(yè)效率的提高;黃小毛等[13]利用禁忌算法,優(yōu)化路徑排序,提高了轉(zhuǎn)彎效率;孔德剛等[14]對大功率拖拉機播種作業(yè)效率進行分析,表明選用適配的播種機,可以減少故障時間;相關(guān)專家則通過線性和非線性規(guī)劃的方法[15-18],以及建立模糊綜合評價指標(biāo)體系的方法[19-21]來合理的適配農(nóng)機;馮江等[22]對聯(lián)合收割機的轉(zhuǎn)向機構(gòu)研究,減少了收割機的轉(zhuǎn)彎時間;Veerangouda 等[23]對收割機做作業(yè)質(zhì)量、效率、成本等方面的分析改進了機械性能,實現(xiàn)作業(yè)效率提高,作業(yè)成本降低。由于我國南方丘陵稻田居多,水稻收獲雖然已經(jīng)實現(xiàn)機械化,但是因為狹小的地塊特征,收獲作業(yè)呈現(xiàn)其獨有的特征。【本研究切入點】國內(nèi)外多基于農(nóng)機幅寬、功率和作業(yè)方向優(yōu)化對農(nóng)機作業(yè)效率的影響進行研究,并取得了重大的成果,但大多是以大功率農(nóng)機為研究對象的定性分析。關(guān)于農(nóng)機作業(yè)路線和地塊特征對收割機純作業(yè)效率、實際作業(yè)效率的影響及其兩者之間變化關(guān)系對作業(yè)路線與地塊條件的匹配研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】針對不同作業(yè)路線下,建立南方水稻收割機純作業(yè)效率和實際作業(yè)效率與地塊特征變化的數(shù)學(xué)模型,探究不同地塊特征和作業(yè)路線下收割機純作業(yè)效率和實際作業(yè)效率變化規(guī)律及關(guān)系,以期為收割機路線優(yōu)化、土地整理、收割機作業(yè)路線與地塊條件合理匹配提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考。
聯(lián)合收割機的作業(yè)效率表示單位時間內(nèi)收割機作業(yè)的面積,可分為理論生產(chǎn)率和實際生產(chǎn)率[6,24],理論生產(chǎn)率表示收割機在理想的作業(yè)環(huán)境下,不包含故障維修,加油,地塊、作物等因素,但是在實際生產(chǎn)過程中收割機必然存在時間損失,收割機完成作業(yè)的總時間是各項目時間的總和[25-27]。在實際生產(chǎn)中實際生產(chǎn)率計算公式為:
式中:Qe表示收割機的實際生產(chǎn)效率,hm2/h;S表示收獲地塊面積,hm2;Te示收割機實際收獲時間,h。
理論作業(yè)生產(chǎn)率即純作業(yè)生產(chǎn)率,表示收獲作業(yè)面積與純作業(yè)時間的比值,純作業(yè)時間為收割機收獲作物所花費的直行時間。
式中:Qp為純作業(yè)生產(chǎn)率,hm2/h;Tp為純作業(yè)時間,h。
南方小地塊水稻收割機在田間進行收割作業(yè)時,常用作業(yè)路線有2 種,第一種作業(yè)路線是收割機先經(jīng)過3 圈90°轉(zhuǎn)彎的回字形收獲,留出收割機轉(zhuǎn)彎空間,然后沿180°轉(zhuǎn)彎的S 型路線收獲,為Ⅰ型作業(yè)路線(圖1a)。
第二種作業(yè)路線是收割機沿回字形路線逐漸向內(nèi)收獲,但在最后3個行程時,為減少轉(zhuǎn)彎,收割機直接通過短邊,然后轉(zhuǎn)彎沿長邊收獲,為Ⅱ型作業(yè)路線(圖1b)。
圖1 收割機常用作業(yè)路線Fig.1 Common operation route of harvester
對于單一塊地而言,收割機收獲作業(yè)時,整個生產(chǎn)流程包括收割、地頭轉(zhuǎn)彎、出地卸糧、卸糧、進地收割等必要環(huán)節(jié),以及故障維修、加油、運糧車未到達產(chǎn)生的卸糧等待時間等非必要環(huán)節(jié),非必要環(huán)節(jié)出現(xiàn)的頻率和每次花費的時間長短不同[9,28],收割機的作業(yè)總時間為:
式中:T為收獲各個環(huán)節(jié)時間之和,s;Ts為收割作業(yè)直行總時間,s;Tt為收割作業(yè)轉(zhuǎn)彎消耗的總時間,s;To為出地卸糧消耗的總時間,s;Tu為卸糧消耗的總時間,s;Te為卸完糧進地收割消耗的總時間,s。
試驗以田間調(diào)查的方式展開,地點為南京市六合區(qū)八百橋農(nóng)村地區(qū),該地區(qū)具有南方地區(qū)典型的地塊特征。測試方法參考文獻[8]中的方法,選取田間調(diào)查測試的收割機型為沃得4LB-150AA、沃得尊享版112,試驗地塊規(guī)模為35 m×77 m,重復(fù)試驗3 次,分別記錄收割機在2 種作業(yè)路線下的非恒速作業(yè)時間、恒速作業(yè)時間及相應(yīng)行駛距離、90°和180°轉(zhuǎn)彎時間、卸糧時間、進出地時間及相應(yīng)行駛距離、空行程行駛時間等收割機基本作業(yè)參數(shù)。因收割機喂入量受到恒速行駛速度、谷物密度、割幅影響,同時與脫粒滾筒轉(zhuǎn)速有關(guān)[29],某種確定型號的收割機在相同種植密度稻田作業(yè)時,其恒速行駛速度與收割機自身參數(shù)有關(guān),具有普適性。
收割機的直行時間包括長邊直行時間和短邊直行時間,收割機在進入地頭開始收獲,由靜止先經(jīng)過加速,達到恒速后保持該速度收割,轉(zhuǎn)彎前減速完成一行作物收獲,由于相同收獲方式下,非恒速收獲距離較短,所用時間和距離無顯著性區(qū)別,取試驗地塊條件下非恒速下作業(yè)環(huán)節(jié)所需時間平均值,記作tˉ,根據(jù)試驗測試不同收割機收獲時的恒速作業(yè)速度,同機型不同地塊條件下無顯著差異,記收割機恒速環(huán)節(jié)平均速度為v,則非恒速平均速度可記為v/2。表1中給出了收割機基本作業(yè)參數(shù)和各作業(yè)環(huán)節(jié)時間值。
表1 收割機基本作業(yè)參數(shù)測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of various time parameters of harvester
經(jīng)過田間調(diào)查發(fā)現(xiàn),南方稻麥輪作區(qū)除在地塊地理特征上與大農(nóng)地存在較大區(qū)別以外,在機械作業(yè)行為模式上也有很大不同,在收獲路線上有很明顯的地方特色。收割機采用Ⅰ型作業(yè)方式收獲時,需要進行3圈的回字形收獲,留出地頭轉(zhuǎn)彎空間,然后再S型收獲,因此兩部分作業(yè)時間需分別計算。
2.1.1 行程數(shù) 收割機的行程數(shù)等于地塊寬度與割幅的比值,該值可能是小數(shù),但在實際作業(yè)過程中,即使剩余未收獲寬度不足一個割幅,仍需要一個行程完成收獲。因此該值需向上取整,在Ⅰ型收獲方式中,由于收割機需要留出轉(zhuǎn)彎空間,因此剩余區(qū)域的所需總行程數(shù)為:
式中:n剩余區(qū)域總行程數(shù),W為地塊寬度,m,Bp為收割機割幅,m。
2.1.2 非恒速作業(yè)時間 Ⅰ型收獲方式的非恒速作業(yè)時間為前3 圈的回字形收獲非恒速作業(yè)時間與之后的S 型收獲的非恒速作業(yè)時間之和,回字形收獲的行程數(shù)以圈計,一次行程為一圈,一圈完成4 行(長邊和短邊分別2個)收獲,每行收獲包含2次非恒速收獲,因此每圈包含8次非恒速作業(yè),非恒速作業(yè)時間是行程數(shù)的8倍;而S型收獲每次行程收割一行,非恒速作業(yè)次數(shù)為行程數(shù)的2倍。故Ⅰ型收獲的非恒速總作業(yè)時間為:
式中:Tn1為非恒速作業(yè)總時間,s。
2.1.3 恒速作業(yè)時間 Ⅰ型路線的恒速作業(yè)時間為前三圈回字形收獲恒速作業(yè)時間與之后的S 型恒速作業(yè)時間之和。前三圈恒速作業(yè)時間為恒速作業(yè)距離與恒速行駛速度v的比值,恒速作業(yè)距離為行程長與非恒速行駛距離的差值。前三圈回字形收獲的非恒速行駛次數(shù)是行程數(shù)的8 倍。非恒速行駛距離為非恒速平均作業(yè)時間tˉ與平均速度v/2之積,前三圈恒速平均行駛時間為:
式中:Lc1為前3圈恒速作業(yè)距離,m;Tc1為前3圈恒速作業(yè)時間,s;v為恒速行駛速度,m/s。
同理,S型收獲恒速作業(yè)次數(shù)與行程數(shù)相等,S型收獲的恒速作業(yè)時間為恒速作業(yè)距離與速度v的比值:
式中:Tc2為S型收獲恒速作業(yè)時間,s。
Ⅰ型路線恒速作業(yè)總時間為回字形收獲和S型收獲恒速總時間之和。
式中:Tc為Ⅰ型路線恒速作業(yè)總時間,s。
總直行時間為非恒速作業(yè)時間與恒速作業(yè)時間之和。
2.1.4 轉(zhuǎn)彎時間 Ⅰ型路線包括的回字形收獲和S型收獲轉(zhuǎn)彎通過的距離和轉(zhuǎn)過的角度不同,因此所用的轉(zhuǎn)彎時間不同,通過田間調(diào)查獲取兩種路線下的單次平均轉(zhuǎn)彎時間分別為tˉt1和tˉt2,轉(zhuǎn)彎總時間為平均轉(zhuǎn)彎時間與轉(zhuǎn)彎次數(shù)之積,回字形收獲的每次行程需要轉(zhuǎn)彎4次,S型收獲每次行程一次轉(zhuǎn)彎,總轉(zhuǎn)彎次數(shù)比行程數(shù)少1次,因此轉(zhuǎn)彎總時間為:
式中:Tt1為轉(zhuǎn)彎總時間,s。
2.1.5 卸糧前準(zhǔn)備時間和卸糧后進地時間 卸糧前準(zhǔn)備時間是收割機出地卸糧所花費的時間,由于收割機完成一次卸糧需出地卸糧,然后回地收獲,一次往返,由于收割機每次卸糧到卸糧點的距離不相等,平均距離用地塊中心到卸糧點的平均距離lˉ來計算,卸糧進出地平均時間為收割機卸糧平均距離lˉ與收割出地卸糧速度vu和進地收割速度ve的比值,這兩個過程所用的總時間分別為其過程單次平均時間與卸糧次數(shù)nu之積,卸糧次數(shù)為地塊總產(chǎn)量與收割機糧箱容量的比值。故卸糧前準(zhǔn)備時間和卸糧后進地時間為:
式中:To1為單次卸糧前準(zhǔn)備時間,s;Te1為單次卸糧后進地時間,s;nu卸糧次數(shù);A為收割地塊面積,hm2;Y為單位面積產(chǎn)量,kg/hm2;ρ為水稻的堆積密度,kg/m3;V為收割機糧箱容積,L;Toe1為卸糧前準(zhǔn)備時間和卸糧后進地總時間,s。
2.1.6 卸糧時間 卸糧總時間Tu為糧箱容量與卸糧速度的比值,收割機型號相同時卸糧時間無明顯差異,因此卸糧總時間為單次平均卸糧時間tˉu與卸糧次數(shù)nu之積。
式中:Tu表示卸糧總時間,s。
綜上,對Ⅰ型收獲分析,可得到該作業(yè)方式下的純作業(yè)效率模型為:
實際作業(yè)效率:
式中:Qp1為Ⅰ型路線純作業(yè)效率,hm2/h;Qe1為Ⅰ型路線的實際生產(chǎn)效率,hm2/h,A為收獲地塊面積,hm2。
收割采用Ⅱ型收獲方式即回字形收獲,但是到最后3個行程的時候,為減少轉(zhuǎn)彎時間,不收割短邊直接通過,然后轉(zhuǎn)彎繼續(xù)收割長邊(如圖1b所示)。
2.2.1 行程數(shù) 收割機在采用Ⅱ型路線時,最終收獲長邊完成收獲,且最后一次短邊為直接轉(zhuǎn)彎,因此長邊作業(yè)次數(shù)比短邊多2次,各自作業(yè)次數(shù)分別為:
式中:nl為長邊作業(yè)次數(shù),ns為短邊作業(yè)次數(shù)。
2.2.2 直行時間 直行時間包括長邊直行時間和短邊直行時間,都是由恒速和非恒速行駛時間組成,短邊最后3個行程不收獲作物為空行程,長邊作業(yè)行程數(shù)不變。Ⅱ型路線方式為回字形收獲,每行收獲包含2次非恒速收獲,只需減去最后直接通過短邊包含的非恒速作業(yè)時間,故非恒速作業(yè)時間為:
長邊恒速作業(yè)時間為長邊恒速收獲總距離與恒速作業(yè)速度v的比值,Ⅱ型路線方式因最后3個行程不收獲短邊,直接通過收獲長邊,因此到最后3個行程之前的長邊收獲長度逐次減少一個割幅Bp長度,直到最后3個行程,收獲長邊的距離相等;因此長邊恒速作業(yè)時間為:
式中:Tlc為長邊恒速作業(yè)時間,s。
短邊恒速作業(yè)時間為短邊恒速作業(yè)總距離與恒速作業(yè)速度v的比值,但是短邊一般最后3個行程收獲,為提高收獲效率,直接通過,因此空行程行駛時間總時間為空行程行駛平均時間tˉk與次數(shù)之積。因此短邊恒速行駛時間為:
式中:Tsc為短邊恒速作業(yè)時間,s;Tk為空行程行駛時間,s;tˉk空行程行駛平均時間,s。
2.2.3 轉(zhuǎn)彎時間 收割機采用Ⅱ型路線方式時,一個行程為一圈,完成一個行程收獲,需要收獲2次長邊或短邊,但是收割收獲時,開始收獲不需要轉(zhuǎn)彎,最后一行的收獲只需要轉(zhuǎn)彎一次與S型相同,因此總轉(zhuǎn)彎次數(shù)nt為:
由于最后一次轉(zhuǎn)彎為S 型路線轉(zhuǎn)彎,與回字形轉(zhuǎn)彎距離和角度不同,因此轉(zhuǎn)彎總時間為各自單次平均轉(zhuǎn)彎時間和與轉(zhuǎn)彎次數(shù)之積。
式中:nt為轉(zhuǎn)彎次數(shù),Tt2為Ⅱ型路線方式轉(zhuǎn)彎總時間,s。
由于在收獲過程中,收割機的糧倉在任何地方都有可能滿箱,因此卸糧前準(zhǔn)備時間和卸糧后進地時間可以采取與Ⅰ型路線相同的計算方式。
因此,可以得到采用Ⅱ型路線方式的純作業(yè)效率模型為:
式中:Qp2為Ⅱ型路線純作業(yè)效率,hm2/h;中Qe2為Ⅱ型路線方式的實際生產(chǎn)效率,hm2/h。
對作業(yè)效率模型驗證性分析,用沃得銳龍尊享版112 收割機實測兩種路線下的收獲作業(yè)效率,兩種路線各選取10塊地,試驗地塊參數(shù)如表2所示;分別對比純作業(yè)效率和實際作業(yè)效率的試驗值和模擬值(圖2);結(jié)果表明:兩種路線的純作業(yè)效率誤差均小于7%,實際作業(yè)效率誤差均小于8.7%,平均值誤差均小于4.5%,兩種作業(yè)路線的純作業(yè)效率試驗值與模擬值相關(guān)性系數(shù)均大于0.94,實際作業(yè)效率試驗值與模擬值相關(guān)性系數(shù)均大于0.90,表明模型模擬效果良好。
表2 試驗地塊參數(shù)Tab.2 Test plot parameters
圖2 收割機不同作業(yè)路線作業(yè)效率模擬值和試驗值Fig.2 Simulated and experimental values of operation efficiency of harvester in different operation routes
收割機的作業(yè)效率受到收割機型號、地塊面積、長寬比等因素的影響[30-32],為探究收割機型號、地塊面積和長寬比對純作業(yè)生產(chǎn)率、實際生產(chǎn)效率的影響規(guī)律,利用建立的作業(yè)效率計算模型,編制MATLAB 計算程序,選取南方地塊面積大小分布較廣且具有代表性的2 種地塊面積(0.1 hm2和0.3 hm2),2 種機型在2種作業(yè)路線下,純作業(yè)生產(chǎn)率和實際生產(chǎn)效率隨長寬比的變化規(guī)律。
計算2種作業(yè)路線的收割機純作業(yè)生產(chǎn)率和實際生產(chǎn)效率隨地塊長寬比的變化趨勢(如圖3所示),結(jié)果表明,總體上看:不同的地塊面積、作業(yè)方式、收割機類型純作業(yè)效率和實際作業(yè)效率分別表現(xiàn)出相似的變化趨勢。地塊面積和型號相同時,隨著長寬比的增大,收割機純作業(yè)效率和實際作業(yè)效率均增大直至趨于平緩。表明長寬比的增加能夠提高收割機作業(yè)效率,因為長寬比增加,收割機轉(zhuǎn)彎次數(shù)減少,非恒速行駛距離占比降低;但是隨著長寬比的增加,作業(yè)效率趨于平緩,表明長寬比增大對作業(yè)效率的提升存在上限。長寬比和型號相同時,地塊面積的增大,純作業(yè)效率和實際作業(yè)效率均增大,表明面積增大也能夠提高收割機作業(yè)效率。對于2種作業(yè)路線,當(dāng)?shù)貕K面積相同時,不同的長寬比,收割機不同作業(yè)路線的純作業(yè)效率和實際作業(yè)效率變化趨勢相似;Ⅱ型作業(yè)路線與Ⅰ型作業(yè)路線的純作業(yè)效率和實際作業(yè)效率相差最高分別為18.2%、3.7%。不同作業(yè)路線下收割作業(yè)效率與地塊面積有關(guān),收割機型號相同時,隨著地塊長寬比的變化,不同地塊面積下Ⅱ型作業(yè)路線的實際作業(yè)效率均大于Ⅰ型作業(yè)路線。表明在南方小地塊條件下Ⅱ型作業(yè)路線較Ⅰ型作業(yè)路線作業(yè)效率更高。收割機型號和長寬比相同時,面積增大,Ⅱ型作業(yè)路線的純作業(yè)效率均大于Ⅰ型作業(yè)路線,但Ⅰ型作業(yè)路線的實際作業(yè)效率逐漸逼近Ⅱ型作業(yè)路線。表明Ⅰ型作業(yè)路線收獲隨著地塊面積增大非作業(yè)時間占比小于Ⅱ型作業(yè)路線收獲,隨著地塊面積增大Ⅰ型作業(yè)路線實際作業(yè)效率將會大于Ⅱ型作業(yè)路線。
圖3 不同作業(yè)路線收割機作業(yè)效率與地塊長寬比關(guān)系Fig.3 Relationship between harvester operation efficiency and plot length width ratio of different operation routes
本研究基于收割機不同作業(yè)路線的觀測,提出了不同作業(yè)路線的純作業(yè)時間和實際作業(yè)時間構(gòu)成的計算公式,建立了對應(yīng)的作業(yè)效率模型。2 種作業(yè)路線下,純作業(yè)效率和實際作業(yè)效率的試驗值和模擬值的誤差在8.7%之內(nèi),相關(guān)性系數(shù)在0.9以上,模型模擬效果良好。
收割機的型號和作業(yè)路線,地塊面積和長寬比,是影響作業(yè)效率的主要因素,適當(dāng)增大地塊面積和地塊長寬比有助于提高收割機的作業(yè)效率,選擇適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)路線能夠提高收割機的作業(yè)效率。在南方小地塊條件下Ⅱ型作業(yè)路線較Ⅰ型作業(yè)路線作業(yè)效率更高;比較2種作業(yè)路線收獲的純作業(yè)效率和實際作業(yè)效率,隨著地塊面積增大,Ⅰ型作業(yè)路線非作業(yè)時間占比小于Ⅱ型作業(yè)路線,Ⅰ型作業(yè)路線實際收獲效率逐漸逼近Ⅱ型作業(yè)路線。表明地塊面積增大Ⅰ型作業(yè)路線實際作業(yè)效率將大于Ⅱ型作業(yè)路線,因此大地塊采用Ⅰ型作業(yè)路線更優(yōu)。
收割機純作業(yè)效率與實際作業(yè)效率不同,除了存在非作業(yè)時間外,說明收割機的實際作業(yè)效率還由于地塊原因沒有充分發(fā)揮,增大地塊面積和長寬比可以提高作業(yè)效率,但作業(yè)效率增大存在上限,需要找到適合“度”和與其相匹配的收割機,充分發(fā)揮收割機的作業(yè)能力。