谷物联合收割机(卷名：农业)
grain combine harvester
一次完成谷类作物的收割、脱粒、分离茎杆、清除杂余等工序，从田间直接获得谷粒的谷物收获机械。简称谷物联收机，也译作谷物康拜因。有些谷物联收机经局部改装和调整后，还可收获豆类、向日葵和牧草种子等。其优点是劳动生产率高，劳动强度低，能赶农时，适宜地块面积大的地方使用，但在生产规模较小的情况下作业成本较高。
概况 1828年美国公布的第一个谷物联合收割机专利，提出了一台把收割机和可行走的谷物脱粒机联合在一起的机器的方案。1834年出现用畜群牵引、通过地轮驱动收割器等工作部件的谷物联合收割机的样机。1890年发明了由蒸汽机驱动的自走式和牵引式谷物联收机。1920年左右，美国小麦产区开始推广由汽油拖拉机牵引的谷物联收机，到第二次世界大战期间已大量使用。苏联于1925年，英、法、德等国从1928年起分别从美国引进并改制谷物联收机。1938年前后，美国开始使用自走式谷物联收机。到60年代中、后期，美国生产的自走式谷物联收机已占谷物联收机总产量的90～95％，苏联已全部生产自走式谷物联收机。并逐步用柴油机取代汽油机作为动力。60年代末，在谷物联收机上开始使用电子监视装置。70年代中期，欧美的一些公司生产轴流滚筒式谷物联收机。现代谷物联收机已采用空调和防震、防噪声驾驶室、液压操纵和电子监测自动控制装置等。日本从1967年起开始生产半喂入式水稻联收机。1974年世界上已出现程序控制、全自动、无人驾驶的样机。谷物联合收割机将日趋朝自动化和适应性强的方面发展。
中国于1947年起从国外引进谷物联收机，在东北和华北国营农场使用。1956年开始生产牵引式谷物联收机。1965年开始生产自走式谷物联收机。1958年起研制半喂入式水稻联收机（可兼收小麦），70年代初已定型生产。至1985年，中国谷物联收机保有量达34573台。
类型和特点 按动力配置和挂接形式的不同，谷物联收机分为自走式、拖拉机牵引式（有自带或不带专用发动机两种）、悬装式和半悬装式。按作物喂入脱粒装置的方式分为全喂入式谷物联收机（带穗禾秆全部进入脱粒装置）和半喂入式谷物联收机（禾秆穗部进入脱粒装置、另一端被夹持输送）。按谷物联收机用途分为普通型（收获小麦为主）、水稻联收机和坡地型谷物联收机等。
牵引式谷物联收机的构造较自走式简单，用作牵引动力的拖拉机在非收获季节可移作其他作业的动力；但在作业时的机动灵活性差。在每一地块上开始作业前均需用人工或其他类型的机械先行开道。自走式谷物联收机能自行开道，机动灵活性好，转换作业地块方便，劳动生产率高，但其发动机的年利用率低。悬装式和半悬装式谷物联收机兼有牵引式和自走式的优点，但拖拉机手的驾驶座不够高，对机器前方地面的视野差，且机器的重量分布和传动配置受拖拉机结构的限制而难以合理，从而影响机器的稳定性和操作性能。半装挂式同拖拉机的联接较悬装式简便，适应地形变化能力强。全喂入式谷物联收机收获各种作物的通用性较好，但所需功率较大，收获后茎秆断碎散乱，只能还田作肥料或用作饲料。半喂入式谷物联收机所需功率较小，能保持茎秆相对完整，但对作物生长状况的适应性较差，不能收获玉米、豆类等作物。20世纪70年代以来，在北美开始出现只带捡拾装置，不带切割装置的牵引式谷物联收机，专用于捡拾收获由割晒机收割铺放在田间晾晒的禾条。
全喂入式谷物联收机 20世纪70年代初，中国南方研制的以收获水稻为主、兼可收小麦的全喂入式谷物联收机，悬挂在轮式或履带式拖拉机上，采用轴流滚筒式脱粒装置，没有单独的分离装置，全机结构较简单，其割台位于拖拉机前方，脱粒装置横置于拖拉机后方（图1）。其收获流程如下：割下的穗秆由螺旋推运器送到割台左端，由位于拖拉机左侧的输送装置送到轴流滚筒的左端进入脱粒装置，沿滚筒轴向运动而脱粒。脱下的谷粒通过筛式凹板分离出来，并在筛子和风扇吹风的作用下将混杂在谷粒中的碎茎叶和其他轻杂质吹出机外，干净的谷粒落入螺旋输送器，再经谷粒升运器升运入粮箱或装袋，茎秆则沿滚筒轴向运动至右端，由排草轮排出（见表）。
普通全喂入式联合收割机通过铰接轴同脱粒机体联接，由割台输送装置、拨禾轮和切割器3部分构成。按割台输送装置的类型分输送带式和螺旋推运器式两种。输送带式已逐渐被淘汰。螺旋推运器割台采用较普遍，它用液压系统操纵其升降，以变换运输状态和作业状态，或调节割茬高度。割台下面安装仿形机构，以保证低割，并使割台适应地形起伏。有些机型配有挠性割台，依靠切割器本身的挠性，可实现沿地面横向和纵向仿形。拨禾轮多为偏心弹齿式，以利于扶起倒伏作物，减少谷粒损失。拨禾速度与联收机行进速度之比为1.2～2.0。可根据作物的生长情况调节拨禾轮的转速及其前后、高低的安装位置，以获得最佳的拨禾效果，并防止打落谷粒和甩出穗秆。拨禾轮弹齿的倾斜角度也可根据作物的倒伏方向调节。切割器采用往复式，由往复直线运动的动刀杆和若干个带定刀片的护刃器组成。动刀杆由曲柄连杆机构或摆环机构驱动，其常用的平均速度为1.1～1.6米/秒。
割台的割幅大小，根据谷物联收机配用动力机的功率大小和脱粒、分离装置的通过能力来确定。同一台谷物联收机可以根据使用地区谷物单位面积产量的高低选配不同割幅的割台，使单位时间内谷物的喂入量(千克／秒）控制在机器的额定量范围内。
中间输送装置 用以将割台输送来的穗秆送入脱粒装置。有链耙式、带耙式和转轮式等类型。链耙式输送装置由于工作可靠，能实现连续均匀喂入，应用最广。它由矩形断面输送槽和带耙齿的环形链条组成。链条下端的从动链轮轴可以上下浮动，以适应喂入作物层厚度的变化，防止堵塞。链条速度为3～5米／秒。带耙式输送装置是用带耙齿的环形胶带或帆布带代替环形链条，其结构简单，但输送带易打滑，输送速度为2～4米/秒。转轮式输送装置由输送槽和若干个带叶片或齿杆的转轮组成，转轮线速度约10～15米/秒，各个转轮速度由下至上逐渐增高。
脱粒装置 由滚筒、凹板构成，有的在滚筒前设喂入轮。全喂入式谷物联收机的脱粒装置有多种型式(图2)：
①纹杆滚筒式。利用滚筒上纹杆与栅格状凹板对穗秆的搓擦作用脱粒，其脱粒和分离谷物的性能较好，谷物损伤和茎秆断碎也较少，能适应多种作物的脱粒，且构造简单，因而使用较广。但当作物湿度较大或喂入不均匀时，会降低脱粒和分离质量。 滚筒直径多为450～600毫米，少数800毫米。纹杆数6～10根。纹杆顶面圆周速度和脱粒间隙随不同作物和湿度大小而异，作物湿度大时宜采用较高的速度和较小的间隙。
②钉齿滚筒式。利用钉齿的打击作用和梳刷作用脱粒。抓取作物和脱粒的能力较强，能适应在较潮湿作物和喂入量不均匀情况下脱粒，还能脱水稻、大豆等作物。但茎秆断碎较多，所需功率较大，其凹板分离能力差，只适用于稻麦两熟地区的谷物联收机上。滚筒的钉齿有板刀齿、斜面刀齿和楔齿等多种。
③双滚筒式。由前后两组滚筒凹板组成。前组为钉齿滚筒或纹杆滚筒，以较低的转速(比同类单滚筒低1/3～1/2)脱下大部分谷粒，通过凹板分离出去。后组为纹杆滚筒，以较高的转速（仅比单纹杆滚筒的圆周速度低2～3米/秒）和较小的入口间隙（比同类单滚筒小1/3左右）脱下其余的谷粒。脱粒和分离质量较好，谷粒的损伤也很少。但构造复杂，所需功率大，茎秆断碎也多。
④轴流滚筒式。在以上 3种脱粒装置中，穗秆都是沿滚筒圆周的切线方向流动，被称为切向流滚筒式脱粒装置。轴流滚筒式脱粒装置则在其滚筒的顶盖或外壳内设有螺旋导板，当穗秆喂入后，一面随滚筒作圆周运动，一面在导板的引导下沿滚筒作轴向移动。因此，脱粒的时间比切向流式长得多，其脱粒和分离能力也较强。在装有这种脱粒装置的谷物联收机上，一般不单设分离装置，以缩短机体长度。
谷物联收机滚筒的转速和间隙通过液压或机械装置进行调节，以适应收获不同作物、不同喂入量和不同含水量穗秆的需要。滚筒转速多采用三角胶带无级变速器调节。脱粒间隙的调节有两种方法：一是在机器停止运转状态下拧动调节螺母；一是在机器作业状态下，在滚筒发生超负荷瞬间扳动操纵杆使间隙迅速放大，负荷恢复正常后仍回复到原有间隙。
分离装置 常用的键式分离装置由逐秆轮和键式逐秆器等组成。逐秆器由4～6个纵向平行的键箱组成，各相邻键箱作上下前后交替运动，使脱粒后的茎秆层在梯级键面上被连续抛扔、交替跌落并同键面反复撞击，还被键箱两侧的叉齿叉松、振抖，从而使茎秆中夹带的谷粒穿过茎秆层和键面的筛孔，沿键箱底板流到阶梯抖动板上，茎秆则由键尾抛出机外。有些机型还装有拨秆式或旋转摆环拨指式辅助分离装置，以促使谷物从茎秆中分离出来。小型联收机一般采用平台式分离装置，靠平台抖动分离谷粒。还有一种转轮式分离装置，由前后倾斜排成一列的多个分离转轮和转轮下的栅状凹板组成。自下而上各轮的速度逐个增大，分离能力较强，对潮湿作物的适应性较好，但茎秆易破碎，仅用于联邦德国生产的少数联收机上。
清选装置 常用的是风扇筛子式。由中压离心风扇产生的气流按25°～30°的仰角吹向双层摆动筛体，风扇出口处的风速达到8～10米／秒时，可将筛前部的含杂谷粒混合物吹松，并吹走短茎秆、碎叶和草子等轻杂质。调节风扇的转速、导风板方向和进风口的大小可获得适宜的风速、风量和风向。双层清选筛的上筛称颖壳筛，多数采用鱼鳞筛，其筛孔较大，筛片倾角和孔的大小可调，有较大的透风能力。下筛称谷粒筛，采用圆孔筛、鱼眼筛或小孔鱼鳞筛，谷粒通过筛孔后沿筛箱底板滑入谷粒推运器，筛面的少量杂余则由筛尾排走。少数机型还装有中层筛。
集粮装置 在大、中型谷物联收机上多装有粮箱，容积一般为2～3米3以至8米3以上， 个别机型超过11米3。卸空粮箱约需1.5～2.5分钟。有些中小型谷物联收机配置卸粮台，由人工用麻袋装粮。
茎秆处理装置 按照不同的茎秆处理要求，有集草箱、茎秆打捆装置和茎秆切碎抛撒装置等类型。集草箱悬挂在机器的后部，承接由逐秆器排出的茎秆，装满后自动打开后栅门并使箱底后部下落，将成堆的茎秆排放在地面上。有些机型用打捆机构代替集草箱，将排出的茎秆打成捆后放落在地面，以便于装载运输。茎秆切碎抛撒装置可将排出的茎秆切碎后抛撒在地面，满足秸秆还田作肥料的要求。
行走装置 自走式谷物联收机的行走装置有轮式、履带式和半履带式等类型。常用的轮式行走装置包括前面两个大驱动轮和后面两个导向轮。驱动轮支承割台、驾驶室、发动机、 粮箱和脱粒机体全部重量的2/3以上。较大的机型多采用全液压转向器，并通过液压驱动的三角胶带无级变速器调节行走速度。用于潮湿地区和以收获水稻为主的谷物联收机，常采用履带式、半履带式或四轮驱动的行走装置，以提高其通过性能，并采用气压为20～60千帕的超低压轮胎。
液压系统 包括液压操纵、液压转向和行走装置的静液压驱动3部分。 液压操纵部分包括割台和拨禾轮的升降、拨禾轮同行走无级变速液压操纵以及转向机构的液压操纵等；液压转向指全液压转向器。这两部分一般采用中低压系统，压力为2.5～8兆帕，常用齿轮油泵。行走装置的静液压驱动所需功率较大，一般采用16～32兆帕的高压系统，常用轴向活塞变量泵带动一个定量或变量轴向活塞液压马达。采用静液压驱动可以免除三角胶带无级变速器的打滑现象，以保证稳定的行走动力特性。但传动效率较低，成本高，多在部分大型谷物联收机上使用。
自动控制和监视装置 其中，喂入量自动调节装置的传感部件装在中间输送装置的输送链上，以谷物喂入时链耙的浮动量作为传感参数，通过传动机构改变向液压缸供油的油路，从而降低或提高联收机的前进速度，使喂入量控制在适当范围内。工作部件转速监视装置的传感器装在脱粒滚筒、谷粒推运器和杂余推运器等部件的轴上。当滚筒转速因负荷过大或谷粒、杂余升运器堵塞而下降时，可通过驾驶室内的指示灯，或声响器发出警报，以便机手采取措施减少喂入量或排除故障，恢复正常转速。谷物损失监测装置用于测定谷物的损失。其传感器装在逐秆器的尾部和清选筛的出口处，当谷粒落到传感器上时，可产生与碎茎秆或颖壳下落时不同的脉冲信号，在驾驶室的仪表上显示出单位时间内的谷粒损失量。逐秆器超载和粮仓满载信号装置分别用于发出逐秆器上茎秆层过厚和粮箱充满的信号。自动调平装置用于坡地型谷物联收机可使机身在坡地作业时自动处于水平状态，从而避免茎秆和谷粒等因机身倾斜而偏向一侧，保证脱粒、分离、清选质量，减少谷粒损失，并使各轮子受载均匀，粮箱满载，驾驶室保持水平状态。
捡拾装置 装在谷物联收机割台前面，用以捡拾由割晒机铺放的禾条并将其送入脱粒机体，也用于收获牧草的捡拾压捆机。其中，滚筒式捡拾装置是在圆形滚筒内装有刚性指杆，当滚筒旋转时，指杆通过滚筒圆周上的孔伸出筒外抓取地面禾条，并将其抛到割台上。弹指式捡拾装置是在一个圆筒形壳体内装着四根管轴，每根管轴上安装一排弹性指杆。作业时，各管轴在绕壳体主轴旋转的同时，还绕其自身轴线转动，从而使指杆伸出和缩进壳体，完成捡拾作业。带式捡拾装置是在一条与水平面略有倾斜的回转输送带上安装若干排弹性指杆，指杆倾斜方向与输送带的运动方向相反。当输送带作回转运动时，各排指杆依次将禾条捡拾并抛送到割台上。
发动机功率 自走式全喂入式谷物联收机正常工作时，每1千克／秒喂入量约需平均功率11～15千瓦。为了克服作业中的超负荷， 发动机应有相当于平均功率1/3的储备功率，即1千克／秒喂入量配用的发动机功率为15～20千瓦。各部分功率的分配百分数大致为:行走占42%、割台12％、脱粒装置28％、分离和清选装置14％、液压油泵4％。
半喂入式谷物联收机 主要用于收获水稻，通常称半喂入水稻联收机，也可用于收获小麦。机型多为自走式。按其割台型式分为立式和卧式两种。
立式割台半喂入水稻联收机 其收获流程为：扶禾器的拨指和双层拨禾星轮将倒伏的禾株扶直，然后由切割器割断（图3）。割下的穗秆在直立状态下由上、下两横向输送链输送到割台的一端，进入上、下两纵向中间输送链中，再向后输送到脱粒夹持链。脱粒夹持链夹住穗秆的根端沿滚筒轴向输送，让穗部进入轴流滚筒与凹板之间的间隙中。轴流滚筒的弓齿在滚筒圆周上按不同的螺线分区排列。各区内弓齿的高低和形状不同。在穗秆进入段为梳整区，齿形低而宽，有利于穗杆导入和梳整，并脱掉少量易脱的谷粒。中部为脱粒区，齿形高而陡直，齿顶圆弧小，穗秆受到较强的梳刷、打击作用，脱除大量谷粒。出口段为强脱排秆区，弓齿排列较密，以脱除剩余难脱的谷粒。齿顶圆周旋转速度：脱水稻为12～14米／秒，脱小麦为13～16米／秒。脱下的谷粒经凹板筛孔下落，轻小杂质被风扇的气流吹出机外。谷粒经螺旋输送器输出，流入卸粮台上的粮袋中。脱粒后的茎秆则从夹持链的出口排出。由于谷粒中混入的碎茎秆较少，其简易型一般不设分离装置和清选筛。
卧式割台半喂入水稻联收机 其收获流程为：其偏心弹齿式或板式拨禾轮将禾株拨向切割器，割断后的穗秆倒在台面上（图 4）。伸出台面的割台输送链拨齿将穗秆均匀地拨向右侧，使其进入纵向输送链，被夹持向上和向后输送到脱粒夹持输送链。脱粒夹持输送链夹住穗秆根端而使穗部倒挂，进入滚筒和凹板间隙而脱粒。其脱粒装置和脱粒原理与立式割台半喂入水稻联收机相同。
半喂入水稻联收机的发动机功率按每秒收获 1千克谷粒计，约需20～30千瓦。各部分功率分配百分数大致为：行走装置40～45％，随着田面温度不同而异；控制台约15％；脱粒和清选装置40～45％。
参考书目
Graeme R.Quick and Wesley F.Buchele，The Grain Harvesters， American Society of Agricultural Engineers，Michigan，1978.
R. A. Kepner， Roy Bainer and E. L. Barger，Principles of Farm Machinery， 3rd ed.， Conn.，AVIPub.，Westport，1978.