农业机械工程入门：联合收割机——从切割到清理和自动化

联合收割机将三项作业合而为一：收割作物、脱粒以及分离谷粒与秸秆和谷壳。日本常见的“穗轴式”联合收割机——在水稻种植中很常见——只将稻穗端送入脱粒段，而将长长的秸秆留在机器外部。这种看似简单的分工实际上是经过精心设计的，以适应日本的水稻种植系统，包括泥泞的稻田、小块田地、秸秆利用以及后续的干燥/处理工序。

本文重点介绍从操作员座位上难以观察到的内部物料流动。联合收割机的性能并非仅取决于马力或行数。它就像一座移动的分离工厂，能够同时处理作物体积、水分、倒伏、地面起伏、机器内部停留时间、气流以及“落到地上的谷粒数量”等诸多因素。除非另有说明，本文中的所有规格、价格和功能描述均基于截至 2026 年 9 月 3 日已确认的公开信息。

日本香取市的水稻联合收割机

图片：Rice-combine-harvester, 日本香取市 (katorisi, CC BY 3.0), Wikimedia Commons.这是一张2007年的田间照片，并非下文讨论的当前型号之一。

30秒概要

• 顶部喂入式联合收割机在切割段切割稻谷，然后通过喂入链将稻穗输送到脱粒滚筒。滚筒脱粒后，振动筛和风选风扇将谷粒、穗轴枝条和秸秆碎片分离，并将干净的谷粒送入粮仓。

• 日本的顶部喂入式联合收割机源于20世纪60年代的国家原型机研究，并最终发展成为商用机器。其背景是水稻种植的特殊需求：大型普通型联合收割机在面积较小的湿地稻田中难以作业，而且人们希望保持稻草的完整性，而不是将其切碎。这并非仅仅是“世界标准机器的缩小版”。

• 损失可细分为收获前破碎、收割机割台损失、脱粒不完全和分离阶段散落。总损失率的计算方法为：无法回收的谷物质量除以应得谷物质量。提高效率不仅仅是提高行进速度，更重要的是在保证产量的前提下提高产量。

• 产量传感器使用流量或料罐重量；水分仪使用电阻；近红外光谱法估算的糙米蛋白质含量是代表性的质量指标。将GNSS位置和时间关联起来，可以生成产量、水分和蛋白质的网格地图。但如果忽略时间滞后、倾斜和校准，地图看起来似乎合理，但实际上却是错误的。

• 在目前的大型收割机中，久保田的Agri Robo DR6130A是一款6行、130马力的机器；洋马的YH6135,A/YH7135,A是6/7行、138马力的联合收割机；伊势崎的HJ6135/HJ7135也属于6/7行机型系列。自动驾驶并非“无人驾驶就等于安全”——它是一个包含人工监控、田间边界识别、卸料和障碍物检测等功能的操作系统。

首先，区分一下：普通型与割台喂入式

普通型（全株喂入式，全幅收割）联合收割机在割台处收割所有作物，并将秸秆、穗和叶片一起送入脱粒/分离段。这种机型专为北美小麦、玉米和大豆等作物的大型干燥田地而开发，具有宽割台和高吞吐量的特点。相比之下，头喂式联合收割机通过喂料链固定稻秆底部，只将穗部送入脱粒室。由于较长的稻秆会从机器外部的秸秆排出，因此进入脱粒和清选室的秸秆量大大减少。

这种差异不仅仅体现在作物的进料方式上。普通收割机由于需要处理大量的秸秆，因此需要较大的分离面积和较高的驱动力，但作为交换，它们可以轻松切换作物类型。头喂式收割机必须在保持稻秆直立的情况下进行收割，这使得在稻秆倒伏的情况下，拾取和输送的设计变得困难——但它们可以将脱粒室的负荷限制在穗部。这非常适合在相对较小的稻田地块上进行转弯作业，利用履带在湿润的土壤上分散地面压力，并根据需要保留秸秆。

为什么头喂式收割机起源于日本？

“起源于日本”指的是实用型割穗式联合收割机（集收割、脱粒和穗分离于一体）的起源可以追溯到日本的水稻种植环境，并在日本国内迅速改进和推广。据日本农业食品研究机构（NARO）的前身机构的一份报告显示，自动脱粒机和“带穗脱粒式割穗联合收割机”的原型机于1960年首次研制成功；1962年，多家厂商开始研究收割机与自动脱粒机的组合；首批100台于1966年实现商业化。到1971年，据报道已有约10万台投入使用。NARO关于提高割穗式联合收割机性能的研究报告

这背后有四个背景因素。首先，当时稻田比旱地更松软，而且田块面积较小。与其引进笨重的普通型机器，不如使用轻便的履带式收割机，它能在狭窄的田头转弯，更加实用。其次，稻草可用作牲畜垫料、堆肥以及捆扎/干燥材料，因此只处理稻穗更符合后续工序的要求。第三，日本水稻水分含量、倒伏率和品种差异较大，因此，能够可靠地固定和输送稻穗的机械装置对提高品质和减少损失都大有裨益。第四，人们迫切需要一种能够节省插秧、收割和干燥/调理等所有环节劳动力的收割机，这使得农机制造商和公共研究机构能够反复进行试验、批量生产和改进。

因此，仅仅将这种穗头式收割机称为“小型联合收割机”是不恰当的。由于它不将稻草送入机器内部，因此其结构设计更适应耕作系统——这种耕作系统改变了所需的分离面积、气流、再处理流程和动力分配。即使在今天，右前方的操作员座椅和通过液压马达进行的无级变速器仍然是送料机的基本布局。 【伊势木——农机演进】(https://100th.iseki.co.jp/products-history/combine-harvester/)

机器内部运作：四个阶段

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图：由 Duskcoil 制作。箭头指示主要物料路径；在尾矿（第二道工序）处理中，部分未分离的物料会返回到清理工序。

1. 收割：辨别稻田与地面的边界

前部分料器分隔相邻的稻丘，并界定工作宽度的边缘。拾取机构拾起倒伏的稻谷，进料机构输送稻秆底部。往复式切割刀片和固定刀片剪断稻秆，输送链和星轮将穗尖导向脱粒段。这里的难点不在于“切割”，而在于如何将稻米以正确的姿态输送到脱粒段，避免掉落。倒伏的稻米、缠绕的杂草以及泥泞造成的机器姿态变化都会导致拾禾器故障和割台损失。

切割高度控制功能可以防止切割段下沉过低（导致吸入泥土和短秆），同时又能保证不漏割稻穗。地面跟踪功能结合了接触传感器、切割段的负载/角度以及机身调平控制。在割台喂入式脱粒机中，稻秆底部能够输送到喂入链的高度也是一个限制因素，因此切割高度并非简单的“离地固定高度”，而是综合考虑了作物姿态、行距、倒伏方向和机身侧倾等因素。切割过高会导致漏割，造成割台损失；割幅过低会导致土壤和秸秆进入过多，刀片磨损加剧，并容易堵塞。

2. 脱粒：在不破坏穗轴的情况下将谷粒从穗轴上脱下

进料链夹住秸秆并将其输送，使穗轴部分穿过旋转的脱粒滚筒和凹板之间。脱粒齿的撞击、摩擦和离心作用将谷粒从穗轴枝条上脱下。脱落的谷粒和细小的秸秆碎片向下落入凹板，而较大的秸秆则进入秸秆排出通道。滚筒转速、链条转速、齿形和凹板开口决定了脱粒率和谷粒损伤率之间的平衡。

对于干旱作物，更强的脱粒力并不一定更好。转速过高会导致谷粒破裂、破碎和秸秆碎裂加剧，从而增加清理难度。在湿稻田中，稻穗更难松动，因此即使行驶速度相同，脱粒负荷也会增加。目前的脱粒机之所以通过监测发动机负荷、气缸损失和振动筛损失来校正行驶速度和清选条件，正是为了避免完全依赖操作员的直觉来判断这种差异。

3. 清选：利用谷物运动差异，而非重量

脱粒后的混合物包含谷粒、穗轴枝条、短秸秆、未脱粒的稻穗和细粉尘。振动筛通过往复运动将混合物破碎，形成层状结构。扬谷风扇的气流将较轻的秸秆碎片吹向后方，而相对比重和空气阻力则使相对较重的谷粒落入筛网。实际上，这并非简单的“只有重物落下”——而是一个概率性的分离过程，涉及谷粒的大小、形状、初始速度、层厚、风速和筛孔大小等因素。

未脱粒的穗轴和混杂在谷粒中的粗大穗轴枝条由尾料（第二）螺旋输送机收集，并在尾料处理滚筒中进行松散处理，之后返回到振动筛的前端。这种循环利用提高了分离精度，但返回过多的物料会增加系统中的物料堆积量，导致振动筛过载。伊势崎表示，其HJ6130/7130型脱粒机结合了大直径、长脱粒滚筒（公开数据为直径446毫米，宽度1250毫米）和尾料处理功能。伊势崎——操作性和高精度

4. 储存和卸料：谷物的“运输”也是收割作业的一部分

清理后的谷物通过水平螺旋输送机和提升螺旋输送机提升到粮仓。当料罐装满后，卸料器（卸料螺旋钻）会摆动并伸出，将物料卸入卡车或柔性集装袋中。如果在卸料过程中切割作业能够继续进行，则正常运行时间会得到提升，但与接收车辆的相对位置、接触风险、泥浆以及螺旋钻尖端的可见性等问题会成为新的安全隐患。当“自主操作”被描述为包含“卸料也自动化”时，值得检查车辆协调功能是否真正包含在内。

解读横截面：动力、物料和信息各自独立运行

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图：由 Duskcoil 制作。实际组件布局因型号而异。

此横截面图为概念图，展示了送料头设计的关键点：只有穗粒进入脱粒段。

发动机输出通过皮带、齿轮、链条和液压泵分配至行走履带、切割段、脱粒滚筒、风扇和螺旋输送器。作物流量与动力流量并非一一对应。例如，降低行走速度会减少单位时间内的输入量，但如果保持滚筒和风扇的转速，则清选率会提高。反之，发动机转速过低虽然可以节省燃油，但会降低气流和脱粒滚筒的圆周速度，从而增加损失。控制的目标并非“始终追求最高转速”或“始终追求最低油耗”，而是在保证质量、减少损失和提高产量的前提下，最大限度地降低总工作成本。

将损失率表示为一个方程

设 M_0 为田间实际存在的可回收谷物质量，M_{\mathrm{tank}} 为回收到粮仓中的谷物质量。如果作业过程中无法回收的谷物质量可以测量或估算，则总损失率 L_{\mathrm{total}} 为：

在田间，直接称量全部 M_0 是不切实际的，因此损失按原因进行抽样。

其中，L_{\mathrm{pre}} 为操作前发生的脱粒/倒伏损失，L_{\mathrm{header}} 为切割和输送过程中的损失，L_{\mathrm{thresh}} 为秸秆排放侧未脱粒谷粒的损失，L_{\mathrm{sep}} 为振动筛/谷壳排放侧的损失。严格来说，必须避免重复计算这些路径之间的损失，但这种分类方法有助于确定调整优先级。收集少量排放的秸秆样本并统计未脱粒的穗数，从谷壳排放侧取样框收集谷粒样本，并按产量对单位面积质量进行归一化。

机器的进料速率（进料速度）可近似表示为单位面积干物质/谷物量Y、有效切割宽度w和行进速度v的乘积。

然而，在高水分、长茎秆和倒伏的情况下，即使谷物产量Y相同，处理的秸秆量及其缠绕程度也会增加，因此可容忍的\dot M会降低。当操作员决定“今天我慢点切”时，这并非速度本身的问题——而是进料速率控制的问题，它能防止振动筛层厚度、滚筒负载和损失传感器读数超出其可容忍范围。

如何测量产量、谷物品质和水分

在收获期间收集位置标记数据的价值不仅限于了解平均产量。即使在同一块田地里，土壤、施肥、水分管理、倒伏和病害等方面也存在差异，这使得下一季的施肥、品种选择和排水改进可以比“田间平均值”更加精细地考虑。但传感器并非万能——您需要了解测量的内容、测量位置和测量时间。

在NARO开发的稻麦产量联合收割机中，采用称重传感器测量料斗重量来测量产量，采用多谷物电阻法测量水分，并使用倾斜传感器校正料斗重量。NARO — 稻麦产量联合收割机 此外，还提出了一种生物信息测量联合收割机，其配置可同时处理谷物质量、谷物水分、通过反射式近红外光谱法测定的糙米蛋白质含量以及秸秆质量/水分。 NARO — 生物信息测量联合收割机

“味觉传感器”这个术语很容易被误解。在大多数情况下，该传感器并非直接测量人对“美味”的感知。它通过近红外技术估算蛋白质含量——这是与大米适口性相关的指标之一——并将其与产量、水分和位置关联起来。由于适口性受多种因素影响，包括品种、碾米、烹饪、水分、直链淀粉和蛋白质含量，因此不应仅凭蛋白质值来判断适口性。即便如此，它仍然是了解田间相对差异以及验证氮肥施用量是否过少或过量的有力工具。

此外，简单地将位置 \mathbf p(t) 和传感器输出 q(t) 在同一时刻关联起来也是错误的。从切割到物料经过脱粒、提升和传感器之间存在停留时间 \tau。在测绘中，q(t) 被概念性地分配给 \mathbf p(t-\tau)，并且地块边缘和转弯时的数据被进一步排除。\tau 并非恒定不变，它会随着作物产量和料罐内的流量而变化。这就是为什么传感器研究指出时间延迟、机器倾斜、低流量和耐用性是挑战。NARO 研究报告

久保田表示，DR6130A 标配口感/产量传感器，并且可以将口感/产量网格图与 KSAS 连接。根据兼容性列表，DR6115/DR6130 和 DR575/DR595 也具有标准或可选设置，具体取决于规格。 久保田 — 兼容机型列表

对比现有机型的公开规格

下表并非逐一列出所有产品目录规格，而是从“大型水稻收割机”这一类别中提取了可从公开页面可靠获取的指标。价格因规格、地区和选配而异，因此购买前应再次向经销商确认报价。参考日期为2026年9月3日，久保田的价格页面明确指出，此数据反映的是截至2026年7月1日的价格。

比较时需要注意一点：“更高的马力”并不意味着“每小时收割面积成比例增加”。实际的田间作业效率取决于有效切割宽度、行驶速度、转弯/卸料/加油所花费的时间、倒伏或潮湿田地条件下的速度降低，甚至干燥设施的接收能力。洋马公司表示，在第一圈手动记录边界后，YH6135,A/YH7135,A 可以在自主导航下作业约 90% 的田地面积。发布材料 这并不意味着“任何田地中 90% 的作业都可以无人值守”——它只是对作业范围的描述，而作业范围取决于边界、作物状况和监管。

自主作业究竟自动化了什么？

将“自主作业”作为一个单独的词来比较，忽略了这项技术的本质。至少，它应该分解为以下几个部分：（1）保持直线行驶的转向；（2）检测未收割的一侧并沿其进行收割；（3）在田头转弯；（4）保持收割高度和车身姿态；（5）处理油箱满载时的卸料行为和车辆位置；（6）在遇到人员、障碍物或通信异常时安全停车。

GNSS 在长距离直线行驶中作为位置参考非常可靠，RTK 校正可以达到厘米级的相对精度。但是，仅靠卫星无法读取稻行对齐、田界、排水沟、地面台阶以及泥泞造成的横向滑动等信息。因此，GNSS、IMU、轮式/履带式速度传感器、摄像头和作物传感器等信息被融合在一起，转向和作业部件分别进行闭环控制。伊势崎的 HJ6130-Z 直线辅助功能可在作业过程中自动获取 A/B 点，并显示 GPS 灵敏度和与参考线的偏差，其主要目标是减轻转向负担。 伊势崎 — HJ6130-Z

在安全设计中，是否有人操作、附近是否有人监督、谁负责紧急停止以及如何配置将机器限制在田间作业范围内的地理围栏，与机器自身的性能同样重要。收割季节的工作会持续到黄昏，尘土会降低能见度，而且有时还需要在行驶过程中与卡车并排卸货。自动化可以减轻疲劳并降低对熟练操作的需求，但并不能完全消除异常情况的处理。制造商的操作手册、区域安全指南和操作前的现场检查才是首要考虑因素。

柴油机的作用以及电气化现状

大型联合收割机的主要发动机仍然以柴油机为主的原因在于：柴油机能够长时间持续高负荷运行，加油速度快，单位重量能量密度高，并且能够同时驱动行驶、脱粒、清选和液压系统所需的峰值功率。发动机不仅用于驱动，它还是动力装置，为气缸、风扇、液压泵和螺旋输送器提供稳定的动力。由于作物产量会随负载急剧变化，因此需要结合使用电控燃油喷射、涡轮增压、后处理和转速控制等技术，以满足扭矩和排放法规的要求。

然而，“电气化”并不一定意味着“现在就用电池取代主发动机”。目前农机领域优先发展的是辅助设备的电气化、减少怠速时间、电池辅助峰值功率输出、农具的电动执行器以及小型可充电/可更换机械。要让大型联合收割机完全实现电池供电并全天候作业，面临着诸多严峻的挑战：所需的能量、充电基础设施、泥泞和尘土环境下的高压安全以及额外重量造成的土壤压实。即使仍然使用柴油，在最佳行驶速度下减少液压损耗和减少不必要的再处理本身也是一项意义重大的脱碳措施。

与此同时，电气化正在稳步推进。伊势崎在其2026财年上半年新品计划中，包括一款面向欧洲市场的电动骑乘式割草机SXGE2，该割草机配备7.92千瓦时锂离子电池。伊势崎 — 2026财年上半年新品 虽然其应用和规模与联合收割机有所不同，但它却是农机在电池、电池管理系统（BMS）、环境耐久性设计以及充电操作方面积累经验的真实案例。未来的联合收割机不太可能突然转向柴油、串联混合动力、可更换电池、生物燃料或燃料电池这几种动力方式中的某一种，而是更有可能从多种动力方式的共存开始，并根据作业时间、田间条件和电源供应进行定制。

最新研究：将高水分稻米视为“速度控制问题”

近期一个重要的研究方向是在收割过程中将传感器信息反馈到控制系统中，而不仅仅是在收割后构建地图。 2026年，NARO、伊势木市和宫崎大学等机构联合发布了一项针对高水分稻谷（谷粒水分25%及以上）的行进速度控制方法。该方法以扭矩作为脱粒负荷的指标，以谷流传感器作为清选/排箫损失的指标。当产量较高时，降低行进速度；当产量还有余量时，提高行进速度——旨在高水分条件下兼顾作业效率和减少损失。NARO新闻稿

这项研究表明，联合收割机的自动化不仅仅是“人工智能控制方向盘”。以输入参数 x=[\text{torque},\text{loss flow rate},\text{moisture},\text{attitude}] 和行驶速度 v 为操纵变量，该控制在概念上接近于约束优化问题。

其中 L 为损失，T 为脱粒负荷。在实际机器中，考虑模型误差和传感器故障意味着避免突然改变速度，在异常情况下降低速度或停止，并根据作物状况设置速度上限。基于摄像头的倒伏估计、基于数字孪生的堵塞预测以及利用田间地图和产量历史数据预测行驶速度等研究方向扩展了这一框架。

操作和维护检查点

为避免完全依赖机器来保证收割质量，操作前应检查切割刀片、拾禾齿、进料链、脱粒齿、凹板、振动筛、风扇、螺旋输送器和履带。磨损的切割刀片会增加切割阻力，并增加发生拉拽事故的风险；堵塞的凹板会改变脱粒/清选条件；秸秆堵塞散热器会导致过热。调整设置后，不要仅凭速度判断——务必观察秸秆排出侧和谷壳排出侧，以确认损失和污染情况。

操作人员安全也是性能的一部分。切勿忽略基本操作：切勿在未拆除旋转部件、皮带或链条的盖板的情况下进行清洁；在清除堵塞物之前，务必确认发动机和旋转已停止；切勿在斜坡上或灌溉渠附近急转弯；并确保卸料螺旋输送机远离电力线和人员。制造商针对特定机器的操作手册和警告标签始终优先于此处的一般性说明。

摘要

自喂式联合收割机是一种能够连续完成切割、仅脱粒、气流和振动清选以及卸料至料仓的机器。这种设计源于日本稻田、稻草和小块耕地的限制，改变了机身尺寸、处理能力、行驶性能和后续工序——而这一切都源于一个简单的选择：不将大量稻草送入脱粒室。

下一代联合收割机的研发重点并非仅仅是马力的提升。它还融合了多种技术，例如：将损失率作为限制因素的行驶速度控制、基于位置标记的产量、水分和蛋白质测量、利用全球导航卫星系统（GNSS）和作物信息进行转向、包含监控和安全功能的自主运行，以及基于柴油机效率提升而逐步实现的电气化——机械、测量、控制和农场管理数据都整合在一台机器中。理解联合收割机的关键不在于从外部看到的行数，而在于追踪物料的路径、时间以及最终到达的目的地。

参考资料

• 久保田：联合收割机/捆扎机/收割机列表（已确认，2026年9月3日）

• 久保田：Agri Robo DR6130A（价格参考日期：2026年7月1日，如页面所示）

• 洋马：YH6135 / YH7135（已确认，2026年9月3日）

• 洋马：2026年夏季带喂麦联合收割机（已确认，2026年9月3日）

• 伊势崎：2026财年上半年新品产品](https://www.iseki.co.jp/news_product/18802/)（2026年9月3日确认）

• 伊势崎：日本HJ6130-Z（2026年9月3日确认）

• NARO：提高联合收割机头喂入性能的研究

• NARO：适用于高水分水稻收割的联合收割机行驶速度控制技术

• 农林水产省：智能农业技术目录（水稻/旱地农业）