科研重点发展农业领域国家重点研发计划农业机械

编者按:农业的根本出路在于机械化,农业机械化是农业现代化的重要标志。“十三五”期间,科技部组织实施国家重点研发计划重点专项“智能农机装备”,从基础研究、共性关键技术装备、典型示范三个层面设置了11项重点任务。本专项将努力突破农业机械智能化技术装备瓶颈,发展农机全面生产配套机械,提高我国农机装备智能化水平,缩小与国外主流产品的差距,支撑和引领现代农业创新发展。

乘着科技的东风打造现代农业装备

——怀念“甘蔗甜菜多功能收获技术与设备研发”项目

甘蔗和甜菜是最重要的糖源,也是我国制糖业的重要经济作物之一。目前,全国甘蔗种植面积超过2600万亩,仅次于巴西和印度,甘蔗种植量居世界第三大国,主要分布在广西、云南、广东等地;全国甜菜种植面积200多万亩,主要分布在新疆、内蒙古、黑龙江等地。近年来,甘蔗和甜菜种植面积不断下降,如甜菜种植面积从2012年的360多万亩下降到2014年的200多万亩,严重威胁着我国制糖业的安全,主要是由于人工成本增加,机械化收获水平低推高了食糖成本, 如甘蔗采收机械化水平仅为1%左右,制约了我国制糖业的发展。在国外发达产糖国,如巴西、美国、澳大利亚等,甘蔗生产机械化程度高,从深度松开、整地、播种、施肥、收获等全过程机械化作业;目前,巴西机械化综合水平超过70%;欧美等发达国家甜菜生产已实现全机械化作业。我国党和政府高度重视制糖业安全生产,国家发改委于2015年印发了《甘蔗主产区生产发展规划(2015-2020年)》,糖主产区政府也陆续提出了推进机械化收获的措施,国家在“十一五”和“十二五”科技项目均涉及甘蔗和甜菜收获。机械研究,经过广大科技人员的努力取得了可喜的进展。

该项目是

2016年“智能农机装备”重点专项,属于甘蔗甜菜收获关键共性技术研究和重大装备研制,总投资5312万元,其中国家拨款2656万元,自筹资金2656万元。共5个课题,其中1个是甘蔗甜菜共性技术研究项目,2个是甘蔗收获设备开发项目,2个是甜菜收获研究项目。实施期为2016年7月至2020年12月。

项目针对甘蔗主产区“双高”需求,重点开展设备智能化控制技术及系统研究、甘蔗收获技术及新装置开发、甜菜收获技术及新装置开发、甘蔗与甜菜收获机融合开发。突破了电液智能控制、甘蔗支护、根部切割、宽窄行收获、切割工艺和甜菜自动行切割顶部、减阻开挖、振动分离8项核心技术。解决广西、云南、广东集中连作大丘陵地种植、台风季风山风、急季暴雨等地块倒伏生长引起的机械采收地块适应性问题;解决等行距、宽窄行种植方式带来的机械采收设备适应性问题;解决甜菜与分段高性能机械收获相结合的问题。该项目由现代农业包装科技有限公司牵头,联合华南农业大学、中国农业大学、浙江大学、青岛农业大学

、西南大学5所高校,中国农业机械化科学研究院,广西壮族自治区农业机械研究所,黑龙江省农业机械工程研究院,沈阳自动化研究所由科学院4个研究所、中基美诺科技有限公司、中联重型机械有限公司、广州惠牛农机有限公司和黑龙江墙体农业装备科技有限公司4家科技企业组成14个产学研团队共同承担。聚集了国内甘蔗、甜菜发展最具实力的高等院校、研究所和高新技术企业,拥有土壤植物机械系统技术国家重点实验室、甘蔗机械国家重点产业试验基地。“十一五”和“十二五”期间,通过承担的国家科技项目,研究甘蔗收获根系砍伐、扦插、运输、除杂、甜菜收获打顶、挖掘、运输、果土分离等关键技术,获得多项国家专利,并研制出多种样机。它将为该项目提供强大的创新科研团队和先进的检测制造方法以及良好的前期技术基础。

项目以智能技术为主线,以实用设计为先导,核心关键技术攻关,通过集成技术装备和关键技术通过试验和不断改进的技术路线,在试验中开展创新研究。7种设备一体化开发。履带式和轮式切割甘蔗联合收割机2种,投料能力≥6kg/s;有骨料式和提升臂装载履带式丘陵山甘蔗收割机2种,进料能力≥4kg/s;Sugen的断头率≤17%,损失率≤5%,杂项率≤7%,测试评估总面积≥500hm2。自走式甜菜联合收割机、甜菜开挖采收割机3种,最高割合格率为≥85%,断根率为≤8.0%,杂质率和全损率为≤4.5%,拾取收割机运行效率为0.8-1.0hm2/h,试验评定总面积为≥800hm2。形成具有自主知识产权的国家专利31-35项,制定标准7项,发表论文30-35篇;提高设备智能化水平,对切根、切、除杂等驱动电机参数进行实时采集、故障诊断和自动监控。

该项目的实施将解决甘蔗收获连续大丘陵种植、等间距和宽窄行种植模式条件下带来的机械收获适应性问题,解决甜菜组合分段高效机械收获问题,实现甘蔗产量从不到1%的跨越式增长。提高甘蔗和甜菜行业的技术水平和产品制造水平,缩短与先进国家的差距。预计每提高5%的产量,就需要1200台甘蔗收获机和45套甜菜收获机,预计产值为16.14亿元。节约成本,提高效率,增加农民收入,机器收获可节省100-150元/亩甘蔗相比手工收获,甜菜约100元/亩,替代进口可节省20%以上的采购成本。解决劳动力短缺和收获劳动力短缺的问题,一台大型甘蔗收获机和甜菜收获机可以分别替代300多个人力。装备的成功研究将促进我国甘蔗和甜菜的机械化收获过程,促进机械化采糖业的升级和创新,促进制糖业的稳定可持续发展,保障我国制糖业的安全。同时,由于甘蔗和甜菜种植主要集中在广西、云南、新疆、内蒙古等边境省区和少数民族地区,将提高糖农的收入水平,有利于促进边境地区的经济发展。

只为测量更准确、控制更精确、管理更精细

——怀念“机器运行状态参数试验方法研究”项目

2016年7月,由中国农业机械化科学研究院、中国农业大学、浙江大学、吉林大学、北京农业智能装备研究中心、上海交通大学等智能农业机械领域的15所顶尖高校和科研机构承担的国家重点研发项目“机器运行状态参数测试方法研究”, 中国科学院自动化研究所、华南农业大学、江苏大学、农业部南京农机化研究所、中国科学院沈阳自动化研究所启动。

项目聚焦现代农业发展方式转变、提质增效市场对高端技术和重大产品的迫切需求,重点突破市场机制和企业无法解决的实验检测基础和关键共性技术,实现自主化,解决完全依赖进口、受制于人的瓶颈;重点突破农机运行环境关键技术及本体信息感知方法、精细化生产控制机制、运行状态参数测试方法等,打造关键共性核心技术装置和系统,实现精确测量、精确控制、精细化管理,解决我国农机装备技术基础研究不足的问题, 农机操作过程粗放,可靠性安全性低,操作质量差,造成农业投入品浪费,严重影响粮食产量、质量和运行效率。针对复杂开放工况下

机器运行状态参数缺乏有效的在线监测方法,研究复杂开放工况下农机运行安全检测原理,突破土壤破坏引起的硬异物检测,作业区隐蔽人畜识别, 以及收获作业的隐性火灾预警。研究了动力机械运行参数的检测方法,对原悬架结构的超低速驱动轮滑移率检测和空间动载荷试验进行了破解。运行质量监测技术研究,突破播种深度检测、漏播预警、种子肥流速检测、喷施均匀性评价、果园目标喷施控制、收获籽粒损伤及含水率检测等关键技术,开发系列在线检测传感器,集成开发农业机械在线检测装置和测试系统, 如农业动力、施肥播种、植物保护和收获。

在理论方法创新方面,项目提出了一系列适应复杂环境的传感检测方法,包括:自吸气传感法检测干燥环境中棉花、秸秆等隐性火灾,实现隐蔽环境中人畜安全距离识别的热传感和切片成像方法,电容层析成像检测肥料排放管内种子肥料流速撒布机,通过内置自动参考和连续积分相结合的光谱分析方法,快速在线检测复杂环境中的水稻和小麦水分。

在关键技术创新方面,一项目是突破农业机械主要性能参数检测与传感关键技术,包括:利用多传感方法的超低速滑移率测量技术,实现复杂植被、丘陵、山地等复杂环境驱动的车轮滑移率检测;采用保持原有悬架结构的空间动荷载检测技术,实现农业动力机械自身性能与配套工具空间荷载的六组份在线检测;采用喷杆运动和状态参数自动检测技术,实现宽喷杆自适应高度匹配;采用投料负荷、脱粒负荷、输送负荷等关键参数性能在线检测技术,实现收获机械堵塞自动预警。二是突破农机作业质量检测与感知关键技术,包括:利用后悬架姿态动态测量技术,实现拖拉机耕作作业深度在线检测;采用肥料流量和流量压电传感技术,实现气流输送式播种施肥机播种施肥均匀性的在线检测。采用多传感器信息融合喷雾质量测量技术,实现喷雾器喷雾均匀性的在线检测。

该项目有望突破12项机器运行试验技术,开发15个新型传感器,开发15套车载测试系统和检测装置,用于农业动力、施肥播种、植保和收获。项目开发的产品安装在国内农业机械上,作为独立的配套监测控制系统,可进一步提高种子、药品、肥料、苗木等的利用效率,减少农业生产资料投入过多造成的环境污染。

该项目的实施将为我国农机智能装备精细计量、精细应用、精细管材的理论方法和技术基础提供支持。加快发展智能农业机械装备技术,缩小与国外主流产品的差距,支持现代农业发展,保障粮食和产业安全,具有重要意义。

创新驱动打造强大农机“心脏”

——缅怀“新型节能环保农用发动机研制”项目

经过近10年的快速发展,我国农机行业已成为世界农业机械生产大国,但要成为农机强国,还需要在自主创新能力、产业结构水平、信息化程度、质量和效益等方面取得更大的突破。

作为农业机械的“心脏”,农用柴油机是国家农机技术水平和制造能力的重要标志,也是国际农机行业竞争的焦点之一。从目前的情况看,欧美主导发展农用柴油机技术,几乎所有73.5kW以上的农用柴油机都采用了电控高压燃油喷射系统、后处理系统等关键技术,适用于低速大扭矩特性,柴油机功率、经济性、排放、振动和噪音、可靠性等指标均优于国内。但国内非道路国三排放农用柴油机普遍采用电控单泵喷油系统,少数采用国外企业生产的高压共轨燃油喷射系统,与国际先进水平相比存在较大差距。随着非道路移动机械排放标准的逐步升级,国内农机动力升级迫在眉睫,行业聚焦重点问题,推动产业技术升级迫在眉睫。

该项目由中机集团牵头,天津大学、西安交通大学、潍柴动力股份有限公司、成都威特电子注塑有限公司等15家单位组建了强大的联合开发团队。项目旨在聚焦我国现代农业对高性能、节能环保农业动力装备的迫切需求,着力突破新型农用柴油机低油耗、低噪音、低污染的关键共性技术,开发关键核心零部件,提升农机智能化管理水平, 开发符合非道路国IV和欧洲非道路Stage IV排放法规要求的大中功率新型节能环保农用柴油机,实现国产柴油机精益制造,突破国外技术垄断。提高我国农业机械装备的整体技术水平和国际竞争力。项目研究目标是重点掌握新型节能环保型农用柴油机关键共性技术,通过产业链环节一体化联合攻关,开发新型节能环保农用柴油机智能管理平台和关键核心零部件,开发新型节能环保农用柴油机智能化管理平台及关键核心部件,实现集成匹配和精益制造。主要研究内容包括:低速高强度燃烧过程理论、非道路排放控制技术、减振降噪技术应用、农用柴油机与运行机械的匹配、农用柴油机智能控制策略与管理系统、电控高压喷射技术等。项目

成功实施后,将突破节能环保农用柴油机的基础理论和关键技术,项目成果技术水平达到国际先进水平,项目产业化成果将打破国外产品在该领域的垄断地位,形成的实验研究平台可为行业提供服务。这些将对进一步提高我国农机制造企业的自主创新能力,促进农机产业优化升级,提高先进适用产品的供给能力,增强中国企业参与全球市场的竞争力,提高农业生产效率,降低能耗和有害物质,发挥示范和引领作用。农业机械排放,促进可持续发展。通过产、学、研、应用相结合,共同攻克内燃机技术壁垒,加快关键共性技术和科技成果应用,提高我国国产内燃机自主开发能力和技术创新成果辐射能力,全力打造中国农机“心脏”。

突破瓶颈,提高水稻农机效率

——纪念“水田拖拉机行走驱动技术研发”项目

近年来,党中央高度重视农业科技自主创新,提高农业科技核心竞争力,进一步加快农业前沿技术和农业机械高端制造技术的研发。

中国的稻田面积约为3000万公顷,主要是水稻种植。由于地区和种植方式不同,作业的复杂程度远远超过日韩和东南亚国家,不可能复制日韩的水田作业设备。同时,我国的水田存在深泥足(深度≥40cm)的问题,一是源于上世纪环湖耕地,二是常年浸水的传统农耕习惯,三是土地的集约化改造,机器的动力越来越大, 造成“泥脚越深,工具威力越大,耕作底层破坏,泥脚越深”的恶性循环。正是因为外部技术不适用,内部存在传统缺点,所以“水田拖拉机行走驱动技术研发”项目势在必行。

为了突破这一弊端模式,该项目开发的水稻拖拉机项目以水田为主,兼顾旱地和固定作业,以基础理论和关键技术为突破口,实现拖拉机数字化、模块化、合理轻量化设计制造和单元智能化。重点研发轮式、高间隙、轻质橡胶履带式、船型撬装等结构形式的水稻拖拉机,打造高间隙轻质轮式拖拉机、中大功率轻质橡胶履带式拖拉机和轮式或轻型橡胶履带式拖拉机,采用船型撬块件,适应不同泥脚深度、不同地块, 不同形式的稻田作业。基本上可以解决深部泥足、水旱间作、水田多种复合作业等问题,为我国水田保护性耕作探索新途径。

该项目汇集了浙江大学、合肥工业大学、机械科学院通用研究院、中科院、中航工业力源液压有限公司、广西玉柴机械有限公司等11家单位,参与单位分工合理。项目的研究内容包括机器-土壤作用机理和机器行走的运动学和动力学。拖拉机及作业单元智能控制技术;关键系统部件的数字化、模块化设计与开发;零件轻量化和密封副耐磨防腐技术;智能水稻拖拉机产品制作及试验演示六大内容。从技术路线上,涵盖基础与应用技术研究、关键零部件设计与制造技术、数字化、模块化设计制造与智能技术研发、智能水田拖拉机创建、试验与示范等全过程,确保项目合理高效,实现产业化目标。

目前,每年的需求量

全国3000万公顷水田约7.5万套,如果能出口到东南亚,年需求量可达10万套,市场规模约100亿元。项目产业化后,有望在第五年实现30%的市场占有率,实现年产值30亿元,利税5.24亿元。

项目建成后,将有效解决华南地区农装备水田高效、优质、防护工作难题。对促进水稻生产机械化、规模化种植、推进城镇化建设、水田保护性耕作具有战略意义,也将有效促进国内农机产品和产业技术的技术创新,提高我国农业机械化水平。

自主创新 力争打破智能农机“外资品牌”垄断

——缅怀“智能稻麦联合收割技术与装备研发”项目

农业是

国民经济的根本出路在于机械化,智能农机装备代表着先进的农业生产力,是提高生产效率、转变发展方式、增强农业综合生产能力的物质基础,也是国际农业装备产业技术竞争的重点。

长期以来,我国农机装备技术基础研究不足,整机可靠性和运行效率不高,核心部件和高端产品依赖进口,国外联合收割机的智能化技术实现了采收过程中运行参数和性能的在线监测功能, 割台建模,自动化生产测试和多功能控制,整机运行性能和效率高。国外农机企业以技术和资金优势全面进入中国,抢占高端农机市场,我国农业生产和工业安全面临严峻挑战。与国外联合收割机的智能化水平

相比,国产收割机的智能化技术起步较晚,智能化水平主要基于工作部件的速度监控和显示,对粮损、粮流监测、辅助导航的研究仍处于试验阶段,尚未商业化。国内粮食联合收割机市场主流机型的饲喂能力为5-7kg/s,行走底盘以两轮驱动为主,水田和软田的通行性差;运行效率低,功能单一,缺乏对运行参数和自适应控制装置的实时监控。国产水稻联合收割机,在泥浆深度超过40cm的大米产区作业时,整机易滑、下垂、行走困难,缺乏对作业性能和参数的实时监测装置,对国外产品竞争力不足。

为突破相关技术封锁,开发具有自主知识产权、符合中国国情的智能粮食联合收割机和深泥足田水稻联合收割机,雷沃重工股份有限公司率先与江苏大学、北京农业智能装备技术研究中心等9所国内一流高校和科研机构合作, 承担国家重点研发计划项目“智能稻麦联合收割技术装备研发”,主要开展稻麦联合收割机监测和智能控制策略研究。通过谷物杂质率、压榨率和作物饲喂量在线监测技术,在深泥足田开发智能高效轮式稻麦联合收割机和履带式全饲稻联合收割机研制的研究工作取得了突破;驾驶室多功能电控技术与车载电子信息系统集成技术;稻麦联合收割机多参数监测、智能控制系统等关键技术,最终研制出具有自主知识产权的智能稻麦联合收割机和深泥足田水稻联合收割机。要显著提高我国农机智能化水平,加快发展农机智能化装备技术,提高农机装备供应能力,缩小与国外主流产品的差距,支持现代农业发展,保障粮食和产业安全,具有重要意义。

这种类型的智能联合收割机可以通过监测各种运行状态参数(如失粮率、进料量、前进速度、滚筒速度、 含水率等),以保证联合收割机在运行过程中具有优异的性能,预计联合收割机的无故障工作时间将增加20%,大大方便了操作人员的操作,使整机的工作性能,大大提高了运行效率;还可以利用谷物杂质含量和粉碎速率的在线监测技术,进一步提高收获谷物的质量,有利于后续谷物的储存。通过粮食流向在线监测技术,开展粮食产量自动测量系统的开发,并结合粮食收成损失监测,生成田间产量分布图,为“精细耕作”提供依据。通过开发稻麦联合收割机多参数监测和智能系统,还可以为其他农业机械或其他类似联合收割机的车辆提供智能化系统集成服务,应用前景十分广阔。

该项目的实施将大大提高我国粮食联合收割机的智能化技术水平,增强可靠性和国际化

我国粮食联合收割机产品竞争力,打破农业装备领域高端产品受制于人的局面,替代进口,打破智能农机“洋牌”垄断地位,及时进入国际市场。同时,还可以为农机装备智能化技术的开发与应用培养一支创新型人才队伍,对全面提高农机产业科技创新能力和国际竞争力,提高保障农产品有效供给的能力具有重要的现实意义和战略意义。