大豆機(jī)械收獲損失的研究現(xiàn)狀

劉 基，金誠謙，梁蘇寧，倪有亮

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210000)

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大豆機(jī)械收獲損失的研究現(xiàn)狀

劉 基，金誠謙，梁蘇寧，倪有亮

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210000)

大豆收獲是大豆生產(chǎn)過程中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用適當(dāng)?shù)氖斋@機(jī)械適時完成大豆收獲作業(yè)是大豆豐產(chǎn)豐收的重要保障。大豆機(jī)收損失一直是大豆機(jī)械化收獲存在的一個嚴(yán)重問題，國內(nèi)外針對損失問題進(jìn)行了多年的研究，損失率也在不斷的降低，但仍不能滿足需求。為此，從減少大豆機(jī)收損失出發(fā)，對大豆割臺、輸送裝置、脫粒清選裝置等關(guān)鍵部件的研究現(xiàn)狀以及大豆收獲方式、機(jī)理研究方法等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理和總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上，提出了大豆收獲機(jī)械今后的研究重點。

大豆收獲機(jī)械；大豆割臺；輸送裝置；脫粒清選裝置；收獲方式

0 引言

我國大豆種植面積2013年達(dá)到9.33×106hm2[1]，大豆生產(chǎn)全程機(jī)械化是大豆產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展的重要保障，機(jī)械化收獲是其中的重要環(huán)節(jié)，損失是該環(huán)節(jié)尤為嚴(yán)重的問題，根據(jù)大豆的特點研制出低損高效的大豆收獲機(jī)械將極大地推動大豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)外針對大豆的生物學(xué)特性對大豆收割機(jī)上切割裝置、輸送裝置、脫粒清選裝置等進(jìn)行了多年的研究。大豆植株的生物學(xué)特征是結(jié)莢部位低、收割時易產(chǎn)生炸莢、拋枝、掉枝及大豆泥花臉的情況[2]。當(dāng)收割機(jī)上割刀的離地高度太高時，就會發(fā)生漏割(豆莢未割下)、炸莢(割到豆莢)等損失；當(dāng)割刀離地高度太低時又會出現(xiàn)割刀鏟土等現(xiàn)象，影響大豆清潔度。多年來，國內(nèi)外對大豆收割機(jī)上的切割裝置進(jìn)行了大量研究，效果較好的有美國早期研制的HartCarter，這種切割器可以整體上下浮動，當(dāng)前市場上應(yīng)用較為廣泛的200系列撓性割臺也是在此基礎(chǔ)上研發(fā)的[3-4]。推廣應(yīng)用大豆撓性割臺，減少大豆收獲損失、破碎率和 “泥花臉”已成為一種發(fā)展趨勢[5]。有些割臺割刀距攪龍的距離較長，被割刀切割下來的豆莢、豆枝、籽粒不能及時被輸送到攪龍，對此有人研究了割臺氣力輸送裝置。傳統(tǒng)谷物聯(lián)合收獲機(jī)上的撥禾輪對大豆的打擊也是造成炸莢、落粒損失的重要原因，因此幾十年來對撥禾輪的改裝以及是否應(yīng)該使用對行加持裝置取代撥禾輪的研究也在不斷進(jìn)行。豆粒、豆莢等經(jīng)過傾斜輸送裝置被運送到脫粒清選裝置，而傾斜輸送裝置的位置對割臺上割刀兩側(cè)的割茬高度也有影響。由于傳動系統(tǒng)及發(fā)動機(jī)等安裝位置等原因，一般都會使輸送裝置偏置，當(dāng)偏置過大時就會導(dǎo)致割臺重心與割臺支撐點距離過大，割臺傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致兩側(cè)的割刀割茬高度不相等。脫粒及清選裝置也是減少收獲損失、提高收獲質(zhì)量十分重要的部件，過去的幾十年也做了大量研究。對脫粒裝置的要求[6]是要盡量避免脫粒過程中的損失和籽粒宏觀、微觀的破碎，同時應(yīng)能使籽粒和秸稈分離開來。經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展，各種各樣的大豆專用割臺以及適合大豆收獲的脫粒清選裝置被研究出來并投入使用，有些裝置收獲效果很好，對大豆收獲損失問題有了很大改善，甚至達(dá)到了預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)；但我國不同地區(qū)大豆種植品種、地形以及大豆收獲時間都有多樣化的特點，導(dǎo)致收割機(jī)的通用性大大降低。因此，還需要根據(jù)每個地區(qū)大豆種植的實際特點來研制最適合當(dāng)?shù)卮蠖故斋@的機(jī)械。另一個突出的問題是，當(dāng)前國內(nèi)外研制出的效果比較好的大豆收割機(jī)普遍價格較高，農(nóng)民難以接受。因此，研制出收獲效果好、價格低且容易推廣的大豆收獲機(jī)仍然是一項亟待解決的任務(wù)。

1 國外對大豆收獲機(jī)械的研究

國外在對大豆機(jī)械收獲損失原因研究的基礎(chǔ)上，對聯(lián)合收獲機(jī)上的主要部件進(jìn)行了一系列研究，并針對油料作物的分段收獲對割曬技術(shù)做了研究。

1.1 國外對機(jī)收大豆損失原因的研究

研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)收大豆過程中的損失主要是割臺部分造成的，主要影響部件是切割器和攪龍。蘭泊等人針對大豆機(jī)收損失進(jìn)行了長期的試驗研究，研究結(jié)果顯示：機(jī)收總損失率是9.8%～19.3%,割臺損失占80%。其中，落粒損失占55%，掉枝損失及倒伏占28%，割茬損失為17%。鄧思等人為了分析田間作業(yè)環(huán)境條件下?lián)芎梯啞圐埣扒懈钇魉斐傻牟考p失，對傳統(tǒng)式聯(lián)合收割機(jī)的部件做了試驗研究。試驗結(jié)果表明：掉枝及落粒損失占94%，而倒伏及割茬損失只占6%，切割器是造成掉枝及落粒損失的重要原因。美國有關(guān)科研單位在高速攝影裝備輔助下，利用室內(nèi)及田間試驗，研究出割臺是造成機(jī)械收獲損失的主要原因,其中由攪龍引起的落粒損失占損失的絕大部分[7]。

1.2 國外對大豆聯(lián)合收獲機(jī)部件的設(shè)計研究

為了減少大豆機(jī)械收獲的損失，國外主要對大豆收獲裝置的割臺和脫粒清選裝置進(jìn)行了研究。

1.2.1 國外對大豆割臺的設(shè)計研究

針對割臺損失，國外對對行收獲割臺和撓性割臺進(jìn)行了一系列研究，并與傳統(tǒng)割臺的收獲效果進(jìn)行了對比分析。

1)對行收獲割臺的研究。利用圓盤割刀、波紋皮帶夾持器、氣力輸送等方式，通過減少切割震動、輔助輸送等來減少割臺的落粒、掉枝損失。WHITE ALLEN A發(fā)明了一種大豆收獲裝置，這種收獲裝置的割臺前端有幾個槽形單元，槽可以根據(jù)不同的地形上下擺動，由撥禾輪把作物撥到槽上，同時槽前端的往復(fù)式割刀把大豆莖稈割斷，進(jìn)行對行收獲，如圖1、圖2所示[8]。為解決大豆割臺損失問題，普渡大學(xué)1971年開始研究對行拔取的收割方法，通過先夾持后用圓盤刀切割的方式來減少撥禾輪的打擊和割刀的震動，進(jìn)而降低掉枝和落粒損失。此外，還利用了浮動切割器、彈簧浮動和切割臺高度自控裝置等來輔助割臺仿形，改進(jìn)后的割臺比傳統(tǒng)割臺收獲效果有所提升，但仍不理想。MEHARRY JAMES L[9]發(fā)明的對行切割裝置的切割器前端固定有一個簡單的漏斗形的裝置，用來聚攏植株，切割部分由3個圓盤及呈放射狀徑向安裝在圓盤上的割刀組成，一邊安裝1個圓盤，另一邊平行安裝2個圓盤，3個圓盤緊密接觸，且每個圓盤都有鋸齒形的邊緣，如圖3、圖4所示。這種切割裝置與之前的圓盤割刀原理類似。約翰迪爾公司生產(chǎn)的50系列對行式大豆收獲裝置的割臺有4行和6行兩種，每行能單獨上下浮動仿形來適應(yīng)變化的地形，并且每行行距都可以調(diào)節(jié)；每行都采用圓盤割刀來切割豆稈，有一個槽形底板位于割刀與攪龍之間，貼近底板的位置裝有刮板,刮板上460mm的地方裝有撥桿,底板和刮板都安裝在傳動鏈上, 割下的作物通過刮板及撥桿地不斷向后運動被運送至橫向攪龍,兩側(cè)的罩板可以起到扶起莖稈的作用,并可將莖稈導(dǎo)入切割部位。但田間試驗過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題,由于撥桿向割刀以外伸出的距離不夠大,因此莖稈不能很好地被導(dǎo)入割刀,并且撥桿在工作過程中易出現(xiàn)纏草現(xiàn)象。用小撥禾代替撥桿后效果有些改善,但纏草以及倒伏莖稈漏割導(dǎo)致的損失等問題仍然沒有得到很好的解決。后來研制的風(fēng)力吹送割臺試驗效果較好。比切爾等人后來在原對行收獲裝置的基礎(chǔ)上,利用波紋皮帶夾持莖稈的方法解決了上述問題[7]，如圖5、圖6所示。

圖1 割臺左視圖

圖2 割臺俯視圖

圖3 切割裝置前視圖

圖4 切割裝置細(xì)節(jié)圖

圖5 割臺仿形及輸送機(jī)構(gòu)圖

圖6 波紋夾持裝置

2)撓性割臺的研究。通過仿形割刀組件及割臺高度自控系統(tǒng)來實現(xiàn)割臺的整體仿形，進(jìn)而控制割茬高度，減少割臺損失。約翰迪爾公司生產(chǎn)出了200系列割臺[7]，其撓性切割器割臺是專為適應(yīng)大豆收獲的割臺。其擺環(huán)傳動裝置采用封閉式，在割刀轉(zhuǎn)速提高20%的情況下,仍可減少振動、降低落粒損失；除此之外，最重要的改動是撓性切割器，傳統(tǒng)的浮動切割器割臺是通過底部的一個簡單的彈簧托板來實現(xiàn)的(見圖7)，仿形量十分有限，且在上下浮動時不能保持割刀處于水平位置，而改良后的撓性切割器是通過四桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的(見圖8)，增大了浮動范圍，在浮動的過程中可以始終保持割刀處于水平位置，當(dāng)浮動達(dá)到最大位置時，割臺可以自動的控制升降。撓性切割器的利用有效控制了割茬高度，進(jìn)而減少了一部分漏割和落粒損失。約翰·迪爾生產(chǎn)的 218撓性割臺[10]具有縱橫雙向仿形功能, 切割器自身仿形范圍達(dá) 102mm, 割茬高度可以控制在 30mm 左右, 這種大仿形范圍和低割的性能可以滿足大多數(shù)地面條件的大豆收割要求,有效地減少了損失、提高了收獲效率。Kowalczuk J[11]對一個歷時5年的實驗研究做出了總結(jié)。實驗中，他把由盧布林的一個農(nóng)業(yè)機(jī)械科研機(jī)構(gòu)設(shè)計出的一種仿形割刀組件(見圖9、圖10)和傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)割刀組件分別裝到相同型號(Z056 Bizon～Super谷物聯(lián)合收割機(jī))的收割機(jī)上收割一種最低結(jié)莢高度很低的大豆，結(jié)果顯示：用仿形割刀組件收獲可以把損失從17.4% 降到 5.3%。

圖7 傳統(tǒng)式浮動切割器

圖8 撓性切割器

圖9 仿形割刀組件

1.橡膠帶 2.割刀指桿 3.指桿連接板 4.護(hù)板 5.鏈條 6.滑板 7.減負(fù)彈簧板 8.壓力彈簧板 9.梁 10.懸臂梁 11.連接桿 12.角桿 13.橫桿 14.滑桿

3)不同形式割臺收獲效果的對比研究。研究表明：對行收獲裝置的割臺損失最小，但綜合經(jīng)濟(jì)效益較低；撓性割臺比傳統(tǒng)割臺的割臺損失降低幅度大，且易于推廣。研究人員對改良的撓性切割器割臺、傳統(tǒng)浮動切割器割臺、傳統(tǒng)式谷物聯(lián)合收割機(jī)割臺和對行收獲裝置(50系列)這4種收獲裝置做了對比試驗，結(jié)果顯示：采用新設(shè)計的撓性切割器的割臺損失為5.5%,采用傳統(tǒng)浮動切割器的割臺平均損失為7.5%,而傳統(tǒng)谷物聯(lián)合收割機(jī)割臺損失為10%。50系列對行收獲裝置在試驗中的效果最好，其割臺損失為4%[7]。但是，由于收獲小粒谷物時還需要附帶平臺式收割臺,將降低其經(jīng)濟(jì)效益[12]，且對行收獲對行距和農(nóng)機(jī)手操作水平要求較高，所以研究非對行裝置的撓性割臺仍具有很重要的意義。

1.2.2 國外對大豆脫粒清選裝置的設(shè)計研究

國外對不同脫粒方式、不同脫粒元件及不同脫粒部件的材料進(jìn)行了對比研究。

1)不同脫粒方式的對比研究。研究發(fā)現(xiàn)：螺旋式脫粒機(jī)構(gòu)同時具有運輸和脫粒的作用，脫粒整體效果優(yōu)于傳統(tǒng)脫粒裝置；軸流式脫粒方式優(yōu)于傳統(tǒng)脫粒方式。日本的市川友彥等人[13]對螺旋式大豆脫粒機(jī)做了試驗研究。傳統(tǒng)軸流脫粒機(jī)構(gòu)里的螺旋機(jī)構(gòu)只起輸送作用，而螺旋式大豆脫粒機(jī)里的螺旋機(jī)構(gòu)即有輸送作用又有脫粒作用。該脫粒裝置豆莢夾帶損失率小于2%；籽粒從凹板篩處的漏下率(即籽粒分離率)達(dá)99%以上；破碎率在0.3%以下，不需要二次清選，與傳統(tǒng)脫離裝置相比脫粒效果有整體的提升。約翰迪爾公司60系列聯(lián)合收割機(jī)[14]采用單軸流脫粒分離系統(tǒng),可以收割大豆、小麥、水稻等多種作物,性能處于國際領(lǐng)先水平。Cunha JPARD, Oliveira PD等人[15]對軸流式脫粒裝置、傳統(tǒng)脫粒裝置、人工脫粒進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明：軸流式脫粒和傳統(tǒng)脫粒方式并不會影響大豆種子的活力和發(fā)芽率；軸流式脫粒比傳統(tǒng)脫粒方式產(chǎn)生的機(jī)械損傷更少。

2)不同脫粒元件脫粒效果的對比研究。結(jié)果表明：在一定情況下，釘齒滾筒的脫粒效果優(yōu)于紋桿滾筒。A Addo，A Bartplange等人[16]對不同的脫粒滾筒對大豆質(zhì)量的影響做了實驗研究，實驗結(jié)果顯示：在大豆含水率為10%的情況下，釘齒滾筒比紋桿滾筒的脫粒效果更好。

3)不同脫粒部件材料對脫粒效果影響的對比研究。Sessiz, A, Pinar, Y[17]等人針對不同材料的凹板篩對大豆脫粒效率以及功耗的影響做了實驗研究，實驗利用多元回歸技術(shù)來研究不同變量之間的關(guān)系。結(jié)果顯示：脫粒效率最高時凹板篩的材料是鉻，然后依次是PVC、薄鋼板、橡膠。

1.3 國外對油料作物分段收獲技術(shù)的研究

割曬技術(shù)是作物分段收獲技術(shù)的基礎(chǔ)，也是分段收獲的技術(shù)難點，特別對于分枝較多、植株較高大的作物，作物禾稈的鋪放與輸送技術(shù)是割曬技術(shù)的關(guān)鍵。國外的分段收獲大多是采用大型自走式專用割曬機(jī)來進(jìn)行割曬作業(yè)。輸送系統(tǒng)的輸送帶采用抗撕裂和穿刺的V型帶。采用特大的鋪條開口來保證鋪條的形狀和作物的流動性。為了取得更好的作物鋪放效果，通過“后退設(shè)計”來增加拖拉機(jī)地隙和帶的深度[18-21]。

2 國內(nèi)對大豆收獲機(jī)械的研究

國內(nèi)從作物本身的特性出發(fā)，對大豆豆莢的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，掌握了造成炸莢損失以及分離損失的一般規(guī)律，并對分段收獲和聯(lián)合收獲做了對比研究。結(jié)果顯示聯(lián)合收獲更適合大豆收獲。對聯(lián)合收獲機(jī)的各部件進(jìn)行了研究，并提出降低大豆機(jī)收損失的整體措施。

2.1 國內(nèi)對豆莢力學(xué)性能的研究

楊德旭[22]等人對完熟期大豆炸莢做了力學(xué)特性試驗。運用微機(jī)控制的電子拉壓試驗機(jī)進(jìn)行豆莢的靜壓炸莢試驗，豆莢放置方式包括正放、側(cè)放、立放3種形式，結(jié)果表明：在3種靜壓方式下，3個品種的大豆豆莢炸莢時的最大靜壓力隨著含水率的降低都明顯下降，這是造成收獲時炸莢損失增大的主要原因；當(dāng)大豆含水率在25%以下、豆殼含水率15%以下時會發(fā)生大豆炸莢；大豆的炸莢與品種和含水率有很大的關(guān)系；大豆豆莢的頂部、中部和底部炸莢率無顯著的區(qū)別。

2.2 國內(nèi)對大豆分段收獲的研究

聯(lián)合收獲和分段收獲是機(jī)械收獲的兩種主要方式。聯(lián)合收獲是收割及脫粒清選過程一次性完成，而分段收獲分為割曬與撿拾脫粒、清選兩個階段[23]。

李孝存等人[24]對大豆收獲機(jī)低割放鋪等部件進(jìn)行了研討，提出使用圓盤割刀進(jìn)行低割及可將作物鋪放在機(jī)組的任意一側(cè)的設(shè)計構(gòu)思。衣淑娟[25]針對豆類收獲的現(xiàn)狀，在豆類牽引式檢拾脫拉機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計了自走式檢拾脫拉機(jī)，可用于豆類作物收獲。

分段收獲在割曬階段可以降低對大豆含水率的要求，在含水率較高時進(jìn)行割曬，減少了炸莢及落粒損失；在撿拾脫粒階段可以等大豆含水率達(dá)到最佳脫粒清選效果時再進(jìn)行撿拾脫粒。理論上，分段收獲大豆可以有效減少大豆機(jī)械收獲的損失，但在實際操作中發(fā)現(xiàn)，分段收獲受天氣條件影響很大，若在撿拾脫粒之前出現(xiàn)陰雨天氣，則可能會導(dǎo)致割曬放鋪在田間的大豆及莖稈產(chǎn)生霉變，造成更嚴(yán)重的損失。另外，分段收獲延長了收獲作業(yè)時間，增加了勞動力，因此目前大豆收獲一般采用聯(lián)合收割機(jī)一次性完成收獲作業(yè)。

2.3 國內(nèi)對大豆聯(lián)合收獲機(jī)部件的設(shè)計研究

從降低大豆機(jī)收損失出發(fā)，國內(nèi)對大豆聯(lián)合收獲機(jī)的割臺、輸送裝置、脫粒清選裝置分別進(jìn)行了研究。

2.3.1 對大豆割臺的設(shè)計研究

為了降低割臺損失，從控制割茬高度出發(fā)對撓性割臺進(jìn)行了研究，從減少切割震動打擊力出發(fā)對對行收獲割臺進(jìn)行了研究。此外，還對氣流輔助輸送裝置、撥禾輪、扶禾輪等影響割臺損失的因素進(jìn)行了研究。

1)撓性割臺的研究。研究表明：結(jié)構(gòu)簡單的撓性割臺更易于推廣，電液控制系統(tǒng)在擴(kuò)大撓性割臺仿形范圍上起到了重要作用。徐慶生[26]介紹了JD220型大豆撓性割臺，經(jīng)實踐考核，該割臺的收獲質(zhì)量優(yōu)于剛性割臺和其它型撓性割臺。該割臺沿整個割臺寬度懸臂安裝了彈簧鋼制的過渡板及四桿機(jī)構(gòu)(見圖11)能縱橫仿形,并且有割臺高度自動控制系統(tǒng)(見圖12)，當(dāng)超出最大仿形范圍時可以通過傳感裝置使割臺自動上升或下降。這種機(jī)構(gòu)使割臺仿形更加靈活，并且增大了仿形范圍，但整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。趙太允[27]對4DN系列大豆撓性低割裝置的研制和使用效果作了介紹。過去國內(nèi)外研制出的浮動割臺雖然有些效果很好，但要么是耗動力大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要么是價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要么是對行要求很高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。該系列低割裝置的自身仿形靠板簧的彈力來實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，效果也很好，割茬可降至60mm以下,平均損失率在3%～4%范圍內(nèi)，還可減少大豆泥花臉。當(dāng)超出撓性低割裝置自身仿形量時，可以通過電磁閥控制液壓升降系統(tǒng)，使割臺整體自動仿形，擴(kuò)大仿形范圍。該割臺的使用可靠性達(dá)90%以上，在投入推廣使用的3年里創(chuàng)造了很大的經(jīng)濟(jì)效益。這種撓性割臺的突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性也較高，易于推廣使用。王桂忠[28]等人對如何更好地使用現(xiàn)有的撓性割臺做了研究。對平衡彈簧的調(diào)節(jié)、撥禾輪高度的調(diào)整、從動輥高度調(diào)節(jié)及撓性割臺上減少損失的措施等給出了合理的建議。孫桂芹對218型撓性割臺收獲大豆的效果作了介紹，并對收獲大豆時如何使用218型撓性割臺做了研究。在大豆黃熟中期至黃熟末期進(jìn)行收獲可以達(dá)到最佳收獲效果,破碎率最低[29-30]。毛衛(wèi)民[31]研制了電液自動仿形控制器，加裝到引進(jìn)的218撓性割臺上，降低了割臺的引進(jìn)成本，有助于國內(nèi)更好地消化利用218撓性割臺。

1.刀梁 2.彈簧過渡板 3.前吊桿 4.傳感臂

1.擺軒 2.推桿 3.羅馬螺絲 4.推桿 5.傳感臂 6.前吊桿 7.切割器 8.高度傳感軸 9.下降開關(guān) 10.翼形螺帽 11.凸輪 12.提升開關(guān)

2)對行收獲割臺的研究。從降低切割豆莖時切割部件對豆莖的打擊力出發(fā)，對圓盤割刀進(jìn)行了一系列研究，降低了割臺損失；但由于需要進(jìn)行對行收獲，而對行收獲對農(nóng)機(jī)手操作水平及大豆種植的行距有較高的要求，因此目前沒有得到廣泛應(yīng)用。孫永海[32]等人研究了大豆割臺上圓盤割刀的切削參數(shù)，以刀齒高度、切削角和切割速度為試驗因素，研究它們對切割阻力和切割損失的影響，得到了刀齒高度、切削角和切割速度的最優(yōu)參數(shù)組合，為今后圓盤式切割器的優(yōu)化研究提供了有價值的參考依據(jù)。

3)不同形式割臺的對比研究。研究表明：在不同行距的情況下，對行割臺與撓性割臺的收獲效果有較大差異。我國對從美國引進(jìn)的3種不同形式的大豆收割裝置進(jìn)行了對比研究。經(jīng)田間試驗，在寬行距(76cm)時，50系列“653”對行割臺效果最好，割臺損失為4%～5%；在窄行距(55cm)時，200系列撓性割臺效果最好[33]。雖然在寬行距時對行割臺效果比撓性割臺效果好，但是對種植行距要求嚴(yán)格、對駕駛員要求也較高，我國目前大豆種植行距不統(tǒng)一，對行割臺比較難以普及。

4)割臺上氣流輔助輸送裝置的研究。研究表明：氣流輔助裝置確實對減少損失有一定的幫助，但對田間環(huán)境以及割茬高度等要求較高，適應(yīng)性較差。廖麗清[34]等人在對美國Hesston分公司制造的簸箕式大豆收割裝置研究的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了優(yōu)化改造，加裝了氣流輸送裝置。在原簸箕式收割裝置的臺面上開了3個橫向通氣槽。試驗顯示：裝有氣流輸送的簸箕式收割裝置比無氣流輸送的原簸箕式收割裝置造成的落粒損失少26%、掉枝損失少23.8%。但只在雜草較少的豆田里工作時它的輸送質(zhì)量很好；在雜草較多、地面不平整及割臺行進(jìn)速度較慢時,會發(fā)生鏟土現(xiàn)象, 氣流導(dǎo)管將被大量濕土堵塞,使切割后的豆株滯留在臺面上,和沒改進(jìn)之前的效果一樣。這種改裝的收割裝置對田間環(huán)境的適應(yīng)性較差，難以推廣使用。趙有荃介紹，我國研究氣流撥禾裝置旨在沒有撥禾輪的條件下以氣流來完成“撥禾”和“輸送”任務(wù)。結(jié)果表明：氣流撥禾輪要在一定的條件下才會有比較好的效果，如濕度在14%以下，底莢在80mm以上，地面平坦，雜草較少等，滿足這些條件割臺總損失將低于3%；但在濕度大于14%、底莢低于50mm時效果不大。從對底莢高度的要求可知, 改進(jìn)切割器比加裝氣流拔禾能帶來更大的收益,但浮動切割器與氣流撥禾配合工作效果會更好[35]。

5)撥禾輪的研究。研究表明：柔性部件可減少炸莢現(xiàn)象，降低炸莢損失；單片機(jī)和液壓技術(shù)可以更好地控制撥禾輪轉(zhuǎn)速及升降，從而減少撥禾輪造成的割臺損失。一位農(nóng)民發(fā)明家研制了采用撥指式立式割臺的大豆收割機(jī)，撥禾輪及喂人攪龍由用橡膠帶制成的撥禾鏈代替，可以在撥禾過程中不改變作物相對于地面的角度[36]，因膠帶的柔性特征不對作物產(chǎn)生沖擊,所以基本沒有炸莢現(xiàn)象。劉江華[37]運用單片機(jī)控制變頻技術(shù)，根據(jù)撥禾輪工作要求，結(jié)合自動控制理論，設(shè)計了一套撥禾輪轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)。山東大豐[38-39]推出的小型自走式大豆收獲機(jī)，撥禾輪升降采用液壓控制，撥禾輪設(shè)有無級調(diào)速機(jī)構(gòu)。

6)扶禾器的研究。先運用仿真軟件仿真運動過程，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，再通過田間試驗進(jìn)一步驗證優(yōu)化效果，最終得出最優(yōu)參數(shù)組合。這種研究方法縮短了試驗周期，并且可以更加清晰地了解運動的過程，對機(jī)械裝置的研究具有很大的參考價值。陳海濤、頓國強(qiáng)針對大豆扶禾器因結(jié)構(gòu)及作業(yè)參數(shù)不合理而造成割臺損失增加的問題，在大豆植株性狀及秸稈材料物理性能測定的基礎(chǔ)上，運用SolidWorks虛擬設(shè)計了扶禾器和大豆植株，并應(yīng)用仿真軟件MSC.ADAMS 構(gòu)建其三維運動仿真模型[40]，實現(xiàn)了在ADAMS/View 環(huán)境下扶禾過程的運動仿真，最后通過田間試驗給出了最優(yōu)參數(shù)。

2.3.2 對大豆收割機(jī)傾斜輸送器的研究

齊金財對大豆收割機(jī)過橋(傾斜輸送器)相對撓臺偏置做了研究，研究顯示：過橋相對于撓臺向右側(cè)的偏移值不大于40mm時對收割性能沒有影響。為了盡可能地降低傳動系統(tǒng)的重量對割臺左右兩側(cè)割刀高度差的影響，最好采用2個油缸支撐，且盡量使割臺的中心與油缸的支撐中心重合[41]。

2.3.3 對大豆脫粒裝置的設(shè)計研究

影響脫粒過程損失率的主要因素是脫粒部件的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，切流與軸流的脫粒方式也對脫粒效果有較大影響，研究脫粒滾筒中作物的運動規(guī)律有利于對脫粒部件及脫粒方式的優(yōu)化研究。

1)滾筒中作物流運動規(guī)律的研究。吳敘田、陸慶惠[42]介紹了如何利用原子示蹤技術(shù)研究軸流滾筒中作物流運動規(guī)律的方法，對于試驗中有關(guān)的一些問題，諸如放射源的選擇、安全防護(hù)、試驗儀器標(biāo)定及數(shù)據(jù)分析等也做了必要的說明，對研究大豆在滾筒中的運動規(guī)律有很大的學(xué)習(xí)價值。

2)脫粒滾筒各部件結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)的研究。針對喂入量需求增大的問題，對增大凹板分離面積的幾個途徑做了比較分析，研究顯示：增大滾筒直徑為較為簡單易行且效果顯著的一種途徑。針對減少脫離損失和降低破損率的問題，對滾筒的各個部件和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改造，結(jié)果表明：通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速、齒側(cè)間隙、凹板間隙、釘齒數(shù)量、脫粒元件類型等可以有效較少脫離損失、降低破碎率。張雙吉[43]對大滾筒脫粒裝置的試驗研究做了介紹。為了提高整機(jī)生產(chǎn)率，滿足作物產(chǎn)量不斷提高的需求，在ZKB-5型聯(lián)合收割機(jī)上改進(jìn)脫粒裝置，加大滾筒直徑，并對雙滾筒、大包角凹版和大滾筒這3種加大凹板分離面積的途徑做了比較分析。雙滾筒會增大秸草破碎的程度，使脫出物的含雜率增大；大包角凹板必須要做成兩塊，且需要在凹板入口加一個喂人輪，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；增大滾筒的直徑結(jié)構(gòu)簡單，效果明顯，具有實用價值，但在設(shè)計滾筒最大直徑時要考慮到整機(jī)高度和變速皮帶的許用強(qiáng)度的問題。包富久[44]對GT-4.9聯(lián)合收割機(jī)改裝及使用的情況做了介紹。由于該收割機(jī)收獲大豆時損失高達(dá)20%～30%，分析原因后對皮帶輪和滾筒進(jìn)行了改裝，改裝后降低了滾筒轉(zhuǎn)速、增大了齒側(cè)間隙、減少了釘齒數(shù)量。一位農(nóng)民發(fā)明家[36]安裝了變速葉板在軸流滾筒的紋桿上,使原本勻速在滾筒中前進(jìn)的作物速度突然改變,使作物產(chǎn)生抖動，豆粒與秸稈更充分分離,在排出的豆秸中基本不夾雜豆粒。山東大豐[38-39]推出的小型自走式大豆收獲機(jī)采用雙脫粒滾筒，第一滾筒以脫粒為主，凹板間隙可調(diào)，脫粒元件可以在釘齒和紋桿間互換安裝；第二滾筒以分離為主，脫粒元件為釘齒，且局部釘齒可拆卸。張建東[45]設(shè)計了低損傷雙滾筒大豆脫粒機(jī)，該脫粒機(jī)通過揉搓原理進(jìn)行預(yù)先脫粒，然后利用打擊原理全面脫粒。這種雙滾筒的脫粒方式可以使?jié)L筒保持較低的轉(zhuǎn)速，減小作用在籽粒上的打擊力，脫粒過程較為柔和；并且，大豆莖稈在喂入裝置進(jìn)行折斷處理，不僅降低了脫粒損傷，也使?jié)L筒的功耗減少。

3)切流與軸流脫粒方式的研究。目前，大多是對稻麥聯(lián)合收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)切流與軸流方式的對比研究，較為先進(jìn)的研究方法是采用三維建模并利用有限元進(jìn)行分析計算，這些機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果及研究方法對大豆脫粒系統(tǒng)的研究都有很大的參考價值。研究表明：切流與軸流配合能取得更好的脫粒效果。黃玉華[46]對切軸流雙滾筒脫粒分離裝置在谷物聯(lián)合收割機(jī)上的應(yīng)用作了介紹。這種結(jié)構(gòu)比切流式脫粒滾筒與鍵式逐稿器緊湊，脫凈率比全桿齒單軸流滾筒高,且脫粒損失小，綜合性能被廣泛認(rèn)可。王顯仁[47]等人分析了軸流滾筒脫粒裝置的脫粒原理、脫粒過程及優(yōu)缺點，簡述了軸流滾筒脫粒裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀，詳細(xì)論述了影響軸流滾筒脫粒性能的因素。軸流滾筒取代傳統(tǒng)切流滾筒是聯(lián)合收割機(jī)脫粒裝置的研究方向。李耀明等對縱軸流聯(lián)合收割機(jī)切流脫粒分離裝置進(jìn)行研究，結(jié)果表明：切流與縱軸流組合的脫粒裝置，可使小麥脫凈率均能達(dá)到 99.90%以上，夾帶損失率小于 0.25%[48]。廖凌衡[49]研究了縱向雙軸流稻麥聯(lián)合收割機(jī)的脫粒分離裝置,通過正交試驗分析了運動參數(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)對脫粒性能的產(chǎn)生的影響,并得出了最佳方案。由于大豆與稻麥的脫粒過程有很大相似之處，因此這些研究對大豆脫粒滾筒的研究具有很大的參考價值。侯守印[50]對立式軸流式大豆育種專用脫粒機(jī)做了研究，并借助Pro/E三維建模軟件、ANSYS有限元分析軟件對整機(jī)、脫粒分離裝置、清選裝置和附屬部件進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及主要結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)計算分析，同時采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗方法對結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗研究。

2.3.4 對大豆清選裝置的設(shè)計研究

大豆清選裝置的研究主要集中在清選篩、風(fēng)機(jī)風(fēng)量等基礎(chǔ)研究和旋風(fēng)式、貫流式等分離方式的研究，通過調(diào)節(jié)清選篩孔的尺寸和風(fēng)機(jī)風(fēng)量以及選擇合適的分離方式可以有效的減少清選損失。山東大豐[38-39]推出的小型自走式大豆收獲機(jī)的清選裝置采用雙魚鱗篩，且篩片間距和風(fēng)機(jī)風(fēng)量都可以調(diào)節(jié)，雜余可以二次回收，實現(xiàn)二次脫粒、清選。沈有柏[51]所研究的三自由度風(fēng)篩式清選裝置虛擬樣機(jī)能夠使顆粒物料在篩面上迅速離散均布,有利于提高清選效率和篩面利用率。高連興[52]利用農(nóng)業(yè)物料漂浮速度試驗臺測得了大豆脫出物的漂浮速度，并根據(jù)漂浮速度試驗結(jié)果研制了氣力式清選裝置和旋風(fēng)式雜余分離、循環(huán)裝置，并進(jìn)行了性能試驗。胡小欽[53]設(shè)計了一種新型貫流式谷物清選裝置，解決了傳統(tǒng)清選裝置中軸向氣流不穩(wěn)、寬度受限的問題，并通過大量的試驗測定,優(yōu)化確定了清選裝置的主要工作參數(shù)。胡必友、龐靖[54]對雙滾筒收割機(jī)雜余處理方案研究后認(rèn)為，雙滾筒機(jī)型比普通機(jī)型的喂入量大，清選機(jī)構(gòu)所承受負(fù)荷也更大，為了達(dá)到理想的清選效果，應(yīng)該增強(qiáng)其清選能力。因此，應(yīng)重新設(shè)計其清選篩結(jié)構(gòu)，重新設(shè)置擋草板高度及風(fēng)機(jī)風(fēng)量等參數(shù)，來提高其籽粒透篩率、減少雜余總量，最終使總損失降低。為了對大豆脫粒過程中未脫凈莢果進(jìn)行有效地分選、回收并進(jìn)行二次脫粒，在已設(shè)計的有吊桶旋風(fēng)分離器基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件對有、無吊桶兩種模型[55]進(jìn)行對比試驗，結(jié)果顯示：兩種模型壓降無明顯差異，有吊桶旋風(fēng)分離器分離效率更高。

2.4 國內(nèi)對減少機(jī)收大豆損失整體措施的研究

閻木林[56]對減少機(jī)收大豆損失進(jìn)行了探討。為降低收獲損失，可從以下幾個方面入手：①整地，地平土碎,便于低茬收割；②培育結(jié)莢部位高的大豆品種；③適時收割，水分對炸莢問題影響很大；④適當(dāng)?shù)那斑M(jìn)速度；⑤一天中適時的機(jī)收時間，一般上午早收割、下午晚收工、中午檢查保養(yǎng)機(jī)車較好；⑥限制割刀速度，速度過高會產(chǎn)生較大震動造成損失；⑦去掉撥禾輪壓板，可減少炸莢損失；⑧拾禾器加裝小撥禾輪，可提高拾禾效率，但會增加炸莢損失；⑨調(diào)整好釘齒間隙、滾筒轉(zhuǎn)速、去掉部分釘齒，可減少破損率。

3 總結(jié)

國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，大豆機(jī)收損失主要是割臺引起的，包括炸莢損失、落粒損失、掉枝損失、漏割損失;其次是由脫粒清選部件引起的夾帶損失、未脫凈損失、清選損失。因此,合理改進(jìn)割臺和脫粒清選裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，是降低大豆機(jī)收損失的重要手段。

近半個世紀(jì)以來，國外對大豆收割機(jī)的研究主要集中在割臺。針對割刀震動以及撥禾輪打擊引起的炸莢損失、落粒損失、掉枝損失對圓盤割刀和對行夾持進(jìn)行了研究，研制出了多種對行收獲割臺；針對傳統(tǒng)剛性割臺引起的對浮動仿形割刀組件和割臺高度自動控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，研制出了多種撓性割臺。這兩種割臺相比傳統(tǒng)割臺都在很大程度上降低了割臺損失，且在理想情況下對行收獲割臺損失最小，但對行收獲對大豆種植的行距及對農(nóng)機(jī)手的操作水平要求較高，不易推廣。因此，目前較為普遍的是利用撓性割臺來降低割臺損失。對脫粒清選裝置的研究主要集中在軸流式與傳統(tǒng)脫粒方式的對比，對脫粒元件的選擇及脫粒部件材料的選擇也有研究。研究發(fā)現(xiàn)，軸流式比傳統(tǒng)脫粒方式產(chǎn)生更少的機(jī)械損傷。

國內(nèi)目前針對機(jī)收損失對大豆機(jī)收整個過程的研究也較為全面，包括對豆莢力學(xué)性能的研究、對大豆分段收獲和聯(lián)合收獲的對比分析、對割臺上各部件，以及傾斜輸送裝置和脫粒清選裝置對機(jī)收損失影響的研究。

4 討論

1)國內(nèi)對收割機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)流程大多是在進(jìn)行理論分析和機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后直接制造實體樣機(jī)進(jìn)行實驗驗證，盲目性較大，應(yīng)在制造實體樣機(jī)之前先建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真模擬分析，縮小實驗范圍，提高實驗效率。

2)目前，國內(nèi)已有較為成熟的大豆聯(lián)合收獲機(jī)械，但多為引進(jìn)國外的機(jī)器，價格較高，普通農(nóng)戶難以接受，國內(nèi)自主研發(fā)的價格較低的機(jī)器收獲損失較大。我國土地情況較為復(fù)雜、大豆品種多樣，機(jī)器工作環(huán)境、大豆最低結(jié)莢位置以及籽粒大小等對收割機(jī)部件的要求各不相同，沒有一款機(jī)器可以適宜全國大豆的收獲工作。因此，根據(jù)不同大豆種植區(qū)域研制出低損高效且價格低廉的大豆收割機(jī)仍然是一個亟待解決的問題，應(yīng)加大對大豆收割機(jī)的自主研發(fā)力度。

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The Research of Soybean Harvested by Machine

Liu Ji, Jin Chengqian, Liang Suning, Ni Youliang

(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture,Nanjing 210000, China)

Soybean harvest operation is a key link of soybean production process, using appropriate harvesting machinery timely complete the soybean harvest is an important guarantee of soybean’s rich harvest. Soybean yield loss has been a serious problems of the soybean harvest mechanization,it has many years of research history at home and abroad, and it has been reduced, but still cannot meet the need.To further reduce the loss, we summarize the research status of soybean cutting machine,conveyor, threshing and cleaning device, key components and the soybean harvest method, mechanism research methods.we will put forward the research emphasis of soybean harvest machinery on the basis of existing research results.

soybean harvest machinery; soybean header; conveying equipment; threshing and cleaning device; harvesting methods

2016-05-18

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303011-6)

劉 基(1991-),男，河南漯河人，碩士研究生，(E-mail) 657368939@qq.com。

金誠謙(1973-)，男，安徽潛山人，研究員，博士生導(dǎo)師，(E-mail)412114402@qq.com。

S233.4

A

1003-188X(2017)07-0001-09