稻麥繁育收獲機(jī)研究現(xiàn)狀及展望

孫欽華，李國瑩，王 勇，徐祝欣，楊 誠，李國梁，周 軍

(1.河北星諾機(jī)械制造有限公司，河北 廊坊065000； 2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266109；3.青島普蘭泰克機(jī)械科技有限公司，山東 青島266109)

0 引言

水稻和小麥?zhǔn)侵匾Z食作物，在我國每年約有3億t的市場需求量[1-2]。鑒于當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的各種不利現(xiàn)狀，保障稻麥產(chǎn)量的有效供給，有利于滿足國民生活生產(chǎn)需求和維護(hù)國家、社會穩(wěn)定。研究表明，良種可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，其貢獻(xiàn)率可達(dá)50%以上，而在我國這一數(shù)值僅在30%左右[3]。因此，想要農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，可以從提高種子質(zhì)量、加快優(yōu)良新品種選育進(jìn)程方面著手。但新品種在推向市場和大面積種植前需要進(jìn)行復(fù)雜的小區(qū)育種田間試驗，涵蓋了耕種收、田間植保和種子處理等眾多環(huán)節(jié)，耗費(fèi)周期長且需要投入巨大的人力。其中，收獲環(huán)節(jié)對整個試驗精度影響最大、所需勞動強(qiáng)度最高[4]。但是目前國內(nèi)稻麥繁育收獲環(huán)節(jié)依然是靠人力為主的分段式方法完成，收獲效率低并且種子損失大，不符合小區(qū)育種試驗的要求，不利于我國種子繁育事業(yè)的發(fā)展。我國稻麥繁育收獲環(huán)節(jié)聯(lián)合收獲問題亟待解決。

1 國外研究現(xiàn)狀

1.1發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

國外較早就開展了稻麥小區(qū)田間育種試驗收獲機(jī)械的研究，Wintersteiger公司在1963年就制造出世界上第1臺小區(qū)田間育種試驗專用的聯(lián)合收割機(jī)，稻麥繁育收獲機(jī)初具雛形。

歷經(jīng)50多年的發(fā)展，國外的小區(qū)田間育種試驗收獲機(jī)械經(jīng)歷了從無到有，種類上從少到多，準(zhǔn)確性上從粗到精的巨大轉(zhuǎn)變，具有以下特點。①適用性強(qiáng)，通過更換割臺等關(guān)鍵部件可做到一機(jī)多用，即滿足水稻、小麥、油料作物、芝麻及各種小種粒作物育種試驗收獲環(huán)節(jié)的需求。②功能多樣、技術(shù)成熟，具有自凈、測產(chǎn)、測量籽粒容量及含水量等功能且技術(shù)相對成熟可靠。③高自動化，可自動進(jìn)行清種、測產(chǎn)和縫包等操作。④高智能化，計算機(jī)技術(shù)及配套軟件在稻麥繁育收獲機(jī)械上的運(yùn)用，可實時記錄試驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和分析。⑤自動駕駛技術(shù)成熟、人機(jī)交互體驗感良好，依靠“3S”(定位、遙感及地理信息)技術(shù)進(jìn)行自動駕駛，降低人工勞動量的同時，可解決視線不清和農(nóng)時緊張等狀況對小區(qū)田間育種試驗帶來的困境和挑戰(zhàn)。⑥系列化、產(chǎn)業(yè)化及精準(zhǔn)化程度越來越高，國外的稻麥繁育收獲機(jī)科研成果基本都實現(xiàn)了系列化與產(chǎn)業(yè)化，各種高精尖儀器設(shè)備及技術(shù)的運(yùn)用使其產(chǎn)品不斷精密化[5-6]。國外的稻麥繁育收獲機(jī)已達(dá)到較高水準(zhǔn)，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展新趨勢。

1.2典型代表

在全球眾多田間試驗配套機(jī)械生產(chǎn)廠商和公司中，美國Almaco公司、奧地利Wintersteiger公司、德國Haldrup公司及ZURN公司等在國際上處于領(lǐng)先地位，其中Wintersteiger公司的Classic ST固定式脫粒機(jī)和Quantum小區(qū)聯(lián)合收割機(jī)最具代表性。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1發(fā)展歷程及總體現(xiàn)狀

我國較晚才開展對稻麥小區(qū)田間育種試驗收獲機(jī)械的研究，進(jìn)展緩慢，并且機(jī)械化水平一直不高。1960年以前，我國的小區(qū)育種收獲環(huán)節(jié)完全依靠人工收割和脫粒，沒有適用的作業(yè)機(jī)械及相應(yīng)的生產(chǎn)廠家。20世紀(jì)60—70年代，我國嘗試將大田用收獲機(jī)械或脫粒裝置在小區(qū)試驗收獲環(huán)節(jié)中試用，但操作煩瑣，種子損失大、品種混雜的現(xiàn)象嚴(yán)重，極大降低了試驗數(shù)據(jù)的可靠性。隨后國內(nèi)出現(xiàn)了為數(shù)不多的幾家科研單位或農(nóng)機(jī)制造廠開始研制小區(qū)專用脫粒機(jī)，并取得了一定進(jìn)展。為了在育種小區(qū)內(nèi)進(jìn)行聯(lián)合收獲，1980年，我國開始進(jìn)口國外的稻麥繁育收獲機(jī)，如美國約翰·迪爾公司生產(chǎn)的美洲型聯(lián)合收割機(jī)和CK-3型自走式聯(lián)合收獲機(jī)[7-8]。由于國內(nèi)外作物品種及性狀不同、試驗小區(qū)規(guī)模存在較大差異導(dǎo)致引進(jìn)的機(jī)械不能很好滿足國內(nèi)育種試驗收獲環(huán)節(jié)的需要，沒有達(dá)到理想效果，但是具有巨大的借鑒性。

目前，我國在稻麥繁育收獲機(jī)研發(fā)上取得了長足的進(jìn)步，也有10多家單位從事小區(qū)田間育種試驗收獲機(jī)械的研發(fā)工作，但是其技術(shù)裝備與國外相比一直存在不小差距。①自凈程度不高，割臺、脫粒裝置種粒易殘留。②測產(chǎn)系統(tǒng)不成熟，這與起步晚、研究較少有很大關(guān)系，目前僅有青島農(nóng)業(yè)大學(xué)的種子測產(chǎn)裝置等為數(shù)不多的成果，且還有很大改進(jìn)空間。③智能化水準(zhǔn)較低，相關(guān)電子元器件尤其是軟件的研發(fā)停留在較淺層面。④人機(jī)交互體驗感不強(qiáng)，人體工程學(xué)設(shè)計運(yùn)用程度不夠，且整機(jī)造型簡樸，工業(yè)美學(xué)感較差。⑤科研成果市場轉(zhuǎn)化率低，大多數(shù)沒有形成市場化、產(chǎn)業(yè)化。以上不足，在分段式小區(qū)收獲機(jī)械上表現(xiàn)得尤為突出。

2.2典型代表

在分段式小區(qū)收獲機(jī)械研發(fā)方面，河南省衛(wèi)輝市新昌機(jī)械制造廠、黑龍江省農(nóng)業(yè)工程科學(xué)院以及農(nóng)墾科學(xué)院紅興隆科研所與其合作伙伴新鄉(xiāng)市第一拖拉機(jī)廠和興凱湖機(jī)械廠最具代表性，代表機(jī)型有KT100A型穗株種子脫粒機(jī)、5TG-570B型小區(qū)脫粒機(jī)和QKT-320A型小型種子脫粒機(jī)[9-10]。

在聯(lián)合式小區(qū)收獲機(jī)械研發(fā)上，黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院紅興隆科研所、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)和西華大學(xué)取得了一定進(jìn)展，而青島農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的全喂入自走式小區(qū)谷物聯(lián)合收獲機(jī)在機(jī)型及核心技術(shù)上取得了歷史性突破。

3 國內(nèi)外技術(shù)裝備差異

3.1分段式收獲機(jī)械

Wintersteiger公司專門從事小區(qū)育種試驗配套農(nóng)機(jī)具的研發(fā)工作，其產(chǎn)品暢銷全世界，在農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)享有極高的聲譽(yù)尤其是在歐洲，生產(chǎn)有以Classic ST固定式脫粒機(jī)為代表的稻麥繁育分段式收獲機(jī)械，如圖1所示[11]。

該款脫粒機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、樣式新穎、進(jìn)料平穩(wěn)且脫粒效果好，通過對各部件邊緣加裝排氣設(shè)備或使用蓋板，具有良好自凈功能以保證種籽無摻雜。氣力式種粒輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，使用時安全可靠，可實現(xiàn)快速空轉(zhuǎn)。除了具有成熟的機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)，該脫粒機(jī)還添加了功能完備的電路控制系統(tǒng)和相對成熟的測產(chǎn)系統(tǒng)，在脫粒工序完成后自動進(jìn)行產(chǎn)量、含水量等相關(guān)數(shù)據(jù)的測定，測量結(jié)果實時顯示并記錄，具有較高智能化水平，代表當(dāng)前該機(jī)型的最高水準(zhǔn)。

河南省衛(wèi)輝市新昌機(jī)械制造廠作為國內(nèi)從事小區(qū)育種分段式收獲機(jī)械研發(fā)的代表廠家，在小區(qū)專用種子脫粒機(jī)研發(fā)上也取得了一定成果，其主營產(chǎn)品有QKT320型小區(qū)種子脫粒機(jī)和KT100型穗株微型種子脫粒機(jī)[12-13]。其中KT100A型穗株種子脫粒機(jī)，如圖2所示，可以滿足小麥小區(qū)田間育種試驗分段式收獲需求，也可用于原始材料繁殖用的脫粒清選環(huán)節(jié)。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，操作安全方便，而且該機(jī)型脫粒清選時高效快捷、作業(yè)質(zhì)量好、對種子損傷小且易清理種子，可以為田間試驗提供比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐和高純度試驗品種，深受國內(nèi)小型種子繁育試驗單位的青睞。

對比以上兩款脫粒機(jī)，不難發(fā)現(xiàn)國外的分段式收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)合理緊湊、樣式新穎、工業(yè)美學(xué)感強(qiáng)且性能上更加優(yōu)異，不僅能滿足小區(qū)田間育種試驗的需求，還能把脫粒清選和測產(chǎn)等后續(xù)工序完美融合在一起，簡化人工操作，提高育種試驗精度，而且提高機(jī)器的性價比和智能化水準(zhǔn)，這些都是國內(nèi)分段式脫粒機(jī)需要改進(jìn)的地方。

3.2聯(lián)合式收獲機(jī)械

Wintersteiger公司除了生產(chǎn)Classic ST固定式脫粒機(jī)處，還進(jìn)行小區(qū)聯(lián)合收割機(jī)的研發(fā)工作，并取得非常顯著的成果，形成6大系列的小區(qū)聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)品：特別適用于小種粒作物的Classic Plus，預(yù)繁小區(qū)的Delta，雜交F3后代的Classic，大面積小區(qū)試驗田進(jìn)行育種試驗的Alpha，同時收割兩個小區(qū)作物的Split和小區(qū)聯(lián)合收割機(jī)標(biāo)桿性產(chǎn)品Quantum，其中Quantum系列小區(qū)聯(lián)合收割機(jī)如圖3所示。

該機(jī)型完美適用于小區(qū)田間育種試驗，能滿足小麥等谷類作物的收割、脫粒、清選以及測產(chǎn)等環(huán)節(jié)的作業(yè)需要，作業(yè)性能優(yōu)良，具有效率高、破損小、無摻雜、種粒純度高以及安全可靠等突出優(yōu)點。加裝GPS導(dǎo)航系統(tǒng)使其可以進(jìn)行自動駕駛，極大降低了勞動強(qiáng)度，為大面積作業(yè)和搶農(nóng)時夜晚作業(yè)帶來了可能，是小區(qū)聯(lián)合收割機(jī)的標(biāo)桿性產(chǎn)品。該機(jī)型具有多項革命創(chuàng)新：易于機(jī)器運(yùn)輸?shù)哪K化組裝；實現(xiàn)大喂入量的OptiFloww履帶式割臺與OptiFloww高功率脫粒裝置；保證種粒純凈度的軸向鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)力清選系統(tǒng)及后續(xù)清潔系統(tǒng)；提升駕駛友好體驗的頂級人體工程學(xué)設(shè)計；便于操控的多功能操作桿與扶手集成設(shè)計；高效自凈的種子分離器及高性能的Harvestmaster測產(chǎn)系統(tǒng)。

國內(nèi)對小區(qū)聯(lián)合收獲機(jī)的研究也取得了一定進(jìn)展，其中由青島農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的全喂入自走式谷物聯(lián)合收獲機(jī)具有國內(nèi)最高水準(zhǔn)，極具代表性。

青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的小區(qū)谷物聯(lián)合收獲機(jī)，如圖4所示，是一款相對成熟的產(chǎn)品。該機(jī)具有自走式結(jié)構(gòu)，操作簡單、轉(zhuǎn)向比較靈活，可以適應(yīng)小區(qū)試驗田的種植模式。該機(jī)器主要由車輛行走及控制裝置、收割裝置、輸送裝置、脫粒裝置、清選裝置、集糧裝置和測產(chǎn)裝置等構(gòu)成[10，14]。該機(jī)作業(yè)時，與大田聯(lián)合收獲機(jī)過程相似，依次進(jìn)行收割、脫粒、清選及集糧輸送，但增加了測產(chǎn)和裝袋工序。與大田聯(lián)合收獲機(jī)不同的是，該機(jī)在每個裝置設(shè)計時都考慮到了清種便利問題，為了使整機(jī)具有自凈功能，做了如下調(diào)整。一是采用“鋸齒形輸送齒條+輸送帶+氣力側(cè)吹”的組合形式，實現(xiàn)割臺作業(yè)無死角，無殘留；二是采用帆布帶式前置喂入輥，確保脫粒裝置無殘留；三是采用逐稿器+清選篩組合形式進(jìn)行清選分離，提高清選質(zhì)量，保證種子純凈度；四是配有較高精度和準(zhǔn)確性的測產(chǎn)裝置及系統(tǒng)。

該機(jī)除了具有良好的機(jī)械性能，還增加了液壓裝置和精密電子元器件及配套控制系統(tǒng)，提高了整機(jī)的智能化水準(zhǔn)。測產(chǎn)裝置的研發(fā)，更是填補(bǔ)了國內(nèi)測產(chǎn)方面的空白。該機(jī)可作為目前國內(nèi)稻麥小區(qū)收獲機(jī)高端水平的代表。

綜上可知，國外的小區(qū)田間育種試驗收獲機(jī)在機(jī)械技術(shù)上日趨成熟并達(dá)到領(lǐng)先水準(zhǔn)，還具備復(fù)雜的電液控制功能、GPS導(dǎo)航技術(shù)以及測產(chǎn)系統(tǒng)，使其越來越精準(zhǔn)化、智能化，但國外收獲機(jī)操作較復(fù)雜且售價昂貴，只有大型農(nóng)科院及育種單位有能力購買[15]。

我國研制的多數(shù)小區(qū)田間育種試驗收獲機(jī)在可靠性、精準(zhǔn)性和智能性等方面與國外相比存在一定差距，在農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相融合方面有很多不足需要完善，如收獲效率較低、自凈效果較差及測產(chǎn)系統(tǒng)不夠成熟先進(jìn)等，但整機(jī)造型簡單實用，售價遠(yuǎn)低于國外，更適合國內(nèi)大多數(shù)中小型農(nóng)科院及育種單位[16]。

4 稻麥繁育收獲機(jī)展望

目前國內(nèi)稻麥繁育收獲機(jī)整體上與國外相比存在一定差距，相信隨著國家政策的扶持與市場的引導(dǎo)作用、相關(guān)科研機(jī)構(gòu)與農(nóng)機(jī)生產(chǎn)廠商的不懈努力，以及對國內(nèi)機(jī)器積極進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)與升級，必定會實現(xiàn)機(jī)器與農(nóng)藝的良好融合，研發(fā)出既能滿足小區(qū)試驗要求又具有較高自動化、智能化的稻麥繁育收獲機(jī)械。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，可從以下5方面著手。

(1)鑒于當(dāng)前的形勢，為了更好地作業(yè)，稻麥繁育收獲機(jī)應(yīng)朝著高效、低損、自凈效果強(qiáng)和測產(chǎn)系統(tǒng)可靠的方向發(fā)展，同時應(yīng)加大科研投入，使稻麥繁育收獲機(jī)越來越精準(zhǔn)化、智能化和操作簡潔化。

(2)從提高機(jī)械本身的作業(yè)精度和提高試驗數(shù)據(jù)的精確度兩方面著手，以保障稻麥小區(qū)育種試驗收獲環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性[17]。

(3)在研發(fā)配有精密傳感器的高精尖水準(zhǔn)稻麥繁育收獲機(jī)的同時，研發(fā)適用于發(fā)展中國家或小型育種單位的簡易型稻麥繁育收獲機(jī)，以滿足不同消費(fèi)需求。

(4)在提升稻麥小區(qū)育種試驗收獲環(huán)節(jié)機(jī)械化水平與精度的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對種子加工處理和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的科研投入，全面提高稻麥小區(qū)育種試驗各環(huán)節(jié)的智能化水平，進(jìn)一步提升每個作業(yè)環(huán)節(jié)的精度，以保證稻麥小區(qū)育種試驗的準(zhǔn)確性。

(5)加速“產(chǎn)學(xué)研一體化”進(jìn)程，加大科研成果轉(zhuǎn)化力度，使稻麥繁育收獲機(jī)逐步實現(xiàn)系列化、產(chǎn)業(yè)化[18]。