食葵機(jī)械收獲研究現(xiàn)狀與展望

李 斌，孫曉曉，劉 洋※，牛國(guó)梁，王士國(guó)，董云成

（1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆石河子 832001；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

0 引言

食用型向日葵，簡(jiǎn)稱“食葵”，籽粒大，皮殼厚，果皮多為黑白底紋。食葵生育期短、適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)土壤條件、產(chǎn)地環(huán)境、生態(tài)氣候等要求較低，因此種植成本低、收益高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017 年中國(guó)食葵種植面積為50.67 萬hm2，主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、甘肅和東北等地區(qū)[1-3]。

目前我國(guó)食葵機(jī)械化收獲處于起步階段，主要以人工為主，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低和收獲成本高等問題[4]。在食葵全程機(jī)械化生產(chǎn)中，機(jī)械化收獲是關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。

1 國(guó)外食葵機(jī)械收獲研究現(xiàn)狀

國(guó)外食葵收獲機(jī)大多為自走式食葵收獲機(jī)，廣泛采用液壓驅(qū)動(dòng)、電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)，利用GPS輔助系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理，具有高效率、精準(zhǔn)化、低損傷等特點(diǎn)，通過更換不同功能的割臺(tái)，適應(yīng)不同產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。機(jī)具仿形能力強(qiáng)，對(duì)崎嶇田地適應(yīng)能力強(qiáng)，可適用于大規(guī)模種植[6]。典型的產(chǎn)品有Claas Lexion 750、New Holland公司TC系列和John Deere W230 等聯(lián)合收獲機(jī)。

Claas Lexion 750 自走式食葵收割機(jī)（圖1）主要由割臺(tái)、脫粒系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、莖稈粉碎系統(tǒng)、儲(chǔ)料倉(cāng)和駕駛室等組成。該機(jī)可根據(jù)食葵的高度自動(dòng)匹配設(shè)置切割參數(shù)，可適應(yīng)不同株高，可在駕駛室內(nèi)直接實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦面和定刀的調(diào)整以及摟草與收割之間的轉(zhuǎn)換。動(dòng)力行走系統(tǒng)配有履帶，可適應(yīng)多種地況，與GPS 系統(tǒng)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向。最新的莖稈粉碎器和機(jī)械式驅(qū)動(dòng)的莖稈撒播器極大降低了籽粒含雜率。脫粒系統(tǒng)具有預(yù)脫粒分離系統(tǒng)，分離更徹底，脫粒滾筒為封閉式，可提高籽粒質(zhì)量。清選裝置配有高效率風(fēng)機(jī)以及可識(shí)別傾斜狀態(tài)和自動(dòng)仿形的振動(dòng)篩，螺旋式卸粒裝置使卸料更快。該機(jī)集機(jī)—電—液于一體，將自動(dòng)化與智能化有效結(jié)合，顯著提高了收獲效率[7-10]。

圖1 Claas Lexion 750 自走式聯(lián)合收獲機(jī)

New Holland 公司生產(chǎn)的TC 系列食葵收獲機(jī)（圖2）主要由割臺(tái)、脫粒系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和糧倉(cāng)等組成。該機(jī)割臺(tái)裝置包括撥禾輪、連續(xù)作業(yè)的刀具和伸縮扒齒，這些裝置能夠確保作物的進(jìn)給速度始終一致，由于配備快速割臺(tái)耦合系統(tǒng)，作業(yè)時(shí)可加快速度，不易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。割臺(tái)高度自動(dòng)控制，自動(dòng)修正喂入量過大，同時(shí)適應(yīng)崎嶇的田地狀況。脫粒系統(tǒng)配備了“雙滾筒”旋轉(zhuǎn)式分離器，額外的凹板及附設(shè)的摩擦和導(dǎo)向變化可提高分離效率。清選系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整振動(dòng)篩，引導(dǎo)籽粒均勻分布于篩板，預(yù)篩板的設(shè)計(jì)確保了高效清選，風(fēng)機(jī)可自動(dòng)適應(yīng)作業(yè)方向以及坡度[11]。

圖2 TC 系列聯(lián)合收獲機(jī)

John Deere W230 食葵收割機(jī)（圖3），其柔性仿形割臺(tái)可根據(jù)田間作業(yè)自動(dòng)調(diào)整作業(yè)速度及割茬高度，通過快速掛接結(jié)構(gòu)，短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)割臺(tái)的掛接與分離。該機(jī)配備了大型主動(dòng)分離的伸縮桿齒橫向滾筒，可大幅度強(qiáng)化分離作用，提高籽粒質(zhì)量和降低作物破碎率，滾筒轉(zhuǎn)速采用無級(jí)變速式，滾筒與凹板間隙可調(diào)整。清選系統(tǒng)的雙層魚鱗篩能夠增大清選面積，配備的導(dǎo)風(fēng)板直板渦殼風(fēng)扇能夠提高清選性能。該機(jī)用途廣泛，動(dòng)力強(qiáng)勁穩(wěn)定，可靠性高[12]。

圖3 John Deere W230 聯(lián)合收獲機(jī)

自走式食葵收獲機(jī)可一次性完成食葵摘盤、脫粒、清選、裝倉(cāng)和卸糧，作業(yè)過程不需要人工輔助，同時(shí)可進(jìn)行多行作業(yè)，作業(yè)效率高，零部件之間結(jié)構(gòu)緊湊。但其設(shè)施配備齊全導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，價(jià)格昂貴，作業(yè)模式不符合我國(guó)食葵機(jī)械收獲方式，因此制約了該機(jī)型在我國(guó)的使用與發(fā)展[13]。

2 國(guó)內(nèi)食葵機(jī)械收獲研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在食葵收獲時(shí)通常將晾曬環(huán)節(jié)前置，即在收獲作業(yè)前進(jìn)行插盤晾曬。食葵經(jīng)晾曬后，葵盤籽孔變大，更易脫粒且種皮保存良好，所以國(guó)內(nèi)食葵機(jī)械收獲分為兩種，分段式收獲和一次性機(jī)械收獲[14]。

分段式收獲將食葵收獲作業(yè)分為人工取盤和機(jī)械脫粒、清選兩個(gè)部分，先是由人工將插盤晾曬后的葵盤取下，脫粒和清選等工序一般由食葵取籽機(jī)完成，分段式收獲對(duì)食葵的類型和株高要求不高，因此適應(yīng)性強(qiáng)，收獲的食葵籽粒不易破損，極大地降低了籽粒損失率，提高了食葵收獲質(zhì)量，但由于人工收獲勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低生產(chǎn)成本高，嚴(yán)重制約了食葵產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展[15]。

一次性機(jī)械收獲是指食葵在經(jīng)插盤晾曬后，食葵收獲機(jī)在田間一次性完成摘盤、脫粒和清選等工序，具有作業(yè)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度和人工成本低等優(yōu)點(diǎn)，更適合我國(guó)食葵收獲的大環(huán)境[16-17]。

食葵收獲工藝流程如圖4 所示：

圖4 食葵收獲工藝流程圖

目前我國(guó)食葵收獲機(jī)還處于研究和生產(chǎn)的起步階段，大多數(shù)科研人員在小麥、玉米等作物聯(lián)合收獲機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)割臺(tái)和脫粒裝置進(jìn)行研究試驗(yàn)，已取得一定成果。我國(guó)設(shè)計(jì)的食葵收獲機(jī)可分為三類：牽引式食葵收獲機(jī)、互換割臺(tái)式食葵收獲機(jī)和背負(fù)式食葵收獲機(jī)。

2.1 牽引式

牽引式食葵收獲機(jī)可一次性完成食葵摘盤、脫粒、清選、裝倉(cāng)和卸糧。該機(jī)由拖拉機(jī)動(dòng)力牽引，通過牽引架與拖拉機(jī)掛接，但目前大多數(shù)牽引式食葵收獲機(jī)仍處于室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試階段。

白金牛等[18]設(shè)計(jì)的牽引式食葵收獲機(jī)主要由提升輸送裝置、脫粒器、螺旋集粒裝置和風(fēng)力清選裝置等組成，螺旋葉片將葵盤切割，再通過提升輸送機(jī)將葵盤傳送提升至脫粒器進(jìn)行脫粒，該機(jī)可一次性收獲6 行食葵，收割效率高。

許美珍等[19]設(shè)計(jì)的牽引式食葵頭收割機(jī)包括機(jī)架、旋轉(zhuǎn)刀架和分株板等，旋轉(zhuǎn)刀架為三頭刀架，每個(gè)分株板之間存在一定的距離，可將食葵分開并卡死，再由旋轉(zhuǎn)刀頭切割食葵莖稈，切下的葵頭由進(jìn)料口進(jìn)入機(jī)殼。該機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)多行快速準(zhǔn)確收割，具有對(duì)地形通用性強(qiáng)和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，但在其旋轉(zhuǎn)刀架切割食葵莖稈的過程中易產(chǎn)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致葵盤掉落，籽粒受損。

菅志亮等[20-21]設(shè)計(jì)的4ZXRKS-4 型食用向日葵收獲機(jī)主要由割臺(tái)、攪龍、過橋、脫粒機(jī)構(gòu)、清選機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)等組成，該機(jī)集摘盤、脫粒、分選和籽粒收集為一體。收割時(shí)，割臺(tái)自動(dòng)調(diào)節(jié)高度，從葵盤的根部切割，使葵盤180°翻轉(zhuǎn)，籽粒向上，不易灑落，可使雜質(zhì)減少。在提升過程中使用離心式風(fēng)機(jī)減少籽粒與過道摩擦，達(dá)到不傷皮和風(fēng)干快的效果。

牽引式食葵收獲機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)地面適應(yīng)能力強(qiáng)，作業(yè)性能穩(wěn)定，但由于整機(jī)過長(zhǎng)，轉(zhuǎn)彎半徑大，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)復(fù)雜，靈活性差，作業(yè)時(shí)需要人工調(diào)整。當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時(shí)，存在嗑籽、撒籽現(xiàn)象，且作業(yè)負(fù)荷加大時(shí)，機(jī)器易損壞[13]。

2.2 互換割臺(tái)式

利用市場(chǎng)上現(xiàn)有油葵收獲機(jī)，將油葵割臺(tái)換成食葵割臺(tái)，完成收獲食葵作業(yè)。割臺(tái)前端分禾器引導(dǎo)食葵莖稈喂入，弧形板將插稈的葵盤取下，再由撥禾輪向后撥送，完成取盤作業(yè)[17]。

康秀生等[22]設(shè)計(jì)了一種食葵收獲割臺(tái)，主要由撥稈，分禾器和傳送裝置等組成。食葵莖稈進(jìn)入分禾器組件間隙，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將食葵植株逐一往兩側(cè)分流到脫盤缺口，拖拉機(jī)向前移動(dòng)將葵盤從脫盤缺口內(nèi)抽出，落入分禾器，再輸送到給定位置，代替人工取盤，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲。該機(jī)構(gòu)采用抽稈的方式，可減少莖稈帶入的雜質(zhì)。

穆建新等[23]設(shè)計(jì)了一種食葵收獲割臺(tái)機(jī)，該機(jī)包括若干傳送帶和集籽箱，傳送帶并排傾斜放置，傾斜角度為30°，傳送帶之間設(shè)有分離器。作業(yè)時(shí)，分禾器將食葵推入兩個(gè)傳送帶之間，在分合器作用下葵盤與莖稈分離，傳送帶將葵盤向上輸送，進(jìn)入脫粒滾筒。

韓長(zhǎng)杰等[24]設(shè)計(jì)了一種食葵采收臺(tái)，該機(jī)主要由機(jī)架、撿拾裝置、輸送裝置、集盤箱和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。動(dòng)力輸出軸通過動(dòng)力傳動(dòng)帶動(dòng)滾筒盤轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒盤帶動(dòng)彈齒旋轉(zhuǎn)，將葵盤挑起，從而落入傳送裝置，傳送裝置把葵盤向右側(cè)集攏，并輸送至集盤箱，完成撿拾作業(yè)。該機(jī)模仿人工方式將葵盤取下后直接拋入傳送裝置，可避免多道工序所造成的籽粒損失，該機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

互換割臺(tái)式食葵收獲機(jī)可一機(jī)多用，具有通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和作業(yè)效率高等特點(diǎn)，但取盤過程中易造成籽粒損失，制約了互換割臺(tái)式食葵收獲機(jī)在我國(guó)的使用與發(fā)展。

2.3 背負(fù)式

背負(fù)式食葵收獲機(jī)（圖5）主要由撿拾裝置、輸送裝置、脫粒裝置和清選裝置等組成，可一次性完成脫粒、清選、裝倉(cāng)和卸糧，目前在市場(chǎng)上使用率較高，已被大多數(shù)農(nóng)戶接受。

圖5 背負(fù)式食葵收獲機(jī)

吳強(qiáng)明[25]等設(shè)計(jì)了一種食葵收獲機(jī)，主要由脫粒裝置和輸送裝置組成。田間作業(yè)時(shí)，人工將曬干的葵盤取下放入葵花倉(cāng)，再由輸送橋?qū)}(cāng)內(nèi)收集的葵盤送至脫粒機(jī)構(gòu)進(jìn)行脫粒。該機(jī)作業(yè)時(shí)可減少拉運(yùn)、分離等諸多工序，省工高效。

新疆豐達(dá)機(jī)械制造有限公司研制的食葵收獲機(jī)（圖6）適用于田間晾曬后的食葵收獲作業(yè)，可一次性完成脫粒、裝倉(cāng)和卸糧。該作業(yè)機(jī)主要由撿拾裝置、螺旋升運(yùn)裝置、脫粒裝置和清選裝置等組成。該機(jī)使用食葵專用型脫粒滾筒，脫?？臻g及速度均可調(diào)整，可減輕籽粒破損。卸料時(shí)通過液壓缸翻轉(zhuǎn)傾倒，可減少卸料過程中對(duì)籽粒的損傷，清選裝置通過設(shè)置風(fēng)機(jī)可降低籽粒含雜率[26]。

圖6 新疆豐達(dá)機(jī)械制造有限公司背負(fù)式食葵收獲機(jī)

張雙俠等[27]設(shè)計(jì)了一種背負(fù)式食葵聯(lián)合收獲機(jī)。該機(jī)主要由分行器、撥禾輪、收割裝置、傳送裝置和脫粒裝置等組成。食葵莖稈喂入分行器，在撥禾輪的作用下收割裝置將葵盤切割，在攪龍的作用下葵盤被傳送裝置運(yùn)輸至脫粒裝置進(jìn)行脫粒，籽粒在清選篩和風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入收集箱。該機(jī)可根據(jù)食葵莖稈的高低調(diào)整割臺(tái)至最佳位置，以適應(yīng)不同品種的葵花收獲，且制造成本低。但在收割前需人工進(jìn)行葵盤插盤晾曬，插盤晾曬后的葵盤含水率低，撥禾輪與葵盤表面接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦易造成籽粒損失。

背負(fù)式食葵收獲機(jī)與拖拉機(jī)之間連接緊密，結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)彎半徑較小，作業(yè)方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格適中，其脫粒后所含雜質(zhì)較少，籽粒的清潔度和機(jī)具的利用率均有所提高。但該機(jī)需人工摘盤，從而造成勞動(dòng)強(qiáng)度大，收獲成本高，同時(shí)也受拖拉機(jī)類型的限制[17]。

3 我國(guó)食葵機(jī)械收獲存在的問題

3.1 關(guān)鍵技術(shù)未突破

機(jī)具作業(yè)速度過高，部分葵盤被打落，存在嗑籽和撒籽現(xiàn)象，使人工復(fù)收量增加，因此大多數(shù)食葵收獲機(jī)收獲時(shí)在慢速擋作業(yè)，導(dǎo)致作業(yè)效率低。食葵脫出物成分、形態(tài)特性差異顯著，空氣動(dòng)力特性復(fù)雜，給分離清選造成困難，常犧牲含雜率來保證籽粒損失率，導(dǎo)致機(jī)具收獲指標(biāo)不穩(wěn)定。

3.2 通用性差、智能化程度低

我國(guó)食葵種植模式多樣，食葵種類和株高不同，收獲前要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行機(jī)具調(diào)試，機(jī)具行距適應(yīng)性差，不能跨區(qū)作業(yè)，影響了食葵機(jī)械收獲的通用性，加之收割時(shí)地里的雜草較多，易造成割臺(tái)的堵塞，作物秸稈留茬較高，不利于耕整地作業(yè)?，F(xiàn)有食葵收獲機(jī)自動(dòng)化與智能化技術(shù)結(jié)合應(yīng)用較少，缺乏對(duì)割臺(tái)高度自動(dòng)調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)檢測(cè)的研究。

3.3 無適合的食葵專用收獲機(jī)械

目前現(xiàn)存的食葵收獲機(jī)一部分是基于小麥等作物收獲機(jī)改裝而來，另一部分改裝自國(guó)外的食葵收獲機(jī)。由于食葵與小麥等作物的生物特性存在差異，導(dǎo)致莖稈與籽粒難以分離。借鑒了國(guó)外食葵收獲技術(shù)而未考慮國(guó)內(nèi)外食葵種植模式的差異，因此對(duì)食葵的適應(yīng)性差，脫粒性能和清選性能不達(dá)標(biāo)。

4 我國(guó)食葵機(jī)械收獲發(fā)展建議

4.1 開展關(guān)鍵裝置的研究

在滿足食葵機(jī)械收獲作業(yè)要求的同時(shí)，通過對(duì)食葵脫出物物料特性測(cè)定，對(duì)食葵采收機(jī)械的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使機(jī)器在高速作業(yè)時(shí)作業(yè)速度與作業(yè)質(zhì)量相適應(yīng)。嘗試新材料、新工藝調(diào)整結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)符合作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的清選裝置，進(jìn)而收獲高質(zhì)量的食葵籽粒。

4.2 提高食葵機(jī)械收獲的通用性和智能化

尋找食葵的共性，通過調(diào)整關(guān)鍵裝置工作參數(shù)或更換部分零部件實(shí)現(xiàn)不同種類和種植模式的食葵機(jī)械化收獲，提高食葵機(jī)械收獲通用性。在滿足機(jī)械性能的條件下，借鑒國(guó)外成熟的食葵機(jī)械收獲經(jīng)驗(yàn)，有效地將智能化控制和實(shí)時(shí)作業(yè)檢測(cè)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)—液—?dú)庖惑w化，有利于提高食葵機(jī)械收獲可操作性和智能化。

4.3 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的結(jié)合

培育高質(zhì)量且與食葵收獲作業(yè)相適應(yīng)的新品種，根據(jù)各地區(qū)的種植特點(diǎn)制定符合機(jī)械收獲的統(tǒng)一種植模式，如作業(yè)間距、播種方式等，使農(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)藝相結(jié)合，可大幅度促進(jìn)我國(guó)食葵機(jī)械收獲的發(fā)展。

5 結(jié)論

隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的流失，我國(guó)對(duì)高端農(nóng)機(jī)裝備越來越重視，我國(guó)可借鑒國(guó)外相關(guān)機(jī)型的成功經(jīng)驗(yàn)，有重點(diǎn)地對(duì)我國(guó)食葵收獲機(jī)進(jìn)行研究，研究食葵收獲機(jī)的關(guān)鍵裝置，提高食葵機(jī)械收獲的通用性和智能化，加大農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的結(jié)合，研制出符合我國(guó)種植模式的食葵收獲機(jī)，促使食葵收獲機(jī)械向規(guī)?；?、精準(zhǔn)化、高效化和智能化發(fā)展。