甜菜播種與收獲機組作業(yè)效率的測試分析

盧秉福，劉 娜，於麗華，張文彬，劉曉雪

（1黑龍江大學(xué)/國家糖料改良中心，哈爾濱 150080；2北京工商大學(xué)經(jīng)濟學(xué)院，北京 100048）

0 引言

蔗糖是食品加工行業(yè)中不可替代的重要原料。蔗糖產(chǎn)業(yè)看似小，卻事關(guān)國家發(fā)展大局，與老百姓的實際生活息息相關(guān)[1]。甜菜作為制糖的重要原料之一，在中國種植已有116年的歷史[2-3]，已成為黑龍江、內(nèi)蒙古和新疆及鄰近省、區(qū)的優(yōu)勢農(nóng)作物[4-5]，甜菜制糖亦成為當(dāng)?shù)匕l(fā)展區(qū)域經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)[6-7]。甜菜種植比玉米、小麥、大豆、馬鈴薯等作物更費工時[8]，隨著農(nóng)村勞動力價格的急劇上升[9-10]，在主要競爭作物基本實現(xiàn)機械化的情況下，加快甜菜生產(chǎn)機械化的發(fā)展已成為唯一選擇。目前中國甜菜生產(chǎn)機械化水平已達到90%[11-12]，個別地區(qū)甚至達到95%以上，在此背景下，依據(jù)甜菜機械作業(yè)效率優(yōu)化機組配置，減低作業(yè)成本、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。至今為止，中國甜菜機械作業(yè)效率方面的研究工作尚屬空白，但中國學(xué)者在玉米、小麥、大豆等作物領(lǐng)域亦開展了相關(guān)的研究工作，孔德剛等[13-14]對小麥、大豆播種和小麥?zhǔn)斋@機組作業(yè)分別進行了分析，找出了影響作業(yè)效率和經(jīng)濟性的原因，提出了機組的合理運用模式；黃小毛等[15]利用計算機技術(shù)優(yōu)化組作業(yè)模式，為提高機組作業(yè)效率提供了解決方案；黃小毛等[16]在給出作業(yè)路徑規(guī)劃優(yōu)化目標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，提出“兩步優(yōu)化法”，先以最短路徑為優(yōu)化目標(biāo)規(guī)劃初始作業(yè)路徑，然后考慮消耗品的補給與續(xù)作問題；王濤等[17]、楊博等[18]利用北斗導(dǎo)航技術(shù)、GIS技術(shù)、無線通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)系統(tǒng)幫助農(nóng)機組織實施精準(zhǔn)調(diào)度、實時監(jiān)控、統(tǒng)計分析、地圖查詢，合理安排作業(yè)，提高了機組作業(yè)效率。20世紀80年代日本就已經(jīng)對甜菜機組作業(yè)效率開展了全方位的研究[19]，確定了機組的標(biāo)準(zhǔn)（平均）作業(yè)效率和高、低作業(yè)效率的參考值，為機組合理配備提供了依據(jù)。甜菜機械化作業(yè)具有較強的季節(jié)性，特別是播種和收獲作業(yè)對甜菜產(chǎn)質(zhì)量影響很大[20]。為了科學(xué)合理運用甜菜生產(chǎn)機具，最大程度地發(fā)揮其潛力，本研究借鑒日本甜菜機械和國內(nèi)大田作物機械作業(yè)效率方面的研究經(jīng)驗，開展甜菜機械作業(yè)效率方面的研究工作，科學(xué)分析影響機組作業(yè)因素，合理匹配工作機具和編制機組，為提高甜菜機械化作業(yè)的生產(chǎn)率提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與地點

2019年5月5日—6日在黑龍江省依安縣紅星鄉(xiāng)互助村和紅旗村進行甜菜播種機組作業(yè)效率實驗測試，2019年10月5日—8日在上述地塊測試甜菜切頂機和挖掘裝載機機組作業(yè)效率，測試地塊面積分別為20 hm2和16 hm2，壟長分別為620 m和500 m，行距66 cm，株距18 cm。

1.2 試驗機組

甜菜播種機組配套動力為Deer554拖拉機，播種機為2BFMQ-2型氣吸式精量播種機，種子為荷蘭安地公司H809丸化單粒種，肥料為顆粒狀甜菜專用肥，機組作業(yè)人數(shù)2人，駕駛員為男性41歲農(nóng)機手，有10年以上的農(nóng)機駕駛經(jīng)驗，技術(shù)熟練；甜菜切頂機組配套動力為Deer554拖拉機，切頂機為4TQ-2型甜菜打葉切頂機，前端旋轉(zhuǎn)鏈條將甜菜莖葉打碎，尾端切刀將甜菜青頂切除，機組作業(yè)人數(shù)1人，駕駛員為男性28歲農(nóng)機手，技術(shù)熟練；甜菜收獲機組配套動力為Deer554拖拉機，收獲機為4TW-2型甜菜挖掘裝載機，輪式挖掘器，挖掘作業(yè)時配2臺四輪拖拉機牽引載重4 t料箱裝運甜菜，機組作業(yè)人數(shù)3人，駕駛員為男性25～40歲農(nóng)機手，技術(shù)熟練。

1.3 測試方法

測試儀器及工具主要有秒表、皮尺、鋼卷尺等。通過資料調(diào)查和現(xiàn)場測試，查明機組作業(yè)地塊的面積、壟長、行距、株距等參數(shù)。使用秒表記錄機組作業(yè)過程中的總作業(yè)、田間轉(zhuǎn)向、故障排除、檢查調(diào)整、加種子肥料、異常停機、更換地塊等內(nèi)容的時間，并記錄作業(yè)現(xiàn)場發(fā)生的詳細事項，然后進行匯總分析，計算出甜菜機械機組作業(yè)效率，見公式(1)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實際測得的數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 機組作業(yè)的影響因素

甜菜播種是甜菜生產(chǎn)機械化作業(yè)最為關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量的好壞直接影響甜菜出苗率和成苗率，對甜菜產(chǎn)量有著至關(guān)重要的影響；甜菜收獲是甜菜生產(chǎn)的最后環(huán)節(jié)，在收獲條件適宜的情況下，甜菜機械收獲損失率為5%左右，而在收獲條件不適宜的情況下，甜菜機械收獲損失率高達18%[21]。在保證作業(yè)質(zhì)量的前提下，甜菜播種與收獲作業(yè)中，影響機組作業(yè)效率的主要因素有土壤條件、農(nóng)藝技術(shù)、機組配置、作業(yè)時間4個一級指標(biāo)以及地塊的大小與形狀、土壤含水量、整地質(zhì)量、作業(yè)精度、株行距配置、配套動力、工作部件類型、作業(yè)速度、故障排除時間和機手技術(shù)水平等32項二級指標(biāo)和64項三級指標(biāo)，見表2。在一級指標(biāo)中土壤條件和機組配置是影響甜菜收獲機械作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，在二級指標(biāo)中，地塊的大小和形狀、土壤含水量、整地質(zhì)量、作業(yè)精度、配套動力、工作部件類型、作業(yè)速度、機手技術(shù)水平是影響機組作業(yè)效率的重要因素。分析機組作業(yè)效率的影響因素，研究提高甜菜播種與收獲機組作業(yè)效率的方法，科學(xué)合理地制定機具的選型配備計劃，保障機組的牽引效率，應(yīng)盡可能實現(xiàn)機組大型化、高速化、復(fù)合化，以提高作業(yè)效率。

表2 甜菜播種與收獲作業(yè)效率的影響因素

2.2 機組作業(yè)時間

甜菜機組在作業(yè)時間內(nèi)純作業(yè)時間與總作業(yè)時間之比稱為作業(yè)效率。機組作業(yè)時間可分為總作業(yè)時間、實際作業(yè)時間、輔助作業(yè)時間和承接作業(yè)時間，其中實際作業(yè)時間包括純作業(yè)時間和田間調(diào)頭時間，輔助作業(yè)時間包括故障排除時間、檢查調(diào)整時間、加種子肥料時間，承接作業(yè)時間包括異常停機時間和地塊轉(zhuǎn)移時間。在田間以外的機組檢查調(diào)整時間、技術(shù)保養(yǎng)時間、加油時間和機庫到田間所耗時間不予考慮。表3為實測的甜菜播種機組、甜菜打葉切頂機組和甜菜挖掘裝載機組作業(yè)時間。

表3 甜菜播種和收獲機組作業(yè)時間 s

3 甜菜播種與收獲機作業(yè)效率

3.1 甜菜播種機作業(yè)效率

甜菜播種機組作業(yè)中純作業(yè)時間、田間調(diào)頭時間、故障排除時間、檢查調(diào)整時間、加種子肥料時間、異常停機時間和地塊轉(zhuǎn)移時間占總作業(yè)時間的比率見圖1。由圖1可知甜菜播種機組作業(yè)效率為63.99%，略低于日本甜菜播種作業(yè)效率的69%[22]。在播種作業(yè)中實際作業(yè)時間占79.40%，田間調(diào)頭占比較高，達15.41%，這受地塊的大小、形狀和田間道路影響較大[23]；輔助作業(yè)時間占12.51%，其中故障排除、檢查調(diào)整和加種子肥料時間分別占4.87%、3.52%和4.12%；承接作業(yè)時間占8.09%，其中異常停機和地塊轉(zhuǎn)移分別占2.38%和5.71%。除實際作業(yè)時間外，故障排除和檢查調(diào)整用時最多，占比達8.39%，機組發(fā)生故障、檢查調(diào)整與機組人員技術(shù)水平和機組可靠性有關(guān)，尤其是機組的技術(shù)水平和可靠性更為重要[24]，這也說明機組人員技術(shù)水平和機組技術(shù)的先進性、作業(yè)的可靠性還有待提高；地塊轉(zhuǎn)移時間占比達5.71%，這與地塊大小和機組實際作業(yè)生產(chǎn)率有關(guān)，加種子肥料時間占4.12%，甜菜播種為精量點播，丸?；N子，播種量較小，肥料為專用肥，加肥時較費體力和時間，異常停機主要是由于因組織管理不善引起的待工和機手休息時間，如物料運送不及時等[25]，占比達到2.38%，在實際作業(yè)時需要合理安排和管理。

圖1 甜菜播種機組各項作業(yè)時間分布

3.2 甜菜打葉切頂機作業(yè)效率

甜菜打葉切頂機組作業(yè)中純作業(yè)時間、田間調(diào)頭時間、故障排除時間、檢查調(diào)整時間、加種子肥料時間、異常停機時間和地塊轉(zhuǎn)移時間占總作業(yè)時間的比率見圖2。由圖2可知甜菜打葉切頂機組作業(yè)效率為60.51%，介于日本甜菜分段式收獲標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)效率55%和較高作業(yè)效率66%之間[22]。在打葉切頂作業(yè)中實際作業(yè)時間占72.30%，其中田間調(diào)頭時間占11.79%；輔助作業(yè)時間占15.29%，其中故障排除和檢查調(diào)整時間分別占8.26%和7.03%；承接作業(yè)時間占12.47%，其中異常停機和地塊轉(zhuǎn)移分別占4.71%和7.70%。除實際作業(yè)時間外，故障排除和檢查調(diào)整用時最多，這與機組人員技術(shù)水平和機組可靠性有關(guān)，主要原因還是國產(chǎn)甜菜打葉切頂機質(zhì)量與國外甜菜收獲機比較質(zhì)量還處于較低水平，故障多、可靠性差[26]，機組人員技術(shù)水平和機組作業(yè)的可靠性還有待提高；地塊轉(zhuǎn)移時間占比達7.70%，這與甜菜規(guī)?；N植有關(guān)；異常停機主要是由于因組織管理不善造成的窩工和機手休息時間，占比達到4.71%，在實際作業(yè)時需要合理安排和管理。

圖2 甜菜打葉切頂機組各項作業(yè)時間分布

3.3 甜菜挖掘裝載機作業(yè)效率

甜菜挖掘裝載機組作業(yè)中純作業(yè)時間、田間調(diào)頭時間、故障排除時間、檢查調(diào)整時間、異常停機時間和地塊轉(zhuǎn)移時間占總作業(yè)時間的比率見圖3。由圖3可知甜菜播種機組作業(yè)效率為64.32%，介于日本甜菜分段式收獲標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)效率55%和較高作業(yè)效率66%之間[22]。在甜菜挖掘裝載作業(yè)中實際作業(yè)時間占74.24%，其中田間調(diào)頭時間占9.92%；輔助作業(yè)時間占12.54%，其中故障排除、檢查調(diào)整和加種子肥料時間分別占7.01%和5.53%；承接作業(yè)時間占13.22%，其中異常停機和地塊轉(zhuǎn)移分別占5.15%和8.07%。除實際作業(yè)時間外，地塊轉(zhuǎn)移用時最多，盡管甜菜種植規(guī)模較大，但地塊較小是地塊轉(zhuǎn)移耗時較多的主要原因，異常停機主要是由于因組織管理不善引起的待工和機手休息時間，以及運轉(zhuǎn)車與挖掘機配合不夠默契，銜接耗時較多的原因。故障排除和檢查調(diào)整用時較多，引起原因與打葉切頂機的原因一致，急需提高甜菜挖裝載機技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量；在挖掘裝載過程中，2臺四輪拖拉機配合挖掘機作業(yè)運送甜菜，在銜接上也會影響作業(yè)效率[27]。此外，收獲損失率也比較高，農(nóng)戶在收獲后的地塊有雇工和運輸車撿拾漏挖、漏檢的塊根，這也從另一方面證明國產(chǎn)甜菜收獲機的質(zhì)量有待提高。

圖3 甜菜挖掘裝載機組各項作業(yè)時間分布

4 討論

4.1 提高機組純作業(yè)時間的比率

目前中國甜菜生產(chǎn)機械化水平已達到90%以上，甜菜播種機與收獲機以國產(chǎn)為主[28-29]，與進口甜菜播種機與收獲機比較[30]，無論是技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量，還是機械可靠性等方面都有很大差距[31-32]，因此，可以說中國甜菜機械化是建立在低技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量上的較高的機械化作業(yè)水平。此外，目前甜菜作業(yè)機組的動力機械以中小型拖拉機為主，大型拖拉機較少[33]，配套的甜菜播種機和收獲機不足且不均衡，在播種和收獲季節(jié)，經(jīng)常發(fā)生不能在最佳時期進行作業(yè)，造成甜菜減產(chǎn)[34]。在生產(chǎn)中應(yīng)盡可能降低輔助作業(yè)和承接作業(yè)時間比率，提高機組純作業(yè)時間的比率可直接提高作業(yè)時間利用率。例如：優(yōu)化機組的運用管理，減少停機等待種子、化肥時間；提前檢修作業(yè)機械，保持技術(shù)完好狀態(tài)，避免出現(xiàn)排種、排肥堵塞，切刀與挖掘器堵塞等故障，減少故障排除和檢查調(diào)整時間；合理安排作業(yè)地塊，減少地塊轉(zhuǎn)移時間等。

4.2 甜菜作業(yè)機組合理配置

甜菜播種機和收獲機機組的動力選擇要根據(jù)土壤比阻、地塊的形狀和大小，田間道路等因素綜合平衡來選擇合適的拖拉機和配套農(nóng)具[35]，甜菜播種機既有通用型，也有專用型，而甜菜收獲機則屬于甜菜專用設(shè)備[36]。一般情況下，大型拖拉機功率大、附著性好，生產(chǎn)效率高，機組適于較大且規(guī)整地塊作業(yè)，但靈活性差、田間轉(zhuǎn)彎困難，作業(yè)成本高、易出現(xiàn)動力過剩等問題；而小型拖拉機功率小，生產(chǎn)效率低，與大型拖拉機組相比較更適于小土壤比阻、小地塊作業(yè)，小型拖拉機靈活性好，但易出現(xiàn)動力不足現(xiàn)象。中型拖拉機剛好在大型和小型二者之間。此外，甜菜播種機和收獲機作業(yè)時最好能夠?qū)嵭新?lián)合作業(yè)，以減少機組進地次數(shù)，降低土壤壓實，同時也能夠提高甜菜機組生產(chǎn)率。

5 結(jié)論

（1）甜菜播種與收獲機械作業(yè)效率受地塊的大小和形狀、土壤含水量、整地質(zhì)量、作業(yè)精度、配套動力、工作部件類型、作業(yè)速度、機手技術(shù)水平等因素的影響較大，在研究機組作業(yè)效率時應(yīng)準(zhǔn)確評估機組作業(yè)效率的影響因素，科學(xué)分析機組純作業(yè)時間、田間調(diào)頭時間、故障排除時間、檢查調(diào)整時間、加種子肥料時間、異常停機時間和地塊轉(zhuǎn)移時間占總作業(yè)事件的比率，努力克服不利因素的影響，保障機組的牽引效率，以提高作業(yè)效率。

（2）甜菜播種機組作業(yè)效率為63.99%，甜菜打葉切頂機組作業(yè)效率為60.51%，甜菜挖掘裝載機組作業(yè)效率為64.32%。在機組作業(yè)過程中田間調(diào)頭、地塊轉(zhuǎn)移時間占比較高，故障排除和檢查調(diào)整用時亦較多。田間調(diào)頭和地塊轉(zhuǎn)移時間占比較高與甜菜種植地塊大小、形狀、分布和機組作業(yè)幅寬等因素有關(guān)，故障排除和檢查調(diào)整用時較多與國產(chǎn)甜菜機械技術(shù)先進性、制造質(zhì)量還處于較低水平以及機組人員技術(shù)素質(zhì)不夠高有關(guān)。今后提高甜菜機械技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量及機手素質(zhì)是主要發(fā)展方向。

（3）甜菜機械作業(yè)效率對機組的配置十分重要，在甜菜播種與收獲機組配置時，要根據(jù)機組作業(yè)效率等因素對大、中、小型拖拉機和播種機、收獲機進行合理配置，同時優(yōu)化機組的運用管理，提前檢修作業(yè)機械，保持技術(shù)完好狀態(tài)，合理安排作業(yè)地塊，確保甜菜機械作業(yè)期內(nèi)可完成的作業(yè)面積。中國甜菜生產(chǎn)機械化水平已達到90%以上，但國產(chǎn)甜菜機械的整體技術(shù)水平和質(zhì)量還處于較低水平。未來隨著甜菜生產(chǎn)機械技術(shù)水平的提高，在使用過程中盡可能實現(xiàn)大型化、高速化，以提高作業(yè)效率，最大發(fā)揮機器優(yōu)勢。