向日葵收獲機械研究現(xiàn)狀及展望*

潘 峰 ， 李 斌 ， 韓 林 ， 趙 巖

（1.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；3.農業(yè)部西北農業(yè)裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000）

0 引言

向日葵是世界第四大油料作物，同時也是我國重要的經(jīng)濟作物和油料作物[1-5]。近10年我國向日葵年均種植面積大約在1 445萬畝，2021年約為1 600萬畝，位居世界第6位，年產量大約為313萬t[6-7]。我國向日葵種植主要集中在河套、呼包鄂、新疆和甘肅等地區(qū)，其中，油葵與食葵種植面積各占50%[8-10]。向日葵的生物特征為花盤可寬達30 cm，植株高1 m～3 m，生育期短，一般在85 d～120 d。其中，油葵植株特性較矮，花盤大小中等，種子較短小，果皮多為黑色，含油率高達40%～55%；食葵籽粒大，皮殼厚，果皮多為黑白底紋，是大眾不可缺少的零食之一，具有溫補陽氣、強身健體和預防貧血等功效[11]。

隨著人們生活質量的提升，對葵花油和葵花籽的需求量大大增加。收獲是向日葵大田生產的關鍵環(huán)節(jié)，也是勞動強度最大的作業(yè)環(huán)節(jié)，隨著農村勞動力逐漸向城市轉移，農村勞動力日益短缺已成為限制向日葵規(guī)?；N植的棘手問題。因此，大力攻克向日葵機械化收獲技術，研制先進適用的向日葵收獲裝備，是促進向日葵產業(yè)發(fā)展的當務之急[12-14]。

本文將對國內外向日葵收獲裝備展開歸納闡述，探討我國向日葵機械化收獲面臨的主要問題及發(fā)展趨勢，為研究高效機收作業(yè)模式、開發(fā)高性能收獲機械提供參考。

1 向日葵收獲機械研究現(xiàn)狀

按照作業(yè)工序，向日葵機械化收獲主要包括收割、脫粒、清選等關鍵環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)可依托核心技術形成獨立裝置分階段實施作業(yè)，即分段收獲；亦可兼容配套形成整機，開展聯(lián)合作業(yè)。

1.1 國外向日葵收獲裝備

國外向日葵種植時期早，收獲機械發(fā)展周期長，技術較為成熟，在收獲環(huán)節(jié)已完全實現(xiàn)機械化聯(lián)合作業(yè)[15-16]。并且國外向日葵種植地塊大而平整，種植模式與品種較統(tǒng)一，研發(fā)的聯(lián)合收獲機可實現(xiàn)較高的收獲效率。國外研制的聯(lián)合收獲機以自走式為主，不同機型的聯(lián)合收獲機主要區(qū)別在于割臺部分，通過更換不同類型的割臺和篩板，可適應不同作物，實現(xiàn)一機多收。自走式聯(lián)合收獲機作業(yè)效率高、適應性和仿形能力較強，適用于大規(guī)模種植的農場。其中，具有代表性的產品有紐荷蘭（NEW HOLLAND）CR880、約翰迪爾（JOHN DEERE）S690i和克拉斯（CLAAS）TUCANO 450等聯(lián)合收獲機。與聯(lián)合收獲機相匹配的向日葵割臺型號主要有MACDON FD2、GERINGHOFF SUNLITE Horizon和DRAGO Gold系列等。

紐荷蘭公司（NEW HOLLAND）的CR880型聯(lián)合收獲機如圖1所示，其配備麥克唐公司（MACDON）制造的FD2系列向日葵專用割臺，割臺如圖2所示，可一次性完成收割、脫粒、存儲和卸料作業(yè)。該割臺寬度達到12.2 m，采用雙轉子設計，與其他谷物類割臺的區(qū)別在于此割臺前方設有若干梳齒，能夠使向日葵莖稈更順利地進入割臺，割臺底部的往復式割刀組將向日葵的莖稈切斷，然后由撥禾器將向日葵卷入機器，卷入后，聯(lián)合收獲機對其進行脫粒、除雜等工序，每小時作業(yè)面積高達180畝。CR880型聯(lián)合收獲機主要由割臺控制系統(tǒng)、組合式脫粒分離系統(tǒng)、清選系統(tǒng)和儲料倉組成。該機型的凹板液壓調節(jié)系統(tǒng)帶有自動過載保護裝置，可通過無級變速器調節(jié)脫粒軸流滾筒轉速，提高脫粒效率；儲料倉容積達11 000 L，能容納10 t葵花籽，延長單次作業(yè)線，較高的卸糧速度也縮短了卸糧間隔，在兩者的共同作用下，具有動力匹配充足、脫凈率高等優(yōu)點，極大地提升了收獲效率。

圖1 NEW HOLLAND CR880型聯(lián)合收獲機

圖2 MACDON FD2系列向日葵專用割臺

約翰迪爾公司（JOHN DEERE）的S690i型聯(lián)合收獲機如圖3所示，配套如圖4所示的格林豪夫公司（GERINGHOFF）SUNLITE Horizon型向日葵專用割臺可高質高效完成向日葵收獲作業(yè)。該割臺采用對行作業(yè)形式，去掉了傳統(tǒng)的撥禾輪，避免撥禾輪轉動造成籽粒飛濺而降低產量；將傳動的扶禾器設計成扶禾槽，可使割臺前端全覆蓋式地接收散落的籽粒，扶禾槽中部設有輸送帶，能夠及時將收集的籽粒喂入聯(lián)合收獲機，避免浪費。S690i聯(lián)合收獲機的駕駛系統(tǒng)可與智能喂入量控制系統(tǒng)相結合，從而提高機具收割質量和工作效率；并且該機型配有單縱軸流脫粒分離系統(tǒng)，內部設有逐級放大的螺旋上蓋板，能夠在一拉一放間輕柔脫粒，減少籽粒的碰撞，提高脫粒質量；上蓋板的導流葉片角度可以通過電機調節(jié)，根據(jù)不同收獲作物、不同工作模式進行調節(jié)，從而獲得最佳的脫粒分離性能。該配套機型具有自動化程度高、收凈率高和破損率低等優(yōu)點。

圖3 JOHN DEERE S690i型聯(lián)合收獲機

圖4 GERINGHOFF SUNLITE Horizon型向日葵專用割臺

克拉斯公司（CLAAS）生產的TUCANO 450型聯(lián)合收獲機如圖5所示，主要由自動優(yōu)化系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、脫粒系統(tǒng)和清選系統(tǒng)等組成。該收獲機配有加速滾筒同步調節(jié)混合脫粒裝置，其自動脫粒分離系統(tǒng)可通過調節(jié)軸流脫粒滾筒轉速、脫粒凹板間距、脫粒筋板和脫粒凹板蓋板來優(yōu)化脫粒過程，提高脫粒效率。TUCANO 450型聯(lián)合收獲機在進行向日葵收獲作業(yè)時，通常選配卓收公司（DRAGO）的Gold系列向日葵專用割臺，如圖6所示。該割臺將傳統(tǒng)的機械傳動切割方式改進為液壓切割方式，割臺工作位置可以在駕駛室進行調整，打破了葵盤收獲高度和莖稈切割高度的限制；此割臺收割時將向日葵莖稈和葵盤分成兩部分作業(yè)，莖稈在地表附近被切割，而葵盤在距地表1.5 m左右被收獲，割臺只將葵盤喂入聯(lián)合收獲機，提高了收割工作的靈活性；并且，葵盤收獲環(huán)節(jié)先于莖稈切割環(huán)節(jié)，避免了因切割莖稈產生振動而損失籽粒的情況發(fā)生。該割臺將傳統(tǒng)扶禾器與新型扶禾槽相結合，并在扶禾槽中配備帶有特殊橡膠齒的籽粒收集鏈，共同組成扶禾裝置。扶禾槽可收集葵盤接觸割臺時散落的籽粒，再通過收集鏈輸送至進料口，收集鏈的橡膠齒能夠阻擋莖稈進入割臺，提高機具的收凈率。該割臺配合聯(lián)合收獲機，具有收獲效率高、籽粒損失率小等優(yōu)點。

圖5 CLAAS TUCANO 450型聯(lián)合收獲機

圖6 DRAGO Gold系列向日葵專用割臺

1.2 國內向日葵收獲機械研究現(xiàn)狀

1.2.1 主要收獲方式

向日葵已成為我國部分農民主要的經(jīng)濟作物之一，其種植區(qū)域主要分布在緯度較高的省區(qū)，人均種植面積較大，適合推廣機械化作業(yè)。而對于其他小面積分散種植的地區(qū)，實現(xiàn)農業(yè)機械化比較困難，從而導致我國各地的向日葵種植模式和品種差別較大，使得向日葵收獲作業(yè)成為比較棘手的問題。目前我國向日葵收獲主要有人工收獲、分段收獲和聯(lián)合收獲三種形式。

1）人工收獲。人工收割葵盤，將其晾曬后進行脫粒和清選，所有收獲工序全部依靠人工完成。該收獲方式勞動強度較大，生產率較低，并且容易受天氣影響，采用人工收獲方式的多為小規(guī)模種植戶和農業(yè)機械欠發(fā)達地區(qū)。

2）分段收獲。采用分段收獲方式時，食葵和油葵的收獲工序略有不同。食葵分段收獲時通常將晾曬工序前置，即收獲前先由人工完成插盤晾曬工序，晾曬后由人工或機械采摘收集葵盤，再利用機械完成脫粒和清選工序。油葵分段收獲通常是在油葵到達收獲期后，直接進行葵盤采摘、機械脫粒和清選工序。分段收獲對向日葵品種和株高的要求不高，因此適應性較強，收獲時葵花籽粒不易破損，提高了收獲質量；并且分段收獲還可以緩解陰雨天氣影響收獲的問題。但分段收獲方式的人工成本依然較高，因此僅適用于小規(guī)模種植戶。

3）聯(lián)合收獲。聯(lián)合收獲方式即通過聯(lián)合收獲機在田間一次性完成摘盤、脫粒和清選等所有作業(yè)工序。聯(lián)合收獲方式具有作業(yè)效率高、籽粒損失率小、收獲周期短和人工成本低等優(yōu)點，非常適合我國向日葵主產區(qū)的收獲作業(yè)，有利于促進我國向日葵產業(yè)發(fā)展。

1.2.2 主要割臺類型

目前我國向日葵聯(lián)合收獲機相關研究還處于起步階段，多數(shù)地區(qū)以人工采收為主，難以滿足大面積葵田收獲需要。為提高向日葵機械化收獲效率，國內大量科研工作者以玉米、小麥等作物聯(lián)合收獲機的割臺和脫粒裝置為基礎進行向日葵聯(lián)合收獲機研究試驗，發(fā)現(xiàn)向日葵收獲的關鍵問題在于缺少聯(lián)合收獲機配套的專用割臺[3-5]，這嚴重限制了我國向日葵收獲機械化的發(fā)展。近幾年，隨著向日葵種植規(guī)模的擴大，向日葵聯(lián)合收獲機及其專用割臺成為研發(fā)重點，目前有部分高校、研究院以及企業(yè)通過借鑒國外向日葵聯(lián)合收獲機和改裝國內其他谷物收獲機割臺進行向日葵收獲機割臺的研發(fā)，目前國內向日葵割臺根據(jù)撥禾裝置的功能結構差異，可分為撥禾鏈式割臺和撥禾板式割臺兩種類型[17-18]。

1）撥禾鏈式割臺的撥禾裝置主要采用鏈式結構。作業(yè)時，向日葵植株莖稈被分禾器錐形曲面向后引導，直至接觸到兩相鄰分禾器之間的撥禾鏈，并在后者的撥動下攜持運送至切割器處，進而切斷葵花莖稈，實現(xiàn)盤、稈分離。掉落的葵盤在撥禾裝置的持續(xù)作用下運送至輸送絞龍，再通過絞龍輸送至脫粒裝置和儲料箱中進行脫粒分離作業(yè)，進而完成收割作業(yè)流程。采用撥禾鏈扶禾，莖稈不易發(fā)生傾斜，有利于莖稈的切割，但實際作業(yè)效率偏低，且缺少籽粒補收裝置，收獲損失率較高。

為提升撥禾鏈式割臺作業(yè)效果，我國學者在功能結構設計、作業(yè)參數(shù)優(yōu)化等方面展開了大量研究，取得了較好的效果。張學軍等[19]為撥禾鏈式割臺配置拉莖輥裝置，能夠在撥禾鏈往后運輸向日葵莖稈的同時，拉動莖稈向下運動，從而減少收割時葵盤上莖稈的殘留，降低后續(xù)的脫粒含雜率。田間試驗結果表明：該割臺籽粒損失率可降低至3%，但作業(yè)速度還有待進一步提升。張凌杰等[20]設計了一種兼具拉莖、切割效果的拉莖輥，從而省去了切割器，簡化了割臺結構；在此基礎上，配置了籽粒補收裝置，減少了籽粒損失。田間試驗結果表明：該割臺工作穩(wěn)定可靠、原理可行，但存在收割通道易堵塞、葵盤甩出輸送器等問題，機械結構有待進一步優(yōu)化。劉羊等[17]設計的割臺采用回轉式切割器，相較于傳統(tǒng)的往復式切割器，莖稈割斷效果更佳且不易掉落籽粒。田間試驗結果表明：影響籽粒損失率與切割功率最主要的因素為回轉式切割器轉速。

2）撥禾板式割臺的撥禾裝置采用板式結構。作業(yè)時，借助撥禾板往下后方的撥送功能將植株送入往復式切割器完成盤、稈割離。該類型割臺的喂入效率高，且通常設有籽?；厥昭b置，收獲損失率較小。

國內對撥禾板式割臺的研究集中于分禾器結構、撥禾輪轉速和作業(yè)速度等方面。劉巍等[3]為油葵聯(lián)合收獲機設計出了一種專用的撥禾板式割臺，試驗表明：其在作業(yè)速度0.8 m/s、喂入量3.3 kg/s時，損失率僅為1.42%，收獲效果較好。黃小毛等[21]將分禾器替換為分禾扶禾收集槽裝置，該新型機構能夠收集因撥禾輪擊打和割臺振動而掉落的籽粒，使其隨著輸送帶一起進入絞龍，極大地減少了籽粒損失。靳偉等[18]將分禾器傾斜安裝，可回收因碰撞掉落的油葵花盤和籽粒，同時，通過多因素試驗探究出影響籽粒損失率大小的因素為：撥禾板轉速＞留茬高度＞作業(yè)速度。石運建等[22]為向日葵收獲割臺配置了防護罩和轉輥，同時，在分禾通道兩側設有毛刷，能夠控制切割動作后葵盤上附留莖稈的長度，降低含雜率，減少籽粒損失。

1.2.3 主要自走式收獲機

德州春明農業(yè)機械有限公司研制的自走式葵花聯(lián)合收獲機[23]，能夠完成葵盤的收割、脫粒、清選等工作。該機型割臺安裝了一對螺旋拉莖輥裝置，兩拉莖輥相接觸的擠壓間隙由外向內逐漸縮小，能夠使莖稈往后運動的同時，拉動莖稈向下運動，減少葵花莖稈的殘留。但往往籽粒損失較多，脫粒裝置為螺旋桿式軸流型脫粒裝置，清選裝置為振動篩式清選裝置，對輕雜質的清選作用較弱，收獲效果不理想，收獲后的籽粒損失率較大，含雜率高。

托克托縣宏昌機械制造有限公司研制的4ZXRKS-4型自走式向日葵聯(lián)合收割機[24-25]主要由割臺、脫粒裝置、清選裝置和液壓系統(tǒng)等組成，集摘盤、脫粒、清選、葵盤籽粒分類收集、自動卸料為一體。割臺為撥禾鏈式割臺，在分禾器兩側增加密封刷，能夠防止籽粒從分禾器之間的縫隙掉落，并增加拉莖輥裝置，減少莖稈的殘留，降低含雜率；脫粒裝置為3級切流式脫粒裝置，通過不同級轉速和脫粒元件的脫粒，能夠提高葵盤脫凈率并降低葵籽破碎率；選用風篩式清選裝置，能進一步降低含雜率。該機型作業(yè)幅寬可達2.4 m，作業(yè)效率較高；收獲籽粒含雜率為8.12%，損失率為1.19%，收獲質量較高。該機型于2017年生產200臺，在內蒙古巴彥淖爾市、烏蘭察布市等地進行推廣使用。

濟寧德尚源機械設備有限公司生產了4XLZ-6型自走式向日葵聯(lián)合收獲機[26]，該收獲機割臺為撥禾板式割臺，設有轉輥裝置，能夠減少莖稈的殘留；采用葵花專用滾筒和凹板篩配合進行脫粒，脫粒柔和、順暢；采用逐稿器分離和風力清選相結合的清選裝置，清選效果好。該機型作業(yè)幅寬為3.9 m，作業(yè)效率高達15畝/h～20畝/h，作業(yè)效率高；收獲后的籽粒含雜率為3.5%，破碎率為2%，損失率為3%，收獲效果好。

目前，我國市場上的向日葵聯(lián)合收獲機，一部分是從玉米和小麥聯(lián)合收獲機改裝而來，還有一部分是通過測繪、改裝國外割臺等方式得到，這些向日葵收獲機都存在適應性較差和收獲效果不理想等問題。農機發(fā)達國家的向日葵聯(lián)合收獲機性能較穩(wěn)定、可靠性強，但國外割臺割幅巨大，對地塊及種植模式要求較高。國外土地大而平整、種植模式單一，而我國種植模式和農藝參數(shù)多種多樣。而且國外聯(lián)合收獲機價格相對昂貴，因此，研制適合我國國情的向日葵聯(lián)合收獲機至關重要。

2 我國向日葵收獲機械存在的問題

2.1 農機與農藝融合度較低

我國向日葵品種眾多，沒有形成主導品種，各地區(qū)采用的種植模式也不同，導致向日葵在收獲時的植株高度、花盤大小、生育期長短和種植行距差異較大，農機與農藝融合度較低，直接影響機械化收獲作業(yè)。

2.2 收獲機具作業(yè)性能適應性差

割臺、脫粒和清選系統(tǒng)是向日葵聯(lián)合收獲機的核心技術和關鍵部件，直接影響機具的作業(yè)性能和收獲質量。目前的向日葵收獲機械大多是從其他谷物聯(lián)合收獲機或國外割臺改裝而來，改裝后的機型對葵花品種和種植模式的通用性較差，收獲時籽粒表皮的劃傷率和含雜率較高，難以滿足葵花的商品質量要求；并且，收獲作業(yè)后的葵花莖稈留茬高度參差不齊，會影響后續(xù)耕整地等田間作業(yè)。

2.3 收獲機械智能化程度低

我國向日葵收獲機械運用的智能化技術較少，智能化控制收獲裝備水平較低，對收獲裝備割臺、脫粒裝置、清選裝置等關鍵部件的自動調節(jié)和實時監(jiān)測系統(tǒng)缺乏深入研究。

3 向日葵機械化收獲的發(fā)展建議

3.1 加強農機與農藝的結合

加強向日葵品種的繁育與推廣，積極推廣新品種和新技術，引導農戶擴大優(yōu)良品種的種植面積，因地制宜選用主導品種，建立高標準農田，使向日葵種植模式、收獲期莖稈高度、葵盤成熟度等農藝參數(shù)一致，農機與農藝相結合，有利于向日葵機械化收獲作業(yè)。

3.2 提升收獲機械作業(yè)性能

根據(jù)葵花籽粒收獲質量要求，加緊研制出性能可靠的收獲機械。在研制過程中積極引入新工藝、新材料和新技術，對關鍵零部件進行深入研究與試驗，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)開發(fā)出具有較強性能的向日葵專用割臺、脫粒分離裝置等關鍵部件；制定出向日葵聯(lián)合收獲機行業(yè)規(guī)范條例，督促企業(yè)更注重產品質量，提高我國向日葵聯(lián)合收獲機的標準化、通用化和系列化程度。

3.3 提升收獲機械的智能化水平

隨著我國科學技術不斷發(fā)展，機電一體化、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術將會持續(xù)應用于農業(yè)機械，這些技術可較好地運用于向日葵聯(lián)合收獲機自動仿形、動態(tài)監(jiān)測和參數(shù)匹配等方面，大幅提高向日葵收獲機械的綜合性能和智能化程度。

4 結束語

隨著人們對食用葵花籽粒和葵花油需求量的增加，我國向日葵年種植面積呈逐年增長趨勢，向日葵產業(yè)在我國種植業(yè)結構中占據(jù)重要地位，并且向日葵成為我國重要的經(jīng)濟作物。本文總結了國內外向日葵收獲機械研究現(xiàn)狀，分析了向日葵機械化收獲過程中存在的問題，并提出了相應的發(fā)展建議。“中國制造2025”將農機裝備列為十大重點發(fā)展領域之一，為高端農機裝備發(fā)展提供了重要的戰(zhàn)略機遇；隨著國家對高端農機領域重視程度的提高，向日葵機械化收獲技術將會向規(guī)模化、標準化、系列化、智能化和精準化等方向高速發(fā)展，為促進向日葵產業(yè)發(fā)展和機械化收獲水平提升奠定基礎。