鮮食玉米收獲機(jī)械發(fā)展階段判定研究

摘" 要：為促進(jìn)鮮食玉米的高效低損收獲，對(duì)鮮食玉米收獲機(jī)械的發(fā)展進(jìn)行階段劃分，并結(jié)合收獲效率與果穗損失2個(gè)方面構(gòu)建特征模式，基于模糊數(shù)學(xué)理論提出一種階段劃分方法，并結(jié)合4YZ-6型鮮食玉米收獲機(jī)田間試驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行檢驗(yàn)與可行性分析。結(jié)果表明該收獲機(jī)收獲效率與果穗損失率均低于2470型收獲機(jī)，與判定的低效低損階段相符。該階段劃即判定方法的提出，有助于加快我國(guó)鮮食玉米收獲機(jī)械的高效低損發(fā)展，補(bǔ)全國(guó)內(nèi)鮮食玉米機(jī)械化收獲的短板問題。

關(guān)鍵詞：收獲;果穗損失;鮮食玉米;階段;模糊數(shù)學(xué)

中圖分類號(hào)：U455.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2096-9902（2024）15-0035-04

Abstract： In order to promote the efficient and low-loss harvesting of fresh corn， the development of fresh corn harvesting machinery was divided into stages， and a characteristic pattern was constructed by combining the two aspects of harvesting efficiency and cob loss， and a stage division method was proposed based on fuzzy mathematical theory， which was examined and feasibility analyzed by combining with the field test of the 4YZ-6 fresh corn harvester. The results show that the harvesting efficiency and Loss rate of ears of this harvester are lower than that of 2470 type harvester， which is in line with the stage of low efficiency and low loss. The proposal of this stage， i.e. the determination method， can help to accelerate the development of high efficiency and low loss of fresh corn harvesting machinery in China， and make up for the short board of mechanized harvesting of fresh corn in the country.

Keywords： harvesting; cob loss; fresh corn; stage; fuzzy mathematics

鮮食玉米果實(shí)在乳熟后期或蠟熟初期收獲，屬于可直接食用或加工的新鮮玉米類別，包括糯玉米、甜玉米、筍玉米和彩色玉米等[1]。新鮮玉米作為植物性膳食的一種新興選擇，已成為一種普遍趨勢(shì)。甜玉米粒的含糖量是普通玉米的5～10倍，并富含天然維生素。維生素E、維生素B1和B2能刺激細(xì)胞分裂，延緩衰老，具有顯著的保健作用，因其味道鮮美、營(yíng)養(yǎng)豐富而廣受歡迎[2-4]。數(shù)據(jù)顯示，鮮食玉米種植面積持續(xù)增加，就全球鮮食玉米產(chǎn)業(yè)而言，美國(guó)和加拿大等西方國(guó)家的產(chǎn)值明顯領(lǐng)先，其中鮮食玉米在鮮食蔬菜中排名第四，加工后的甜玉米在加工蔬菜中位居世界排名第二，特別是甜玉米罐頭，年貿(mào)易量超過(guò)10萬(wàn)t[5]。鮮食玉米種植面積共計(jì)約127萬(wàn)hm2，其中兩廣地區(qū)種植面積30萬(wàn)hm2，一年三季為主，東北地區(qū)種植面積居第二位，約27萬(wàn)hm2，可見鮮食玉米已受到廣泛關(guān)注[6-7]。糯玉米獨(dú)有特性在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用于紡織、造紙和黏合劑等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊。此外，鮮食玉米還是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的農(nóng)作物，既可作為糧食經(jīng)濟(jì)作物，又可作為果蔬和飼料，具有生長(zhǎng)周期短、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富等特點(diǎn)。由于鮮食玉米口感特殊、營(yíng)養(yǎng)豐富、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、用途廣泛，鮮食玉米產(chǎn)業(yè)前景廣闊。

傳統(tǒng)的鮮食玉米收獲方式為人工掰穗，勞動(dòng)強(qiáng)度高且效率低，導(dǎo)致鮮食玉米的收獲成為了制約該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，鮮食玉米的機(jī)械化收獲也成為了玉米收獲領(lǐng)域內(nèi)的焦點(diǎn)[8-10]。目前國(guó)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)鮮食玉米機(jī)械化收獲的機(jī)械主要分為2種。一種是通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的玉米聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行改造升級(jí)，在滿足正常收獲作業(yè)前提下兼顧對(duì)鮮食玉米的收獲。另外一種則是專門結(jié)合鮮食玉米收獲的農(nóng)藝要求進(jìn)行研制的鮮食玉米聯(lián)合收獲機(jī)，以實(shí)現(xiàn)鮮食玉米的低損、高效收獲。前者的研發(fā)成本較低、投入較少，但存在收獲后果穗損失較大的問題，因此鮮食玉米收獲機(jī)的研發(fā)勢(shì)在必行[11-14]。

1" 鮮食玉米收獲機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

目前美國(guó)OXBO集團(tuán)、哈格斯等企業(yè)已有成熟產(chǎn)品在市場(chǎng)上推廣應(yīng)用，但受限于道路運(yùn)輸、調(diào)試?yán)щy等客觀因素，收獲機(jī)的售價(jià)高、維修難，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上難以普及[15]。

目前國(guó)內(nèi)有河北天人、貝克瑞斯、新疆牧神等企業(yè)在從事鮮食玉米收獲機(jī)的研發(fā)工作，其中由黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究所研制的4YZ-6型鮮食玉米收獲機(jī)陸續(xù)在齊齊哈爾市、五大連池市進(jìn)行了大面積試驗(yàn)，該收獲機(jī)能夠完成柔性摘穗、低損收獲、無(wú)損輸送、雜余清選與果穗收集等多項(xiàng)作業(yè)[16]。河北雷肯研制出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)專用于鮮食玉米收獲的機(jī)具4YZT-4機(jī)型，該機(jī)型的出現(xiàn)填補(bǔ)了我國(guó)鮮食玉米收獲機(jī)械的空白，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)的自主研發(fā)、自主設(shè)計(jì)、自主開發(fā)和自主創(chuàng)新，隨著機(jī)型的發(fā)展多年來(lái)也在不斷改進(jìn)和升級(jí)，升級(jí)后的功能更加強(qiáng)大，可靠性高。2014年，河北雷肯農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司將玉米收獲研究方向轉(zhuǎn)移到了具有“黃金食品”之稱的鮮食玉米上，研制出了我國(guó)首臺(tái)4YZT-3鮮食玉米收獲機(jī)，該收獲機(jī)采用仿生式摘穗臺(tái)，模擬人工摘穗，這種自上而下的摘穗方式大大降低了籽粒破損率，保證了鮮食玉米的收獲。該機(jī)采用仿生式摘穗割臺(tái)，模擬人工摘穗，這種自上而下的摘穗方式大大降低了籽粒破碎率，保證了鮮玉米果穗的質(zhì)量，驅(qū)動(dòng)裝置采用全液壓控制，提高了工作的穩(wěn)定性和可靠性。但提取的鮮食玉米果穗柄較長(zhǎng)，不利于運(yùn)輸和儲(chǔ)存，且作業(yè)后的玉米果穗含雜率較高，增加了清選作業(yè)和鮮食玉米深加工的難題，作業(yè)效率較低。海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院與山東巨明機(jī)械聯(lián)合研制了4YZT-2型自走式鮮食玉米行對(duì)行收獲機(jī)。該機(jī)采用螺旋斜輥實(shí)現(xiàn)鮮食玉米自上而下摘穗，收獲過(guò)程中減少了機(jī)構(gòu)與鮮食玉米果穗的相互作用力，使玉米果穗破損率降低，但該機(jī)僅完成了摘穗臺(tái)高度、夾持拉莖帶轉(zhuǎn)速、摘穗輥間隙等影響鮮食玉米收獲過(guò)程的因素研究，其他作用和影響因素有待進(jìn)一步研究分析[17]。

針對(duì)目前我國(guó)鮮食玉米收獲機(jī)的發(fā)展情況，對(duì)我國(guó)鮮食玉米收獲機(jī)的發(fā)展階段進(jìn)行了廣義劃分，提出基于模糊綜合評(píng)判的階段判定方法。收獲機(jī)所處階段的判析有助于明確短期內(nèi)的研究重點(diǎn)，對(duì)我國(guó)鮮食玉米收獲機(jī)未來(lái)的研究提供理論參考。

2" 階段劃分

通過(guò)結(jié)合OXBO 2475型鮮食玉米收獲機(jī)的作業(yè)效果與DG/T 285—2023《鮮食玉米收獲機(jī)》推廣鑒定大綱、GB/T 21962—2020《玉米收獲機(jī)械》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將我國(guó)鮮食玉米收獲機(jī)的發(fā)展劃分為樣機(jī)試制階段、低效高損階段、高效高損、低效低損、高效低損5個(gè)階段[18-19]。

樣機(jī)試制階段是鮮食玉米收獲機(jī)械發(fā)展的首要階段。是指完成了對(duì)鮮食玉米收獲機(jī)或兼顧鮮食玉米收獲機(jī)械的研發(fā)與制造，并進(jìn)行田間試驗(yàn)階段。此階段是將理論研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際產(chǎn)品的必經(jīng)階段，通過(guò)大面積、長(zhǎng)時(shí)間、高載荷的田間試驗(yàn)對(duì)收獲機(jī)械的實(shí)際工作效果與預(yù)期進(jìn)行比對(duì)，從而進(jìn)一步對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。此階段允許收獲效率低、果穗損失較大，但仍需保證鮮食玉米的糧食產(chǎn)能，避免出現(xiàn)較大的經(jīng)濟(jì)損失。

低效高損階段是鮮食玉米收獲機(jī)械發(fā)展的第二階段。此階段的收獲機(jī)械已經(jīng)可以初步滿足收獲作業(yè)要求，但其作業(yè)效率上與主流機(jī)械存在較大差距，大面積作業(yè)時(shí)需要多機(jī)協(xié)同作業(yè)。且收獲后果穗的綜合損失率與大綱中要求相差較大，特別是注重果穗底部籽粒破損的糯玉米。這一階段的收獲機(jī)械，難以進(jìn)行惡劣地況下的收獲作業(yè)。因此可以考慮配套升級(jí)大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)組件、分動(dòng)箱、液壓油泵等核心部件，進(jìn)而提高前進(jìn)速度與收獲速度，從而提高收獲效率。同時(shí)需要注重對(duì)收獲機(jī)械各參數(shù)組合的調(diào)整，從而降低莖稈的折斷數(shù)量與籽粒的破損。

高效高損階段是鮮食玉米收獲機(jī)械發(fā)展的第三階段。此階段在收獲效率上與主流機(jī)械相接近，但果穗損失率仍與大綱要求相差較大。在不考慮籽粒破損的甜玉米收獲上可以進(jìn)行田間作業(yè)，包括泥濘地況下的甜玉米收獲。仍然需要加上對(duì)收獲機(jī)理的研究，保證玉米莖稈的有效喂入，降低收獲時(shí)對(duì)果穗造成的損傷。

低效低損階段是鮮食玉米收獲機(jī)械發(fā)展的第四階段。此階段收獲后的果穗損失率趨近于大綱規(guī)定，能夠滿足全種類鮮食玉米的收獲作業(yè)。高損收獲直接作用于果穗本身，而此階段劃分在高效高損階段之后的原因是保障低損收獲的前提下，可以通過(guò)多機(jī)協(xié)同作業(yè)的形式補(bǔ)全低效收獲的短板，從而保障鮮食玉米的有效收獲。在提升該階段收獲效率時(shí)，需要統(tǒng)籌前進(jìn)速度于部件工作參數(shù)的協(xié)調(diào)性，需要保證鮮食玉米低損收獲的前提下，進(jìn)行不同的前進(jìn)速度與各部件最優(yōu)工作參數(shù)的匹配。

高效低損階段是鮮食玉米收獲機(jī)械發(fā)展的最終階段。此階段下的鮮食玉米收獲機(jī)械在收獲效率上超過(guò)主流收獲機(jī)械，且其果穗損失率小于大綱要求。在此階段的收獲機(jī)械能夠充分滿足市場(chǎng)需求，可對(duì)國(guó)外鮮食玉米收獲機(jī)進(jìn)行替代。較低的果穗損失與高效率的收獲作業(yè)可促進(jìn)鮮食玉米產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

在鮮食玉米收獲機(jī)械的收獲效率影響因素中，選取作業(yè)時(shí)前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)前進(jìn)速度、卸糧速度、泥濘地況下單位時(shí)間內(nèi)收獲面積與單位時(shí)間內(nèi)收獲面積作為特征模式。果穗損失的影響因素中選取籽粒破損率與果穗遺失數(shù)量作為特征模式，從而得到表1特征模式表。

3" 發(fā)展階段判定方法

鮮食玉米收獲機(jī)各發(fā)展階段的劃分是廣義劃分，無(wú)法通過(guò)具體的數(shù)值進(jìn)行主觀判斷，因此引入模糊數(shù)學(xué)理論中的模糊綜合評(píng)判法則，并結(jié)合最大貼近度法對(duì)目標(biāo)所處階段進(jìn)行判別。首先構(gòu)建集合Q=（Q1，Q2，…，Q7）與集合P=（P1，P2，…，P5），將集合Q作為判別階段隸屬的元素合集，構(gòu)建集合P作為發(fā)展階段的評(píng)價(jià)集合，皆可通過(guò)判別集合Q歸屬于集合P中哪一子集實(shí)現(xiàn)階段劃分。其次通過(guò)專家打分法對(duì)集合Q中的元素進(jìn)行打分得到信息矩陣Wij（i=P1，P2，…，P5;j=Q1，Q2，…，Q7），從而生成綜合評(píng)價(jià)矩陣U=uij，其中（i=1，2，…，5;j=1，2，…，7）即

通過(guò)引入特征模糊子集Ai=（0，…，1，…，0）進(jìn)行決策。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行模式識(shí)別時(shí)，將集合A中的第i個(gè)分量數(shù)值記為1，其余數(shù)值記為0，并代入綜合矩陣U對(duì)海明貼近度進(jìn)行求解，其中海明貼近度的計(jì)算公式為

式中：為參考模型，對(duì)應(yīng)為集合P;為待識(shí)別對(duì)象，對(duì)應(yīng)為集合Q。

將貼近度集合記為R=（R1j，R2j，R3j，R4j，R5j）T，j∈[1，5]，引入預(yù)期理想子集+、預(yù)期非理想子集-與對(duì)稱貼近度φ，則得到判別方程如下

若求解出與理想子集+距離大于與非理想子集-的距離，即可認(rèn)為待判別目標(biāo)隸屬于階段Pi，否則認(rèn)為待判別目標(biāo)隸屬于階段Pi+1。

4" 可行性分析

在齊齊哈爾市依安縣北緯47°種植區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn)，針對(duì)階段劃分方法進(jìn)行可行性驗(yàn)證分析。試驗(yàn)機(jī)械選擇美國(guó)OXBO集團(tuán)的2470型鮮食玉米收獲機(jī)與黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院4YZ-6型鮮食玉米收獲機(jī)，在保證同一地塊、同一玉米品種、同一駕駛員等多項(xiàng)相同變量的前提下進(jìn)行對(duì)比作業(yè)試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程中邀請(qǐng)科研院所、大學(xué)、合作社與農(nóng)戶構(gòu)成多維度的評(píng)價(jià)顧問，對(duì)2臺(tái)收獲機(jī)的收貨效率與果穗損失進(jìn)行打分，得到表2所示的信息矩陣與表3綜合評(píng)價(jià)矩陣[20]。

結(jié)合4YZ-6型鮮食玉米收獲機(jī)的田間作業(yè)表現(xiàn)，并采用大綱中的果穗損失率計(jì)算方式，與OXBO 2470型鮮食玉米收獲機(jī)進(jìn)行對(duì)比，分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)前收獲機(jī)發(fā)展階段更趨近于低效低損收獲階段，并向高效低損階段靠攏，從而驗(yàn)證了該階段劃分方法的可行性。其中在收獲效率上，4YZ-6型鮮食玉米收獲機(jī)的收獲效率略低于2470型，原因是一個(gè)方面受制于發(fā)動(dòng)機(jī)功率限制，另一方面則是工藝、材料等客觀因素導(dǎo)致該車輛空載時(shí)就存在一定負(fù)荷，從而造成功率的損耗。在果穗損失率上，4YZ-6型收獲機(jī)的損失率為2.87%，2470型收獲機(jī)損失率為3.07%，國(guó)產(chǎn)收獲機(jī)的表現(xiàn)更優(yōu)，原因是國(guó)產(chǎn)收獲機(jī)更符合我國(guó)玉米農(nóng)藝要求，包括在分禾間隙、摘穗間隙、路距等參數(shù)方便更加契合國(guó)內(nèi)耕種形式。

此階段的鮮食玉米收獲機(jī)在后續(xù)的研發(fā)過(guò)程中，可以通過(guò)增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率來(lái)提高收獲機(jī)的前進(jìn)速度，通過(guò)對(duì)收獲割臺(tái)的參數(shù)優(yōu)化提高玉米植株的喂入效率與摘穗效率，調(diào)整輸送裝置速度配比提高物料在收獲季內(nèi)的輸送效率，通過(guò)對(duì)底盤架構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)與果穗箱的擴(kuò)容進(jìn)一步提高收獲效率，同時(shí)可以通過(guò)加裝果穗計(jì)數(shù)系統(tǒng)與稱重系統(tǒng)，結(jié)合果穗箱監(jiān)控畫面提高卸糧效率，進(jìn)而促使收獲由低效低損階段向高效低損階段轉(zhuǎn)變。

5" 結(jié)論

對(duì)鮮食玉米收獲機(jī)械的發(fā)展階段進(jìn)行了劃分，提出了基于收貨效率與果穗損失的特征模式，并提出了一種基于模糊數(shù)學(xué)理論的階段劃分方法，構(gòu)建了階段劃分的參數(shù)模型，同時(shí)針對(duì)該方法進(jìn)行了田間試驗(yàn)與可行性分析，為我國(guó)鮮食玉米收獲機(jī)械的發(fā)展提供參考。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0701900）;國(guó)家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)（CARS-02-28）;黑龍江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目重大項(xiàng)目（2022ZX05B01）

作者簡(jiǎn)介：孫大明（1966-），男，副高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槭称芳庸ぁ?/p>