油菜割曬機械研究現狀和發展對策

張貝貝，羅海峰,2,3，肖 霄

（1.湖南農業大學工學院，湖南 長沙 410128；2.南方糧油作物協同創新中心，湖南 長沙 410128；3.湖南省現代農業裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410128；）

油菜是我國最為重要的油料作物，種植面積最大、地區分布最廣，我國油菜種植面積約為1億畝。據統計近五年在我國平均每年生產油菜籽產量約為1400萬噸，但我國平均每年需進口油菜籽約440萬噸，占到了油菜籽消費總量的24%左右，油菜總產量難以滿足消費需求。我國單位生產油菜籽所消耗的成本很高，約為加拿大的2.66倍，而去掉人工部分后變為0.99倍，生產成本過高也是制約我國油菜發展的主要原因之一，為提高我國油菜總產量，降低生產成本，當務之急必須加速對油菜全程機械化裝備的研究和推廣。油菜機械化收獲是油菜全程機械化重要的一環，但存在著機械化收獲率低、人工收獲占比較大、勞動強度高等問題。為提高油菜機收率，降低生產成本，提高生產效率，需大力研究發展油菜收割機械。

長江流域油菜區為多熟制地區，主要推廣“稻油”和“稻稻油”種植模式，存在茬口矛盾尖銳，種植方式各異的問題。當前收割油菜主要采用聯合收獲法和兩段收獲法，聯合收獲法是集切割，脫粒、清選等作業為一體，實現一次完成油菜從作物到油菜籽的收獲作業方式。采用聯合收獲方式收獲油菜時存在掉粒損失大、植株適應性差、適收期短，茬口矛盾突出，但優點是作業次數少，成本相對較低且便捷高效。兩段收獲是將油菜的整個收獲過程分為兩次完成。首先割曬作業，將油菜割倒， 并將割倒后的油菜整齊鋪放于田間進行晾曬，等油菜晾曬3～5天（天數適天氣而定）。然后進行撿拾、脫粒作業，目前多以撿拾、脫粒聯合作業為主，即將撿拾器安裝在聯合收割機前端，工作時對割曬后的油菜一次完成撿拾，脫粒清選等作業。最后將雜質，莖稈拋撒還田。

油菜品種繁多，屬于無限花序作物，植株高大，分枝多，且成熟度不一致，成熟果莢易炸裂。兩段收獲法對油菜品種、收獲狀態適應性強，可以減少收獲損失，提高收獲產量，適收期長，騰田時間早，可為后續作業提供充足時間，有效解決茬口矛盾。割曬作業是兩段收獲的首要任務，因此油菜割曬機械的研究對發展油菜機械化收獲具有重要的意義。本文主要針對割曬機械的發展現狀進行研究。

1 割曬作業方式

油菜割曬作業鋪放方式主要有兩種，一種是油菜莖稈側向鋪放程九十度角相交于機組行駛方向，可以實現高質量的鋪放，但采用這種作業方式時作物與地面接觸面積大，對天氣變化極為敏感，遇到連雨天，易霉變；另一種是油菜莖稈平行于機組行駛方向，以前后搭接的形式鋪放，一般留茬高度高于普通收割機，一般為15～25cm，鋪放時作物前后搭接，減少作物與地面接觸面積，便于作物的通風晾曬，遇到不良天氣等可以減少損失。現有的割曬作業鋪放形式為兩種方式并存，當前油菜割曬機作業鋪放以第二種為主。對油菜割曬機械的研究最終是要達到較高的鋪放質量。油菜鋪放質量評價指標當前主要以水稻，小麥的鋪放質量為標準。主要有：鋪放角；鋪放角度差；油菜割曬機總損失。

2 油菜割曬機械研究現狀

油菜割曬機械按掛接型式主要分為自走式，拖拉機牽引式和懸掛式三種機型，按割臺分類可分為臥式割曬機和立式割曬機。早期油菜收割多以人工收割為主，需較大的勞動強度，收獲所耗時間長，存在作業效率低的問題。為了提高機械化收獲率，科研人員針對油菜割曬機械進行了大量的理論和實踐研究。

2.1 國外油菜割曬機械研究現狀

國外油菜生產主要集中在加拿大、澳大利亞、美國和歐盟等國，這些國家對油菜割曬機械研究起步早，基本實現機械化割曬作業，目前主要向著智能化，現代化和多功能化方向發展，技術和產品逐漸趨于成熟。國外油菜收獲的方式為聯合收獲與兩段收獲相結合，在英國、加拿大、澳大利亞等主要采用兩段收獲方式，美國則是不同的地區采用不同的收獲方式。

美國是割曬作業及配套機具研究發展最早的國家之一，早在20世紀20年代就開始研究割曬機具， 經過幾十年的發展，實現了油菜全程機械化作業，之后為了提高收獲效率，減少操作者勞動強度，開始發展大型化、智能化、現代化的專用型油菜割曬裝備。 美國的約翰-迪爾公司作為農業機械制造商，該公司生產了多種大型的現代化割曬機械，機械特點是割茬高度可以調節，中間鋪放且均勻，且可實現一機多用，通過對割臺，篩選機構的調節，能同時對多種農作物進行割曬作業。

加拿大也是最早發展割曬作業機械的國家之一，對于油菜收獲，加拿大主要以分段收獲為主。加拿大作為世界上油菜生產大國，在油菜品種培育，種植方式和機械化作業方面的技術已經相當成熟，在機械化收獲方面，他們有著專用的油菜割曬機械，如加拿大Mac Don公司生產的Mac Don D60-4割曬機，如圖1所示，主要用于收割油菜、小麥、大麥、苜蓿草、大豆、水稻等多種經濟作物，該機采用高地隙自走式地盤，水平輸送帶輸送裝置，中間條鋪的鋪放形式，整機的割刀，輸送帶，撥禾輪均采用液壓傳動，轉速調節方便，振動噪音小，可對撥禾輪進行上下，前后調節，可對割臺進行上下調節，也可進行傾角調節。

圖1 Mac Don D 60-4油菜割曬機

在油菜生產大國實行兩段收獲的國家多以大型自走式專用型油菜割曬機作業為主。 在輸送系統上，采用抗穿刺和耐撕裂的V型帶做為輸送帶。為了保證作物順利有序輸送和鋪放，設計采用大型鋪放口，通過增加帶的深度和增加拖拉機地隙來實現作物更好地鋪放。 國外研制的基本屬于寬幅、大功率割曬機械，并不適合我國油菜割曬作業特點。

2.2 國內油菜割曬機械研究現狀

我國油菜割曬機械發展起步于上世紀50年代，起初是針對小麥，水稻研制的專用型割曬機，后隨著稻麥割曬機技術逐漸成熟，開始改進并應用于油菜割曬作業。油菜兩段收獲對植株適應性強，可作業時間長，很好的適應了油菜植株特性。割曬機在油菜兩段收獲作業中起著重要的作用，割曬機的研究和推廣對提高收獲質量、增加產量、減少損失有著重要的意義。

油菜割曬機械在作業過程中要求切割平順、振動少、輸送力度大、輸送過程流暢鋪放均勻連續，以提高油菜產量和質量，減少收獲損失。圍繞油菜割曬技術及配套機械，國內科研工作者在切割輸送鋪放等方面開展了大量的理論研究和設計。

圖2 切割試驗臺

（1）油菜切割理論研究。當前油菜切割裝置以往復式割刀為主，割臺裝有橫割刀和豎割刀，橫割刀用于切割莖稈，豎割刀針對油菜植株分之多，被動分禾困難，用于主動分禾。提高油菜的切割力和減小切割裝置對割臺的振動，對油菜收獲效率，減小油菜機械損失有重要的意義。2009年吳明亮等為了研究確定割刀切割形式、切割速度、刀片形式和切割莖稈的位置對油菜莖稈切割力的影響，為了確定最佳參數，在如圖2所示的自制切割實驗臺上進行了切割力測試試驗。

圖34 S Y-2型油菜割曬機

試驗結果表明最佳切割位置在莖稈離地高400mm左右，應用滑切方式，刀片選用鋸齒形刀片時所測到的切割力最小。對于切割裝置對割臺振動的影響，李青林等用ADAMS軟件對割臺的橫、豎割刀的驅動裝置進行建模并進行了仿真測量，橫割刀驅動機構選用擺環機構，豎割刀為曲柄滑塊機構，通過仿真以獲得橫、豎割刀驅動機構在工作時對割臺產生的激振力。結果表明橫割刀運動時，Fx的最大值為3200N，遠大于Fy；豎割刀上下運動時Fy的最大值為2637N，測試結果對分析割驅動機構對臺機架的震動學提供參考。針對往復式割刀自身受到震動的影響，吳明亮等在MATLAB的基礎上建立了切割裝置的SMVLINK振動模型，以此對往復式割刀進行振動仿真分析，得出曲柄、三角擺塊平衡塊的質心位置和質量是對機構沖擊振動的主要影響因素，通過仿真優化機構各組成部分的的質量和質心位置，來降低機構的慣性和慣性沖擊振動。對于減小振動，增加切割力，可以將曲柄滑塊機構改為循環機構，減小切割機構對自身和割臺的振動，通過增加轉速，提高切割速度來提供較大的切割力。當前仍主要集中在往復式割刀切割方式、驅動機構、振動等方面的研究，對高速切割，振動小的切割裝置研究較少。

圖44 S Y-1.8改進型油菜割曬機

圖54 S Y-2.0型自走式油菜割曬機

（2）割臺輸送和鋪放裝置的研究。針對當前油菜種植模式和油菜割曬作業的技術要求，主要以設計和改進輸送、鋪放裝置為主。 割倒后的油菜在輸送和鋪放過程中，油菜植株高大，分枝多，易纏繞的植株特性對油菜輸送和鋪放裝置設計難度大，為了使油菜順利輸送到鋪放口，金誠謙等研制的4 SY-2型油菜割曬機，在原有的橡膠帶上安裝彈性撥齒機構，實現了對油菜的輸送，但該裝置存在著對油菜打擊大，機械損失嚴重的現象。曹震等研制的4 SY-1.8型油菜割曬機，為了實現對油菜的輸送， 先將割斷的油菜由伸縮撥指滾筒撥向后方，再由兩側立輥筒相向轉動作用推送至帶有輸送齒的輸送帶并輸送到排禾口。完成輸送。但存在著機構復雜，機械損失大的問題。

考慮到油菜秸稈質量大，作業時含水率高等問題，為了提高輸送力度，減少機構復雜性，金誠謙等研制了一種帶有撥指的鏈條式輸送裝置，整個割臺的輸送機構由4條回轉的帶有撥指的輸送鏈構成，能完成較大力度的輸送要求。石增祥等設計的4 SY-2.2型油菜割曬機，割臺通過掛接裝置與現有聯合收割機底盤掛接，以聯合收割機底盤為動力源，實現割臺的收割作業。割臺為臥室割臺，一側鋪放，把原有的皮帶輸送裝置改為撥齒輸送鏈式的輸送裝置。 由此可見通過在皮帶上安裝撥齒和利用撥齒輸送鏈均可實現較強的輸送力度，可以實現油菜的輸送作業。

為了使鋪放后的油菜快速后熟，便于后續撿拾作業，可以采用前后搭接，交叉疊放或攤鋪的鋪放形式。黑龍江農墾迎豐機械制造有限公司研制的4SX-3.2～4.8系列斜輥式割曬機，將滾筒斜裝與割臺上，通過每個滾筒連續轉動對油菜進行輸送，由兩側的輸送裝置相向運動實現油菜在割臺中間前后搭接，交叉疊放。

金誠謙等研制的4SY-2型油菜割曬機如圖3所示，該機與聯合收割機底盤掛接配套作業，為側邊鋪放式，為了使油菜快速從輸送帶上剝離，在輸送帶端口設計撥叉。通過間歇式的剝離油菜，從而實現油菜前后搭接，條鋪在田間的鋪放形式。由于油菜莖稈之間存在著相互牽連的作用，為了使油菜莖稈整齊有序的鋪放田間，保證前后搭接的條鋪形狀，又在排禾口后方設計由傳動掛接機構、伸縮扒指滾筒機構組成的縱向撥動裝置。

李平等研究制造的4SY-1.8改進型油菜割曬機如圖4所示，改進型油菜割曬機的結構形式為割臺通過懸掛機構懸掛于高地隙東方紅400H型拖拉機前面，該機新增設了撥禾輪裝置通過橫向輸送裝置和縱向輸送裝置實現油菜輸送。工作時將割倒的油菜由帶有彈性撥齒的輸送帶向中間輸送，而通過裝有撥禾板的立輥對油菜頂部加速，從而實現油菜莖稈上下速度不同，以傾斜的形式輸送到撥禾口，從而實現交叉，以魚鱗式形式鋪放在田間。

王修善等研制的4SY-2.0型自走式油菜割曬機如圖5所示，為立式割臺，主要通過撥禾星輪和帶撥齒的輸送鏈條對油菜莖稈進行夾持輸送，油菜莖稈被割斷后通過輸送機構向割臺一側輸送，在慣性力的作用下攤鋪在田間，完成割曬作業。

廖宜濤等設計的手扶式油菜割曬機，該機豎割刀位于割臺中間部分，由導向板實現對切割油菜進行輸送鋪放作業，這種設計可以實現油菜先分禾后，中間分禾兩側條鋪的作業形式。

（3）鋪放質量研究。對割曬機的輸送鋪放裝置研究最終是為了達到較好的鋪放質量，鋪放質量的好壞直接影響著油菜的后熟和撿拾作業的質量，對油菜產量和收獲質量有直接的影響。鋪放質量的影響因素不止輸送和鋪放裝置，還受到多種因素的影響。如金誠謙等在4SY-2型油菜割曬機基礎上對鋪放質量的影響因素進行了研究和分析。他們通過建立數學模型來對影響輸送和鋪放質量相關因素進行描述。通過分析得出油菜鋪放質量主要與油菜的生物形態、割曬時油菜的成熟度、機器結構參數、排禾口因素以及駕駛員操作因素有關。

4 油菜割曬機械作業面臨的問題與發展對策

4.1 面臨的問題

油菜植株成熟度不一致，果莢易炸裂，割曬作業時，油菜機械損失大，收割效率低。南方油菜種植地區存在著地塊小、種植田塊不連續、導致大中型割曬機無法連續作業，收獲效率降低。油菜品種不統一，種植方式各異，機械化播種廂面寬度變化大，整齊度不一致問題導致割曬機械適應差，發展滯后。油菜不同于稻麥，它有較強的牽連特性，輸送鋪放過程中容易出現拉扯現象，導致分離不徹底，果莢炸裂和條鋪出現間斷現象。

當前大多數油菜割曬機割臺主要由稻麥割曬機改進的割臺仍存在著輸送力度小，堵塞嚴重，鋪放質量差。而且隨著土地流轉力度加大，適度規模化發展，油菜割曬機的機型需由中小型向中大型發展，迫切需要研究低損高速型，專用型和安全性更高的割曬機械。

隨著我國信息化，互聯網，大數據，云計算迅速發展，時時監控，測量，傳輸數據等已經在其他眾多工業領域應用，但在割曬機械上應用較少。

4.2 油菜割曬機械的發展對策和建議

（1）開展油菜兩段收獲和聯合收獲融合研究。因地制宜，因候制宜，合理采用收獲方式。對于割曬機機械，研究割曬機割臺與動力機具快速掛接裝置，以快速切換作業方式。尋找不同的動力源，合理利用。如采用拖拉機前置掛接式割曬作業，即割臺與輪式拖拉機底盤直接掛接配套作業，可以充分利用農村當前擁有的拖拉機保有量，可提高動力利用率。由于農用拖拉機在田間具有良好的通過性，可較好適應田間地形。發展大中型專用油菜聯合收獲機，以適應當前適度規模化種植模式。

（2）重點開發新型油菜割曬機械。如發展電力驅動式，液壓驅動式割臺，應用電液驅動割刀，撥禾輪，輸送裝置。研究控制元件，利用電、液壓裝置，結合大數據，云計算在不同作業速度下，對關鍵部件割刀、撥禾輪、輸送裝置提供最優參數，達到高效、低損低耗的目的，同時降低操作者疲勞強度。開發高速切割，較低振動的油菜切割裝置，降低機械損失，實現高速作業。

（3）農機農藝結合，為機械化收獲作業提供合適的作業條件。如播種農藝條件標準化，統一化。采用適合機收作業油菜品種，移栽改為直播油菜，采用高密度油菜壟作直播技術，有利于割曬機械研制。規范割曬作業配套的農藝規范，對種植方式規范化，割曬方式作業時間進行優化，建立合理的作業制度，為農民提供科學的種植方式及最優種植時期以及最佳收獲時間。

5 結語

菜籽油是我國主要的油料作物，針對油菜收割進行的研究一直在進行，當前我國油菜割曬機械仍存在著效率低、作業速度低、收獲損失大、割臺易堵塞等問題，為此應加強機、電、液、智一體化方面的綜合應用，加強關鍵部件理論研究和優化。以農機農藝相融合為指導思想，積極適應適度規模化發展模式，研究發展大中型油菜收獲機，加強多學科的融合與協同發展。針對我國油菜生產的社會、經濟、自然條件，研究開發新型高速低損、智能化油菜割曬配套機械。

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