兩種淀粉薯收獲期莖稈機械特性的試驗研究

劉崇林,趙勝雪,胡 軍,劉權磊

(黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

馬鈴薯屬茄科草本植物,種植遍布世界各地,是人類第四大食物來源[1]。馬鈴薯淀粉薯是國內重要的新型能源原料、糧食、淀粉原料及抗癌保健品等,是我國糧食生產中重要的原料之一。在我國北方種植的淀粉薯中,以興佳2號、延薯4號為主要代表。近年來,中國馬鈴薯機械化呈上升的趨勢[2],圖1為2008-2016年全國馬鈴薯機收面積變化圖。由圖1可知:2016年,全國馬鈴薯機收面積為1 389.83khm2,較2008年增長了197.97%,增長速度很快。馬鈴薯在機械帶秧挖掘收獲作業時,秧莖容易纏繞設備零部件而引起損壞,且極易造成擁堵,增大功耗,影響挖掘效率和效果。因此,馬鈴薯收獲前應進行殺秧處理,使馬鈴薯與莖稈分離,減少收獲行進過程中的阻力,降低能耗,提升收獲作業速度,減低分離器的故障率,提升收獲質量,提高收獲效率[3-5];同時,促使薯秧的營養物質回流到薯塊上,便于貯藏,提升馬鈴薯的經濟效益。另外,秧莖切碎回到田里,還能起到增加土壤肥沃程度的作用。

圖1 2008-2016年全國馬鈴薯機收面積

馬鈴薯殺秧方式主要有3種,包括自然殺秧、化學殺秧和機械殺秧。自然殺秧方式包含霜凍殺秧,即利用晚間及清晨霜降凍死馬鈴薯,達到殺秧效果。該方式受自然因素影響較大,易誤農時,但成本低。化學殺秧主要是利用硫酸銅等農藥使薯秧快速枯萎,作業效率快,但對環境造成污染。機械殺秧主要包含切秧、粉碎秧及壓秧等作業方式,受自然因素影響較小,但成本較高。綜上所述,在所有的殺秧方式中,以機械殺秧應用最為普遍。殺秧的時間因地而異:南方作物積溫較高,一般選擇在收獲前1～3周殺秧,此時的薯體已基本生長充分,而且土地表面干凈,馬鈴薯表皮老化,損傷率較低;北方作物積溫低,馬鈴薯生長緩慢,為保證產量不能過早進行馬鈴薯殺秧作業,一般在選擇在收獲前短時間內進行殺秧,且與馬鈴薯聯合收獲機配合作業[6-8]。

馬鈴薯莖稈機械特性是影響馬鈴薯殺秧機的傷薯率、漏打率和葉打碎長度合格率等作業指標的重要因素,因此本試驗對不同收獲期及離地高度不同的馬鈴薯秧,進行了含水率、剪切力的測試,并將莖稈品種、莖稈直徑等影響因素考慮在內的分析,得出最佳的馬鈴薯殺秧時間、離地高度,旨在為馬鈴薯殺秧機相關結構設計及作業參數提供理論依據[9-10]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取馬鈴薯淀粉薯中具有代表性的興佳2號、延薯4號為試驗對象,樣本取自黑龍江省九三管局鶴山農場第一管理區。該地區的馬鈴薯種植土壤偏黏,土壤含水率為27.3%,5月初栽,9月末開始殺秧,10月初進行收獲作業,一年一季種植,種植模式為單壟單行,壟距為90cm。國內外普遍認為收獲前1～3周殺秧,為馬鈴薯最佳的殺秧時間。為了研究具體時間,本次試驗材料取樣時間為2018年9月27號、2018年10月7號、2018年10月17號;每個時間段間隔10天,取3次樣,每次取10個樣本,共采樣30個。采集期間馬鈴薯秧還在處于生長狀態,如圖2所示。采集的興佳2號薯秧長度為80～120cm;薯秧莖稈直徑為0.41～2.1cm,采集的延薯4號薯秧長度為70～110cm;薯秧莖稈直徑為0.43～2.1cm。

圖2 田間馬鈴薯薯秧

1.2 試驗儀器

試驗所用的主要儀器設備包括長春新特試驗機有限公司生產的WDW-100型微機控制電子萬能試驗機、河北布谷機械制造廠生產的打秧機、上海森信實驗儀器有限公司生產的DGG-9030B型電熱恒溫鼓風干燥箱、電子天平、卷尺及電子游標卡尺等。

河北布谷機械制造廠生產的打秧機,在實際應用中因價格便宜、性能可靠而大多還用作馬鈴薯殺秧。其與約翰迪爾1204型拖拉機牽引配套,動力由拖拉機提供。該機為臥式逆向型粉碎機,刀輥上甩刀采用交錯平衡排列方式,機具平衡性較強;刀輥空轉額定轉速為1 600r/min,配有32把錘爪式甩刀,適宜作業壟寬為90cm左右,適用于雙壟作業。作業時,拖拉機牽引打秧機(高度可調)沿壟溝方向前進,由拖拉機后傳動軸為打秧機刀輥提供動力;錘爪式刀片掛在刀輥上,刀輥高速旋轉將莖稈沖擊切斷,并進入罩殼進行二次粉碎;粉碎后的莖稈從罩殼末端拋撒于地面,完成打秧作業。

1.3 試驗方法

1.3.1 淀粉薯莖稈的含水率的測定

馬鈴薯在收獲前殺秧時處于正常生長狀態下直接被粉碎還田,所以馬鈴薯莖稈的機械特性測定是在鮮秧稈狀態進行的。

每次在田間隨機取樣興佳2號、延薯4號的莖稈各10根,從距離地面2cm處的根部剪斷,共采集3次。在實驗室將莖稈叉及葉片去除掉,根據上海森信實驗儀器有限公司生產的DGG-9030B型電熱恒溫鼓風干燥箱水分測定的要求,將待測馬鈴薯莖稈進行碾碎處理;然后,放入干燥箱內,用105℃恒溫干燥10h,測定含水率,每個品種測試重復10次,最后取平均值。

1.3.2 淀粉薯莖稈剪切強度的測定

淀粉薯莖稈是地下塊莖連接葉片進行傳輸營養的主要通道,在離地高度越低的地方莖稈越粗,韌性越強,因此莖稈剪斷時最低的地方剪切力最大。馬鈴薯打秧作業時,甩刀端的線性速度約為28～56m/s,靠沖擊將莖稈切斷,并進入罩殼進行二次粉碎;粉碎后的莖稈從罩殼末端拋撒于地面,莖稈主要受到剪切力,而拉力和滑切力較小,因此本次試驗測量莖稈的剪切力[11-12]。

在測量莖稈含水率的同時,在WDW-100型微機控制電子萬能試驗機上進行莖稈剪切力試驗,如圖3所示。試驗機精度級別為1級,力值精確度為1%,位移精確度為0.1%。本次試驗選定加載速度為20mm/min,上限載荷為500N,下降最大載荷為10N;測量時,每組試驗在相同條件下重復10次,最后取平均值。

1.3.3 馬鈴薯打秧機田間作業

為了進一步驗證不同離地高度、不同品種馬鈴薯莖稈對殺秧作業的影響,采用布谷機械制造廠生產的打秧機分別對興佳2號、延薯4號進行田間作業測試,如圖4所示。根據NY/T2706-2015馬鈴薯打秧機質量評價技術規范,對作業后莖葉打碎長度合格率、留茬長度及傷薯率等指標進行測試[13]。

圖3 使用WDW-100型微機控制電子萬能試驗機進行剪切力測試

2 結果與分析

2.1 莖稈含水率變化規律

通過試驗結果得知:興佳2號、延薯4號在9月27日采集時含水率為90.72%、88.24%;10月7日時含水率分別為87.24%、84.79%,10天馬鈴薯莖稈含水率分別下降了3.48%和3.45%;到10月17日時含水率為82.61%、79.32%,10天含水率分別下降了4.63%、5.47%。數據呈現出越臨近收獲期莖稈含水率越低的規律,如圖5所示。

圖5 莖稈含水率隨時間的變化

馬鈴薯在生長過程中需要大量水分,中期莖稈水分含量較大,收獲期前植株葉片枯萎,加上植物蒸騰作用變大,莖稈含水率相對較低,故越臨近收獲期莖稈含水率越低。

2.2 莖稈機械特性的變化規律

植物莖稈離地近部分最粗且韌性越強,纖維含量越高;隨著莖稈離地高度的上升,相對根部的莖稈相比細而柔軟,打秧作業時莖稈主要受到剪切力,而受到的拉力、滑切力較小,影響不大,本次試驗不考慮。為得到機械化最佳打秧高度,促進馬鈴薯機械化打秧效果,通過試驗在3個不同時期分別對興佳2號、延薯4號隨機采集10個樣本,分別測其直徑及離地高度為3、6、9、12cm時的剪切力值,得出9月27日、10月7日和10月17日時兩個品種莖稈的剪切力值都在離地高度為9～12cm時力值變化趨勢減緩或不變,打秧高度為12cm時莖稈留茬長度會出現高于標準15cm的情況。為此,馬鈴薯打秧機最佳離地高度應為9cm左右,如圖6～圖11所示。

圖6 9月27日興佳2號離地高度與剪切力的變化圖

圖7 10月7日興佳2號離地高度與剪切力的變化圖

圖8 10月17日興佳2號離地高度與剪切力的變化圖

圖9 9月27日延薯4號離地高度與剪切力的變化圖

圖10 10月7日延薯4號離地高度與剪切力的變化圖

圖11 10月17日延薯4號離地高度與剪切力的變化圖

2.3 莖稈直徑與機械特性的關系

為了探明淀粉薯殺秧最佳時期,在離地高度為9cm時分別對3個時期、兩個不同品種的淀粉薯莖稈進行直徑與剪切力的測量(見圖12、圖13),分別擬合出淀粉薯興佳2號、延薯4號莖稈剪切力與作物直徑間的函數關系式,即

Y11=0.0722x11+3.8986R2=0.9697

Y12=0.038x12+4.0579R2=0.9614

(1)

Y21=0.0943x21+3.8537R2=0.8471

Y22=0.0328x22+4.8834R2=0.9017

(2)

Y31=0.1383x31+4.4119R2=0.8419

Y32=0.0668x32+4.3927R2=0.8359

(3)

其中,Y11為9月27日興佳2號的莖稈剪切力值;X11為興佳2號莖稈直徑;Y21為10月7日興佳2號的莖稈剪切力值;X22為興佳2號莖稈直徑;Y31為10月17日興佳2號的莖稈剪切力值;X32為興佳2號莖稈直徑。

淀粉薯莖稈在打秧期時莖稈直徑均大于10mm。由圖8可以看出:Y31的剪切力值當直徑大于6.4mm時遠高于Y21、Y11;Y21的剪切力值當直徑大于6.2mm時遠高于Y11;Y31到Y21變化趨勢遠遠小于Y21到Y11。由圖9中可以看出:Y32的剪切力值當直徑大于5.5mm時遠高于Y22、Y12;Y22的剪切力值當直徑大于6.2mm時遠大于Y12;Y32到Y22變化趨勢遠遠小于Y22到Y12。考慮到馬鈴薯成熟后干物質積累情況,馬鈴薯最佳殺秧時間為10月7日前后。

圖12 興佳2號直徑與剪切力關系

圖13 延薯4號直徑與剪切力關系

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2018年9月26-30日,在黑龍江省九三管局榮軍農場進行了打秧機田間作業試驗。試驗地為壟播水澆地種植的興佳2號和延薯4號兩個品種的淀粉薯,每個試驗區為雙壟長度為100m,離地高度分別為6、9、12cm。拖拉機由約翰迪爾1204拖拉機提供,打秧機為河北布谷機械制造廠生產的甩刀錘爪式殺秧機。

3.2 試驗方法

按照國家行業標準《NY/T 2706-2015 馬鈴薯打秧機質量評價技術規范》規定的試驗方法[14],分別在壟播水澆地種植的興佳2號和延薯4號兩個品種的淀粉薯種植田地進行殺秧試驗,測定馬鈴薯莖葉打碎長度合格率、留茬長度、傷薯率及漏打率作為打秧機的評價指標(見表1),考查殺秧機傳動系統、刀片磨損及刀輥穩定等各部分的性能。

表1 打秧機性能指標要求

1)傷薯率T1。將每個測點內所有的馬鈴薯挖出并稱其質量,再從中挑出傷薯并稱其質量。按下式計算每個測點的傷薯率,結果取10個測點的平均值,即

式中T1—每個測點的傷薯率(%);

Ms—每個測點內傷薯質量(kg);

M—每個測點內馬鈴薯總質量(kg)。

2)漏打率T2。檢查測區內莖葉總數和未打到的莖葉數,按下式計算漏打率,結果取平均,即

式中T2—漏打率(%);

Yl—測區內未打到莖葉數量(株);

Y—測區內莖葉總數量(株)。

3)留茬長度T3。檢查測區隨機取10根打秧作業后莖秧留茬長度T3,結果取其平均值。

9月末收獲中末期時,馬鈴薯打秧機在不同試驗條件下的作業指標如表2所示。由表2可以看出:選擇離地高度為3cm時殺秧,兩種淀粉薯莖稈的留茬長度、漏打率低符合標準,但傷薯率高不符合標準;選擇離地高度為6cm時殺秧,兩種淀粉薯莖稈的留茬長度、漏打率低符合標準,但傷薯率高于標準;選擇離地高度為9cm時殺秧,兩種淀粉薯莖稈的留茬長度、漏打率、傷薯率均符合標準;選擇離地高度為12cm時殺秧,兩種淀粉薯莖稈的留茬長度、漏打率過高均不符合標準,傷薯率低符合標準。所以,馬鈴薯殺秧機在這一時期應選擇離地高度9cm,此為最佳殺秧高度。

表2 打秧機在不同試驗條件下作業指標

4 討論與結論

4.1 討論

打秧作業后發現的問題:一是漏打率現象多發生在薯秧壟溝中;二是當馬鈴薯田左右兩根壟高低不一時殺秧效果不好;三是打秧機無法將倒伏在壟溝里的薯秧有效清除干凈。

4.2 結論

1)兩種典型淀粉薯品種興佳2號、延薯4號莖稈在10月7日的含水率分別達到87.61%、86.36%;從9月27日到10月17日,20天內淀粉薯莖稈含水率分別下降了8.08%、8.92%。這表明,淀粉薯隨著收獲期的臨近,其莖稈的含水率逐步下降。

2)興佳2號、延薯4號莖稈剪切力從9月27日至10月17日呈增加的趨勢。這表明,淀粉薯在收獲期,隨著時間的延長,莖稈剪切力也隨之增加。

3)由所測剪切力與直徑間的關系可知,興佳2號、延薯4號的最佳殺秧高度為9cm。

4)在所測區間收獲時間內(9月27日、10月7日、10月17日),通過興佳2號、延薯4號莖稈剪切力在3個時期擬合方程的對比,得出10月7日前后為淀粉薯莖稈最佳殺秧時間。

5)以河北布谷機械制造廠生產的打秧機進行試驗,結果表明:2018年10月7日,離地高度為9cm時,兩種淀粉薯莖稈打秧后的留茬長度、漏打率及傷薯率均符合標準。