食葵機械收獲研究現(xiàn)狀與展望

李 斌，孫曉曉，劉 洋※，牛國梁，王士國，董云成

（1.新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子 832001；2.石河子大學機械電氣工程學院）

0 引言

食用型向日葵，簡稱“食葵”，籽粒大，皮殼厚，果皮多為黑白底紋。食葵生育期短、適應能力強，對土壤條件、產(chǎn)地環(huán)境、生態(tài)氣候等要求較低，因此種植成本低、收益高。據(jù)統(tǒng)計，2017 年中國食葵種植面積為50.67 萬hm2，主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、甘肅和東北等地區(qū)[1-3]。

目前我國食葵機械化收獲處于起步階段，主要以人工為主，存在勞動強度大、工作效率低和收獲成本高等問題[4]。在食葵全程機械化生產(chǎn)中，機械化收獲是關鍵環(huán)節(jié)[5]。

1 國外食葵機械收獲研究現(xiàn)狀

國外食葵收獲機大多為自走式食葵收獲機，廣泛采用液壓驅動、電子監(jiān)測系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)，利用GPS輔助系統(tǒng)進行綜合管理，具有高效率、精準化、低損傷等特點，通過更換不同功能的割臺，適應不同產(chǎn)物，實現(xiàn)一機多用。機具仿形能力強，對崎嶇田地適應能力強，可適用于大規(guī)模種植[6]。典型的產(chǎn)品有Claas Lexion 750、New Holland公司TC系列和John Deere W230 等聯(lián)合收獲機。

Claas Lexion 750 自走式食葵收割機（圖1）主要由割臺、脫粒系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、莖稈粉碎系統(tǒng)、儲料倉和駕駛室等組成。該機可根據(jù)食葵的高度自動匹配設置切割參數(shù)，可適應不同株高，可在駕駛室內(nèi)直接實現(xiàn)對摩擦面和定刀的調整以及摟草與收割之間的轉換。動力行走系統(tǒng)配有履帶，可適應多種地況，與GPS 系統(tǒng)相結合可實現(xiàn)自動轉向。最新的莖稈粉碎器和機械式驅動的莖稈撒播器極大降低了籽粒含雜率。脫粒系統(tǒng)具有預脫粒分離系統(tǒng)，分離更徹底，脫粒滾筒為封閉式，可提高籽粒質量。清選裝置配有高效率風機以及可識別傾斜狀態(tài)和自動仿形的振動篩，螺旋式卸粒裝置使卸料更快。該機集機—電—液于一體，將自動化與智能化有效結合，顯著提高了收獲效率[7-10]。

圖1 Claas Lexion 750 自走式聯(lián)合收獲機

New Holland 公司生產(chǎn)的TC 系列食葵收獲機（圖2）主要由割臺、脫粒系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)和糧倉等組成。該機割臺裝置包括撥禾輪、連續(xù)作業(yè)的刀具和伸縮扒齒，這些裝置能夠確保作物的進給速度始終一致，由于配備快速割臺耦合系統(tǒng)，作業(yè)時可加快速度，不易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。割臺高度自動控制，自動修正喂入量過大，同時適應崎嶇的田地狀況。脫粒系統(tǒng)配備了“雙滾筒”旋轉式分離器，額外的凹板及附設的摩擦和導向變化可提高分離效率。清選系統(tǒng)自動調整振動篩，引導籽粒均勻分布于篩板，預篩板的設計確保了高效清選，風機可自動適應作業(yè)方向以及坡度[11]。

圖2 TC 系列聯(lián)合收獲機

John Deere W230 食葵收割機（圖3），其柔性仿形割臺可根據(jù)田間作業(yè)自動調整作業(yè)速度及割茬高度，通過快速掛接結構，短時間內(nèi)實現(xiàn)割臺的掛接與分離。該機配備了大型主動分離的伸縮桿齒橫向滾筒，可大幅度強化分離作用，提高籽粒質量和降低作物破碎率，滾筒轉速采用無級變速式，滾筒與凹板間隙可調整。清選系統(tǒng)的雙層魚鱗篩能夠增大清選面積，配備的導風板直板渦殼風扇能夠提高清選性能。該機用途廣泛，動力強勁穩(wěn)定，可靠性高[12]。

圖3 John Deere W230 聯(lián)合收獲機

自走式食葵收獲機可一次性完成食葵摘盤、脫粒、清選、裝倉和卸糧，作業(yè)過程不需要人工輔助，同時可進行多行作業(yè)，作業(yè)效率高，零部件之間結構緊湊。但其設施配備齊全導致結構復雜，故障率高，價格昂貴，作業(yè)模式不符合我國食葵機械收獲方式，因此制約了該機型在我國的使用與發(fā)展[13]。

2 國內(nèi)食葵機械收獲研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在食葵收獲時通常將晾曬環(huán)節(jié)前置，即在收獲作業(yè)前進行插盤晾曬。食葵經(jīng)晾曬后，葵盤籽孔變大，更易脫粒且種皮保存良好，所以國內(nèi)食葵機械收獲分為兩種，分段式收獲和一次性機械收獲[14]。

分段式收獲將食葵收獲作業(yè)分為人工取盤和機械脫粒、清選兩個部分，先是由人工將插盤晾曬后的葵盤取下，脫粒和清選等工序一般由食葵取籽機完成，分段式收獲對食葵的類型和株高要求不高，因此適應性強，收獲的食葵籽粒不易破損，極大地降低了籽粒損失率，提高了食葵收獲質量，但由于人工收獲勞動強度大、作業(yè)效率低生產(chǎn)成本高，嚴重制約了食葵產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展[15]。

一次性機械收獲是指食葵在經(jīng)插盤晾曬后，食葵收獲機在田間一次性完成摘盤、脫粒和清選等工序，具有作業(yè)效率高、勞動強度和人工成本低等優(yōu)點，更適合我國食葵收獲的大環(huán)境[16-17]。

食葵收獲工藝流程如圖4 所示：

圖4 食葵收獲工藝流程圖

目前我國食葵收獲機還處于研究和生產(chǎn)的起步階段，大多數(shù)科研人員在小麥、玉米等作物聯(lián)合收獲機的基礎上對割臺和脫粒裝置進行研究試驗，已取得一定成果。我國設計的食葵收獲機可分為三類：牽引式食葵收獲機、互換割臺式食葵收獲機和背負式食葵收獲機。

2.1 牽引式

牽引式食葵收獲機可一次性完成食葵摘盤、脫粒、清選、裝倉和卸糧。該機由拖拉機動力牽引，通過牽引架與拖拉機掛接，但目前大多數(shù)牽引式食葵收獲機仍處于室內(nèi)試驗測試階段。

白金牛等[18]設計的牽引式食葵收獲機主要由提升輸送裝置、脫粒器、螺旋集粒裝置和風力清選裝置等組成，螺旋葉片將葵盤切割，再通過提升輸送機將葵盤傳送提升至脫粒器進行脫粒，該機可一次性收獲6 行食葵，收割效率高。

許美珍等[19]設計的牽引式食葵頭收割機包括機架、旋轉刀架和分株板等，旋轉刀架為三頭刀架，每個分株板之間存在一定的距離，可將食葵分開并卡死，再由旋轉刀頭切割食葵莖稈，切下的葵頭由進料口進入機殼。該機能夠實現(xiàn)多行快速準確收割，具有對地形通用性強和制造成本低等優(yōu)點，但在其旋轉刀架切割食葵莖稈的過程中易產(chǎn)生振動，從而導致葵盤掉落，籽粒受損。

菅志亮等[20-21]設計的4ZXRKS-4 型食用向日葵收獲機主要由割臺、攪龍、過橋、脫粒機構、清選機構和液壓系統(tǒng)等組成，該機集摘盤、脫粒、分選和籽粒收集為一體。收割時，割臺自動調節(jié)高度，從葵盤的根部切割，使葵盤180°翻轉，籽粒向上，不易灑落，可使雜質減少。在提升過程中使用離心式風機減少籽粒與過道摩擦，達到不傷皮和風干快的效果。

牽引式食葵收獲機結構緊湊，對地面適應能力強，作業(yè)性能穩(wěn)定，但由于整機過長，轉彎半徑大，導致機構復雜，靈活性差，作業(yè)時需要人工調整。當轉速較大時，存在嗑籽、撒籽現(xiàn)象，且作業(yè)負荷加大時，機器易損壞[13]。

2.2 互換割臺式

利用市場上現(xiàn)有油葵收獲機，將油葵割臺換成食葵割臺，完成收獲食葵作業(yè)。割臺前端分禾器引導食葵莖稈喂入，弧形板將插稈的葵盤取下，再由撥禾輪向后撥送，完成取盤作業(yè)[17]。

康秀生等[22]設計了一種食葵收獲割臺，主要由撥稈，分禾器和傳送裝置等組成。食葵莖稈進入分禾器組件間隙，曲柄搖桿機構將食葵植株逐一往兩側分流到脫盤缺口，拖拉機向前移動將葵盤從脫盤缺口內(nèi)抽出，落入分禾器，再輸送到給定位置，代替人工取盤，實現(xiàn)機械化收獲。該機構采用抽稈的方式，可減少莖稈帶入的雜質。

穆建新等[23]設計了一種食葵收獲割臺機，該機包括若干傳送帶和集籽箱，傳送帶并排傾斜放置，傾斜角度為30°，傳送帶之間設有分離器。作業(yè)時，分禾器將食葵推入兩個傳送帶之間，在分合器作用下葵盤與莖稈分離，傳送帶將葵盤向上輸送，進入脫粒滾筒。

韓長杰等[24]設計了一種食葵采收臺，該機主要由機架、撿拾裝置、輸送裝置、集盤箱和動力傳動系統(tǒng)等組成。動力輸出軸通過動力傳動帶動滾筒盤轉動，滾筒盤帶動彈齒旋轉，將葵盤挑起，從而落入傳送裝置，傳送裝置把葵盤向右側集攏，并輸送至集盤箱，完成撿拾作業(yè)。該機模仿人工方式將葵盤取下后直接拋入傳送裝置，可避免多道工序所造成的籽粒損失，該機具有結構緊湊、布局合理和操作簡單等優(yōu)點。

互換割臺式食葵收獲機可一機多用，具有通用性強、結構簡單和作業(yè)效率高等特點，但取盤過程中易造成籽粒損失，制約了互換割臺式食葵收獲機在我國的使用與發(fā)展。

2.3 背負式

背負式食葵收獲機（圖5）主要由撿拾裝置、輸送裝置、脫粒裝置和清選裝置等組成，可一次性完成脫粒、清選、裝倉和卸糧，目前在市場上使用率較高，已被大多數(shù)農(nóng)戶接受。

圖5 背負式食葵收獲機

吳強明[25]等設計了一種食葵收獲機，主要由脫粒裝置和輸送裝置組成。田間作業(yè)時，人工將曬干的葵盤取下放入葵花倉，再由輸送橋將倉內(nèi)收集的葵盤送至脫粒機構進行脫粒。該機作業(yè)時可減少拉運、分離等諸多工序，省工高效。

新疆豐達機械制造有限公司研制的食葵收獲機（圖6）適用于田間晾曬后的食葵收獲作業(yè)，可一次性完成脫粒、裝倉和卸糧。該作業(yè)機主要由撿拾裝置、螺旋升運裝置、脫粒裝置和清選裝置等組成。該機使用食葵專用型脫粒滾筒，脫粒空間及速度均可調整，可減輕籽粒破損。卸料時通過液壓缸翻轉傾倒，可減少卸料過程中對籽粒的損傷，清選裝置通過設置風機可降低籽粒含雜率[26]。

圖6 新疆豐達機械制造有限公司背負式食葵收獲機

張雙俠等[27]設計了一種背負式食葵聯(lián)合收獲機。該機主要由分行器、撥禾輪、收割裝置、傳送裝置和脫粒裝置等組成。食葵莖稈喂入分行器，在撥禾輪的作用下收割裝置將葵盤切割，在攪龍的作用下葵盤被傳送裝置運輸至脫粒裝置進行脫粒，籽粒在清選篩和風機的作用下進入收集箱。該機可根據(jù)食葵莖稈的高低調整割臺至最佳位置，以適應不同品種的葵花收獲，且制造成本低。但在收割前需人工進行葵盤插盤晾曬，插盤晾曬后的葵盤含水率低，撥禾輪與葵盤表面接觸時產(chǎn)生的摩擦易造成籽粒損失。

背負式食葵收獲機與拖拉機之間連接緊密，結構緊湊，轉彎半徑較小，作業(yè)方便，結構簡單，價格適中，其脫粒后所含雜質較少，籽粒的清潔度和機具的利用率均有所提高。但該機需人工摘盤，從而造成勞動強度大，收獲成本高，同時也受拖拉機類型的限制[17]。

3 我國食葵機械收獲存在的問題

3.1 關鍵技術未突破

機具作業(yè)速度過高，部分葵盤被打落，存在嗑籽和撒籽現(xiàn)象，使人工復收量增加，因此大多數(shù)食葵收獲機收獲時在慢速擋作業(yè)，導致作業(yè)效率低。食葵脫出物成分、形態(tài)特性差異顯著，空氣動力特性復雜，給分離清選造成困難，常犧牲含雜率來保證籽粒損失率，導致機具收獲指標不穩(wěn)定。

3.2 通用性差、智能化程度低

我國食葵種植模式多樣，食葵種類和株高不同，收獲前要花費大量時間進行機具調試，機具行距適應性差，不能跨區(qū)作業(yè)，影響了食葵機械收獲的通用性，加之收割時地里的雜草較多，易造成割臺的堵塞，作物秸稈留茬較高，不利于耕整地作業(yè)。現(xiàn)有食葵收獲機自動化與智能化技術結合應用較少，缺乏對割臺高度自動調節(jié)和實時檢測的研究。

3.3 無適合的食葵專用收獲機械

目前現(xiàn)存的食葵收獲機一部分是基于小麥等作物收獲機改裝而來，另一部分改裝自國外的食葵收獲機。由于食葵與小麥等作物的生物特性存在差異，導致莖稈與籽粒難以分離。借鑒了國外食葵收獲技術而未考慮國內(nèi)外食葵種植模式的差異，因此對食葵的適應性差，脫粒性能和清選性能不達標。

4 我國食葵機械收獲發(fā)展建議

4.1 開展關鍵裝置的研究

在滿足食葵機械收獲作業(yè)要求的同時，通過對食葵脫出物物料特性測定，對食葵采收機械的結構進行優(yōu)化設計，使機器在高速作業(yè)時作業(yè)速度與作業(yè)質量相適應。嘗試新材料、新工藝調整結構，設計符合作業(yè)標準的清選裝置，進而收獲高質量的食葵籽粒。

4.2 提高食葵機械收獲的通用性和智能化

尋找食葵的共性，通過調整關鍵裝置工作參數(shù)或更換部分零部件實現(xiàn)不同種類和種植模式的食葵機械化收獲，提高食葵機械收獲通用性。在滿足機械性能的條件下，借鑒國外成熟的食葵機械收獲經(jīng)驗，有效地將智能化控制和實時作業(yè)檢測結合，實現(xiàn)機—液—氣一體化，有利于提高食葵機械收獲可操作性和智能化。

4.3 農(nóng)機與農(nóng)藝的結合

培育高質量且與食葵收獲作業(yè)相適應的新品種，根據(jù)各地區(qū)的種植特點制定符合機械收獲的統(tǒng)一種植模式，如作業(yè)間距、播種方式等，使農(nóng)業(yè)機械與農(nóng)藝相結合，可大幅度促進我國食葵機械收獲的發(fā)展。

5 結論

隨著農(nóng)村勞動力的流失，我國對高端農(nóng)機裝備越來越重視，我國可借鑒國外相關機型的成功經(jīng)驗，有重點地對我國食葵收獲機進行研究，研究食葵收獲機的關鍵裝置，提高食葵機械收獲的通用性和智能化，加大農(nóng)機與農(nóng)藝的結合，研制出符合我國種植模式的食葵收獲機，促使食葵收獲機械向規(guī)模化、精準化、高效化和智能化發(fā)展。