苜蓿種子收獲機械研究現狀及問題探討

陳文星,萬其號,高英杰,張志強,布 庫,杜文亮,顧 杰

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院,呼和浩特 010018;2.中國農業科學院 草原研究所,呼和浩特 010010;3.湖州豐源農業裝備制造有限公司,浙江 湖州 313000)

0 引言

苜蓿是豆科多年生草本植物,其產草量高,營養價值豐富,田間栽培利用年限長達7～10年,享有“牧草之王”的美譽[1-2]。苜蓿富含蛋白質、維生素和礦物質等營養物質,適口性好,是奶牛等草食性動物的重要優質飼草。苜蓿草粗蛋白含量可達18%～22%, 遠遠高于玉米秸稈,被世界各國廣泛引種栽培[3-4]。隨著人民生活水平的逐漸提高、“振興奶業苜蓿發展行動”以及“草原生態修復治理項目”的啟動實施,苜蓿產業得到迅速發展。據中國畜牧業協會統計,2008-2020年我國苜蓿商品干草種植面積由3.3萬hm2增長到63.3萬hm2,苜蓿種子的進口量由48.53t增長到3400t。國以農為本,農以種為先,種子是一種特殊的農業生產資料,是農業生產的基礎[5]。我國牧草種子每年的需求量約5萬t,但近40%依賴國外進口,且進口的牧草種子中50%以上都來自美國,自給率不足和高度集中的市場結構嚴重制約了我國牧草種子產業化的發展,提高我國牧草種子的供給能力迫在眉睫[6-7]。目前,我國苜蓿產業以飼草生產為主,苜蓿種子的自給率嚴重不足,原因之一是苜蓿種子的收獲技術和裝備相對落后且發展緩慢。為此,必須高度重視我國苜蓿種子收獲機械的發展,大力支持苜蓿種子專用收獲技術和裝備的研發,全面提升我國苜蓿種子收獲機械技術水平和國際競爭力。

1 苜蓿特性

1.1 生長特性

苜蓿是一種多年生宿根性簇生豆科草本植物,是營養價值很高的優質飼草。苜蓿的初生根能深入地下,生長2個月時可深入土壤90cm,5個月時達180cm;其每個主根上簇生著幾個至十幾個主枝,主枝從上至下長滿枝杈,莢果生長在枝杈上,呈螺旋形,2～4圈,直徑和莢長0.4～0.7cm,每莢結種2～8粒不等;莢果由細長的莢柄與枝杈連接,在植株上位置分散。莢果成熟期不一致,即使到了收獲季節,葉子、莖稈保持綠色,甚至開花,水分含量依然較高[8]。苜蓿種子從7月下旬開始逐漸成熟,到8月中旬成熟莢果數占植株上莢果總數的80%,達到完熟期。成熟結莢的苜蓿植株如圖 1 所示。

圖1 成熟結莢苜蓿植株Fig.1 Mature pod-bearing alfalfa plants

1.2 物理特性

成熟的苜蓿種子表面平滑,形狀呈腎形,正常的顏色為橙黃色,部分種子因受到潮濕等因素的影響也呈褐色。表1為“中苜1號”苜蓿種子及種莢的物理特性,苜蓿莢果及種子外形如圖2所示。

表1 中苜1號苜蓿種子及種莢物理特性Table 1 Physical characteristics of seeds and pods of alfalfa Zhongmu No.1

由表1可知,苜蓿種子的外形尺寸、千粒質量及種草比很小(小麥谷草比為1:1.43),且通過對苜蓿種子、苜蓿莢果以及斷碎莖桿的懸浮速度測量,發現三者的懸浮速度范圍相對接近,故在收獲過程中機械化清選難度較大,不能直接使用谷類聯合收獲機對苜蓿種子進行收獲。同時,應根據苜蓿種子及種莢的物理特性,使用適合于苜蓿種子收獲的工藝和機械。

2 苜蓿種子收獲方法

2.1 人工收獲法

當苜蓿種子基本達到完熟期時,人工使用鐮刀等工具對苜蓿進行收割,收割后的苜蓿運輸到場地攤曬,攤曬后的苜蓿通過碾壓揉搓等方式完成種莢與莖稈、種子與種莢的分離,最后借助簸箕或篩子完成種子的清選收集。人工收獲法適用于小面積苜蓿種子的收獲,如小塊苜蓿試驗田及農戶用于喂養牲畜的苜蓿田等。

2.2 梳刷收獲法

苜蓿在直立狀態下進入收獲機梳刷脫粒裝置,梳脫下的物料(苜蓿莢果及細小莖葉)在慣性力及風機吸氣流的帶動下進入沉降室收集。具體工藝如下:種莢梳刷—風力輸送—沉降—種子與莖葉混合物收集。經梳刷后的苜蓿莖稈基本完整,可繼續作為飼草利用,但仍然直立在田間,需要增加割草工序對其進行收割。因此,梳刷收獲法不但增加了機具的進地次數,收獲成本也隨之增高。

2.3 全喂入收獲法

全喂入收獲法指使用全喂入聯合收獲機一次性完成苜蓿的切割、輸送、脫粒、分離,以及苜蓿種子及種莢的清選、收集等作業。同梳刷收獲相比,全喂入收獲法無需再進行割草,既減少了工序,又降低了收獲成本。莖稈破碎會縮短達到安全含水率的時間,加快莖稈的干燥速度[9]。經全喂入聯合收獲機收割脫出的苜蓿莖稈,在脫粒滾筒的揉搓擠壓作用下而破碎,可有效減少田間自然晾曬時間和雨淋霉變風險,更高效地完成苜蓿草的打捆收集。

3 我國苜蓿種子收獲機械研究現狀

我國苜蓿種子收獲機械起步較晚,且發展緩慢。1981-1982年,吉林工業大學與新疆聯合收獲機廠共同承擔了原農機部下達的4LQ-2.5型聯合收獲機改裝牧草籽收獲機的課題[10],改裝后聯合收獲機的草籽損失率在10%左右,清潔度在50%左右。1982-1983年,李洪森等人對東風ZBK-5型聯合收割機進行改裝[11],滾筒轉速由900r/min提高到1230r/min,脫粒間隙由6mm縮小到2mm,凹版柵格由24mm×12mm縮小為24mm×4mm,并適當減小進風量和篩子開度;對苜蓿進行種子收獲試驗,當機器前進速度為0.43m/s時,脫殼率為96.05%,清潔度為60.5%,損失率為10.1%。1990-1993年,黑龍江省畜牧機械化研究所研制了92Z-1.4型苜蓿種子收獲機[12-14],收獲方法為梳刷收獲法,能一次性完成苜蓿站稈脫莢→物料拋送、脫粒→物料輸送→物料貯存的工藝過程;經田間性能測定試驗,當前進速度為0.62～1.09m/s時,總損失率為14.5%～20.2%。2001-2006年,中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院研制了由9ZQ-2.7型苜蓿種子采集機和5TQ-110型苜蓿種莢脫粒清選機組成的苜蓿種子收獲清選聯合作業機組[15-16]。9ZQ-2.7型苜蓿種子采集機屬于割前脫粒收獲機具,由拖拉機牽引和驅動來完成苜蓿種莢及種子的收獲;收獲后,晾干的苜蓿種莢在5TQ-110型苜蓿種莢脫粒清選機的作用下,完成苜蓿種子的收集。2007年,中國農業機械化科學研究院設計研制了4AZ-2.7型自走式苜蓿種子聯合收獲機[17],通過計算分析及實例驗證確定該收獲機的參數為:滾筒直徑260mm,滾筒長度1030mm,滾筒傾角38°,滾筒轉速800～1200r/min,機器前進速度3～4km/h;當機器前進速度為3.4km/h、滾筒轉速為1100r/min時,脫凈率可達99%以上。2011年,徐蘇凌等人針對苜蓿種子采集機只能收獲籽粒集中在在植株頂部的部分種子及種子收獲量較小的問題,研制了一種收獲量較大紫花苜蓿種子割前脫粒收獲機[18],收獲效果好、損失小。2012年,朱洪林在因苜蓿種子的生長特點難于收獲的情況下研制開發出SYT-580型苜蓿種子收獲試驗臺[19],可更加直觀、方便地模仿田間苜蓿種子機械化收獲過程,通過大量試驗,最終確定梳脫輥的最佳形式為膠絲與彈齒組合梳脫輥,對應的參數為:田間行走速度0.6～0.75m/s,梳脫輥線速度12～14m/s,平均梳凈率95%,含雜率22%。2013-2014年,陳海霞等人研制了9ZS-1.3型柔性苜蓿種子收獲機[20-21],兩端配有立式割刀,可將壟間搭接的莖稈切斷,避免梳脫時的飛濺損失,采用了彈性梳脫齒與柔性膠絲組合梳脫輥,顯著提高了梳凈率,并通過大量試驗最終確定最佳行走速度范圍為0.65～0.85m/s,轉輥外徑為580mm,總損失率為6.28%。2017年,山西省農業科學院高寒區作物研究所研制了一種苜蓿種子收獲機[22],收獲方式為半喂入收獲,在可編程系列PLC控制器、1臺電機驅動器和 62臺繼電器的控制下,人工推動行進對苜蓿種子完成收集,結構新穎,操作方便。2018年,劉金生等人研制了一種苜蓿種子收獲機[23],具有采集器高度可調的功能,可通過調節采集高度因地制宜地收獲苜蓿種子。近幾年,中國農業科學院草原研究所對全喂入自走式苜蓿種子收獲技術和裝備展開研究,試制樣機經過田間試驗,其收獲損失率和收獲后物料的清潔率都較為理想。

多年來,我國苜蓿種子的收獲機械雖然取得了一定的成果,但研究方向偏向于梳刷式收獲機械,且研制出的收獲機具在實際的苜蓿種子收獲中少見應用。目前,我國苜蓿種子的收獲機械主要以改裝的谷物聯合收獲機為主,既有輪式,又有履帶式,既有軸流式脫粒,又有切流式脫粒,如圖3所示。因此,對苜蓿種子全喂入聯合收獲機械進行開發研究仍有很大的空間。

圖3 苜蓿種子聯合收獲機各類機型Fig.3 Various models of alfalfa seed combine harvester

4 存在問題及改進建議

近兩年,在苜蓿種子收獲期,課題組于內蒙古自治區鄂爾多斯市鄂托克前旗賽音烏素草籽廠,對苜蓿種子全喂入聯合收獲過程進行調研,并進行了近50hm2的實地苜蓿種子全喂入聯合收獲試驗。在調研及試驗過程中發現,苜蓿種子全喂入聯合收獲機械仍普遍存在如下問題。

4.1 撥禾輪纏草

在苜蓿種子全喂入聯合收獲的過程中,撥禾輪兩側纏草現象嚴重,如圖4所示。撥禾輪兩側纏草,會導致隨著聯合收獲機的運轉前進纏繞在撥禾輪兩側的苜蓿莖稈越纏越多且越纏越緊,致使撥禾輪轉動受阻,最終不能正常工作。

圖4 撥禾輪兩側纏草Fig.4 Twine grass on both sides of the wheel

分析發現,造成撥禾輪兩側纏草問題的主要原因是苜蓿植株間的纏連作用。當聯合收獲機作業前進時,割臺內靠近左右分禾器的苜蓿植株雖被割倒,但由于植株間的纏連作用,割臺外側未被收割的苜蓿植株會給割臺內已被收割的苜蓿植株向外的拉力,在撥禾輪的旋轉作用力及苜蓿植株間纏連力的共同作用下,最終造成撥禾輪兩側莖稈纏繞的現象。

改進建議:在結構上,加寬和加高分禾器結構,以降低苜蓿植株間的纏連作用;在駕駛操作上,機手應根據田間苜蓿的長勢合理調節撥禾輪的作業高度,即遇苜蓿株高高、長勢密的地塊時調高撥禾輪的作業高度;遇苜蓿株高矮、長勢疏的地塊時降低撥禾輪的作業高度,可有效減少撥禾輪兩側纏草現象。

4.2 喂入攪龍堵塞

在苜蓿種子全喂入聯合收獲的過程中,存在喂入攪龍堵塞的現象,如圖5所示。這會導致割倒后的苜蓿植株不能正常喂入脫粒滾筒,從而無法完成苜蓿種莢與苜蓿莖稈的分離及后續苜蓿種莢和種子的清選收集;且隨著喂入攪輪的旋轉,纏繞在攪龍上的苜蓿莖稈會越來越多、越來越緊,不及時停機處理最終會導致喂入攪龍因過阻停轉,對喂入攪龍傳動部分的零部件造成損傷。

圖5 喂入攪龍堵塞Fig.5 Feeding auger clogged

造成喂入攪龍堵塞問題的原因是:苜蓿植株過高,被割倒后的苜蓿植株的株高仍大于喂入攪龍的周長,在喂入攪輪的旋轉作用下,苜蓿植株不斷纏繞擠壓在喂入攪龍上,無法按螺旋導向喂入傾斜輸送槽,從而造成喂入攪龍堵塞問題。

改進建議:根據田間待收苜蓿植株的平均株高,增加喂入攪龍的直徑,使得喂入攪龍的周長大于田間苜蓿的株高,從而避免喂入攪龍堵塞問題。

4.3 篩面堵塞

清選篩是聯收機最為重要的工作部件之一,脫粒滾筒脫下的物料在風機和清選篩的風篩式清選作用下,完成種子的收集存貯和雜質的排出。為了得出最適合苜蓿收獲的篩片篩孔尺寸,需要更換不同篩孔尺寸的篩片。在更換篩片過程中發現,經過一段時間的作業后,振動篩篩片上會附著大量的苜蓿種莢,如圖6所示。篩面被種莢附著,會嚴重降低物料的透篩率,進而導致整機的清選損失率變大。

圖6 篩面堵塞Fig.6 Sieve surface blocked

篩面上附著的苜蓿種莢與篩網存在很大的粘連作用,很難手動將其清除,需借助鋼絲刷等工具刷擦以將其清理干凈。因此,定時對篩片進行刷擦或更換篩片,可解決因篩面被種莢附著而造成清選損失率大的問題,但受清選篩結構的影響,更換篩片耗時較長,影響作業效率。

改進建議:對清選篩的結構進行優化,設計出一種便于更換篩片的清選篩,在卸種之余對篩片進行更換和清理,達到既不影響聯合收獲機作業效率又能有效降低因篩面堵塞導致的清選損失率高的問題。

4.4 清選室風速過大

實際生產收獲中,苜蓿種子收獲機主要以改裝的谷物聯合收獲機為主。機主憑借經驗對聯合收獲機進行篩片更換、風機調速,隨后便直接對苜蓿種子進行聯合收獲。由于沒有科學的參數支持,改裝后的苜蓿種子聯合收獲機存在的主要問題是清選室內風速過大,當清選室內的風速大于苜蓿種子的懸浮速度時,苜蓿種子的損失率會隨著風速的增加而變大。表2為兩種田間作業機型工作狀態下清選室內的風速。

表2 清選室內風速Table 2 Wind speed in cleaning room m/s

改裝后的苜蓿種子聯合收獲機清選室風速過大的問題在于其風機的參數是依據谷物的懸浮速度而確定的,并不適用于苜蓿種子的收獲。即使將風機的參數最小化調節,其風速仍大于苜蓿種子的懸浮速度。

改進建議:依據苜蓿種子和種莢的懸浮速度,通過改變風機結構或改變帶動風機轉動的從動輪的大小來降低清選室內風速,進而降低損失率。

4.5 卸種堵塞

苜蓿種子全喂入聯合收獲機作業一段時間后,苜蓿種子及種莢會充滿種子收集箱,需要及時將箱內的苜蓿種子卸出晾曬,避免苜蓿種子的品質受到影響。目前,苜蓿種子聯合收獲機的卸糧方式以螺旋輸送式為主,在卸種的過程中堵塞問題非常嚴重,需要人為在種子收集箱上方使用工具攪動疏通,最終才能完成卸種過程,如圖7所示。

圖7 卸種堵塞Fig.7 Seed outflow blockage

分析發現,造成卸種堵塞問題的主要原因是:種子收集箱內收集的物料為混雜在一起的苜蓿莢果、苜蓿種子和細小莖葉,測量得出其休止角為42°(大豆小麥的休止角約為27°),流動性差,如圖8所示。苜蓿種子收集箱卸種問題,可參考卡車傾倒式的卸料方法,利用液壓舉升的原理,通過發動機動力驅動液壓舉升機構,將種子收集箱傾斜一定角度,最終完成卸糧任務。

圖8 種子收集箱內物料Fig.8 Materials in the seed collection box

苜蓿種子的收獲期較短,處理喂入裝置纏繞、堵塞和卸種堵塞問題均需要耗費較長時間,由此會耽擱最佳收獲期;篩面堵塞和風機風速過大問題會導致種子的損失率變大。在效益上,農戶和機主以每畝計價的方式進行合作則會存在以下問題:對機主而言,收獲期的延長會導致收獲工期隨之延長,進而導致工作效益變低;對農戶來說,種子的成熟度隨收獲期的延長而變大,種子成熟度越高機械收獲的種子損失率越大,經濟效益變低。因此,在實際的苜蓿種子生產收獲作業中,在保證低損失率的前提下縮短收獲期是農戶和機主共同期盼的。

5 結論

1)全喂入聯合收獲工藝適用于苜蓿種子機械化收獲作業。

2)我國苜蓿種子全喂入聯合收獲機械在收割、喂入、清選、卸種的結構及參數配置上有待改進,通過加寬加高分禾器結構、增大喂入攪龍直徑、優化振動篩結構、改變風機結構或傳動比、使用傾倒式卸種方式的辦法,從而可有效提高苜蓿種子全喂入聯合收獲機的田間作業性能和效率。

3)在解決現有苜蓿種子收獲機械存在問題的基礎上,開發研制新型苜蓿種子聯合收獲機械,真正服務于苜蓿種子生產,從而提高我國種子收獲機械的國際競爭力。