食葵机械收获研究现状与展望

2022-04-19孙晓晓牛国梁王士国董云成

新疆农机化 2022年2期

李斌，孙晓晓，刘洋※，牛国梁，王士国，董云成

（1.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆石河子 832001；2.石河子大学机械电气工程学院）

0 引言

食用型向日葵，简称“食葵”，籽粒大，皮壳厚，果皮多为黑白底纹。食葵生育期短、适应能力强，对土壤条件、产地环境、生态气候等要求较低，因此种植成本低、收益高。据统计，2017 年中国食葵种植面积为50.67 万hm2，主要分布在内蒙古、新疆、甘肃和东北等地区[1-3]。

目前我国食葵机械化收获处于起步阶段，主要以人工为主，存在劳动强度大、工作效率低和收获成本高等问题[4]。在食葵全程机械化生产中，机械化收获是关键环节[5]。

1 国外食葵机械收获研究现状

国外食葵收获机大多为自走式食葵收获机，广泛采用液压驱动、电子监测系统、自动化控制系统，利用GPS辅助系统进行综合管理，具有高效率、精准化、低损伤等特点，通过更换不同功能的割台，适应不同产物，实现一机多用。机具仿形能力强，对崎岖田地适应能力强，可适用于大规模种植[6]。典型的产品有Claas Lexion 750、New Holland公司TC系列和John Deere W230 等联合收获机。

Claas Lexion 750 自走式食葵收割机（图1）主要由割台、脱粒系统、清选系统、茎秆粉碎系统、储料仓和驾驶室等组成。该机可根据食葵的高度自动匹配设置切割参数，可适应不同株高，可在驾驶室内直接实现对摩擦面和定刀的调整以及搂草与收割之间的转换。动力行走系统配有履带，可适应多种地况，与GPS 系统相结合可实现自动转向。最新的茎秆粉碎器和机械式驱动的茎秆撒播器极大降低了籽粒含杂率。脱粒系统具有预脱粒分离系统，分离更彻底，脱粒滚筒为封闭式，可提高籽粒质量。清选装置配有高效率风机以及可识别倾斜状态和自动仿形的振动筛，螺旋式卸粒装置使卸料更快。该机集机—电—液于一体，将自动化与智能化有效结合，显著提高了收获效率[7-10]。

图1 Claas Lexion 750 自走式联合收获机

New Holland 公司生产的TC 系列食葵收获机（图2）主要由割台、脱粒系统、清选系统、动力传动系统和粮仓等组成。该机割台装置包括拨禾轮、连续作业的刀具和伸缩扒齿，这些装置能够确保作物的进给速度始终一致，由于配备快速割台耦合系统，作业时可加快速度，不易出现堵塞现象。割台高度自动控制，自动修正喂入量过大，同时适应崎岖的田地状况。脱粒系统配备了“双滚筒”旋转式分离器，额外的凹板及附设的摩擦和导向变化可提高分离效率。清选系统自动调整振动筛，引导籽粒均匀分布于筛板，预筛板的设计确保了高效清选，风机可自动适应作业方向以及坡度[11]。

图2 TC 系列联合收获机

John Deere W230 食葵收割机（图3），其柔性仿形割台可根据田间作业自动调整作业速度及割茬高度，通过快速挂接结构，短时间内实现割台的挂接与分离。该机配备了大型主动分离的伸缩杆齿横向滚筒，可大幅度强化分离作用，提高籽粒质量和降低作物破碎率，滚筒转速采用无级变速式，滚筒与凹板间隙可调整。清选系统的双层鱼鳞筛能够增大清选面积，配备的导风板直板涡壳风扇能够提高清选性能。该机用途广泛，动力强劲稳定，可靠性高[12]。

图3 John Deere W230 联合收获机

自走式食葵收获机可一次性完成食葵摘盘、脱粒、清选、装仓和卸粮，作业过程不需要人工辅助，同时可进行多行作业，作业效率高，零部件之间结构紧凑。但其设施配备齐全导致结构复杂，故障率高，价格昂贵，作业模式不符合我国食葵机械收获方式，因此制约了该机型在我国的使用与发展[13]。

2 国内食葵机械收获研究现状

国内在食葵收获时通常将晾晒环节前置，即在收获作业前进行插盘晾晒。食葵经晾晒后，葵盘籽孔变大，更易脱粒且种皮保存良好，所以国内食葵机械收获分为两种，分段式收获和一次性机械收获[14]。

分段式收获将食葵收获作业分为人工取盘和机械脱粒、清选两个部分，先是由人工将插盘晾晒后的葵盘取下，脱粒和清选等工序一般由食葵取籽机完成，分段式收获对食葵的类型和株高要求不高，因此适应性强，收获的食葵籽粒不易破损，极大地降低了籽粒损失率，提高了食葵收获质量，但由于人工收获劳动强度大、作业效率低生产成本高，严重制约了食葵产业的持续发展[15]。

一次性机械收获是指食葵在经插盘晾晒后，食葵收获机在田间一次性完成摘盘、脱粒和清选等工序，具有作业效率高、劳动强度和人工成本低等优点，更适合我国食葵收获的大环境[16-17]。

食葵收获工艺流程如图4 所示：

图4 食葵收获工艺流程图

目前我国食葵收获机还处于研究和生产的起步阶段，大多数科研人员在小麦、玉米等作物联合收获机的基础上对割台和脱粒装置进行研究试验，已取得一定成果。我国设计的食葵收获机可分为三类：牵引式食葵收获机、互换割台式食葵收获机和背负式食葵收获机。

2.1 牵引式

牵引式食葵收获机可一次性完成食葵摘盘、脱粒、清选、装仓和卸粮。该机由拖拉机动力牵引，通过牵引架与拖拉机挂接，但目前大多数牵引式食葵收获机仍处于室内试验测试阶段。

白金牛等[18]设计的牵引式食葵收获机主要由提升输送装置、脱粒器、螺旋集粒装置和风力清选装置等组成，螺旋叶片将葵盘切割，再通过提升输送机将葵盘传送提升至脱粒器进行脱粒，该机可一次性收获6 行食葵，收割效率高。

许美珍等[19]设计的牵引式食葵头收割机包括机架、旋转刀架和分株板等，旋转刀架为三头刀架，每个分株板之间存在一定的距离，可将食葵分开并卡死，再由旋转刀头切割食葵茎秆，切下的葵头由进料口进入机壳。该机能够实现多行快速准确收割，具有对地形通用性强和制造成本低等优点，但在其旋转刀架切割食葵茎秆的过程中易产生振动，从而导致葵盘掉落，籽粒受损。

菅志亮等[20-21]设计的4ZXRKS-4 型食用向日葵收获机主要由割台、搅龙、过桥、脱粒机构、清选机构和液压系统等组成，该机集摘盘、脱粒、分选和籽粒收集为一体。收割时，割台自动调节高度，从葵盘的根部切割，使葵盘180°翻转，籽粒向上，不易洒落，可使杂质减少。在提升过程中使用离心式风机减少籽粒与过道摩擦，达到不伤皮和风干快的效果。

牵引式食葵收获机结构紧凑，对地面适应能力强，作业性能稳定，但由于整机过长，转弯半径大，导致机构复杂，灵活性差，作业时需要人工调整。当转速较大时，存在嗑籽、撒籽现象，且作业负荷加大时，机器易损坏[13]。

2.2 互换割台式

利用市场上现有油葵收获机，将油葵割台换成食葵割台，完成收获食葵作业。割台前端分禾器引导食葵茎秆喂入，弧形板将插秆的葵盘取下，再由拨禾轮向后拨送，完成取盘作业[17]。

康秀生等[22]设计了一种食葵收获割台，主要由拨秆，分禾器和传送装置等组成。食葵茎秆进入分禾器组件间隙，曲柄摇杆机构将食葵植株逐一往两侧分流到脱盘缺口，拖拉机向前移动将葵盘从脱盘缺口内抽出，落入分禾器，再输送到给定位置，代替人工取盘，实现机械化收获。该机构采用抽秆的方式，可减少茎秆带入的杂质。

穆建新等[23]设计了一种食葵收获割台机，该机包括若干传送带和集籽箱，传送带并排倾斜放置，倾斜角度为30°，传送带之间设有分离器。作业时，分禾器将食葵推入两个传送带之间，在分合器作用下葵盘与茎秆分离，传送带将葵盘向上输送，进入脱粒滚筒。

韩长杰等[24]设计了一种食葵采收台，该机主要由机架、捡拾装置、输送装置、集盘箱和动力传动系统等组成。动力输出轴通过动力传动带动滚筒盘转动，滚筒盘带动弹齿旋转，将葵盘挑起，从而落入传送装置，传送装置把葵盘向右侧集拢，并输送至集盘箱，完成捡拾作业。该机模仿人工方式将葵盘取下后直接抛入传送装置，可避免多道工序所造成的籽粒损失，该机具有结构紧凑、布局合理和操作简单等优点。

互换割台式食葵收获机可一机多用，具有通用性强、结构简单和作业效率高等特点，但取盘过程中易造成籽粒损失，制约了互换割台式食葵收获机在我国的使用与发展。

2.3 背负式

背负式食葵收获机（图5）主要由捡拾装置、输送装置、脱粒装置和清选装置等组成，可一次性完成脱粒、清选、装仓和卸粮，目前在市场上使用率较高，已被大多数农户接受。

图5 背负式食葵收获机

吴强明[25]等设计了一种食葵收获机，主要由脱粒装置和输送装置组成。田间作业时，人工将晒干的葵盘取下放入葵花仓，再由输送桥将仓内收集的葵盘送至脱粒机构进行脱粒。该机作业时可减少拉运、分离等诸多工序，省工高效。

新疆丰达机械制造有限公司研制的食葵收获机（图6）适用于田间晾晒后的食葵收获作业，可一次性完成脱粒、装仓和卸粮。该作业机主要由捡拾装置、螺旋升运装置、脱粒装置和清选装置等组成。该机使用食葵专用型脱粒滚筒，脱粒空间及速度均可调整，可减轻籽粒破损。卸料时通过液压缸翻转倾倒，可减少卸料过程中对籽粒的损伤，清选装置通过设置风机可降低籽粒含杂率[26]。

图6 新疆丰达机械制造有限公司背负式食葵收获机

张双侠等[27]设计了一种背负式食葵联合收获机。该机主要由分行器、拨禾轮、收割装置、传送装置和脱粒装置等组成。食葵茎秆喂入分行器，在拨禾轮的作用下收割装置将葵盘切割，在搅龙的作用下葵盘被传送装置运输至脱粒装置进行脱粒，籽粒在清选筛和风机的作用下进入收集箱。该机可根据食葵茎秆的高低调整割台至最佳位置，以适应不同品种的葵花收获，且制造成本低。但在收割前需人工进行葵盘插盘晾晒，插盘晾晒后的葵盘含水率低，拨禾轮与葵盘表面接触时产生的摩擦易造成籽粒损失。

背负式食葵收获机与拖拉机之间连接紧密，结构紧凑，转弯半径较小，作业方便，结构简单，价格适中，其脱粒后所含杂质较少，籽粒的清洁度和机具的利用率均有所提高。但该机需人工摘盘，从而造成劳动强度大，收获成本高，同时也受拖拉机类型的限制[17]。

3 我国食葵机械收获存在的问题

3.1 关键技术未突破

机具作业速度过高，部分葵盘被打落，存在嗑籽和撒籽现象，使人工复收量增加，因此大多数食葵收获机收获时在慢速挡作业，导致作业效率低。食葵脱出物成分、形态特性差异显著，空气动力特性复杂，给分离清选造成困难，常牺牲含杂率来保证籽粒损失率，导致机具收获指标不稳定。

3.2 通用性差、智能化程度低

我国食葵种植模式多样，食葵种类和株高不同，收获前要花费大量时间进行机具调试，机具行距适应性差，不能跨区作业，影响了食葵机械收获的通用性，加之收割时地里的杂草较多，易造成割台的堵塞，作物秸秆留茬较高，不利于耕整地作业。现有食葵收获机自动化与智能化技术结合应用较少，缺乏对割台高度自动调节和实时检测的研究。