鲜食玉米收获机械发展阶段判定研究

2024-12-31孙大明

智慧农业导刊 2024年15期

摘" 要：为促进鲜食玉米的高效低损收获，对鲜食玉米收获机械的发展进行阶段划分，并结合收获效率与果穗损失2个方面构建特征模式，基于模糊数学理论提出一种阶段划分方法，并结合4YZ-6型鲜食玉米收获机田间试验对该方法进行检验与可行性分析。结果表明该收获机收获效率与果穗损失率均低于2470型收获机，与判定的低效低损阶段相符。该阶段划即判定方法的提出，有助于加快我国鲜食玉米收获机械的高效低损发展，补全国内鲜食玉米机械化收获的短板问题。

关键词：收获;果穗损失;鲜食玉米;阶段;模糊数学

中图分类号：U455.6" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2024）15-0035-04

Abstract： In order to promote the efficient and low-loss harvesting of fresh corn， the development of fresh corn harvesting machinery was divided into stages， and a characteristic pattern was constructed by combining the two aspects of harvesting efficiency and cob loss， and a stage division method was proposed based on fuzzy mathematical theory， which was examined and feasibility analyzed by combining with the field test of the 4YZ-6 fresh corn harvester. The results show that the harvesting efficiency and Loss rate of ears of this harvester are lower than that of 2470 type harvester， which is in line with the stage of low efficiency and low loss. The proposal of this stage， i.e. the determination method， can help to accelerate the development of high efficiency and low loss of fresh corn harvesting machinery in China， and make up for the short board of mechanized harvesting of fresh corn in the country.

Keywords： harvesting; cob loss; fresh corn; stage; fuzzy mathematics

鲜食玉米果实在乳熟后期或蜡熟初期收获，属于可直接食用或加工的新鲜玉米类别，包括糯玉米、甜玉米、笋玉米和彩色玉米等[1]。新鲜玉米作为植物性膳食的一种新兴选择，已成为一种普遍趋势。甜玉米粒的含糖量是普通玉米的5～10倍，并富含天然维生素。维生素E、维生素B1和B2能刺激细胞分裂，延缓衰老，具有显著的保健作用，因其味道鲜美、营养丰富而广受欢迎[2-4]。数据显示，鲜食玉米种植面积持续增加，就全球鲜食玉米产业而言，美国和加拿大等西方国家的产值明显领先，其中鲜食玉米在鲜食蔬菜中排名第四，加工后的甜玉米在加工蔬菜中位居世界排名第二，特别是甜玉米罐头，年贸易量超过10万t[5]。鲜食玉米种植面积共计约127万hm2，其中两广地区种植面积30万hm2，一年三季为主，东北地区种植面积居第二位，约27万hm2，可见鲜食玉米已受到广泛关注[6-7]。糯玉米独有特性在工业上被广泛应用于纺织、造纸和黏合剂等领域，市场前景广阔。此外，鲜食玉米还是一种经济效益很高的农作物，既可作为粮食经济作物，又可作为果蔬和饲料，具有生长周期短、营养价值丰富等特点。由于鲜食玉米口感特殊、营养丰富、经济价值高、用途广泛，鲜食玉米产业前景广阔。

传统的鲜食玉米收获方式为人工掰穗，劳动强度高且效率低，导致鲜食玉米的收获成为了制约该产业发展的关键因素，鲜食玉米的机械化收获也成为了玉米收获领域内的焦点[8-10]。目前国内能够实现鲜食玉米机械化收获的机械主要分为2种。一种是通过对传统的玉米联合收获机进行改造升级，在满足正常收获作业前提下兼顾对鲜食玉米的收获。另外一种则是专门结合鲜食玉米收获的农艺要求进行研制的鲜食玉米联合收获机，以实现鲜食玉米的低损、高效收获。前者的研发成本较低、投入较少，但存在收获后果穗损失较大的问题，因此鲜食玉米收获机的研发势在必行[11-14]。

1" 鲜食玉米收获机发展现状

目前美国OXBO集团、哈格斯等企业已有成熟产品在市场上推广应用，但受限于道路运输、调试困难等客观因素，收获机的售价高、维修难，在国内市场上难以普及[15]。

目前国内有河北天人、贝克瑞斯、新疆牧神等企业在从事鲜食玉米收获机的研发工作，其中由黑龙江省农业机械工程科学研究所研制的4YZ-6型鲜食玉米收获机陆续在齐齐哈尔市、五大连池市进行了大面积试验，该收获机能够完成柔性摘穗、低损收获、无损输送、杂余清选与果穗收集等多项作业[16]。河北雷肯研制出了国内首台专用于鲜食玉米收获的机具4YZT-4机型，该机型的出现填补了我国鲜食玉米收获机械的空白，同时可以实现技术的自主研发、自主设计、自主开发和自主创新，随着机型的发展多年来也在不断改进和升级，升级后的功能更加强大，可靠性高。2014年，河北雷肯农业机械有限公司将玉米收获研究方向转移到了具有“黄金食品”之称的鲜食玉米上，研制出了我国首台4YZT-3鲜食玉米收获机，该收获机采用仿生式摘穗台，模拟人工摘穗，这种自上而下的摘穗方式大大降低了籽粒破损率，保证了鲜食玉米的收获。该机采用仿生式摘穗割台，模拟人工摘穗，这种自上而下的摘穗方式大大降低了籽粒破碎率，保证了鲜玉米果穗的质量，驱动装置采用全液压控制，提高了工作的稳定性和可靠性。但提取的鲜食玉米果穗柄较长，不利于运输和储存，且作业后的玉米果穗含杂率较高，增加了清选作业和鲜食玉米深加工的难题，作业效率较低。海南大学机电工程学院与山东巨明机械联合研制了4YZT-2型自走式鲜食玉米行对行收获机。该机采用螺旋斜辊实现鲜食玉米自上而下摘穗，收获过程中减少了机构与鲜食玉米果穗的相互作用力，使玉米果穗破损率降低，但该机仅完成了摘穗台高度、夹持拉茎带转速、摘穗辊间隙等影响鲜食玉米收获过程的因素研究，其他作用和影响因素有待进一步研究分析[17]。

针对目前我国鲜食玉米收获机的发展情况，对我国鲜食玉米收获机的发展阶段进行了广义划分，提出基于模糊综合评判的阶段判定方法。收获机所处阶段的判析有助于明确短期内的研究重点，对我国鲜食玉米收获机未来的研究提供理论参考。

2" 阶段划分

通过结合OXBO 2475型鲜食玉米收获机的作业效果与DG/T 285—2023《鲜食玉米收获机》推广鉴定大纲、GB/T 21962—2020《玉米收获机械》相关标准，将我国鲜食玉米收获机的发展划分为样机试制阶段、低效高损阶段、高效高损、低效低损、高效低损5个阶段[18-19]。

样机试制阶段是鲜食玉米收获机械发展的首要阶段。是指完成了对鲜食玉米收获机或兼顾鲜食玉米收获机械的研发与制造，并进行田间试验阶段。此阶段是将理论研究转变为实际产品的必经阶段，通过大面积、长时间、高载荷的田间试验对收获机械的实际工作效果与预期进行比对，从而进一步对关键部件进行优化升级。此阶段允许收获效率低、果穗损失较大，但仍需保证鲜食玉米的粮食产能，避免出现较大的经济损失。

低效高损阶段是鲜食玉米收获机械发展的第二阶段。此阶段的收获机械已经可以初步满足收获作业要求，但其作业效率上与主流机械存在较大差距，大面积作业时需要多机协同作业。且收获后果穗的综合损失率与大纲中要求相差较大，特别是注重果穗底部籽粒破损的糯玉米。这一阶段的收获机械，难以进行恶劣地况下的收获作业。因此可以考虑配套升级大马力发动机组件、分动箱、液压油泵等核心部件，进而提高前进速度与收获速度，从而提高收获效率。同时需要注重对收获机械各参数组合的调整，从而降低茎秆的折断数量与籽粒的破损。

高效高损阶段是鲜食玉米收获机械发展的第三阶段。此阶段在收获效率上与主流机械相接近，但果穗损失率仍与大纲要求相差较大。在不考虑籽粒破损的甜玉米收获上可以进行田间作业，包括泥泞地况下的甜玉米收获。仍然需要加上对收获机理的研究，保证玉米茎秆的有效喂入，降低收获时对果穗造成的损伤。

低效低损阶段是鲜食玉米收获机械发展的第四阶段。此阶段收获后的果穗损失率趋近于大纲规定，能够满足全种类鲜食玉米的收获作业。高损收获直接作用于果穗本身，而此阶段划分在高效高损阶段之后的原因是保障低损收获的前提下，可以通过多机协同作业的形式补全低效收获的短板，从而保障鲜食玉米的有效收获。在提升该阶段收获效率时，需要统筹前进速度于部件工作参数的协调性，需要保证鲜食玉米低损收获的前提下，进行不同的前进速度与各部件最优工作参数的匹配。

高效低损阶段是鲜食玉米收获机械发展的最终阶段。此阶段下的鲜食玉米收获机械在收获效率上超过主流收获机械，且其果穗损失率小于大纲要求。在此阶段的收获机械能够充分满足市场需求，可对国外鲜食玉米收获机进行替代。较低的果穗损失与高效率的收获作业可促进鲜食玉米产业蓬勃发展。

在鲜食玉米收获机械的收获效率影响因素中，选取作业时前进速度、转场时前进速度、卸粮速度、泥泞地况下单位时间内收获面积与单位时间内收获面积作为特征模式。果穗损失的影响因素中选取籽粒破损率与果穗遗失数量作为特征模式，从而得到表1特征模式表。

3" 发展阶段判定方法

鲜食玉米收获机各发展阶段的划分是广义划分，无法通过具体的数值进行主观判断，因此引入模糊数学理论中的模糊综合评判法则，并结合最大贴近度法对目标所处阶段进行判别。首先构建集合Q=（Q1，Q2，…，Q7）与集合P=（P1，P2，…，P5），将集合Q作为判别阶段隶属的元素合集，构建集合P作为发展阶段的评价集合，皆可通过判别集合Q归属于集合P中哪一子集实现阶段划分。其次通过专家打分法对集合Q中的元素进行打分得到信息矩阵Wij（i=P1，P2，…，P5;j=Q1，Q2，…，Q7），从而生成综合评价矩阵U=uij，其中（i=1，2，…，5;j=1，2，…，7）即

通过引入特征模糊子集Ai=（0，…，1，…，0）进行决策。对目标进行模式识别时，将集合A中的第i个分量数值记为1，其余数值记为0，并代入综合矩阵U对海明贴近度进行求解，其中海明贴近度的计算公式为

式中：为参考模型，对应为集合P;为待识别对象，对应为集合Q。

将贴近度集合记为R=（R1j，R2j，R3j，R4j，R5j）T，j∈[1，5]，引入预期理想子集+、预期非理想子集-与对称贴近度φ，则得到判别方程如下

若求解出与理想子集+距离大于与非理想子集-的距离，即可认为待判别目标隶属于阶段Pi，否则认为待判别目标隶属于阶段Pi+1。

4" 可行性分析

在齐齐哈尔市依安县北纬47°种植区进行田间试验，针对阶段划分方法进行可行性验证分析。试验机械选择美国OXBO集团的2470型鲜食玉米收获机与黑龙江省农业机械工程科学研究院4YZ-6型鲜食玉米收获机，在保证同一地块、同一玉米品种、同一驾驶员等多项相同变量的前提下进行对比作业试验。

试验过程中邀请科研院所、大学、合作社与农户构成多维度的评价顾问，对2台收获机的收货效率与果穗损失进行打分，得到表2所示的信息矩阵与表3综合评价矩阵[20]。

结合4YZ-6型鲜食玉米收获机的田间作业表现，并采用大纲中的果穗损失率计算方式，与OXBO 2470型鲜食玉米收获机进行对比，分析发现当前收获机发展阶段更趋近于低效低损收获阶段，并向高效低损阶段靠拢，从而验证了该阶段划分方法的可行性。其中在收获效率上，4YZ-6型鲜食玉米收获机的收获效率略低于2470型，原因是一个方面受制于发动机功率限制，另一方面则是工艺、材料等客观因素导致该车辆空载时就存在一定负荷，从而造成功率的损耗。在果穗损失率上，4YZ-6型收获机的损失率为2.87%，2470型收获机损失率为3.07%，国产收获机的表现更优，原因是国产收获机更符合我国玉米农艺要求，包括在分禾间隙、摘穗间隙、路距等参数方便更加契合国内耕种形式。

此阶段的鲜食玉米收获机在后续的研发过程中，可以通过增加发动机功率来提高收获机的前进速度，通过对收获割台的参数优化提高玉米植株的喂入效率与摘穗效率，调整输送装置速度配比提高物料在收获季内的输送效率，通过对底盘架构的优化升级与果穗箱的扩容进一步提高收获效率，同时可以通过加装果穗计数系统与称重系统，结合果穗箱监控画面提高卸粮效率，进而促使收获由低效低损阶段向高效低损阶段转变。

5" 结论

对鲜食玉米收获机械的发展阶段进行了划分，提出了基于收货效率与果穗损失的特征模式，并提出了一种基于模糊数学理论的阶段划分方法，构建了阶段划分的参数模型，同时针对该方法进行了田间试验与可行性分析，为我国鲜食玉米收获机械的发展提供参考。

参考文献：

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