周德歡，胡志超，曹明珠，王 冰，王申瑩，于昭洋

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014)

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兩段式花生摘果特性試驗研究

周德歡，胡志超，曹明珠，王 冰，王申瑩，于昭洋

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014)

為探明兩段式收獲條件下花生摘果特性，提高花生聯(lián)合收獲機的收獲質(zhì)量，以江蘇宿遷地區(qū)天府9號為試驗對象，應用室內(nèi)與田間試驗相結合的研究方法，研究收獲期影響摘果特性的主要因素，揭示花生莢果含水率、晾曬時間、果柄力學特性和摘果作業(yè)質(zhì)量的內(nèi)在關系。結果表明：基于不同的試驗條件與方法，果柄拉斷力有所差異，但隨晾曬時間(含水率)變化趨勢一致，在晾曬2～3天時，果柄拉斷力達到峰值，且秧柄節(jié)點拉斷力大于果柄節(jié)點；確定最佳摘果時間為晾曬5～6天，并經(jīng)撿拾聯(lián)合收獲機摘果試驗驗證。研究結果為摘果裝置的結構參數(shù)和運動參數(shù)提供了直接依據(jù)，并為兩段式收獲模式下最佳撿拾摘果時間提供了參考，同時為深入研究摘果效率與摘果損失提供了參考。

花生；摘果特性；兩段式；拉斷力

0 引言

花生是我國最具國際競爭力的優(yōu)質(zhì)油料作物，也是重要的食品原料，隨著其價值的凸顯，近年來我國的花生種植面積不斷增加，常年種植面積約500萬hm2左右。隨著農(nóng)村勞動力的減少，花生收獲機械化顯得尤為重要，這也吸引眾多科研院所關注花生機械化收獲的研究[1-2]。兩段式收獲條件下，花生需經(jīng)過一段時間的晾曬，待花生莢果含水率降到20%以下，進行撿拾摘果，主要通過花生挖掘機與花生撿拾聯(lián)合收獲機來實現(xiàn)：第1步，花生挖掘機先將花生挖起，經(jīng)過一段時間的田間鋪放晾曬；第2步，由花生撿拾聯(lián)合收獲機再進行撿拾摘果作業(yè)[3-4]。兩段收獲既解決了鮮濕花生收獲作業(yè)條件差、難度大的問題，又提高了機械收獲作業(yè)效率及生產(chǎn)率，適應花生規(guī)?；N植收獲[5]。

花生摘果特性指花生摘果的難易程度[6]。研究花生果柄機械力學特性對于摘果效果(摘凈率)的影響，針對收獲時花生果、秧、柄機械力學特性的研究主要有：楊然兵等研究了花生收獲期鮮濕花生的秧柄節(jié)點、果柄節(jié)點、果殼及秸稈的拉伸、剪切力及夾持力學性能及其變化規(guī)律；胡志超等研究了聯(lián)合收獲作業(yè)模式下含水率、果柄抗拉強度對收獲損失的影響等，主要是聯(lián)合收獲模式下的研究；梁明等應用水分測定儀和萬能材料試驗機，研究含水率對收獲后花生機械力學特性的影響規(guī)律；關萌等研究了兩段式收獲條件下，花生果柄強度與含水率、晾曬時間的關系并推斷花生撿拾摘果最佳時期[7-11]。試驗表明：即使同一株花生植株，不同花生果秧拉斷力也有差別，而且花生品種、植株生長狀況的影響及試驗條件與方法的不同，學者的研究結果不完全一致。目前，尚未有文獻直接提出摘果特性的研究，本文通過對花生含水率、果柄機械力學、田間晾曬時間的研究并結合撿拾聯(lián)合收獲機田間性能測試，研究兩段式摘果特性，確定最佳的撿拾摘果時間，對聯(lián)合收獲機結構設計及運動參數(shù)的選擇有重要的指導意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

以主產(chǎn)區(qū)具有代表性的品種天府9號為試驗對象，樣本取自江蘇泗陽。泗陽地處蘇北黃淮沖積平原，屬亞熱帶季風過渡性氣候質(zhì)，土壤屬于沙壤土，適宜花生種植。該地區(qū)種植模式采用平作，行距為350～380mm，株距為250～300mm。取生長狀況良好的花生為試驗對象，花生株高一般在300～400mm，根深120mm左右，花生結果半徑100mm以內(nèi)。

1.2 試驗裝備

本文采用室內(nèi)試驗與田間試驗相結合的研究方法，試驗所用儀器設備主要有濟南川佰儀器設備有限公司生產(chǎn)的WDW-10型電子萬能試驗機、南京實驗儀器廠的DGF30/7-IA型電熱鼓風干燥箱、農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研發(fā)的4HJL-8型花生聯(lián)合收獲機、天平、數(shù)顯式推拉力計及卷尺等。

利用干燥箱與天平配合，測量花生莢果水分的變化并計算含水率，利用電子萬能實驗機測量花生果柄節(jié)點、秧柄節(jié)點的拉斷力。4HJL-8型花生聯(lián)合收獲機適用于兩段式收獲，花生收獲機先將花生挖掘出土并鋪放晾曬一段時間，再由花生聯(lián)合收獲機進行撿拾摘果作業(yè)，其所用的多級串聯(lián)切流式全喂入摘果方式能夠滿足較高的生產(chǎn)效率，設計生產(chǎn)效率可達0.7hm2/h，適應規(guī)?；r(nóng)業(yè)經(jīng)營的生產(chǎn)模式。

1.3 試驗目的及方法

1.3.1 花生莢果試樣含水率的測定

1.3.2 烘干條件下果柄拉斷力測定

花生摘果難易程度取決于花生果柄與莢果(果柄節(jié)點)或者秧蔓與果柄(秧柄節(jié)點)之間的連接強度，連接強度與花生莢果含水率密切相關?；ㄉW性質(zhì)是影響兩段式花生收獲機性能的重要因素，不但影響量和收獲機撿拾臺落果損失，而且影響摘果裝置的摘果效率與摘果損失。據(jù)已有文獻[11]及試驗，可以確定花生果柄最小抗拉強度可能出現(xiàn)在果柄節(jié)點或秧柄節(jié)點，采用烘干減重法模擬田間晾曬花生含水率的變化，在測試樣含水率的同時，借助萬能材料物理試驗機進行花生果柄節(jié)點與秧柄節(jié)點兩部位的拉斷力試驗，研究花生這兩處節(jié)點拉斷力與花生果柄含水率的變化規(guī)律。

各節(jié)點拉斷力試驗在WDW-10型微控電子式萬能試驗機上進行，試驗機精度級別為1級、力值精度0.5%。試驗時，從果柄中間剪斷，先測定果柄抗拉強度。為增加花生莢果與夾具之間的摩擦力，用紗布將花生莢果裹住再進行夾持。本試驗中選定加載速度30mm/min、上限載荷300N、上限下降載荷5N，在測試界面依次點擊載荷調(diào)零、開始、停止鍵，果柄節(jié)點測量完成后再將剪下來的另一端裝夾。重復步驟，測量秧柄節(jié)點拉斷力，每組重復5次，取平均值。

圖1 烘干減重試驗Fig.1 Test of drying the sample

1.3.3 自然晾曬果柄拉斷力的測定

摘果特性與晾曬的時間直接有關，經(jīng)過不同時間的晾曬，破壞果柄、秧柄節(jié)點的力也不相同，從而決定了摘果裝置作業(yè)參數(shù)隨之改變。通過干燥箱和萬能材料試驗機進行試驗不能準確反映田間實際情況，而實際收獲過程中陽光、溫度、霧等外界因素對花生的摘果特性有較大影響。為此，在4HJL-8型花生聯(lián)合收獲機收獲試驗時，用彈簧測力計分別測量花生果柄節(jié)點與秧柄節(jié)點的拉斷力。從花生鮮秧開始測量拉斷力，為了盡量減少測量誤差，選擇每天下午同一時間分別測量花生果柄節(jié)點及秧柄節(jié)點的拉斷力，重復10次取平均值，一直測量到晾曬第7天。

1.3.4 摘果性能田間測試

浙江省科技館作為全額撥款的事業(yè)單位由財政按級別或職稱確定薪酬待遇水平，但問題是科技館行業(yè)沒有自己的職稱體系，加入館員、經(jīng)濟師系列評職稱很吃虧，通過率很低，職稱上升較難，加薪緩慢。即使職稱評審通過，由于沒有一套完整的職稱競聘考核的原則、程序、方案，職稱聘用基本采用先到先得的老辦法，先評下來的先聘任，缺少競爭機制和量化評價，一旦對應的聘用人數(shù)已滿，那么后來評上職稱的人只能等待空位，職稱上升的通道被堵，導致員工參與職稱評審的積極性也不高。對于任期已滿的受聘者在續(xù)聘的過程中，并沒有進行有效的考核，甚至出現(xiàn)“終身受聘”這樣一種現(xiàn)象。

花生摘果難易程度由摘凈率衡量，以往研究只停留在花生果柄機械力學特性，并以果柄抗拉強度推斷摘果的難易程度及最佳撿拾摘果的時間。為進一步研究兩段式花生摘果特性隨晾曬時間的變化， 使用4HJL-8型花生聯(lián)合收獲機開展摘果性能測試，每次收獲長度為10m，收獲機行駛速度為0.8m/s，如圖2所示。工作時，收集排草口排出的花生秧蔓，把未被摘下的花生莢果摘下并稱重，未從花生秧蔓摘下來的莢果質(zhì)量記為m未，花生莢果的總質(zhì)量為果倉莢果，經(jīng)過清選系統(tǒng)吹出的花生莢果、排草口排出花生秧蔓夾帶已被摘下的花生莢果及未被摘下的花生莢果質(zhì)量總和記為m總，記未摘損失率為s，則s=m未/m總，每天進行3組試驗，計算3次未摘損失率，并取平均值。

圖2 花生聯(lián)合收獲機田間試驗Fig.3 Field test of peanut combine harvester

2 試驗結果與分析

2.1 干燥時間對含水率的影響

據(jù)試驗結果，對照組土壤、果柄及花生秸稈的含水率分別為25.3%、 58.7%、45.8%。所測試樣含水率隨干燥時間的結果如圖3所示。

圖3 含水率隨干燥時間變化Fig.3 Moisture content changes with drying time

由圖3可知：花生鮮濕狀態(tài)的含水率為56.8%，隨著干燥的進行，試樣含水率逐漸降低，且開始時的含水率降低速率快于后面，原因是最初試樣含水率較高，在熱風干燥條件下，水分蒸發(fā)速率快。當花生試樣的含水率降到大約20%左右時，但果柄纖維變得脆而硬，呈現(xiàn)一種干枯的狀態(tài)，易被拉斷，很難進行拉斷力試驗。這是因為果柄形態(tài)是細長狀，受熱風干燥的影響較大，雖然試樣整體含水率還處在較高水平，但果柄自身含水率降低得比較多，對于其機械性能影響較大。

2.2 烘干時間對于拉斷力的影響

試驗結果如圖4所示。隨著干燥的進行，果柄與秧柄的拉斷力呈現(xiàn)先增加、后減小的趨勢；再經(jīng)過一定時間的干燥，果秧與秧柄節(jié)點的拉斷力同時達到最大值，分別為14.6、10.3N。從試驗結果還可以看出：秧柄節(jié)點的抗拉強度總體上大于果柄節(jié)點的抗拉強度，且變化趨勢一致。當試樣含水率降低到20%左右時，果柄按干燥前的纖維方向變硬變脆，很難再進行夾持測果柄拉斷力，所以測力試驗只進行到烘干到120min。

圖4 拉斷力隨干燥時間變化Fig.4 Tensile force changes with drying time

2.3 晾曬時間對拉斷力的影響

根據(jù)試驗結果繪制出果柄節(jié)點和秧柄節(jié)點拉斷力隨晾曬時間的變化規(guī)律曲線(見圖5)，發(fā)現(xiàn)兩者拉斷力的變化規(guī)律基本一致：剛起挖的花生果柄、秧柄的拉斷力比較?。浑S著晾曬時間的變化，拉斷力呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢；晾曬5天以后，拉斷力呈現(xiàn)較小的狀態(tài)，并趨于穩(wěn)定。這種變化規(guī)律與在電子萬能試驗機所測拉力隨干燥時間的變化規(guī)律基本一致，都有先增大、后減小的趨勢。由于測力的方式及試驗條件等因素的影響，所測拉斷力的大小稍有偏差；果柄拉斷力在晾曬2天后達到最大值11.6N，秧柄節(jié)點拉斷力再晾曬1天后達到最大值16.1N，可以推斷出晾曬1～3天，處于最難摘果的時間，最不利于撿拾聯(lián)合收獲機作業(yè)，即摘凈率較低。在相同的晾曬條件下，秧柄的拉斷力整體大于果柄的拉斷力，經(jīng)過撿拾摘果作業(yè)，大部分莢果應該從果柄節(jié)點處斷裂；但在晾曬后期，它們之間的差別變小，花生摘果過程中莢果的帶柄率會有所增加。

圖5 拉斷力隨晾曬時間的變化Fig.5 Tensile force changes with drying in field

一般來說，果柄拉斷力隨含水率的增加而增加。含水率高，果柄韌性大，抗拉強度大，其所承受的載荷大，果柄拉斷力越大，果柄拉斷困難；含水率越低，果柄脆性大，抗拉強度小，果柄拉斷力越小，果柄拉斷容易。但拉斷力試驗時，晾曬1～2天后，花生莢果各部分含水率降低，果柄變得軟，較剛起挖的花生莢果果柄纖維韌性較大，所以此時果柄抗拉強度最大，即最難摘果；隨著到晾曬4～5天后，含水率進一步減少，果柄韌性降低，開始變脆而易斷，此時果柄沿著纖維方向變硬且形狀不易改變，也很容易在果柄自身處斷裂。

2.4 樣機測試結果

圖6為4HJL-8型花生聯(lián)合收獲機的試驗結果。未摘損失率與晾曬時間的變化規(guī)律同拉斷力與晾曬時間的變化趨勢一致，剛起挖的花生即進行撿拾摘果，可以保證花生未摘損失處于較低的水平，即保證較高的摘凈率。當花生秧蔓晾曬2～3天時，花生果、秧、柄含水率初步降低，花生果柄的韌性增大，果柄節(jié)點與秧柄節(jié)點的抗拉強度增加，能承受的力變大，果柄所需拉斷力就越大，果秧分離困難，則未摘損失處于較高的水平；過了這段時期，晾曬時間4天后，隨著含水率進一步降低，果柄變干變脆，抗拉強度降低，果秧分離變得容易，未摘損失率降低；晾曬后期，未摘損失率降到較低的水平，未摘損失趨于穩(wěn)定。該品種花生整個撿拾收獲期未摘損失處于較高的水平：一方面果柄的抗拉強度處于較高的水平，本來的果秧分離難度大；另一方面，該花生屬于小花生品種，花生莢果質(zhì)量輕、果柄長度短且有較強韌性，這些因素增加了果秧分離的難度，如果通過增加摘果滾筒速度以增加打擊力，勢必導致破損率增大。

總之，最佳的摘果時間是花生起挖晾曬5～6天后，花生果柄的抗拉強度處于較低的水平，果殼的含水率變小也使得果殼纖維變得堅硬，抵御碰撞能力強?；ㄉr果果殼纖維鮮嫩，抗撞擊的能力較差，對鮮秧摘果時，摘凈率可能滿足要求，也可能導致較高的破損率。

圖6 摘果性能測試結果Fig.6 Results of peanut stripping test

3 結論

1)測得新鮮的花生試樣含水率為56.8%，經(jīng)3h干燥，含水率下降到20%時，花生果柄按干燥前自然舒展方向變脆弱，一拉即斷，不宜進行拉斷力測試。以往經(jīng)驗得知：田間晾曬7天左右，花生莢果含水率降到20%左右?？梢?，通過烘干減重法所測的花生含水率變化趨勢，基本可以模擬田間自然晾曬條件下花生莢果含水率的變化情況。

2)重點研究花生果柄抗拉強度與含水率的變化(用干燥或晾曬時間間接表示含水率變化)，兩種試驗方法得出一致的結論：隨著含水率的降低，果柄抗拉強度顯示有一個增加的過程，而后減少到一個較低的水平。其中，秧柄的抗拉強度總體比果柄的抗拉強度大，且在晾曬前期差值較大。晾曬前期撿拾摘果，果秧分離多發(fā)生在抗拉強度較低的果柄處，花生帶柄率較低。

3)晾曬2～3天后，花生果柄拉斷力可達峰值，果柄節(jié)點為11.6N，秧柄節(jié)點為16.1N；晾曬5～6天后，花生的拉斷力處于較低的水平，易于摘果。

4)闡述了兩段式摘果特性，用未摘損失率代表摘果的難易程度，未摘損失率呈現(xiàn)先增大、后減少的趨勢，這種趨勢與果柄拉斷力變化的趨勢一致。

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Study on Properties of Two-step Type Peanut Stripping

Zhou Dehuan, Hu Zhichao, Cao Mingzhu, Wang Bing, Wang Shenying, Yu Zhaoyang

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

In order to prove properties of peanut stripping of two stage harvesting conditions, improve the quality of peanut combine harvester. In this paper, the types of Tianfu 9 in Suqian, Jiangsu Province were regarded as test materials. Based on the method of combining field experiment with laboratory, the electronic universal testing machine, 4HJL-8 type peanut combine harvester and other equipment were applied to study on the main factors influencing the properties of fruit stripping at harvest period, and reveal internal relation among moisture percentage of peanut, drying time, mechanical properties of stalk and quality of fruit stripping. The results show that the breaking force of peanut stalk varies with different test conditions, but change trend is consistent with drying time (moisture percentage) and stipe tensile force reached its peak during the time of previous 2-3days after digging. The result also shows that stem root node is greater than the tensile strength of root nut node. From the point of increasing the quality of peanut stripping, it was put forward that the most suitable time for mechanical stripping up was about 5-6 days after sunning, which was tested by the peanut combine harvester. The above results provide the direct basis for structure and motion parameters of peanut stripping device, and provide the necessary reference for best stripping time of two-stage harvesting type, as well as deeply research peanut stripping efficiency and stripping loss.

peanut; properties of peanut stripping; two-step type; breaking force

2016-05-18

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)花生產(chǎn)業(yè)技術體系“機械化裝備崗位”項目(CARS-14-機械化裝備);中國農(nóng)業(yè)科學院創(chuàng)新工程項目(2013-2015，2016-2020)

周德歡(1991-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，(E-mail)zdh_2009@126.com。

胡志超(1963-)，男，陜西藍田人，研究員，博士生導師，(E-mail)zchu369@163.com。

S225.7+3

A

1003-188X(2017)06-0183-05