徐 海

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450046)

0 引言

我國(guó)是世界第一油菜生產(chǎn)大國(guó)，無(wú)論油菜種植面積還是產(chǎn)量都穩(wěn)居世界首位。隨著科技的不斷發(fā)展，油菜種植在多方面已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)，如土地耕耘、種植、培育、施肥等環(huán)節(jié)都可通過(guò)機(jī)械化提高油菜種植水平及效率。目前，由于油菜品種不同導(dǎo)致成熟期不一致，農(nóng)機(jī)化技術(shù)難以適應(yīng)，且油菜收獲機(jī)械化程度較低，導(dǎo)致油菜整體生產(chǎn)出現(xiàn)瓶頸。統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)前我國(guó)油菜機(jī)械化程度不足50%。為提高我國(guó)油菜生產(chǎn)效率，可在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上繼續(xù)開(kāi)發(fā)，改善油菜生產(chǎn)瓶頸，從關(guān)鍵技術(shù)入手，以點(diǎn)帶面，全面促進(jìn)油菜生產(chǎn)技術(shù)和效率的提升，降低油菜生產(chǎn)成本。

1 我國(guó)油菜機(jī)械化發(fā)展難點(diǎn)及制約因素

我國(guó)油菜育種目標(biāo)為提高單珠產(chǎn)量及油菜種植品質(zhì)。油菜種植過(guò)程中，需要保證油菜營(yíng)養(yǎng)充足、植株高大。油菜生長(zhǎng)枝繁呈柱狀，此種作業(yè)模式適合小面積油菜種植栽培，人均勞動(dòng)力與單位面積配比平衡，難以實(shí)現(xiàn)大面積統(tǒng)一管理。機(jī)械化作業(yè)要求油菜具有一定抗倒性，對(duì)播種實(shí)際要求較為寬松，且具有一定抗裂角性。當(dāng)前，油菜育種在以上方面均未做過(guò)多考慮，因此成為機(jī)械化應(yīng)用阻礙因素，即農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝不配套。

油菜生產(chǎn)機(jī)具獨(dú)立化明顯，各機(jī)具難以聯(lián)合發(fā)揮作用。一些機(jī)具雖然能夠及眾多功能于一身，但操作繁雜且需要大量人力，得不償失。

當(dāng)前，我國(guó)油菜移栽機(jī)具種類(lèi)繁多，根據(jù)油菜苗是否帶有黏土可將其分為缽苗移栽機(jī)和裸苗移栽機(jī)兩大類(lèi)。油菜移栽機(jī)仍無(wú)法適應(yīng)我國(guó)油菜生產(chǎn)工藝要求，難以實(shí)現(xiàn)大面積全程機(jī)械化。油菜直播方式主要有穴播、條播。油菜直播技術(shù)源自水稻及小麥播種技術(shù)，而因其種子大小存在明顯差異，播種時(shí)難以控制油菜種子下料量。

現(xiàn)有技術(shù)在收獲中仍舊存在損失嚴(yán)重的狀況，難以有效控制。目前，油菜聯(lián)合收割機(jī)主要通過(guò)傳統(tǒng)全喂入式水稻收割機(jī)改裝而來(lái)，重點(diǎn)改裝部件為撥禾輪、割臺(tái)及分禾器，在收獲損失率控制上存在先天性不足，很多時(shí)候使用該機(jī)具僅僅是為了縮短生產(chǎn)周期、降低人工成本，就種植作業(yè)本身而言意義不大。

2 油菜全程機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)研究

油菜全程機(jī)械化關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于播種及收獲，基于傳統(tǒng)作業(yè)模式已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展要求，必須加速油菜全程機(jī)械化的應(yīng)用。

2.1 少耕精量復(fù)式油菜直播技術(shù)

油菜直播關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)在于精量及復(fù)式。其中，精量主要指在播種過(guò)程中對(duì)粒子數(shù)掌控恰到好處；復(fù)式指完成直播過(guò)程一系列輔助作業(yè)。因此，研制出具有耕地、播種、挖溝及覆土等復(fù)式直播機(jī)，具有較大實(shí)用價(jià)值。少耕精量直播機(jī)主要采用異形孔窩眼輪式油菜排種器(見(jiàn)圖1)，根據(jù)油菜種子設(shè)置相關(guān)參數(shù)。例如，根據(jù)種子直徑設(shè)置排種器孔徑，根據(jù)實(shí)際播種需求設(shè)置孔數(shù)。

圖1 異形孔窩眼輪式油菜排種器

為確保油菜種子順利滑落至型孔，需計(jì)算種子在型孔下落平面夾角α，幾種常見(jiàn)狀況如圖2所示。

圖2 型孔正視圖

由圖2可列出方程：FN=mgcosα，f=FNtanψ(FN為重力分量；f為摩擦力)，cosα=-dx/ds。

當(dāng)y=H時(shí)，x=-sqrt(H/a)dw=fds,摩擦力做功為

由能量守恒定律可知

2.2 復(fù)式油菜分段收獲技術(shù)

油菜收獲主要包括油菜收割、脫粒、曬干及清選幾個(gè)階段，針對(duì)此流程設(shè)計(jì)分段收割方案 ，即將流程分為割曬和脫粒清選兩個(gè)階段。分段收割雖然不如聯(lián)合作業(yè)連貫，但在每一單獨(dú)工序上效率高于聯(lián)合作業(yè)；分段作業(yè)柔性高，能夠和其他作業(yè)方式有效結(jié)合起來(lái)，實(shí)用性強(qiáng)。分段收割方式關(guān)鍵在于解決油菜植株強(qiáng)制輸送問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，可采用臥式割臺(tái)機(jī)(見(jiàn)圖3)，將油菜莖稈使用撥禾輪切割成段并輸送至傳動(dòng)帶上再?gòu)?qiáng)行運(yùn)送至出口。

1.拔禾輪 2.割刀擺環(huán) 3.喂入攪龍 4.割臺(tái)動(dòng)力輸入軸

拔禾輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 拔禾輪結(jié)構(gòu)示意圖

拔禾輪作業(yè)條件為輪速比λ>1，此時(shí)其轉(zhuǎn)速為n=30vmλ/R，線(xiàn)速度應(yīng)小于1.5m/s，即πRn≤1.5m/s。轉(zhuǎn)速同平均當(dāng)量作用次數(shù)關(guān)系為n=60vmM/Zs。其中，m為平均當(dāng)量作用次數(shù)；s為單株角果層直徑。取轉(zhuǎn)速為11～23r/min。

脫粒時(shí)，需要提高撿拾臺(tái)的通用性和互換性。在設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)通用收獲機(jī)，在撿拾臺(tái)安裝彈齒結(jié)構(gòu)，使得油菜能夠被順利輸送進(jìn)入脫粒裝置，降低夾粒和漏?？赡苄浴?/p>

2.3 油菜聯(lián)合收獲技術(shù)

聯(lián)合收獲技術(shù)主要指將油菜收割過(guò)程所有作業(yè)一次性完成，提高作業(yè)連貫性。油菜聯(lián)合收獲技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)是割臺(tái)技術(shù)，因此參考當(dāng)前相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)割臺(tái)結(jié)構(gòu)，適當(dāng)安排拔禾輪相對(duì)割刀位置，如圖5所示。

1.割臺(tái)機(jī)架 2.主切割裝置 3.豎切割分禾裝置 4.喂入攪龍 5.拔禾輪A.前伸固定座 B.后縮固定座 C.刀梁 D.刀梁加強(qiáng)筋 E.底板加強(qiáng)筋 F.刀梁蓋板 G.底板圖5 聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)設(shè)計(jì)圖

油菜脫粒技術(shù)選用軸流脫粒分離，結(jié)合清選裝置設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，降低脫粒不凈狀況，提高粒子潔凈度。油菜聯(lián)合收割機(jī)還設(shè)置了齒輪檢視器，如圖6所示。

1.后輥軸 2.彈齒 3.中間托輥 4.皮帶 5.前輥軸 6.仿行輪

結(jié)合齒帶式撿拾器進(jìn)行撥指的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)方程確定，對(duì)拾撿器進(jìn)行受力分析，如圖7所示。

圖7直角坐標(biāo)系中，彈齒根部圍繞圓弧dp運(yùn)行，運(yùn)行速度為vm，設(shè)初始點(diǎn)為B1，P點(diǎn)初始點(diǎn)為P1。由圖7可知：ε=ψ-90-β，cos(-ε)= cosε=sin(ψ-β)，則B點(diǎn)軌跡方程為

X=Vmt+OBsin(ψ-β)

Y=OBcos(ψ-β)

其中，ψ=wt；β為齒輪安裝角；t為齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

對(duì)以上兩式求導(dǎo)可得

Vx=λVm+OBcos(ψ-β)

Vy=-λ=Vmsin(ψ-β)

在p點(diǎn)有Vx=Vm-Vtpcosγ(Vtp為p點(diǎn)速度；γ為傾斜角)，可得出

Vx=Vm-Opwcosγ

Vy=-Opwsinγ

求解速度比λ，由以上可列出等式為

Vm-OBcos(ψ-β)=0

Vm-Opwcosγ=0

由ψ×18-γ得：Vm-OBwcos(λ+β)=0，Op/OB=e。

聯(lián)立以上方程得：tgγ=ctgβ-e/sinβ,λ=1/cosγ(0≤γ≤45°)。

確定拾器結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)后，還需進(jìn)行被撿拾物受力分析，如圖8所示。

圖7 撿拾器運(yùn)動(dòng)分析筒圖

圖8 被撿拾物受力分析簡(jiǎn)圖

圖8中：莖稈與齒帶摩擦力為Ff；莖稈之間牽扯力為Pt；Fm為質(zhì)點(diǎn)加速度產(chǎn)生的力。根據(jù)矢量合成有

aa=ae+ar+ac

其中，aa為牽連加速度；ac為科氏加速度；ar為相對(duì)加速度。速度不變時(shí)，ae=0，ac=0，aa=ar=Vd2/OB=OBW2。被撿拾物不落下時(shí)有

Ftsinβ1-Fmcosα1-Ffcosθ=0

mg-Ffsinθ-Fmsinα1+Ftcosβ1

α1=90-β，F(xiàn)m=maa=mOBW2

Ff=f(mgcosα1-Fmsinα1)

整理以上方程可得

Ftsinβ1-mOBW2(sinβ-fcosθcosβ-fmgcos2θ=0

Ftcosβ1+mOBW2cosβ(fsinθ-1)+mg(1-f)=0

cosθ=L-L1/sqrt[OB2+(L-L1)2]

由此可知：當(dāng)w確定時(shí)，撿拾其阻力方向角隨OB以及L-L1發(fā)生變化，因此需要通過(guò)OB及L-L1確定撿拾具體位置。

3 油菜全程機(jī)械化應(yīng)用案例

3.1 案例背景

我國(guó)2011-2012年樣本省種植面積和種植方式統(tǒng)計(jì)如表1所示。由表1可看出：我國(guó)大多數(shù)地區(qū)仍舊采用傳統(tǒng)作業(yè)模式進(jìn)行油菜生產(chǎn)。隨著農(nóng)村大面積承包種植的不斷推廣，傳統(tǒng)油菜作業(yè)模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求。因此，湖北黃岡市開(kāi)始推行油菜全程機(jī)械化應(yīng)用，計(jì)劃5年引進(jìn)專(zhuān)業(yè)機(jī)械化設(shè)備(設(shè)備類(lèi)型和參數(shù)與本文一直)，并邀請(qǐng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員給予技術(shù)指導(dǎo)，歸納總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，反饋給相關(guān)研究組，對(duì)相關(guān)機(jī)械設(shè)備不斷更新改進(jìn)及對(duì)油菜全程機(jī)械化不斷優(yōu)化，目前已推行3年，效果明顯。3年示范項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表1 我國(guó)2011-2012年樣本省種植面積和種植方式統(tǒng)計(jì)

Table 1 Statistics of planting area and planting pattern of 2011-2012 sample in China 萬(wàn)/hm2

省份浙江省安徽省江蘇省湖北省播種面積17.9367.9044.70122.30直播面積6.9034.759.3362.67移栽面積11.0333.1535.3758.67收獲面積17.9366.2344.70115.07直播面積比/%38.4651.1820.8852.04移栽面積比/%61.5348.8279.1247.96

表2 油菜生產(chǎn)全程機(jī)械化示范項(xiàng)目測(cè)產(chǎn)統(tǒng)計(jì)表

Table 2 Statistical table of production demonstration project of rape production mechanization

年份調(diào)查地點(diǎn)面積/667m2前3年平均畝產(chǎn)/kg·(667m2)-1示范點(diǎn)平均單產(chǎn)/kg·(667m2)-13年示范點(diǎn)4000128.1161.22013小計(jì)1000128.6157.2A村300123.6160.2B村350125.1156.2C村350131.2155.22014小計(jì)1500128.3162.7A村400122.8159.7B村350123.6160.1C村350128.3161.2D村400138.6170.02015小計(jì)1500129.5163.8A村400125.3159.8B村400137.6170.3C村350127.3162.5D村350127.8162.5

3.2 案例實(shí)施

進(jìn)行全程機(jī)械化和傳統(tǒng)作業(yè)模式的對(duì)比，3年來(lái)按照表2作業(yè)模式展開(kāi)對(duì)照，分析經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

各種播種方式成本核算如表3所示。由表3可以看出:機(jī)器播種每667hm2比傳統(tǒng)播種節(jié)約78元，比傳統(tǒng)移栽節(jié)約145元/667hm2。實(shí)踐表明：聯(lián)合收割成品潔凈度較高，籽粒飽滿(mǎn)，漏籽率低，平均每千克可增加0.2元收益，每公頃增收450元。實(shí)施項(xiàng)目后，每公頃節(jié)約成本2 625元，總種植面積按200 hm2計(jì)算，可節(jié)支52.5萬(wàn)元。

表3 各種播種方式成本核算

續(xù)表3

4 結(jié)論

油菜全程機(jī)械化是油菜生產(chǎn)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，基于品種、栽培技術(shù)、地域、氣候及作業(yè)模式等因素影響，油菜全程機(jī)械化在種植過(guò)程中必須選用合適品種，并根據(jù)實(shí)際情況選用合適的機(jī)具，提高油菜種植適應(yīng)性，讓油菜種植過(guò)程、機(jī)具選擇、油菜種植工藝相互協(xié)調(diào)，以促進(jìn)油菜全程機(jī)械化進(jìn)程。

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