伍文杰，吳崇友

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

油菜是我國主要油料作物之一，種植區(qū)域廣泛[1]，種植面積及產(chǎn)量均位居世界前列。油菜收獲季節(jié)性強、勞動強度大、勞動效率低、總損失大，特別是在長江流域主產(chǎn)區(qū)，收獲期正處于梅雨季節(jié)。因此，注重?fù)屖眨脵C械收獲顯得十分必要。然而，由于油菜植株自身高大，分枝密布交叉，相互牽扯，分禾困難，果莢容易開裂落粒的生長特性，機械化收獲難度大，收獲損失率較高[2-4]。割臺作為油菜聯(lián)合收割機重要的工作部件之一，位于收割機前方，主要完成對油菜的切割工作并將割下的物料連續(xù)輸送給中間輸送器，最后到達脫粒裝置。在油菜收獲過程中，割臺損失是籽粒損失最主要的部分，約占總損失的50%，是油菜機械收獲需要解決的重要難題之一。目前，我國油菜聯(lián)合收割機割臺基本是全喂入式臥式割臺，通過更換一些工作部件可以實現(xiàn)稻麥兼收，但由于油菜的植株形態(tài)和稻麥有較大差別，使得機器適應(yīng)性較差，割臺損失率偏高[3]，影響了油菜收獲作業(yè)的質(zhì)量和效率。

為解決油菜機械收獲的技術(shù)難題，國內(nèi)學(xué)者從不同方面進行了相關(guān)研究，如：為降低油菜切割損失，對油菜莖稈切割力影響因素、切割器、莖稈分離裝置進行了研究[5-7]；對影響割臺損失的撥禾輪轉(zhuǎn)速、機器前進速度進行了臺架試驗[8]；對撥禾輪運動進行仿真，設(shè)計分體組合式割臺、梳脫式割臺，以減少損失[9-11]。國外學(xué)者對油菜收獲中的高損失問題同樣關(guān)注，如：PARI等[12]研究表明，收獲損失可使產(chǎn)量降低；PELTONEN-SAINIO等[13]研究了掉落的籽粒在后茬作物中產(chǎn)生雜草的問題；HOBSON等[14]研究了采用增加傳送帶的方法來減少落粒損失；還有關(guān)于損失測定方法的改進等研究。這些研究在一定程度上有利于降低油菜的收獲損失，對于了解油菜收獲損失的影響因素也提供了理論參考，但是他們所采用的新型割臺結(jié)構(gòu)的適用性還需要進一步的試驗與驗證；此外，由于他們所進行的臺架試驗是將作物收割后搬運至室內(nèi)進行試驗，作物特性、收獲狀態(tài)與田間狀況有明顯區(qū)別，且其試驗條件均為理想狀態(tài)下的，與田間油菜實際生長狀態(tài)有較大差異，一些實際因素如天氣、環(huán)境等不能有效考慮在其中。因此，試驗結(jié)果和實際的收獲效果間可能存在明顯不同，對于實際生產(chǎn)的參考意義有限。

為了減少油菜收獲割臺損失，提高油菜收獲作業(yè)的質(zhì)量和效率，切合實際生產(chǎn)需要，本研究以輪式谷物聯(lián)合收割機為原型，對其割臺進行改裝，主要是加長割臺底板長度，增加豎割刀，使其能夠正常收割油菜。使用改裝后的收割機在生長狀況良好、植株高度基本一致、產(chǎn)量均勻的油菜田地直接進行收獲試驗，考慮實際因素，進行收獲試驗的時間與正常油菜作物的收獲時間一致，主要集中在天氣晴朗的早晚，避免在太陽暴曬下造成大量落粒損失。根據(jù)試驗結(jié)果分析在實際收獲條件下割臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運動參數(shù)與損失率之間的關(guān)系，建立各影響參數(shù)與損失率的響應(yīng)面模型并對其進行優(yōu)化求解，尋求結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)的最優(yōu)組合，以期為油菜收獲割臺的參數(shù)選擇和優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及條件

收獲試驗所用機器為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所與中聯(lián)重機股份有限公司聯(lián)合研制的4LZ-8YZ型油菜聯(lián)合收割機，該機為在中聯(lián)重科4LZ-8BZ1自走式谷物聯(lián)合收割機基礎(chǔ)上改裝而成的?？紤]到油菜植株高大，莖稈較長，原先稻麥割臺深度不夠，故將割臺底板長度加長300 mm，使其滿足油菜收割；此外，由于油菜分枝數(shù)多，植株相互纏繞，因此增加側(cè)邊豎式割刀，將收割區(qū)與待割區(qū)油菜分開，減少牽扯造成的落粒損失。試驗機器實物圖和割臺二維圖分別如圖1、圖2所示。其他試驗工具有水分測量儀、轉(zhuǎn)速儀、電子秤、皮尺、卷尺、游標(biāo)卡尺、標(biāo)桿、秒表等。

圖1 試驗機器實物圖Fig.1 Test machine

圖2 油菜收割機割臺二維圖Fig.2 Two-dimensional diagram of rape header

試驗于2017年6月3日在江蘇省鹽城市華豐農(nóng)場種植地進行，該地塊種植方式為機械化直播，油菜品種為浙油51，植株行距300 mm，播種密度約30萬株/hm2，生長狀況良好，無倒伏現(xiàn)象。收獲期為作物完熟期，油菜根部主莖稈平均直徑11.9 mm，平均株高1 406 mm，底莢平均高度618 mm。在收獲試驗中割茬平均高度250 mm。

1.2 試驗方案、指標(biāo)及方法

已有研究結(jié)果[8]表明，油菜聯(lián)合收割機割臺損失率與撥禾輪水平位置（相對割刀位置）、撥禾輪垂直位置（相對割刀位置）、撥禾輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此本試驗以油菜聯(lián)合收割機割臺為研究對象，以割臺損失率、整機喂入量為主控目標(biāo)，首先對上述3個主要參數(shù)進行單因素試驗；在單因素試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗設(shè)計理論[15-16]，選取撥禾輪水平位置、撥禾輪垂直位置、撥禾輪轉(zhuǎn)速開展三因素三水平二次回歸正交試驗研究，對影響割臺損失率的主要參數(shù)進行優(yōu)化。

試驗前按照GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》測量田間油菜生長狀況，主要包括油菜成熟度、倒伏程度、株距、作物密度、作物高度、莖稈直徑、最低結(jié)莢高度等。選擇地勢平整、油菜生長狀況良好的均勻地塊進行試驗，試驗區(qū)行程為20 m，預(yù)備區(qū)長度為5 m[17]。油菜割臺損失率參考NY/T 1231—2006《油菜聯(lián)合收獲機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》和農(nóng)業(yè)部（今農(nóng)業(yè)農(nóng)村部）發(fā)布的DG/T 057—2011《農(nóng)業(yè)機械推廣鑒定大綱油菜聯(lián)合收獲機》進行測定。試驗前制作2個相同的的接樣框（長1 m，寬0.33 m），以細孔網(wǎng)為底，以便有效收集散落的油菜籽粒。以每個行程終點前1 m和3 m作為2個采集點，對比收集結(jié)果，以其平均值的3倍作為單位面積內(nèi)實際割臺損失量。在種植地試驗區(qū)域按照五點法確定取樣點位，每點位割取1 m2植株，人工脫粒并稱其質(zhì)量，5點平均值作為單位面積油菜籽總質(zhì)量。割臺損失率計算方法如下：

式中：Y1為割臺損失率，%；mg為單位面積實際割臺損失量，g；m為單位面積油菜籽總質(zhì)量，g。

喂入量通過以下公式計算：

式中：Y2為喂入量，kg/s；m1為行程內(nèi)收獲的籽粒質(zhì)量，g；m2為行程內(nèi)總的莖稈質(zhì)量，g；m3為行程內(nèi)清選物排出的質(zhì)量，g；t為完成行程所用的時間，s。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

單因素試驗以撥禾輪水平位置、撥禾輪垂直位置、撥禾輪轉(zhuǎn)速中的2因素為固定值，在常用工作參數(shù)內(nèi)調(diào)節(jié)另外一個因素，得到如下試驗結(jié)果。

1）撥禾輪水平位置影響

保持撥禾輪垂直位置為1 000 mm，撥禾輪轉(zhuǎn)速為30 r/min，得到割臺損失率及喂入量變化關(guān)系，如圖3所示。可以看出：隨著撥禾輪水平位置的前移，割臺損失率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢；當(dāng)撥禾輪水平位置在割刀水平位置前50 mm時，損失率最低。分析可知：撥禾輪位置偏后收割時對油菜的撥禾功能減弱，無法將作物向切割器方向有效引導(dǎo)；位置靠前時，作物在割臺上容易堆積，發(fā)生纏繞現(xiàn)象。這2種情況都會增加割臺的落粒損失。隨著撥禾輪水平位置的調(diào)節(jié)，喂入量沒有顯著變化；當(dāng)喂入量較大時，損失率也較大；在撥禾輪水平位置為50 mm時，喂入量較大，損失率較小，取得較好效果。

圖3 割臺損失率及喂入量隨撥禾輪水平位置變化曲線Fig.3 Change curve of header loss rate and feed amount with horizontal position of reel

2）撥禾輪垂直位置影響

保持撥禾輪水平位置為50 mm，撥禾輪轉(zhuǎn)速為30 r/min，得到割臺損失率及喂入量變化關(guān)系，如圖4所示。可以看出：隨著撥禾輪垂直位置的提高，割臺損失率基本呈增加趨勢，喂入量呈現(xiàn)先下降后略增長變化；撥禾輪垂直位置為1 050 mm時，割臺損失率最低。由于所收獲的油菜植株平均株高為1 400 mm，當(dāng)撥禾輪位置提高后，對油菜果莢集中部位的擊打效果增加，造成損失率增加。

圖4 割臺損失率及喂入量隨撥禾輪垂直位置變化曲線Fig.4 Change curve of header loss rate and feed amount withvertical position of reel

3）撥禾輪轉(zhuǎn)速影響

保持撥禾輪水平位置為50 mm，撥禾輪垂直位置為1 050 mm，得到割臺損失率及喂入量變化關(guān)系，如圖5所示?？梢钥闯?，隨著撥禾輪轉(zhuǎn)速的增加，割臺損失率不斷增加。這主要由于轉(zhuǎn)速增加，撥禾輪對油菜的沖擊次數(shù)、沖擊速度增加，果莢落粒損失變多。同時，撥禾輪轉(zhuǎn)速增加，機器前進速度也相應(yīng)增加，喂入量也隨之增加。

圖5 割臺損失率及喂入量隨撥禾輪轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.5 Change curveof header loss rate and feed amount with rotation speed of reel

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

分別以 X1，X2，X3表示撥禾輪水平位置、撥禾輪垂直位置、撥禾輪轉(zhuǎn)速，以Y1表示割臺損失率，Y2表示喂入量，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，對撥禾輪水平位置、撥禾輪垂直位置、撥禾輪轉(zhuǎn)速開展響應(yīng)面試驗研究，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上確定其變化范圍，試驗因素與水平關(guān)系如表1所示。得到的試驗數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0.6軟件進行二次多項式回歸分析，并通過回歸方程分析尋找最優(yōu)參數(shù)組合，確定最佳工作參數(shù)。

表1 試驗因素與水平Table 1 Experimental factors and levels

2.2.1 試驗結(jié)果

根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗設(shè)計理論設(shè)計三因素三水平正交試驗，試驗方案總共包括15組，其中12組為因子分析，3組為零點誤差估計，試驗方案與試驗結(jié)果如表2所示。

2.2.2 回歸模型建立與顯著性檢驗

根據(jù)表2中的試驗數(shù)據(jù)，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行多元回歸擬合分析，建立割臺損失率Y1、喂入量Y2對撥禾輪水平位置X1、撥禾輪垂直位置X2、撥禾輪轉(zhuǎn)速X3這3個自變量的二次多項式響應(yīng)面回歸模型，如式（1）、式（2）所示，并對方程進行方差分析，尋求最優(yōu)參數(shù)組合，結(jié)果如表3所示。

表2 試驗方案及試驗結(jié)果Table2 Experimental plan and results

由表3可知：響應(yīng)面模型中的損失率Y1的模型P值小于0.01，表明回歸模型極顯著；喂入量Y2的模型P值小于0.05，表明回歸模型顯著；失擬項P值均大于0.05，表明回歸方程擬合度高。此外，決定系數(shù)R2分別為0.970 8、0.931 8，表明這2個模型可以解釋93%以上的評價指標(biāo)。因此，該模型可以對聯(lián)合收割機割臺進行優(yōu)化分析。

在損失率 Y1模型中，回歸項 X3，X2X3，X22這 3項對回歸模型影響極顯著（P＜0.01），回歸項X1，X2，X1X2，X12，X32這5項對回歸模型影響顯著（P＜0.05），回歸項X1X3則對試驗影響不顯著（P＞0.05）；在喂入量Y2模型中回歸項X2X3對回歸模型影響極顯著（P＜0.01），回歸項X3，X1X3這2項對回歸模型影響顯著（P＜0.05），回歸項 X1，X2，X1X2，X12，X22，X32這 6項則對試驗影響不顯著（P＞0.05）。說明撥禾輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)對喂入量的影響并不顯著；而撥禾輪轉(zhuǎn)速對喂入量影響顯著，主要是由于撥禾輪轉(zhuǎn)速改變的同時，工作效率也發(fā)生變化，與其對應(yīng)機器的前進速度也相應(yīng)改變。該試驗結(jié)果與單因素試驗結(jié)果相一致。在保證P值的基礎(chǔ)上篩選除去對模型影響不顯著項，對模型Y1進行優(yōu)化，如式（3）所示，根據(jù)優(yōu)化模型Y1的P值與失擬項P值可知該模型可靠。

2.2.3 各因素對收獲影響效應(yīng)分析

各因素對模型的影響程度可以用貢獻值K的大小表示，K值越大，因素對模型的影響程度越大。參考相關(guān)文獻計算K值大小[18]，可知各因素對損失率的貢獻率大小順序為撥禾輪垂直位置＞撥禾輪轉(zhuǎn)速＞撥禾輪水平位置；各因素對喂入量的貢獻率大小順序為撥禾輪轉(zhuǎn)速＞撥禾輪垂直位置＞撥禾輪水平位置。分析結(jié)果如表4所示。

2.2.4 交互作用對收獲影響規(guī)律分析

根據(jù)回歸方程分析結(jié)果，利用Design-Expert 8.0.6軟件繪制響應(yīng)面圖，分析撥禾輪水平位置、撥禾輪垂直位置和撥禾輪轉(zhuǎn)速對響應(yīng)值Y1的影響。

表3 回歸方程方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

表4 各因素貢獻率分析Table4 Analysison contribution rateof each factor

撥禾輪水平位置X1、撥禾輪垂直位置X2和撥禾輪轉(zhuǎn)速X3交互因素對響應(yīng)值Y1影響的響應(yīng)面圖如圖6所示。圖6A為撥禾輪轉(zhuǎn)速位于中心水平（36 r/min）時，撥禾輪水平位置與撥禾輪垂直位置對損失率Y1交互作用的響應(yīng)面圖?？梢钥闯觯涸谕凰轿恢茫瑩p失率隨著垂直位置的增加先減小后增大；在同一垂直位置，損失率隨著水平位置的前移先降低后增加。當(dāng)撥禾輪水平、垂直位置處于中間偏上時，對作物既具有撥禾引導(dǎo)作用，又不會使作物在割臺上堆積，具有較好的收獲效果。圖6B為撥禾輪垂直位置位于中心水平（1 050 mm）時，撥禾輪水平位置與撥禾輪轉(zhuǎn)速對損失率Y1交互作用的響應(yīng)面圖?？梢钥闯觯涸谕凰轿恢?，損失率隨著撥禾輪轉(zhuǎn)速的提高而增加；在同一轉(zhuǎn)速下，損失率隨著撥禾輪水平位置前移先降低后增加。撥禾輪水平位置與其轉(zhuǎn)速的交互作用并不顯著，主要原因為撥禾輪水平位置與其推送引導(dǎo)功能有關(guān)，轉(zhuǎn)速對其影響并不大。圖6C為撥禾輪水平位置位于中心水平（0 mm）時，撥禾輪垂直位置與撥禾輪轉(zhuǎn)速對損失率Y1交互作用的響應(yīng)面圖?？梢钥闯觯涸谕淮怪蔽恢?，損失率隨著撥禾輪轉(zhuǎn)速的提高而增加；在同一轉(zhuǎn)速下，損失率隨著撥禾輪垂直位置的增加先減小后增大。撥禾輪垂直位置與轉(zhuǎn)速的交互作用極顯著，垂直位置較高時，轉(zhuǎn)速對其影響顯著，高轉(zhuǎn)速下?lián)p失率急劇增加，主要是撥桿對油菜主要果莢位置擊打次數(shù)、擊打程度增加，落粒損失加大。

圖6 撥禾輪水平位置、撥禾輪垂直位置及撥禾輪轉(zhuǎn)速對損失率的影響Fig.6 Effects of horizontal position,vertical position and rotation speed of reel on lossrate

3 參數(shù)優(yōu)化與驗證

3.1 參數(shù)優(yōu)化

為使油菜收割機割臺收獲效果達到最佳，要求割臺損失率較低，喂入量較高。根據(jù)交互因素對割臺損失率和喂入量影響效應(yīng)及規(guī)律分析可知：要獲得較低的損失率必須要求撥禾輪水平位置適中、撥禾輪垂直位置適中、撥禾輪轉(zhuǎn)速低；要獲得較高的喂入量必須要求撥禾輪轉(zhuǎn)速高?？紤]到各因素對響應(yīng)值的影響不完全相同，為了尋求滿足性能要求的最佳參數(shù)組合，必須進行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化。

本研究針對油菜聯(lián)合收割機割臺結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)優(yōu)化，需滿足損失率低、喂入量高的作業(yè)要求，根據(jù)實際作業(yè)條件及上述分析，確定其約束條件為：

采用Design-Expert 8.0.6軟件對各參數(shù)進行優(yōu)化求解，得到各因素最優(yōu)工作參數(shù)。結(jié)果顯示，當(dāng)撥禾輪水平位置為50 mm、撥禾輪垂直位置為1 056 mm、撥禾輪轉(zhuǎn)速為30 r/min時，割臺損失率為0.97%，喂入量為8.35 kg/s。

3.2 驗證試驗

為驗證該模型的準(zhǔn)確性，采用上述參數(shù)在同試驗地進行3次驗證試驗，試驗結(jié)果見表5?？梢钥闯觯黜憫?yīng)試驗值（割臺損失率為1.01%，喂入量為8.48 kg/s）與優(yōu)化值較符合，二者相對誤差均小于5%，說明該模型可靠。在進行油菜收獲作業(yè)時，可采用該優(yōu)化參數(shù)組合，即撥禾輪水平位置為50 mm、撥禾輪垂直位置為1 056 mm、撥禾輪轉(zhuǎn)速為30 r/min。

4 結(jié)論與討論

1）根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗設(shè)計理論，對撥禾輪水平位置、撥禾輪垂直位置、撥禾輪轉(zhuǎn)速進行正交試驗，建立優(yōu)化模型并通過試驗驗證其準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，實測值與優(yōu)化值的相對誤差小于5%，表明所建立模型的可靠性較高。

表5 優(yōu)化條件下各評價指標(biāo)實測值Table5 Experimental valueunder optimal condition

2）割臺各結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)對割臺損失率影響顯著的順序為撥禾輪垂直位置＞撥禾輪轉(zhuǎn)速＞撥禾輪水平位置；對喂入量影響顯著的順序為撥禾輪轉(zhuǎn)速＞撥禾輪垂直位置＞撥禾輪水平位置。

3）油菜收割機割臺最優(yōu)工作參數(shù)組合為撥禾輪水平位置50 mm、撥禾輪垂直位置1 056 mm、撥禾輪轉(zhuǎn)速30 r/min，在該優(yōu)化條件下，割臺損失率為1.01%，喂入量為8.48 kg/s。

該試驗研究了割臺結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)對收獲過程中割臺損失率和喂入量的影響，損失率只收集測算了主割刀部分的落粒損失，未包含豎割刀落粒損失，可在后續(xù)試驗中設(shè)計方案，全面測算割臺損失，研究各參數(shù)對于豎割刀落粒損失的影響。在實際作業(yè)條件下，影響損失率、喂入量的還有油菜的生長狀態(tài)，后續(xù)研究可針對不同品種的油菜開展試驗，使建立的模型更具有通用性。

書 名：《農(nóng)用無人機技術(shù)及其應(yīng)用》

作 者：何 勇 岑海燕 何立文 劉 飛 聶鵬程

內(nèi)容簡介：由浙江大學(xué)何勇教授等撰寫的《農(nóng)用無人機技術(shù)及其應(yīng)用》一書，是國內(nèi)第一本系統(tǒng)介紹農(nóng)用無人機的專著。本書涵蓋農(nóng)用無人機的理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)與裝備及實際應(yīng)用和管理規(guī)范方面的知識，主要包括農(nóng)用無人機的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀、系統(tǒng)組成、飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)、航空植保、低空遙感、無線組網(wǎng)監(jiān)測，以及與無人機作業(yè)相關(guān)的氣象、法規(guī)和管理等。在系統(tǒng)介紹無人機體系的基礎(chǔ)上，還密切結(jié)合農(nóng)業(yè)應(yīng)用的特點，詳細介紹農(nóng)用無人機在航空植保、低空遙感、無線組網(wǎng)監(jiān)測等方面的典型應(yīng)用場景和案例。本書立足于作者團隊十多年的研究成果和實踐經(jīng)驗，實現(xiàn)了理論方法、技術(shù)應(yīng)用和管理培訓(xùn)的統(tǒng)一，使讀者對農(nóng)用無人機有了全面、系統(tǒng)、深入的了解和認(rèn)識。

本書可作為高等農(nóng)業(yè)院校農(nóng)用無人機、航空植保、智慧農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)裝備、農(nóng)業(yè)信息技術(shù)、農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)業(yè)機械化工程、農(nóng)業(yè)電氣化與自動化等相關(guān)方向本科生和研究生的專業(yè)教材，可供從事農(nóng)用無人機研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和應(yīng)用方面的工程技術(shù)人員參考，也可作為農(nóng)用航空和智能農(nóng)業(yè)裝備領(lǐng)域廣大專業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)教材及自學(xué)參考書。