油菜机械收获基础理论及装备研究

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油菜机械收获基础理论及装备研究

0、引言

油菜作物是我国主要油料作物之一,在我国食用植物油供给中占有非常重要的地位。21 世纪以

来,由于农村劳动力结构变化、油菜耕种收环节劳动强度大、种植效益较低等原因,在2007 年我

国油菜种植面积开始出现下滑。国家为了稳定油料作物生产,保障国家食用油的供给安全,相应

出台了一系列加快油料作物生产措施,从政策和技术上进行引导、集中攻关,不断加大油料作物

生产的扶持力度,近年来油菜的种植面积和产量得以逐步回升。油菜耕、种、收环节实现机械化

作业是加快发展油菜生产的根本途径,油菜机械化收获作为油菜机械化生产过程中的一个重要环

节,其生产水平的高低对油菜种植面积、油菜籽总产、油菜籽品质优劣等有显著影响。国内外在

油菜机械化收获方面开展了积极研究,包括对油菜收获特点、收获方式具体运用、收获装备开

发、基础理论研究、机械收获损失率、油菜机收农机农艺结合等方面开展了具体研究。本文综

述了国内外油菜机械收获过程中主要环节的装备及理论研究成果,以减少劳动强度、提高生产

率、降低收获损失、节约收获作业时间等为目标,分析探讨了今后油菜机械化收获过程中有效的

方式和途径,为开展油菜机械化收获作业提供参考。

1、油菜收获方法研究

目前, —油菜收获主要采用两种方式进行收获分段收获和联合收获,且主要是在对不同收获方法

各自作业特点、作业对象、作业环境等方面的比较研究,在追求最低损失量的前提下寻求最佳收

获方法。现有种植的油菜主要有甘蓝型油菜(B.napus)和白菜型油菜。甘蓝型油菜由于气候条件

等因素往往出现成熟不一致和角果极易碎裂的现象,适宜采用割晒(分段)收获;白菜型(B.rapa)油

菜因其成熟较早且抗裂,多采用联合收获。

1.1 分段收获法

分段收获是指在对油菜进行田间收获时,采用两段收获方法进行:首先对油菜进行割晒作业或割

捆作业;然后进行晾晒,待籽粒后熟时,再用带捡拾器的联合收获机或其他脱粒机械进行脱粒清选

作业,完成对油菜的分段收获。

1.1.1 割晒作业时间

1)成熟期判断。割晒作业时为减少绿粒菜籽和脱粒时掉粒损失,最佳割晒作业时间以籽粒平均含

水率在 30%~35%为宜,因为该水分条件下作业可以获得较优的品质和较高的产量。作物在成熟

期时,通过观察籽粒的颜色变化来判断籽粒含水率比观察田块作物的整体颜色要可靠。一般油菜

植株上所有角果中的籽粒达到生理成熟和完全长实时,水分大约在 40%。生理上成熟的种子,每

天损失水分大约为 1%~3%。因此,从生理成熟时下降到最佳水分作业时一般只需要3~5 天,其快

慢取决于当地气候和品种,高温和干燥的环境下变化速率会加快。当籽粒含水率在 30%~35%时,

主茎秆上的籽粒颜色变化范围为30%~40%,对于甘蓝型油菜,变色籽粒位于茎秆底部至向上1/3

处,而白菜型油菜在茎秆中部和上部部分。油菜籽粒颜色变化过程很缓慢, ─变化顺序为绿色浅黄

色(红褐色)─褐色。

2)成熟度判断。同一田块的油菜其成熟度不一定一致,成熟度主要受到地形、土壤、湿度等条件

的影响。因此,在收获时,对于小面积田块应该分时间段进行,从山脊到斜坡道再到低洼地。但是,

实际操作上收割期的判断来自于产量的最优化,可以选择最大区域产量最大的部分开始收割;对

于大面积收获时,可以选择在20%籽粒颜色发生变化时开始作业,如果碰到有黑斑病菌的角果,提

前割晒可以减少潜在的碎裂损失。另外,要避免在30℃以上的高温和干燥天气下进行割晒作业,

因为清理叶绿素的酶需要在一定湿度条件下进行。因此,在高温干燥的环境下,籽粒水分含量过

低可能会造成叶绿素无法清除,最终导致割晒后的籽粒无法成熟。

3)辅助手段。收割时还可以采用化学干燥剂和角果密封剂来辅助收割。化学干燥剂可以干燥所

有绿色营养生长素,使得作物成熟更加一致,可以减少收割时的角果碎裂和籽粒损失。另外,在籽

粒成熟角果变干和碎裂之前,角果密封剂的使用可以减缓角果的干燥和防止水分在角果内外流

动,从而减少角果碎裂损失。

1.1.2 割晒作业时间对品质的影响

割晒作业时间对油菜品质的影响:如表 1中数据显示,随籽粒颜色变化比率的增加,割晒作业后菜

籽品质和产量在 20%变化范围时有较大改变,随着颜色变化范围的增加,产量和品质改变不大。

研究表明,油菜籽粒一旦被收割后,籽粒就不再充实,即籽粒在油份和蛋白质充实之前被收割后其

组分不会再增加,从而造成潜在的产量损失。

【表 1】

1.2 联合收获法

联合收获法是在油菜的角果成熟后期,采用联合收获机械对田间油菜一次完成切割、脱粒、清选

等作业的联合收获方式。联合收获作业应该选择油菜处于已经干燥或成熟期一致,相对无绿色杂

草或黑斑病的情形下。在成熟期油菜籽的颜色变为深褐色至黑色或黄色(品种不同颜色不同),当

角果已干且摇动发出响声时,表明油菜籽粒已成熟。其特点是效率高、省工省时,尤其在气候条

件不好的情况下,有利于进行抢收。但这种方式对收获时机要求较严,既不能偏早,也不能偏晚。

收获过早,籽粒含水量高,品质差,出油率低收获过迟,因过于成熟,菜籽易炸裂脱落,造成损失,影响

产量。

联合收获时一般要根据油菜的长势和倒伏情况,将拨禾轮的拨禾杆调整到被切割处以上 2/3 高度,

拨禾轮的位置尽量后移以减少冲击损失,割茬高度约为 30cm。作业时间一般选择在上午8:00-

12:00 和下午3:00-7:00,阴天时选择中午进行。收获时行驶挡位采用中、低挡进行收获,行驶速度

约为 2.5km/h。

作业时首先要对地块做前期准备,要根据收获机械本身的外形尺寸在田间四周角落里预留机身下

田的空间,一般可以事先人工收割来留出空地,便于机组顺利下田作业。

2、油菜机械收获基础理论及装备研究。

2.1 油菜茎秆理化特性研究

田保明(2005)等建立了油菜植株的力学模型,给出了油菜茎秆抗倒伏性的参数关系式 Pcr=8E/

λ2。

根据此参数关系式,可对油菜的抗倒伏能力进行综合分析和评价:茎秆系数(λ)小、弹性模量大者,

抗倒伏能力强;对于同一油菜品种,茎秆系数越小,抗倒伏能力越强。为进一步研究了油菜茎秆理

化特性与倒伏之间的关系,解释茎秆理化特性的内在原因,张建(2006)等试验测定了 9种田间表现

不同类型材料的木质素含量、粗纤维含量等理化性状。结果表明,木质素含量、机械组织面积在

抗倒材料和不抗倒材料间存在显著差异,不倒伏材料分别为倒伏材料的 1.2 倍和1.5 倍。木质素

和粗纤维的密度在不同表现类型间没有显著差异,说明其与植株茎秆倒伏相关性不大。刘兆朋

(2009)等对油菜茎秆具体物料特性参数进行了测试, “以湘杂油743”成熟期茎秆为试验材料,分别

测定其弹性模量E、剪切弹性模量G、剪切力F和含水率。试验结果表明:成熟期油菜茎秆弹性

模量E稳定在 160MPa,剪切弹性模量G稳定在 11kPa;油菜茎秆的弹性模量和剪切弹性模量随茎

秆含水率的减小而增大。吴晓强等(2012)对油菜茎秆进行轴向压缩试验,得出随着茎秆距地高度

的增加,油菜茎秆最大载荷基本呈线性减小的趋势,最大值在距地50cm 以下。4个品系的茎秆的

最大抗压强度和弹性模量均沿着距地高度而增加,但弹性模量基本不变;干油菜茎秆的最大承载

力、最大抗压强度和弹性模量都高于湿茎秆。这说明油菜茎秆的含水率显著影响其抗压力学性

能。

2.2 油菜收获机械装备研究

2.2.1 分段捡拾装置研究

针对分段收获的需求,石磊等(2011)设计了一种齿带式油菜分段收获装置,进行了齿带式油菜捡拾

装置参数优选试验,得到机组前进速度、齿带输送速度和齿带输送倾角与损失率的关系,找出适

合齿带捡拾器收获油菜的最佳参数组合。3个影响因素按重要性排序为:机组作业速度>输送带

速>输送倾角。

同时,确定了一组最优的参数组合:机组前进速度0.71m/s,输送带速0.9m/s,输送倾角12°。在该基

础上,吴崇友等(2011)采用响应面分析方法对捡拾脱粒机捡拾部件的参数进行试验,确定了一组最

优的参数组合:机组前进速度0.80m/s,输送带速0.78m/s,输送倾角11.19°,优化后捡拾损失率的理

论值为2.91%。

2.2.2 割台研究

割台在切割过程驱动机构会对植株产生较大振动,从而造成油菜掉粒损失增加,因此对割刀的振

动过程进行研究对提高割刀的工作性能有积极的意义。

李青林等(2009)用ADAMS 软件建立了4LYZ-2 油菜联合收获机横割刀驱动机构(摆环机构)的运

动模型和竖割刀驱动机构(曲柄滑块机构)的虚拟样机模型。通过仿真测量得到横、竖割刀驱动

机构在运动时对机架的激振力。仿真结果表明:横割刀往复运动时,作用在摆环箱上的载荷为简

谐载荷,Fx 的幅值为3200N,且远远大于 Fy;竖割上下运动时作用在割台框架上的激振力呈余弦变

化Fy 远远大于 Fx,且Fy 的幅值为2637N。该仿真结果为割台框架的动力学分析提供了依据。

2.2.3 脱粒清选系统研究

脱粒清选是油菜收获过程的关键环节,脱粒滚筒的转速是影响脱粒质量的关键因素。D.M.Bruce

等(2001)对油菜抗裂荚角果的脱粒性能进行了研究。结果表明:脱粒滚筒在600r/min 转速下可以

完成 98%的脱粒,有1%的种子被伤害;滚筒线速度达到 800r/min 时有 2.2%种子受伤害。对于未

成熟的角果,就算转速达到 1520r/min 时还不能完全将籽粒脱掉,而种子伤害率增加到14%。为了

找出分段收获捡拾脱粒机脱粒、清选部件形式和两组合理的工作参数,吴崇友等(2010)对我国南

方油菜分段收获割晒后的脱粒清选特性和脱粒清选参数进行了研究,并在试验台上进行脱粒和清

选正交试验。试验结果表明:脱粒分离夹带损失最小的优选参数组合为喂入量1.6kg/s、滚筒转

速750r/min、脱粒间隙15mm、滚筒形式钉齿6排;影响脱粒分离夹带损失率的主次因素为滚筒

形式、喂入量、脱粒间隙和滚筒转速。综合考虑清选损失率和含杂率最小的优选参数组合为开

度10mm 鱼鳞筛、振动筛曲柄转速260r/min、离心风机转速860r/min、离心风机倾角15°;由模

糊综合评价值的极差分析可得因素的主次排序为离心风机倾角、振动筛曲柄转速、筛片结构形

式和离心风机转速。喂入量对脱粒滚筒的工作性能也有一定影响,李耀明等(2005)对纹杆、锯齿

型滚筒和栅格、冲孔式组合凹板的脱粒分离装置进行了不同喂入量和滚筒转速下的脱粒试验。

试验结果表明,该装置脱分损失不超过0.5%。分析表明,脱分率主要与油菜的喂入量、滚筒结

构、滚筒线速度和滚筒长度有关,其中滚筒线速度和喂入量对脱分率影响最大,通过试验找到了

脱粒分离装置的最佳工作参数。在最高脱分率目标值为99.6%对应下的最佳喂入量为

1.4798kg/s,滚筒线速度29.716m/s,滚筒长度为 1580mm。

清选过程大部分是采用气流振动筛选方法,因此筛面上的气流场分布规律对筛分过程有较大的影

响。

唐伦等(2011)对油菜清选装置振动筛筛面上的气流场分布规律进行了研究。结果表明:沿筛面横

向方向气流基本保持稳定,沿纵向方向各行风速从大到小排列为第5行、第3行、第2行和第4

行。气流分布大致呈前高、中部略有下降和尾部再次上升的趋势,风机转速是影响通过筛面的气

流速度的主要因素,而对筛面上气流场的分布无影响。

筛分过程主要是通过筛面上的颗粒碰撞抛离的作用实现筛分,李耀明(2007)等对油菜脱出物振动

筛分运动进行了分析及试验研究,通过分析振动筛抛射强度对筛面物料运动状态的影响,以颗粒

的碰撞理论为基础,建立单个物料颗粒在筛面上的运动模型,并通过运动稳定性分析,得到不同抛

射强度下物料颗粒的运动规律。通过试验得出对应抛射强度下的清选损失率,试验结果发现在抛

射强度 kv=1.937 时,清选损失率最低,清选效果较好。

为找出影响清选性能的主要关键因素,李耀明等(2006)对油菜脱出物清选性能进行了试验,通过正

交试验和综合平衡法发现油菜脱出物的特性、清选装置的曲柄半径、曲柄转速、离心风机转速

等对清选性能影响较大。油菜脱出物清选的最佳参数组合为:曲柄半径为 18mm,曲柄转速为

310r/min,离心风机转速为900r/min。为进一步分析油菜籽在筛分过程的透筛机理,李耀明等

(2007)针对单个油菜籽的透筛过程,建立了单风道风机单层振动筛清选装置的虚拟样机模型,在不

同工作参数下,对油菜籽在清选装置中的运动规律进行了仿真实验。实验结果表明,对于油菜籽

的清选,曲柄长度为 35mm,清选损失率较小,清选效率也较高;当曲柄长度增至 40mm,清选过程中

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摘要：

油菜机械收获基础理论及装备研究0、引言油菜作物是我国主要油料作物之一,在我国食用植物油供给中占有非常重要的地位。21世纪以来,由于农村劳动力结构变化、油菜耕种收环节劳动强度大、种植效益较低等原因,在2007年我国油菜种植面积开始出现下滑。国家为了稳定油料作物生产,保障国家食用油的供给安全,相应出台了一系列加快油料作物生产措施,从政策和技术上进行引导、集中攻关,不断加大油料作物生产的扶持力度,近年来油菜的种植面积和产量得以逐步回升。油菜耕、种、收环节实现机械化作业是加快发展油菜生产的根本途径,油菜机械化收获作为油菜机械化生产过程中的一个重要环节,其生产水平的高低对油菜种植面积、油菜籽总产、油菜籽...

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