小區谷物聯合收獲機氣吹式割臺設計與試驗

李毅念 易應武 杜世偉 丁啟朔 丁為民

(南京農業大學工學院， 南京 210031)

小區谷物聯合收獲機氣吹式割臺設計與試驗

李毅念 易應武 杜世偉 丁啟朔 丁為民

(南京農業大學工學院， 南京 210031)

為解決現有小區谷物聯合收獲機割臺中有殘留、不易清機等問題，設計了一種采用正面氣流將禾吹彎再切割的氣吹式割臺。根據力學原理建立了均勻氣流吹禾模型，以小麥順利進入割臺而不掉落為要求，計算得氣流支管出口風速為47.35 m/s。以能產生均勻氣流為目標，通過理論計算得到氣流管道的主要結構參數為：氣流總管錐度1∶14.29，氣流支管排列間距100 mm。對影響割臺殘留量和損失率的3個關鍵工作參數：氣流支管出口與割刀的垂直和水平距離、氣流支管出口與水平夾角進行了單因素試驗和正交試驗。單因素試驗表明：氣流支管出口與割刀的垂直和水平距離在15～27 cm內對割臺損失率的影響呈現先降后升的趨勢，氣流支管與水平夾角對割臺損失率和殘留量的影響先緩慢減小，后增加較快。正交試驗表明：最優組合為氣流支管出口與割刀的水平距離21 cm、氣流支管出口與割刀的垂直距離21 cm、氣流支管出口與水平的夾角10°，此時總損失率為0.88%，割臺殘留量為1.21 g。氣吹式割臺殘留量少，總損失率低，達到了小區小麥種子收獲技術要求。

小麥； 小區聯合收獲機； 氣吹式； 割臺； 設計； 試驗

引言

小區育種的目標是選育出具有高產、穩產、優質等性能的新品種[1]，小區種子收獲是育種的最終環節，要確保試驗數據的準確性，提供高純度的親本材料，對收獲機械除了控制損失率、清潔率外，還嚴格要求無籽粒殘留、損傷小等。同時小區育種在農藝上與大田種植有較大差異，單個育種小區面積小，單位面積內的育種小區多，導致大田收獲機無法直接運用到小區收獲上[2,3]。割臺是小區聯合收獲機的關鍵工作部件，對其研究具有重要意義。

國外小區收獲主要是將大田谷物聯合收獲機 小型化、智能化、模塊化[4-5]。例如奧地利WINTERSTEIGER公司生產的Classic型小區種子收獲機利用現代檢測技術能夠進行小區實時測產、測含水率等；通過更換割臺、脫粒滾筒，能收獲油菜籽、水稻、小麥等作物，顯著提高了機器的利用率。國內小區收獲目前以人工收獲，脫粒機脫粒清選的方式為主，存在間接損失率大、易誤農時等問題。胡波等[6]設計的小區聯合收獲機，依靠脫粒盤產生的負壓將割臺的物料吸入脫粒滾筒，解決了輸送過程中籽粒殘留的問題，但割臺僅依靠螺旋輸送器輸送物料，會有籽粒殘留的缺點。學者們采用梳脫的方式研制小區谷物聯合收獲機，大大減小了喂入量，但梳脫割臺存在飛濺損失、漏脫損失、回帶損失，使其總體損失率過高[7-9]。

基于上述問題，本文借鑒氣吹式收獲裝置在苜蓿、茶葉上的應用[10-11]，設計一種沒有撥禾輪的氣吹式割臺，采用正面吹禾氣流將禾吹彎再切割以及在割臺側面加裝鴨嘴噴頭的方式，以實現割臺損失小、無殘留、易清機的目的。

1 總體結構與工作原理

如圖1所示，小區谷物聯合收獲機氣吹式割臺裝置包括正面氣流吹禾機構、側面氣流清理機構、吹禾氣流調節機構、螺旋揚谷輸送器、擋板、風機等。其中：正面氣流吹禾機構用于將禾吹彎以便割刀割斷莖稈并將物料吹送到螺旋揚谷輸送器下方,包括氣流總管、氣流支管、軟管、風量調節器，氣流總管位于割臺的正前方，氣流支管出口朝向割臺；側面氣流清理機構用于將割臺兩側殘留的物料吹送到喂料口附近,包括側面氣流管、鴨嘴噴頭、閥門，鴨嘴噴頭位于割臺兩側底部；吹禾氣流調節機構位于割臺架左右兩側上方，用于調節氣流支管出口與割刀的水平和垂直距離，以及出口方向；螺旋揚谷輸送器上有揚谷器式葉片，葉片正對著喂料口。L型擋板位于螺旋揚谷輸送器正上方，用于擋住由揚谷葉片和正面氣流作用引起的飛濺籽粒。

圖1 小區谷物聯合收獲機氣吹式割臺裝置結構簡圖Fig.1 Sketch of air blowing header device of plot combine harvester for grain1.鴨嘴噴頭 2.割臺架 3.割刀 4.氣流總管 5.氣流支管 6.吹禾氣流調節機構 7.L型擋板 8.螺旋揚谷輸送器 9.揚谷葉片 10.喂料口 11.軟管 12.風量調節器 13.閥門14.側面氣流管 15.風機

收獲機工作時，關閉側面氣流清理機構閥門，打開正面氣流吹禾機構風量調節器。田間直立的小麥在從氣流支管射出的正面吹禾氣流作用下向割臺內部彎曲，然后再被割刀切斷，在收獲的同時將割刀與螺旋揚谷輸送器之間的全部籽粒、穗頭等物料吹送至螺旋揚谷輸送器下方，起到清理割臺的作用；切割下來的物料在螺旋揚谷輸送器的作用下向中間移動，在揚谷葉片的刮撥作用下經喂料口進入脫粒裝置。在收獲完一個試驗小區后，打開閥門，側面氣流清理機構開始工作，從鴨嘴噴頭射出的氣流將割臺兩側殘留的籽粒、穗頭吹送至揚谷葉片下方，從而保證工作過程中割臺損失小、無殘留、易清機。

2 氣吹式割臺關鍵部件設計

2.1 正面吹禾氣流設計

2.1.1 氣流速度與小麥莖稈撓度關系的計算

氣流速度越大，小麥莖稈的撓度越大，為確保割下來的穗頭部分能順利進入割臺而不掉落，小麥莖稈的最小撓度應不小于撥禾輪壓板的作用區域，本文所用收獲機原撥禾輪壓板的作用區域根據文獻[12]計算為188.33 mm。

圖3 氣流管道圖Fig.3 Sketch of air flow pipe

小麥莖稈在氣流場中受到水平氣流的作用力、重力、小麥之間的相互作用力等，單個氣流支管射流流場為喇叭狀，氣流中心速度先大后小，從中心到邊界的速度逐漸變小導致小麥莖稈受力情況復雜。為簡化計算，假設氣流為均勻流場，并且忽略重力、小麥之間的相互作用力以及麥芒莖稈和葉子受到的風力，只考慮氣流對橫截面積較大的穗頭的作用力。圖2所示為均勻氣流吹禾模型簡圖，氣流對穗頭的作用力始終與莖稈垂直，且為均布載荷q。根據材料力學的知識[13]得AB、BC段的撓曲線近似微分方程分別為

(1)

(2)

式中ω1、ω2——小麥莖稈AB、BC段的撓度，mmE——彈性模量，PaI——慣性矩，mm4L——小麥株高，mma——小麥在氣流場中的受力長度，mm

求得均布載荷q與C點撓度ωc的關系為

(3)

根據空氣阻力公式[14]

(4)

式中C——阻力系數，取0.44V——氣流速度，m/sdp——小麥莖稈受力部分的當量直徑，mmρ——空氣密度，取1.25 kg/m3抗彎剛度[15]取EI=8 020.77 N·mm2，L=730 mm，受力長度a=100 mm，當量直徑dp=26.09 mm，計算得氣流速度與撓度的關系為

ωc=2.1×10-3V2

(5)

圖2 均勻氣流吹禾模型簡圖Fig.2 Sketch of blowing cereal model with uniform air velocity

2.1.2 均勻氣流管道的設計

(1)氣流支管出口風速與排列間距計算

相關參數初步設置如下：氣流支管出口與割刀的水平距離為300 mm；氣流支管選用圓柱型，內徑為30 mm。對單根氣流支管的射流進行計算，射流結構如圖4所示。根據氣體射流動力學原理[16]得

(6)

其中

(7)

式中Vm——軸線方向的速度，m/sVy——截面上y點沿軸線方向的速度(沿垂直軸線方向的速度很小，忽略不計)，m/s

y——截面上任意點到中心軸線的距離，mm

α——湍流系數，圓柱形均勻分布噴管取0.08

S——氣流支管出口與小麥莖稈的距離，為300 mm

D——射流噴管的內徑，取30 mm

R——同截面上的邊界層厚度

圖4 射流結構圖Fig.4 Structure diagram of gas jet

由于在計算小麥莖稈撓度與風速的關系時，假設風速是均勻的，而實際射流當中，工作界面的風速從中心往邊界是逐漸減小的，以速度最小點y=50 mm時的Vy為工作面的風速，即：V=Vy。

綜合上述得V=0.2V0，由式(5)得小麥莖稈C點撓度與氣流支管出口速度的關系式為

(8)

當小麥莖稈最小撓度ωc=188.33 mm時，得V0=47.35 m/s。

本文設計的割臺有效割幅為1 000 mm，每根氣流支管的有效工作面長度為100 mm，所以氣流支管在氣流總管上的排列間距L3=100 mm,一共10根。

(2)氣流總管錐度的設計

如圖3所示，氣流總管進口風量為Q，其末端封閉。從管道末端到進口，對每根支管依次編號。這種均勻送風管道的基本原理是：依靠管道中空氣流速的減小復得靜壓，以補償管道中由流動阻力而引起的靜壓下降，使得靜壓保持不變[17-18]。第i+1個支管到第i個支管中心斷面的動壓補償的靜壓Δp1、沿程阻力損失Δp2為

(9)

(10)

其中

式中η——靜壓復得系數，取0.75vi——第i根氣流支管中心處氣流總管的氣流速度，m/s

Di——第i根氣流支管中心處的氣流總管直徑，mm

n——氣流支管總數

λ——沿程阻力系數，根據經驗公式[19]計算得λ=0.023

由于靜壓保持不變，所以

Δp1=Δp2

(11)

取D10=110 mm，由上文支管出口速度計算得氣流總管入口速度V10=35.22 m/s，計算得D9=105.14 mm,D8=99.92 mm,D7=94.26 mm,D6=88.06 mm,D5=81.18 mm,D4=73.4 mm,D3=64.34 mm,D2=53.3 mm,D1=38.46 mm。為方便制造，將氣流總管設計為圓錐形，取D10=110 mm，D1=40 mm，即錐度為1∶14.29。

2.1.3 正面吹禾氣流系統驗證試驗

根據計算得到的氣流總管入口速度，計算得所需風機功率為2.3 kW，選擇風機功率為2.7 kW的科賽KS865型風機。小麥莖稈與氣流支管出口距離為300 mm，用TSI9565-P型多功能通風表測得各氣流支管的出口速度在44.72～49.65 m/s之間，標準差為1.61，小麥莖稈的撓度為198～221 mm。試驗表明理論計算的總管錐度為1∶14.29是比較合理的。理論計算時忽略重力以及麥芒、莖稈和葉子受到的風力，只考慮氣流吹橫截面積較大的穗頭的作用力，因此比實際受力要小，導致試驗撓度比理論計算撓度稍大。

2.2 割臺側面氣流清理機構設計

圖5所示割臺底部為圓弧形，有利于集中殘留的物料。圖6所示為鴨嘴噴頭，扁口為出氣口，長30 mm，寬5 mm。喂料口和割臺左右兩側的距離分別為45 cm和35 cm。試驗發現物料在氣流的作用下被吹起堆積，然后被螺旋揚谷輸送器往喂料口輸送，理論計算中只考慮喂料口5 cm之內的物料做整體移動，移動的條件是受到的風力大于摩擦力，即

(12)

式中μ——物料摩擦因數，取0.4m——殘留量，為14.45 gg——重力加速度，取9.8 m/s2V1——氣流速度，m/sS1——殘留物料的橫截面積，為1 010 mm2

計算得V1=14.28 m/s。由平面自由射流原理[16]得左側鴨嘴噴頭出口速度為54.09 m/s，右側為47.75 m/s。清機試驗表明右側面氣流為37.54 m/s、左側面氣流為49.38 m/s時清機效果較好。由于實際當中割臺底部有導流作用，且鴨嘴噴頭射出的氣流并不是自由射流，所以理論計算的氣流速度大于實際值。

圖5 割臺物料殘留圖Fig.5 Header residues

圖6 鴨嘴噴頭 Fig.6 Duckbill nozzle

2.3 螺旋揚谷輸送器設計

如圖7所示，螺旋揚谷輸送器由螺旋輸送器、撥指、揚谷葉片組成，兩塊揚谷葉片對稱分布在螺旋輸送器上。揚谷葉片正對著喂料口，由葉片底座、軟葉片、硬葉片通過螺栓連接而成。軟葉片材質為橡膠[20]，在對籽粒、穗頭等物料的刮撥過程中能減少對籽粒的損傷。

圖7 螺旋揚谷輸送器結構示意圖Fig.7 Sketch of screw auger with winnower1.螺旋輸送器 2.撥指 3.揚谷葉片 4.葉片底座 5.軟葉片6.硬葉片

3 田間試驗

3.1 試驗材料與設備

試驗地點為南京農業大學江浦農場，試驗時間為2016年6月10日，當天氣溫21～31℃，多云，自然風速0.3～3.4 m/s。試驗田小麥為揚麥13號，麥田光照充足，長勢較好，產量約9 000 kg/hm2。小麥自然株高(地上部位)751 mm，穗幅差為210 mm，種植密度509株/m2，籽粒千粒質量 40.3 g。供試材料籽粒含水率 18.73%，莖稈含水率 18.99%。

圖8所示為氣吹式割臺小區谷物聯合收獲機，其具體參數為：配套動力6.3 kW，其中割臺、脫粒、清選、行走所消耗的功率分別為1.2、2.3、1.3、1.5 kW；割幅為1 000 mm，喂入量為0.6 kg/s，行駛速度為0.5 m/s，風機功率為2.7 kW，轉速為6 000 r/min。

圖8 氣吹式割臺小區谷物聯合收獲機實物圖Fig.8 Plot grain combine harvester with air blowing header1.風機 2.L型擋板 3.氣流支管 4.氣流總管 5.側面氣流管

3.2 試驗方法與設計

根據GB/T 8097—2008 《收獲機械 聯合收割機 試驗方法》中相關規定在田間進行試驗，為消除排雜時的籽粒損失影響，在收獲作業時用紗網袋接住清選排雜口。每組試驗重復3次，每次收獲3 m，每次撿起1 m2內的落粒、掉穗、漏割，收獲完后打開割臺側面氣流清理機構，并空轉1 min后拾起割臺內殘留的籽粒、斷穗。田間試驗如圖9所示。

圖9 田間試驗Fig.9 Field experiment of combine harvester

經過前期初步試驗，割刀離地面高度為450 mm，氣流支管出口風速在44.64～49.48 m/s時收獲效果較好，在此條件下對影響空間氣流分布的主要3個因素進行單因素試驗和正交試驗：氣流支管出口與割刀的水平和垂直距離、氣流支管出口與水平的夾角。并與撥禾輪式割臺做對比試驗。試驗性能指標有落粒損失率、掉穗損失率、漏割損失率、總損失率、割臺殘留量。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 單因素試驗

(1)氣流支管出口與割刀的水平距離

氣流支管出口與割刀的垂直距離為21 cm，氣流支管出口與水平夾角為10°，氣流支管與割刀水平距離設置5個水平，分別為15、18、21、24、27 cm。損失率和殘留量如圖10所示。

圖10 氣流支管出口與割刀的水平距離對割臺損失率和殘留量的影響Fig.10 Effect of horizontal distances between outlet of air flow branch pipe and cutting knife on total loss rate of header and residual amount

從圖10a中可見，氣流支管與割刀水平距離對總損失率的影響呈現先降后升的趨勢，21 cm時總損失率最小，為0.74%。在15～21 cm時，氣流支管之間氣流開始逐漸融和，氣流速度變大對小麥莖稈作用力大，漏割和掉穗損失隨之減小。而在21～27 cm時，距離變遠氣流速度變小，小麥莖稈彎曲不夠，漏割和掉穗損失增大。而落粒損失與氣流支管離割刀的水平距離關系不明顯，損失率在0.12%～0.16%之間。從圖10b中可知，氣流支管離割刀的水平距離對割臺殘留量的影響較小且緩和，總體在0.83～1.31 g之間。

(2)氣流支管出口與割刀的垂直距離

氣流支管出口與割刀水平距離21 cm，氣流支管出口與水平夾角10°，氣流支管與割刀垂直距離設置5個水平，分別為15、18、21、24、27 cm。損失率和殘留量如圖11所示。

圖11 氣流支管出口與割刀的垂直距離對割臺損失率和殘留量的影響Fig.11 Effect of vertical distances between outlet of air flow branch pipe and cutting knife on total loss rate of header and residual amount

從圖11a中可見，氣流支管出口與割刀垂直距離對總損失率的影響呈現先降后升的趨勢，在21 cm時最小，為1.01%。高度在15～21 cm時，氣流軸心逐漸靠近橫截面積較大的穗頭中心，氣流對小麥莖稈作用力變大，漏割和掉穗損失減小。而在21～27 cm時，氣流逐漸作用在小麥頂端，作用力變小，導致漏割、掉穗損失增大。由圖11b可見，氣流支管出口離割刀的垂直距離在15～21 cm時，氣流作用在割臺底部，能順利將殘留的籽粒和麥穗吹向螺旋揚谷輸送器底部，清機較為干凈；而在21～27 cm時，氣流支管出口位置較高，氣流沒有吹向割臺底部，導致殘留量大大增加，甚至有麥穗殘留。

(3)氣流支管出口與水平夾角

氣流支管出口與割刀水平和垂直距離均為21 cm，氣流支管與水平夾角設置3個水平，分別為0°、10°、20°。損失率和割臺殘留量如圖12所示。

圖12 氣流支管出口與水平夾角對割臺損失率和殘留量的影響Fig.12 Effect of angle between outlet of air flow branch pipe and level on total loss rate of header and residual amount

由圖12可知，氣流支管與水平的夾角對割臺損失率和殘留量的影響在0°～10°內緩慢減小，在10°～20°內增加較快。夾角為20°時，氣流吹在割刀前，不能及時的將麥穗吹進螺旋揚谷輸送器底部，導致掉穗和漏割損失增大，同時割臺不易清理，殘留量較大。

3.3.2 正交試驗

依據上述單因素試驗與分析，制定多因素正交試驗因素水平如表1所示，選用L9(34)正交試驗表進行試驗，需要進行9次試驗。表2為試驗方案和結果，表3、4分別為極差分析和方差分析。

表1 正交試驗因素與水平

由表3對試驗結果進行的極差分析可得：總損失率優化組合為A2B2C2，殘留量優化組合為A1B2C1。試驗方案中沒有包括這兩個組合。通過試驗得到這兩個組合的總損失率分別為0.88%、1.22%，殘留量分別為1.21 g、1.04 g。兩者的殘留量相差非常小，而損失率差別較大，所以最優組合為A2B2C2,即：氣流支管出口與割刀的水平距離21 cm， 氣流支管出口與割刀的垂直距離21 cm， 氣流支管出口與水平的夾角10°。

由表4的方差分析可知，氣流支管出口與割刀水平距離對漏割損失率影響顯著，氣流支管出口與割刀垂直距離對損失率和殘留量影響都不顯著，氣 流支管出口與水平夾角對掉穗損失率有一定影響，

表2 試驗方案與結果

表3 極差分析

表4 方差分析

注：F0.05(2,2)=19.00，F0.05(2, 4)=6.94，F0.05(2, 6)=5.14，F0.10(2,2)=9.00，F0.10(2, 4)=4.32，F0.10(2, 6)=3.46。F0.05(2,2)

對漏割損失率、總損失率和殘留量有顯著影響。氣流支管出口與水平的夾角決定了整個空間氣流是吹在割刀之前還是之后，所以氣流支管與水平夾角直接影響割臺的損失率和殘留量。

3.3.3 撥禾輪式割臺對比試驗

與撥禾輪式割臺進行了對比試驗，試驗結果如表5所示。與A2B2C2相比可以看出，氣吹式割臺與撥禾輪式割臺總損失率相近，而殘留量是其0.39%。撥禾輪對小麥莖稈的強制撥禾過程中對莖稈的打擊作用導致落粒損失率比氣吹式割臺高，而掉穗、漏割損失率低，總損失率也略低，但沒有清機的作用，割臺殘留量很大。

4 結論

(1)理論計算結果表明：當氣流總管錐度為1∶14.29時氣流支管出口風速比較均勻，氣流支管內徑為30 mm，間距為100 mm分布在氣流總管上，氣流支管出口風速為47.35 m/s、小麥莖稈與氣流支管出口距離300 mm的條件下，能夠達到順利進入割臺而不掉落的要求。

表5 撥禾輪式割臺試驗結果

(2)單因素試驗表明：氣流支管與割刀的垂直和水平距離在15～27 cm內對割臺損失率的影響呈現先降后升的趨勢，氣流支管與割刀的水平距離對殘留量影響較小且緩和，而垂直距離為21～27 cm時氣流沒有吹向割臺底部，導致殘留量大大增加。氣流支管與水平的夾角對割臺損失率和殘留量的影響在0°～10°內緩慢減小，在10°～20°內增加較快。

(3)正交試驗表明：氣流支管與水平的夾角對總損失率和割臺殘留量的影響最大；最優組合為氣流支管出口與割刀的水平距離21 cm、氣流支管出口與割刀的垂直距離21 cm、氣流支管與水平的夾角10°，此時總損失率為0.88%，割臺殘留量為1.21 g。

(4)對比試驗表明：氣吹式割臺與撥禾輪式割臺總損失率相近，而殘留量是其0.39%。

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Design and Experiment on Air Blowing Header of Plot Combine Harvester for Grain

LI Yinian YI Yingwu DU Shiwei DING Qishuo DING Weimin

(CollegeofEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210031,China)

In order to solve some matters on residual seeds on header and clean the header during harvesting grain seed on the plot by using combine harvester of grain, an air blowing header, by that front airflow bent wheat and then cutter knife cut the wheat stalk, was designed. A blowing cereal model with uniform air flow velocity was established according to mechanics principle. The calculated air flow velocity of branch pipe outlet was more than 47.35 m/s under condition of the cut wheat smoothly entering into the harvester header without dropping. According to the theory of static regain design method of multiple-branch duct system, these calculated main structure parameters of airflow pipe which generated uniform air flow in each branch pipe were taper of air flow main pipe of 1∶14.29 and interval distance of air flow branch pipe of 100 mm. Three key parameters, including vertical and horizontal distances between cutting knife and air flow branch pipe outlet, the angle between air flow branch pipe and level, that affected header residual amount and total loss rate, were regarded as experimental factors for conducting single factor and multi-factors orthogonal experiments. The single factor experiments showed that the total loss rate of header with firstly increase and then decrease was made by the vertical and horizontal distances between cutting knife and outlet of air flow branch pipe within a scope of 15～27 cm. The residues on the header were little affected by horizontal distance between cutting knife and outlet of air flow branch pipe causes. But there was larger effect on the residues on the header for the vertical distance between cutting knife and outlet of air flow branch pipe. The higher the vertical distance was, the more residues were, and even wheat ear was left. The residual and total loss rate of header slowly decreased in 0°～10°, but rapidly increased in 10°～20°, which was made by the angle between air flow branch pipe and level. The orthogonal experiments demonstrated that the effect of the angle between air flow branch pipe and level on total loss rate of header and residual amount was the greatest. The vertical distance between cutting knife and outlet of air flow branch pipe was 21 cm, horizontal distance between cutting knife and outlet of air flow branch pipe was 21 cm, and the angle between air flow branch pipe and level of 10° was the optimal orthogonal experiments combination. The total loss rate was 0.88% and the header residue was 1.21 g under the optimal orthogonal experiments combination. The developed air blowing header with small header residual amount and low total loss rate achieved the technical requirements of the plot harvesting wheat seed.

wheat; plot combine harvester; air blowing; header; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.010

2016-09-21

2017-01-04

江蘇省政策引導類計劃(產學研合作)項目(BY2016060-01)和中央高校基本科研業務費專項資金項目(KYZ201161)

李毅念(1973—)，男，副教授，主要從事現代農業裝備研究， E-mail： liyinian@163.com

S225

A

1000-1298(2017)06-0079-09