油菜全程機械化的應用與關鍵技術研究

徐 海

(河南職業技術學院，鄭州 450046)

0 引言

我國是世界第一油菜生產大國，無論油菜種植面積還是產量都穩居世界首位。隨著科技的不斷發展，油菜種植在多方面已實現機械化生產，如土地耕耘、種植、培育、施肥等環節都可通過機械化提高油菜種植水平及效率。目前，由于油菜品種不同導致成熟期不一致，農機化技術難以適應，且油菜收獲機械化程度較低，導致油菜整體生產出現瓶頸。統計表明，當前我國油菜機械化程度不足50%。為提高我國油菜生產效率，可在現有技術基礎上繼續開發，改善油菜生產瓶頸，從關鍵技術入手，以點帶面，全面促進油菜生產技術和效率的提升，降低油菜生產成本。

1 我國油菜機械化發展難點及制約因素

我國油菜育種目標為提高單珠產量及油菜種植品質。油菜種植過程中，需要保證油菜營養充足、植株高大。油菜生長枝繁呈柱狀，此種作業模式適合小面積油菜種植栽培，人均勞動力與單位面積配比平衡，難以實現大面積統一管理。機械化作業要求油菜具有一定抗倒性，對播種實際要求較為寬松，且具有一定抗裂角性。當前，油菜育種在以上方面均未做過多考慮，因此成為機械化應用阻礙因素，即農機和農藝不配套。

油菜生產機具獨立化明顯，各機具難以聯合發揮作用。一些機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。

當前，我國油菜移栽機具種類繁多，根據油菜苗是否帶有黏土可將其分為缽苗移栽機和裸苗移栽機兩大類。油菜移栽機仍無法適應我國油菜生產工藝要求，難以實現大面積全程機械化。油菜直播方式主要有穴播、條播。油菜直播技術源自水稻及小麥播種技術，而因其種子大小存在明顯差異，播種時難以控制油菜種子下料量。

現有技術在收獲中仍舊存在損失嚴重的狀況，難以有效控制。目前，油菜聯合收割機主要通過傳統全喂入式水稻收割機改裝而來，重點改裝部件為撥禾輪、割臺及分禾器，在收獲損失率控制上存在先天性不足，很多時候使用該機具僅僅是為了縮短生產周期、降低人工成本，就種植作業本身而言意義不大。

2 油菜全程機械化關鍵技術研究

油菜全程機械化關鍵環節在于播種及收獲，基于傳統作業模式已經難以適應現代化農業生產發展要求，必須加速油菜全程機械化的應用。

2.1 少耕精量復式油菜直播技術

油菜直播關鍵技術環節在于精量及復式。其中，精量主要指在播種過程中對粒子數掌控恰到好處；復式指完成直播過程一系列輔助作業。因此，研制出具有耕地、播種、挖溝及覆土等復式直播機，具有較大實用價值。少耕精量直播機主要采用異形孔窩眼輪式油菜排種器(見圖1)，根據油菜種子設置相關參數。例如，根據種子直徑設置排種器孔徑，根據實際播種需求設置孔數。

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，需計算種子在型孔下落平面夾角α，幾種常見狀況如圖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y=H時，x=-sqrt(H/a)dw=fds,摩擦力做功為

由能量守恒定律可知

2.2 復式油菜分段收獲技術

油菜收獲主要包括油菜收割、脫粒、曬干及清選幾個階段，針對此流程設計分段收割方案 ，即將流程分為割曬和脫粒清選兩個階段。分段收割雖然不如聯合作業連貫，但在每一單獨工序上效率高于聯合作業；分段作業柔性高，能夠和其他作業方式有效結合起來，實用性強。分段收割方式關鍵在于解決油菜植株強制輸送問題。為解決此問題，可采用臥式割臺機(見圖3)，將油菜莖稈使用撥禾輪切割成段并輸送至傳動帶上再強行運送至出口。

1.拔禾輪 2.割刀擺環 3.喂入攪龍 4.割臺動力輸入軸

拔禾輪結構示意圖如圖4所示。

圖4 拔禾輪結構示意圖

拔禾輪作業條件為輪速比λ>1，此時其轉速為n=30vmλ/R，線速度應小于1.5m/s，即πRn≤1.5m/s。轉速同平均當量作用次數關系為n=60vmM/Zs。其中，m為平均當量作用次數；s為單株角果層直徑。取轉速為11～23r/min。

脫粒時，需要提高撿拾臺的通用性和互換性。在設計時，結合當前市場通用收獲機，在撿拾臺安裝彈齒結構，使得油菜能夠被順利輸送進入脫粒裝置，降低夾粒和漏粒可能性。

2.3 油菜聯合收獲技術

聯合收獲技術主要指將油菜收割過程所有作業一次性完成，提高作業連貫性。油菜聯合收獲技術關鍵技術是割臺技術，因此參考當前相關技術設計割臺結構，適當安排拔禾輪相對割刀位置，如圖5所示。

1.割臺機架 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.刀梁加強筋 E.底板加強筋 F.刀梁蓋板 G.底板圖5 聯合收割機割臺設計圖

油菜脫粒技術選用軸流脫粒分離，結合清選裝置設置相應參數，降低脫粒不凈狀況，提高粒子潔凈度。油菜聯合收割機還設置了齒輪檢視器，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

結合齒帶式撿拾器進行撥指的運動軌跡及運動方程確定，對拾撿器進行受力分析，如圖7所示。

圖7直角坐標系中，彈齒根部圍繞圓弧dp運行，運行速度為vm，設初始點為B1，P點初始點為P1。由圖7可知：ε=ψ-90-β，cos(-ε)= cosε=sin(ψ-β)，則B點軌跡方程為

X=Vmt+OBsin(ψ-β)

Y=OBcos(ψ-β)

其中，ψ=wt；β為齒輪安裝角；t為齒輪轉動時間。

對以上兩式求導可得

Vx=λVm+OBcos(ψ-β)

Vy=-λ=Vmsin(ψ-β)

在p點有Vx=Vm-Vtpcosγ(Vtp為p點速度；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。

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

確定拾器結構相關參數后，還需進行被撿拾物受力分析，如圖8所示。

圖7 撿拾器運動分析筒圖

圖8 被撿拾物受力分析簡圖

圖8中：莖稈與齒帶摩擦力為Ff；莖稈之間牽扯力為Pt；Fm為質點加速度產生的力。根據矢量合成有

aa=ae+ar+ac

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

Ftsinβ1-Fmcosα1-Ffcosθ=0

mg-Ffsinθ-Fmsinα1+Ftcosβ1

α1=90-β，Fm=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w確定時，撿拾其阻力方向角隨OB以及L-L1發生變化，因此需要通過OB及L-L1確定撿拾具體位置。

3 油菜全程機械化應用案例

3.1 案例背景

我國2011-2012年樣本省種植面積和種植方式統計如表1所示。由表1可看出：我國大多數地區仍舊采用傳統作業模式進行油菜生產。隨著農村大面積承包種植的不斷推廣，傳統油菜作業模式已經無法滿足實際需求。因此，湖北黃岡市開始推行油菜全程機械化應用，計劃5年引進專業機械化設備(設備類型和參數與本文一直)，并邀請專業技術人員給予技術指導，歸納總結相關經驗，反饋給相關研究組，對相關機械設備不斷更新改進及對油菜全程機械化不斷優化，目前已推行3年，效果明顯。3年示范項目統計如表2所示。

表1 我國2011-2012年樣本省種植面積和種植方式統計

Table 1 Statistics of planting area and planting pattern of 2011-2012 sample in China 萬/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 油菜生產全程機械化示范項目測產統計表

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

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

3.2 案例實施

進行全程機械化和傳統作業模式的對比，3年來按照表2作業模式展開對照，分析經濟效益。

3.3 經濟效益

各種播種方式成本核算如表3所示。由表3可以看出:機器播種每667hm2比傳統播種節約78元，比傳統移栽節約145元/667hm2。實踐表明：聯合收割成品潔凈度較高，籽粒飽滿，漏籽率低，平均每千克可增加0.2元收益，每公頃增收450元。實施項目后，每公頃節約成本2 625元，總種植面積按200 hm2計算，可節支52.5萬元。

表3 各種播種方式成本核算

續表3

4 結論

油菜全程機械化是油菜生產未來發展趨勢，基于品種、栽培技術、地域、氣候及作業模式等因素影響，油菜全程機械化在種植過程中必須選用合適品種，并根據實際情況選用合適的機具，提高油菜種植適應性，讓油菜種植過程、機具選擇、油菜種植工藝相互協調，以促進油菜全程機械化進程。

參考文獻：

[1] 屠繼軍.油菜機收的農藝要求與栽培措施探[J].園藝與種植,2014(11):23-25.

[2] 湯修映，侯書林.油菜移栽機械化技術研究進展[J].農機化研究，2010,32(4):224-226.

[3] 李建國,許虎泉,何增富.油菜機械化直播高產栽培技術關鍵[J].農業裝備技術，2012,33(6):16-17.

[4] 孫進,李耀明,徐立章.油菜聯合收割機清選裝置研究動態和技術分析[J].農機化研究,2011,33(6):62-64.

[5] 傅廷棟.油菜生產品種改良與機械化農業裝備技術[J].農業裝備技術，2010,36(2):22-25.

[6] 張堯鋒.油菜全程機械化生產配套技術研究與示范[D].杭州：浙江大學,2012:34-67.