鮮食玉米低損傷收獲裝置的設計與試驗

楊金磚

(黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

鮮食玉米是一種經濟效益較高的經濟作物與糧食作物，主要包括甜玉米及糯玉米[1]。甜玉米起源于美洲大陸，之后在歐美、亞洲等國家逐漸發(fā)展。糯玉米起源于中國，云南省及廣西省被認定為是糯玉米起源中心。鮮食玉米在國內外市場需求量較大，逐漸發(fā)展成為一種大眾化的糧食品種[2]。目前，鮮食玉米種植主要分布在中國、美國、法國、西班牙、巴西等國家。我國是世界上最大的鮮食玉米消費國及生產國，據(jù)統(tǒng)計，2021年我國鮮食玉米總種植面積已經超過133萬hm2，位居世界前列。目前，我國共有超過24個省開始發(fā)展鮮食玉米產業(yè)，鮮食玉米市場逐漸擴大到全國各地。目前，除直接食用外，還可以加工成為罐頭、速凍食品、果凍、蜜餞、養(yǎng)殖、化工及醫(yī)藥等多種深加工產品，市場需求量連年攀升[3]。

鮮食玉米的機械化收獲能力是鮮食玉米產業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的重要技術支撐，鮮食玉米收獲時期為乳熟后期，含水率較高，因此，鮮食玉米對摘穗裝置要求較高。利用傳統(tǒng)玉米收獲機進行鮮食玉米收獲容易造成鮮食玉米籽粒破損，并且采用夾持輸送機構，會造成鮮食玉米的二次損傷。

針對以上問題，重點突破柔性采摘裝置關鍵技術，研發(fā)一種鮮食玉米智能收獲裝備，對于減少鮮食玉米收獲過程中的損傷問題提供技術支持。

1 鮮食玉米低損傷摘穗裝置的整體設計

1.1 設計要求

鮮食玉米收獲時期為乳熟期，此時鮮食玉米籽粒含水率較高，莖稈部分較常規(guī)玉米莖稈生而脆，利用傳統(tǒng)玉米收獲機進行收獲時，會造成較高的籽粒破損率與含雜率，嚴重降低了鮮食玉米的收獲質量與經濟價值[4]，因此，鮮食玉米收獲裝置應該滿足以下要求。1)降低鮮食玉米收獲時果穗與機械的碰撞，降低由于機械碰撞造成的鮮食玉米果穗損傷，保證鮮食玉米收獲籽粒破損率范圍在1%～2%；2)在進行鮮食玉米收獲時，避免摘穗裝置切斷玉米莖稈，保證鮮食玉米收獲含雜率低于1%；3)在收獲運輸過程中，避免輸送裝置對鮮食玉米造成二次損傷；4)降低作業(yè)時的功率消耗。

1.2 關鍵部件的設計及結構參數(shù)確定

1.2.1 鮮食玉米植株力學特性測定

由于鮮食玉米種植方式及果穗形態(tài)參數(shù)都存在較大差異，因此，本研究針對東北地區(qū)常見的鮮食玉米種類果穗形態(tài)結構進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，并以此作為鮮食玉米采摘裝置的理論基礎，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鮮食玉米形態(tài)基礎數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.2.2 拉莖輥直徑設計

根據(jù)《農業(yè)機械設計手冊》中對摘穗輥直徑的要求可知，拉莖輥直徑D設計如式(1)

(1)

式中dg—果穗直徑，mm；

dj—莖稈直徑，mm；

δ—輥間間隙，mm；

μg—拉莖輥對果穗的抓取系數(shù)；

μj—拉莖輥對莖稈的抓取系數(shù)。

根據(jù)本地區(qū)實際生產情況及設計依據(jù)，本研究選取拉莖輥直徑D=34 mm。

1.2.3 拉莖輥工作長度的設計

拉莖輥最小工作長度根據(jù)式(2)進行設計[5]

Lmin=Lgsinβ

(2)

式中β—滑切式拉莖輥的水平傾角，(°)；

Lg—穗位高，mm。

根據(jù)本研究調查分析結果選擇拉莖輥工作長度范圍L=720～1 050 mm。

1.2.4 拉莖輥轉速設計

拉莖輥工作轉速直接影響鮮食玉米收獲效率，當拉莖輥工作轉速較低時，鮮食玉米與拉莖輥之間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，會增加鮮食玉米收獲損失；當拉莖輥轉速過高時，拉莖輥與鮮食玉米莖稈之間會產生較大的拉伸力，造成鮮食玉米果穗與機械的碰撞損傷，增加鮮食玉米籽粒破損率。因此，拉莖輥工作轉速ω設計依據(jù)如式(3)[6]

(3)

式中R—滑切式拉莖輥的半徑，mm；

β—滑切式拉莖輥的水平傾角，25°～35°；

vm—機器行進速度，km·h-1。

設定機器前進速度為vm=5～6 km·h-1，因此，拉莖輥轉速ω=420～980 r·min-1。

2 鮮食玉米低損傷收獲裝置試驗方案

2.1 鮮食玉米試驗臺設計

鮮食玉米收獲裝置的基本要求如下：鮮食玉米收獲機拉莖輥間隙可調；拉莖輥轉速可調；摘穗板高度可以實現(xiàn)自由調節(jié)。

2.2 試驗材料

根據(jù)玉米田間收獲標準，對玉米收獲機田間摘穗試驗結果進行評估，玉米品種為“京科糯2010”，采用壟作的作業(yè)方式，每壟種植玉米長度為300 m，壟距0.6 m。

2.3 試驗設計

在綜合考慮農藝生產要求的前提下，設定試驗了因素水平編碼表(表2)，選取摘穗輥間距、行進速度和摘穗輥轉速開展三因素五水平正交旋轉試驗。

表2 因素水平編碼表

續(xù)表2

2.4 測定指標與方法

本研究選擇鮮食玉米摘穗率及籽粒破損率為整體機械評價指標。

2.4.1 鮮食玉米摘穗率

鮮食玉米摘穗率測定依據(jù)如式(4)

(4)

式中ηp—玉米摘穗率，%；

N1—實驗區(qū)域中實際收獲的玉米的穗數(shù)，個；

N—實驗區(qū)域中理論收獲玉米的總穗數(shù)，個。

2.4.2 鮮食玉米籽粒破損率

籽粒破損率指受損傷穗數(shù)與實際摘穗數(shù)之比，計算方法如式(5)

(5)

式中ηs—玉籽粒破損率，%；

N2—玉米收獲后，實際摘取的玉米穗中受損傷的數(shù)量，kg；

N1—田間試驗結束后實際收獲的玉米的穗數(shù)，kg。

3 結果與分析

3.1 回歸模型分析

田間試驗方案與田間試驗所得結果如表3所示，回歸模型如表4所示。

表3 試驗結果

續(xù)表3

表4 回歸模型方差分析表 單位：%

3.2 參數(shù)優(yōu)化與驗證實驗

利用Design-Expert 10.0優(yōu)化程序進行鮮食玉米收獲裝置田間試驗結果的參數(shù)優(yōu)化與驗證分析，目標函數(shù)如式(6)

(6)

約束函數(shù)如式(7)

30

(7)

通過參數(shù)優(yōu)化可得：摘穗輥間距為6 mm，機器行進速度為6.0 km·h-1，摘穗輥轉速為980 r·min-1，此時理論摘穗率為98.1%，籽粒破損率為0.8%。

4 結論

鮮食玉米是一種經濟價值較高的作物，營養(yǎng)豐富，口感極佳，在我國種植面積連年增加，市場對鮮食玉米的需求十分迫切。本研究基于鮮食玉米收獲損傷理論依據(jù)基礎上，提出一種鮮食玉米收獲裝置優(yōu)化方案，并給出關鍵參數(shù)設計依據(jù)與參數(shù)優(yōu)化方案，基于正交試驗明確鮮食玉米收獲參數(shù)的優(yōu)化。研究結果以期為提高鮮食玉米收獲率提供理論參考與技術借鑒，對于提高鮮食玉米生產力，增加農戶收入與經濟效益，為鮮食玉米收獲裝備的研發(fā)提供堅實的基礎條件。