鮮食玉米收獲機械發展階段判定研究

摘" 要：為促進鮮食玉米的高效低損收獲，對鮮食玉米收獲機械的發展進行階段劃分，并結合收獲效率與果穗損失2個方面構建特征模式，基于模糊數學理論提出一種階段劃分方法，并結合4YZ-6型鮮食玉米收獲機田間試驗對該方法進行檢驗與可行性分析。結果表明該收獲機收獲效率與果穗損失率均低于2470型收獲機，與判定的低效低損階段相符。該階段劃即判定方法的提出，有助于加快我國鮮食玉米收獲機械的高效低損發展，補全國內鮮食玉米機械化收獲的短板問題。

關鍵詞：收獲;果穗損失;鮮食玉米;階段;模糊數學

中圖分類號：U455.6" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）15-0035-04

Abstract： In order to promote the efficient and low-loss harvesting of fresh corn， the development of fresh corn harvesting machinery was divided into stages， and a characteristic pattern was constructed by combining the two aspects of harvesting efficiency and cob loss， and a stage division method was proposed based on fuzzy mathematical theory， which was examined and feasibility analyzed by combining with the field test of the 4YZ-6 fresh corn harvester. The results show that the harvesting efficiency and Loss rate of ears of this harvester are lower than that of 2470 type harvester， which is in line with the stage of low efficiency and low loss. The proposal of this stage， i.e. the determination method， can help to accelerate the development of high efficiency and low loss of fresh corn harvesting machinery in China， and make up for the short board of mechanized harvesting of fresh corn in the country.

Keywords： harvesting; cob loss; fresh corn; stage; fuzzy mathematics

鮮食玉米果實在乳熟后期或蠟熟初期收獲，屬于可直接食用或加工的新鮮玉米類別，包括糯玉米、甜玉米、筍玉米和彩色玉米等[1]。新鮮玉米作為植物性膳食的一種新興選擇，已成為一種普遍趨勢。甜玉米粒的含糖量是普通玉米的5～10倍，并富含天然維生素。維生素E、維生素B1和B2能刺激細胞分裂，延緩衰老，具有顯著的保健作用，因其味道鮮美、營養豐富而廣受歡迎[2-4]。數據顯示，鮮食玉米種植面積持續增加，就全球鮮食玉米產業而言，美國和加拿大等西方國家的產值明顯領先，其中鮮食玉米在鮮食蔬菜中排名第四，加工后的甜玉米在加工蔬菜中位居世界排名第二，特別是甜玉米罐頭，年貿易量超過10萬t[5]。鮮食玉米種植面積共計約127萬hm2，其中兩廣地區種植面積30萬hm2，一年三季為主，東北地區種植面積居第二位，約27萬hm2，可見鮮食玉米已受到廣泛關注[6-7]。糯玉米獨有特性在工業上被廣泛應用于紡織、造紙和黏合劑等領域，市場前景廣闊。此外，鮮食玉米還是一種經濟效益很高的農作物，既可作為糧食經濟作物，又可作為果蔬和飼料，具有生長周期短、營養價值豐富等特點。由于鮮食玉米口感特殊、營養豐富、經濟價值高、用途廣泛，鮮食玉米產業前景廣闊。

傳統的鮮食玉米收獲方式為人工掰穗，勞動強度高且效率低，導致鮮食玉米的收獲成為了制約該產業發展的關鍵因素，鮮食玉米的機械化收獲也成為了玉米收獲領域內的焦點[8-10]。目前國內能夠實現鮮食玉米機械化收獲的機械主要分為2種。一種是通過對傳統的玉米聯合收獲機進行改造升級，在滿足正常收獲作業前提下兼顧對鮮食玉米的收獲。另外一種則是專門結合鮮食玉米收獲的農藝要求進行研制的鮮食玉米聯合收獲機，以實現鮮食玉米的低損、高效收獲。前者的研發成本較低、投入較少，但存在收獲后果穗損失較大的問題，因此鮮食玉米收獲機的研發勢在必行[11-14]。

1" 鮮食玉米收獲機發展現狀

目前美國OXBO集團、哈格斯等企業已有成熟產品在市場上推廣應用，但受限于道路運輸、調試困難等客觀因素，收獲機的售價高、維修難，在國內市場上難以普及[15]。

目前國內有河北天人、貝克瑞斯、新疆牧神等企業在從事鮮食玉米收獲機的研發工作，其中由黑龍江省農業機械工程科學研究所研制的4YZ-6型鮮食玉米收獲機陸續在齊齊哈爾市、五大連池市進行了大面積試驗，該收獲機能夠完成柔性摘穗、低損收獲、無損輸送、雜余清選與果穗收集等多項作業[16]。河北雷肯研制出了國內首臺專用于鮮食玉米收獲的機具4YZT-4機型，該機型的出現填補了我國鮮食玉米收獲機械的空白，同時可以實現技術的自主研發、自主設計、自主開發和自主創新，隨著機型的發展多年來也在不斷改進和升級，升級后的功能更加強大，可靠性高。2014年，河北雷肯農業機械有限公司將玉米收獲研究方向轉移到了具有“黃金食品”之稱的鮮食玉米上，研制出了我國首臺4YZT-3鮮食玉米收獲機，該收獲機采用仿生式摘穗臺，模擬人工摘穗，這種自上而下的摘穗方式大大降低了籽粒破損率，保證了鮮食玉米的收獲。該機采用仿生式摘穗割臺，模擬人工摘穗，這種自上而下的摘穗方式大大降低了籽粒破碎率，保證了鮮玉米果穗的質量，驅動裝置采用全液壓控制，提高了工作的穩定性和可靠性。但提取的鮮食玉米果穗柄較長，不利于運輸和儲存，且作業后的玉米果穗含雜率較高，增加了清選作業和鮮食玉米深加工的難題，作業效率較低。海南大學機電工程學院與山東巨明機械聯合研制了4YZT-2型自走式鮮食玉米行對行收獲機。該機采用螺旋斜輥實現鮮食玉米自上而下摘穗，收獲過程中減少了機構與鮮食玉米果穗的相互作用力，使玉米果穗破損率降低，但該機僅完成了摘穗臺高度、夾持拉莖帶轉速、摘穗輥間隙等影響鮮食玉米收獲過程的因素研究，其他作用和影響因素有待進一步研究分析[17]。

針對目前我國鮮食玉米收獲機的發展情況，對我國鮮食玉米收獲機的發展階段進行了廣義劃分，提出基于模糊綜合評判的階段判定方法。收獲機所處階段的判析有助于明確短期內的研究重點，對我國鮮食玉米收獲機未來的研究提供理論參考。

2" 階段劃分

通過結合OXBO 2475型鮮食玉米收獲機的作業效果與DG/T 285—2023《鮮食玉米收獲機》推廣鑒定大綱、GB/T 21962—2020《玉米收獲機械》相關標準，將我國鮮食玉米收獲機的發展劃分為樣機試制階段、低效高損階段、高效高損、低效低損、高效低損5個階段[18-19]。

樣機試制階段是鮮食玉米收獲機械發展的首要階段。是指完成了對鮮食玉米收獲機或兼顧鮮食玉米收獲機械的研發與制造，并進行田間試驗階段。此階段是將理論研究轉變為實際產品的必經階段，通過大面積、長時間、高載荷的田間試驗對收獲機械的實際工作效果與預期進行比對，從而進一步對關鍵部件進行優化升級。此階段允許收獲效率低、果穗損失較大，但仍需保證鮮食玉米的糧食產能，避免出現較大的經濟損失。

低效高損階段是鮮食玉米收獲機械發展的第二階段。此階段的收獲機械已經可以初步滿足收獲作業要求，但其作業效率上與主流機械存在較大差距，大面積作業時需要多機協同作業。且收獲后果穗的綜合損失率與大綱中要求相差較大，特別是注重果穗底部籽粒破損的糯玉米。這一階段的收獲機械，難以進行惡劣地況下的收獲作業。因此可以考慮配套升級大馬力發動機組件、分動箱、液壓油泵等核心部件，進而提高前進速度與收獲速度，從而提高收獲效率。同時需要注重對收獲機械各參數組合的調整，從而降低莖稈的折斷數量與籽粒的破損。

高效高損階段是鮮食玉米收獲機械發展的第三階段。此階段在收獲效率上與主流機械相接近，但果穗損失率仍與大綱要求相差較大。在不考慮籽粒破損的甜玉米收獲上可以進行田間作業，包括泥濘地況下的甜玉米收獲。仍然需要加上對收獲機理的研究，保證玉米莖稈的有效喂入，降低收獲時對果穗造成的損傷。

低效低損階段是鮮食玉米收獲機械發展的第四階段。此階段收獲后的果穗損失率趨近于大綱規定，能夠滿足全種類鮮食玉米的收獲作業。高損收獲直接作用于果穗本身，而此階段劃分在高效高損階段之后的原因是保障低損收獲的前提下，可以通過多機協同作業的形式補全低效收獲的短板，從而保障鮮食玉米的有效收獲。在提升該階段收獲效率時，需要統籌前進速度于部件工作參數的協調性，需要保證鮮食玉米低損收獲的前提下，進行不同的前進速度與各部件最優工作參數的匹配。

高效低損階段是鮮食玉米收獲機械發展的最終階段。此階段下的鮮食玉米收獲機械在收獲效率上超過主流收獲機械，且其果穗損失率小于大綱要求。在此階段的收獲機械能夠充分滿足市場需求，可對國外鮮食玉米收獲機進行替代。較低的果穗損失與高效率的收獲作業可促進鮮食玉米產業蓬勃發展。

在鮮食玉米收獲機械的收獲效率影響因素中，選取作業時前進速度、轉場時前進速度、卸糧速度、泥濘地況下單位時間內收獲面積與單位時間內收獲面積作為特征模式。果穗損失的影響因素中選取籽粒破損率與果穗遺失數量作為特征模式，從而得到表1特征模式表。

3" 發展階段判定方法

鮮食玉米收獲機各發展階段的劃分是廣義劃分，無法通過具體的數值進行主觀判斷，因此引入模糊數學理論中的模糊綜合評判法則，并結合最大貼近度法對目標所處階段進行判別。首先構建集合Q=（Q1，Q2，…，Q7）與集合P=（P1，P2，…，P5），將集合Q作為判別階段隸屬的元素合集，構建集合P作為發展階段的評價集合，皆可通過判別集合Q歸屬于集合P中哪一子集實現階段劃分。其次通過專家打分法對集合Q中的元素進行打分得到信息矩陣Wij（i=P1，P2，…，P5;j=Q1，Q2，…，Q7），從而生成綜合評價矩陣U=uij，其中（i=1，2，…，5;j=1，2，…，7）即

通過引入特征模糊子集Ai=（0，…，1，…，0）進行決策。對目標進行模式識別時，將集合A中的第i個分量數值記為1，其余數值記為0，并代入綜合矩陣U對海明貼近度進行求解，其中海明貼近度的計算公式為

式中：為參考模型，對應為集合P;為待識別對象，對應為集合Q。

將貼近度集合記為R=（R1j，R2j，R3j，R4j，R5j）T，j∈[1，5]，引入預期理想子集+、預期非理想子集-與對稱貼近度φ，則得到判別方程如下

若求解出與理想子集+距離大于與非理想子集-的距離，即可認為待判別目標隸屬于階段Pi，否則認為待判別目標隸屬于階段Pi+1。

4" 可行性分析

在齊齊哈爾市依安縣北緯47°種植區進行田間試驗，針對階段劃分方法進行可行性驗證分析。試驗機械選擇美國OXBO集團的2470型鮮食玉米收獲機與黑龍江省農業機械工程科學研究院4YZ-6型鮮食玉米收獲機，在保證同一地塊、同一玉米品種、同一駕駛員等多項相同變量的前提下進行對比作業試驗。

試驗過程中邀請科研院所、大學、合作社與農戶構成多維度的評價顧問，對2臺收獲機的收貨效率與果穗損失進行打分，得到表2所示的信息矩陣與表3綜合評價矩陣[20]。

結合4YZ-6型鮮食玉米收獲機的田間作業表現，并采用大綱中的果穗損失率計算方式，與OXBO 2470型鮮食玉米收獲機進行對比，分析發現當前收獲機發展階段更趨近于低效低損收獲階段，并向高效低損階段靠攏，從而驗證了該階段劃分方法的可行性。其中在收獲效率上，4YZ-6型鮮食玉米收獲機的收獲效率略低于2470型，原因是一個方面受制于發動機功率限制，另一方面則是工藝、材料等客觀因素導致該車輛空載時就存在一定負荷，從而造成功率的損耗。在果穗損失率上，4YZ-6型收獲機的損失率為2.87%，2470型收獲機損失率為3.07%，國產收獲機的表現更優，原因是國產收獲機更符合我國玉米農藝要求，包括在分禾間隙、摘穗間隙、路距等參數方便更加契合國內耕種形式。

此階段的鮮食玉米收獲機在后續的研發過程中，可以通過增加發動機功率來提高收獲機的前進速度，通過對收獲割臺的參數優化提高玉米植株的喂入效率與摘穗效率，調整輸送裝置速度配比提高物料在收獲季內的輸送效率，通過對底盤架構的優化升級與果穗箱的擴容進一步提高收獲效率，同時可以通過加裝果穗計數系統與稱重系統，結合果穗箱監控畫面提高卸糧效率，進而促使收獲由低效低損階段向高效低損階段轉變。

5" 結論

對鮮食玉米收獲機械的發展階段進行了劃分，提出了基于收貨效率與果穗損失的特征模式，并提出了一種基于模糊數學理論的階段劃分方法，構建了階段劃分的參數模型，同時針對該方法進行了田間試驗與可行性分析，為我國鮮食玉米收獲機械的發展提供參考。

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基金項目：國家重點研發計劃（2016YFD0701900）;國家玉米產業技術體系專項（CARS-02-28）;黑龍江省重點研發計劃項目重大項目（2022ZX05B01）

作者簡介：孫大明（1966-），男，副高級工程師。研究方向為食品加工。