鮮食玉米收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與果穗保護(hù)技術(shù)研究

張范良

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

糧食生產(chǎn)的順利實(shí)施是社會(huì)運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)保障，隨著時(shí)代的進(jìn)步，在農(nóng)業(yè)機(jī)械的廣泛應(yīng)用下，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式產(chǎn)生了很大的改變。鮮食玉米作為我國百姓喜愛的飲食，近年來的種植面積不斷擴(kuò)大。由于鮮食玉米具有營養(yǎng)豐富、口感優(yōu)良的特點(diǎn)，其市場前景十分廣闊，使相關(guān)的作物品種也得到了更多的研究與應(yīng)用，鮮食玉米包括了糯玉米、甜玉米等很多品種。為保證良好的生產(chǎn)效率和市場供應(yīng)，生產(chǎn)過程的機(jī)械化應(yīng)用是必然趨勢，從現(xiàn)階段來看，由于鮮食玉米的特殊性，其機(jī)械化收獲的作業(yè)率仍比較低，傳統(tǒng)的人力收獲方式盡管保證了玉米的收獲品質(zhì)，但其效率低下、作業(yè)成本高的問題限制了鮮食玉米的收益空間，因此，加強(qiáng)鮮食玉米收獲機(jī)的研發(fā)、應(yīng)用與推廣工作十分必要。

1 鮮食玉米的生產(chǎn)現(xiàn)狀

相對于傳統(tǒng)的玉米而言，鮮食玉米具有很高的商業(yè)價(jià)值，其市場銷售前景十分廣闊。將鮮食玉米與傳統(tǒng)玉米的生產(chǎn)過程進(jìn)行對比，種植鮮食玉米的經(jīng)濟(jì)效益可增加50%～60%，可實(shí)現(xiàn)增收300～350元·(667m2)-1，與此同時(shí)，其種植和管理過程的成本與普通玉米相當(dāng)，因此可獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。近幾年，鮮食玉米的種植面積得到了快速增長，平均的年增長率在30%以上，鮮食玉米與傳統(tǒng)玉米不同，只有在最佳收獲期內(nèi)完成高效率的收獲，才有利于保持玉米良好的口感和營養(yǎng)成分。在目前，我國的農(nóng)村地區(qū)勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)趨于老齡化，存在著勞動(dòng)力不足的問題，由于傳統(tǒng)的玉米收獲機(jī)無法直接應(yīng)用于鮮食玉米的收獲，而鮮食玉米專用收獲機(jī)產(chǎn)品的短缺使鮮食玉米的收獲變得困難，造成了鮮食玉米采摘不及時(shí)的問題，影響鮮食玉米的品質(zhì)和銷售效益，也限制了種植規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)展，農(nóng)民對于優(yōu)質(zhì)的鮮食玉米收獲機(jī)產(chǎn)品的需求十分強(qiáng)烈。

2 鮮食玉米收獲機(jī)的工作特點(diǎn)

2.1 鮮食玉米果穗特點(diǎn)

鮮食玉米具有較高的含水率，其果穗軟嫩，收獲過程容易產(chǎn)生破損，因此，研究和分析鮮食玉米的果穗特點(diǎn)十分必要。通過對7個(gè)品種的35個(gè)鮮食玉米進(jìn)行采樣，利用專用試驗(yàn)臺對玉米果穗進(jìn)行了試驗(yàn)，測試了鮮食玉米果穗的物理、化學(xué)性狀等參數(shù)。得到以下玉米果穗的數(shù)據(jù)信息，果穗長度平均值為320 mm，果穗最大平均直徑為56.03 mm，果穗平均含水率為65%，果穗表面的抗壓強(qiáng)度為8.43 Pa，相關(guān)研究人員可參照此數(shù)據(jù)對鮮食玉米收獲機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2.2 與普通收獲機(jī)的對比分析

(1)摘穗形式的差異。由于鮮食玉米與普通玉米存在明顯的含水率差異，因此在摘穗過程的結(jié)構(gòu)和條件也存在較大差別。普通玉米收獲時(shí)的摘穗方式多為正向拉伸，摘穗的形式主要分為摘穗板式和對輥式兩類(如圖1所示)，其主要原理都是通過拉莖輥將玉米秸稈與玉米果穗的根部進(jìn)行拉斷，這種摘穗方式果穗與秸稈分離，此過程會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力。由于普通玉米收獲時(shí)含水率較低，籽粒的硬度較高，具有一定的抗沖擊能力，能夠抵擋摘穗過程對玉米果穗造成的破壞。而對于鮮食玉米的收獲過程，由于其含水率高，籽粒十分柔軟，果穗整體的強(qiáng)度較低，若受到較大沖擊力作用很容易出現(xiàn)損傷問題。同時(shí)，鮮食玉米秸稈的含水量是普通玉米秸稈的2.5～3倍，其整體密度更大，導(dǎo)致果穗分離的技術(shù)必須具有柔性化特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)可靠摘穗的同時(shí)有效保護(hù)果穗不被破壞。

圖1 玉米摘穗的主要形式

(2)技術(shù)成熟度的差異。普通玉米收獲機(jī)已經(jīng)經(jīng)過了較長時(shí)間的應(yīng)用與改進(jìn)，其應(yīng)對傳統(tǒng)的玉米收獲具有技術(shù)成熟度好、可靠性高、功能全面的特點(diǎn)，大中小的各種產(chǎn)品能適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有很高的普及率。而鮮食玉米收獲機(jī)在我國的研發(fā)時(shí)間很短，現(xiàn)階段的應(yīng)用量也比較少，很多地區(qū)使用普通玉米收獲機(jī)進(jìn)行鮮食玉米收獲，造成了啃傷玉米果穗根部問題，嚴(yán)重影響鮮食玉米品質(zhì)?，F(xiàn)階段應(yīng)用的鮮食玉米收獲機(jī)主要有美國OXBO鮮食玉米收獲機(jī)、我國的雷肯4YZT-4鮮食玉米收獲機(jī)等，相關(guān)產(chǎn)品十分有限，但鮮食玉米收獲機(jī)的實(shí)際工作能力已逐步完善?，F(xiàn)階段使用的鮮食玉米收獲機(jī)基本上能夠勝任甜玉米、糯玉米、水果玉米等鮮食玉米的收獲工作，只是部分功能仍有待完善和進(jìn)步。

3 鮮食玉米收獲機(jī)的工作原理

鮮食玉米收獲機(jī)相對于普通的玉米收獲機(jī)來說應(yīng)用了大量的傳感器元件，用以檢測鮮食玉米收獲過程的各項(xiàng)參數(shù)。鮮食玉米的拉莖輥采用滑切式形式，在實(shí)際工作過程中，拉莖輥受到柴油機(jī)的動(dòng)力帶動(dòng)而對向轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著收獲機(jī)的行駛，拉莖輥前端的螺旋導(dǎo)錐將鮮食玉米的秸稈喂入割臺內(nèi)，隨著成對拉莖輥配合間隙的減小，玉米秸稈逐漸被夾緊，而錯(cuò)位布置的輥刀依次切入，將玉米秸稈向下方拉扯，當(dāng)秸稈向下移動(dòng)至接近果穗位置時(shí)，果穗根部的穗柄會(huì)先與輥刀接觸，而被輥刀切斷或受到一定程度的破壞，此后玉米的果穗到達(dá)摘穗板位置，由于根部的穗柄已經(jīng)被切斷或局部被切割破壞，拉莖輥配合摘穗板的摘穗過程對玉米果穗的沖擊力很小，很大程度上降低了籽粒破碎的概率，同時(shí)摘穗過程用剪切力代替了拉莖力，使摘穗所需的動(dòng)力進(jìn)一步降低。鮮食玉米收獲機(jī)在摘穗后的升運(yùn)器、集糧倉結(jié)構(gòu)和功能與普通收獲機(jī)類似。

4 鮮食玉米收獲的果穗保護(hù)技術(shù)

對于鮮食玉米的收獲，除采用新結(jié)構(gòu)的拉莖輥技術(shù)外，主要利用柔性化設(shè)計(jì)來提高摘穗過程對玉米果穗的保護(hù)功能，其功能設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)。

(1) 拉莖輥關(guān)鍵參數(shù)的便捷可調(diào)性設(shè)計(jì)。對于鮮食玉米收獲，實(shí)際的工作狀態(tài)對玉米收獲品質(zhì)影響很大，收獲過程一旦造成玉米果穗的批量受損，則嚴(yán)重影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此對于拉莖輥的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)應(yīng)做到對運(yùn)轉(zhuǎn)速度、工作傾角、離地高度的便捷可調(diào)，且調(diào)整的相關(guān)參數(shù)便于查看，從而提高拉莖輥對不同鮮食玉米品種的適應(yīng)能力。

(2) 升運(yùn)與集糧過程的防磕碰。在鮮食玉米摘穗完成后，玉米會(huì)進(jìn)入升運(yùn)器，并落入集糧箱中，在此過程中，玉米可能在進(jìn)入升運(yùn)器和在從升運(yùn)器落入集糧箱的過程中因磕碰而受損，從而影響鮮食玉米的品質(zhì)。因此，在對升運(yùn)器和集糧箱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意設(shè)計(jì)緩沖段，避免出現(xiàn)玉米果穗過大的垂直掉落距離，可嘗試設(shè)計(jì)分級緩沖段，減少掉落過程的損傷率。

(3) 利用傳感器配合計(jì)算機(jī)技術(shù)，做到收獲過程主要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。利用傳感器檢測摘穗過程的拉莖輥轉(zhuǎn)速、收獲機(jī)行駛速度、摘穗過程的拉伸力等數(shù)據(jù)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對于可能產(chǎn)生玉米果穗損傷的作業(yè)模式，通過警示系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)警報(bào)，提醒操作者改變作業(yè)模式或調(diào)整拉莖輥工作參數(shù)，避免鮮食玉米果穗出現(xiàn)大批量損傷問題。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著鮮食玉米產(chǎn)量的不斷增加，對鮮食玉米專用的收獲機(jī)產(chǎn)品的需求量不斷上升，這對農(nóng)機(jī)企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)提供了新思路，也要求相關(guān)的科研和開發(fā)人員重視起鮮食玉米收獲機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究，使該項(xiàng)技術(shù)早日成熟并廣泛應(yīng)用，從而進(jìn)一步減輕鮮食玉米經(jīng)營者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和勞動(dòng)力負(fù)擔(dān)，確保鮮食玉米產(chǎn)業(yè)得到更好更快的發(fā)展。