两种淀粉薯收获期茎秆机械特性的试验研究

刘崇林,赵胜雪,胡 军,刘权磊

(黑龙江八一农垦大学 工程学院,黑龙江 大庆 163319)

0 引言

马铃薯属茄科草本植物,种植遍布世界各地,是人类第四大食物来源[1]。马铃薯淀粉薯是国内重要的新型能源原料、粮食、淀粉原料及抗癌保健品等,是我国粮食生产中重要的原料之一。在我国北方种植的淀粉薯中,以兴佳2号、延薯4号为主要代表。近年来,中国马铃薯机械化呈上升的趋势[2],图1为2008-2016年全国马铃薯机收面积变化图。由图1可知:2016年,全国马铃薯机收面积为1 389.83khm2,较2008年增长了197.97%,增长速度很快。马铃薯在机械带秧挖掘收获作业时,秧茎容易缠绕设备零部件而引起损坏,且极易造成拥堵,增大功耗,影响挖掘效率和效果。因此,马铃薯收获前应进行杀秧处理,使马铃薯与茎秆分离,减少收获行进过程中的阻力,降低能耗,提升收获作业速度,减低分离器的故障率,提升收获质量,提高收获效率[3-5];同时,促使薯秧的营养物质回流到薯块上,便于贮藏,提升马铃薯的经济效益。另外,秧茎切碎回到田里,还能起到增加土壤肥沃程度的作用。

图1 2008-2016年全国马铃薯机收面积

马铃薯杀秧方式主要有3种,包括自然杀秧、化学杀秧和机械杀秧。自然杀秧方式包含霜冻杀秧,即利用晚间及清晨霜降冻死马铃薯,达到杀秧效果。该方式受自然因素影响较大,易误农时,但成本低。化学杀秧主要是利用硫酸铜等农药使薯秧快速枯萎,作业效率快,但对环境造成污染。机械杀秧主要包含切秧、粉碎秧及压秧等作业方式,受自然因素影响较小,但成本较高。综上所述,在所有的杀秧方式中,以机械杀秧应用最为普遍。杀秧的时间因地而异:南方作物积温较高,一般选择在收获前1～3周杀秧,此时的薯体已基本生长充分,而且土地表面干净,马铃薯表皮老化,损伤率较低;北方作物积温低,马铃薯生长缓慢,为保证产量不能过早进行马铃薯杀秧作业,一般在选择在收获前短时间内进行杀秧,且与马铃薯联合收获机配合作业[6-8]。

马铃薯茎秆机械特性是影响马铃薯杀秧机的伤薯率、漏打率和叶打碎长度合格率等作业指标的重要因素,因此本试验对不同收获期及离地高度不同的马铃薯秧,进行了含水率、剪切力的测试,并将茎秆品种、茎秆直径等影响因素考虑在内的分析,得出最佳的马铃薯杀秧时间、离地高度,旨在为马铃薯杀秧机相关结构设计及作业参数提供理论依据[9-10]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取马铃薯淀粉薯中具有代表性的兴佳2号、延薯4号为试验对象,样本取自黑龙江省九三管局鹤山农场第一管理区。该地区的马铃薯种植土壤偏黏,土壤含水率为27.3%,5月初栽,9月末开始杀秧,10月初进行收获作业,一年一季种植,种植模式为单垄单行,垄距为90cm。国内外普遍认为收获前1～3周杀秧,为马铃薯最佳的杀秧时间。为了研究具体时间,本次试验材料取样时间为2018年9月27号、2018年10月7号、2018年10月17号;每个时间段间隔10天,取3次样,每次取10个样本,共采样30个。采集期间马铃薯秧还在处于生长状态,如图2所示。采集的兴佳2号薯秧长度为80～120cm;薯秧茎秆直径为0.41～2.1cm,采集的延薯4号薯秧长度为70～110cm;薯秧茎秆直径为0.43～2.1cm。

图2 田间马铃薯薯秧

1.2 试验仪器

试验所用的主要仪器设备包括长春新特试验机有限公司生产的WDW-100型微机控制电子万能试验机、河北布谷机械制造厂生产的打秧机、上海森信实验仪器有限公司生产的DGG-9030B型电热恒温鼓风干燥箱、电子天平、卷尺及电子游标卡尺等。

河北布谷机械制造厂生产的打秧机,在实际应用中因价格便宜、性能可靠而大多还用作马铃薯杀秧。其与约翰迪尔1204型拖拉机牵引配套,动力由拖拉机提供。该机为卧式逆向型粉碎机,刀辊上甩刀采用交错平衡排列方式,机具平衡性较强;刀辊空转额定转速为1 600r/min,配有32把锤爪式甩刀,适宜作业垄宽为90cm左右,适用于双垄作业。作业时,拖拉机牵引打秧机(高度可调)沿垄沟方向前进,由拖拉机后传动轴为打秧机刀辊提供动力;锤爪式刀片挂在刀辊上,刀辊高速旋转将茎秆冲击切断,并进入罩壳进行二次粉碎;粉碎后的茎秆从罩壳末端抛撒于地面,完成打秧作业。

1.3 试验方法

1.3.1 淀粉薯茎秆的含水率的测定

马铃薯在收获前杀秧时处于正常生长状态下直接被粉碎还田,所以马铃薯茎秆的机械特性测定是在鲜秧秆状态进行的。

每次在田间随机取样兴佳2号、延薯4号的茎秆各10根,从距离地面2cm处的根部剪断,共采集3次。在实验室将茎秆叉及叶片去除掉,根据上海森信实验仪器有限公司生产的DGG-9030B型电热恒温鼓风干燥箱水分测定的要求,将待测马铃薯茎秆进行碾碎处理;然后,放入干燥箱内,用105℃恒温干燥10h,测定含水率,每个品种测试重复10次,最后取平均值。

1.3.2 淀粉薯茎秆剪切强度的测定

淀粉薯茎秆是地下块茎连接叶片进行传输营养的主要通道,在离地高度越低的地方茎秆越粗,韧性越强,因此茎秆剪断时最低的地方剪切力最大。马铃薯打秧作业时,甩刀端的线性速度约为28～56m/s,靠冲击将茎秆切断,并进入罩壳进行二次粉碎;粉碎后的茎秆从罩壳末端抛撒于地面,茎秆主要受到剪切力,而拉力和滑切力较小,因此本次试验测量茎秆的剪切力[11-12]。

在测量茎秆含水率的同时,在WDW-100型微机控制电子万能试验机上进行茎秆剪切力试验,如图3所示。试验机精度级别为1级,力值精确度为1%,位移精确度为0.1%。本次试验选定加载速度为20mm/min,上限载荷为500N,下降最大载荷为10N;测量时,每组试验在相同条件下重复10次,最后取平均值。

1.3.3 马铃薯打秧机田间作业

为了进一步验证不同离地高度、不同品种马铃薯茎秆对杀秧作业的影响,采用布谷机械制造厂生产的打秧机分别对兴佳2号、延薯4号进行田间作业测试,如图4所示。根据NY/T2706-2015马铃薯打秧机质量评价技术规范,对作业后茎叶打碎长度合格率、留茬长度及伤薯率等指标进行测试[13]。

图3 使用WDW-100型微机控制电子万能试验机进行剪切力测试

2 结果与分析

2.1 茎秆含水率变化规律

通过试验结果得知:兴佳2号、延薯4号在9月27日采集时含水率为90.72%、88.24%;10月7日时含水率分别为87.24%、84.79%,10天马铃薯茎秆含水率分别下降了3.48%和3.45%;到10月17日时含水率为82.61%、79.32%,10天含水率分别下降了4.63%、5.47%。数据呈现出越临近收获期茎秆含水率越低的规律,如图5所示。

图5 茎秆含水率随时间的变化

马铃薯在生长过程中需要大量水分,中期茎秆水分含量较大,收获期前植株叶片枯萎,加上植物蒸腾作用变大,茎秆含水率相对较低,故越临近收获期茎秆含水率越低。

2.2 茎秆机械特性的变化规律

植物茎秆离地近部分最粗且韧性越强,纤维含量越高;随着茎秆离地高度的上升,相对根部的茎秆相比细而柔软,打秧作业时茎秆主要受到剪切力,而受到的拉力、滑切力较小,影响不大,本次试验不考虑。为得到机械化最佳打秧高度,促进马铃薯机械化打秧效果,通过试验在3个不同时期分别对兴佳2号、延薯4号随机采集10个样本,分别测其直径及离地高度为3、6、9、12cm时的剪切力值,得出9月27日、10月7日和10月17日时两个品种茎秆的剪切力值都在离地高度为9～12cm时力值变化趋势减缓或不变,打秧高度为12cm时茎秆留茬长度会出现高于标准15cm的情况。为此,马铃薯打秧机最佳离地高度应为9cm左右,如图6～图11所示。

图6 9月27日兴佳2号离地高度与剪切力的变化图

图7 10月7日兴佳2号离地高度与剪切力的变化图

图8 10月17日兴佳2号离地高度与剪切力的变化图

图9 9月27日延薯4号离地高度与剪切力的变化图

图10 10月7日延薯4号离地高度与剪切力的变化图

图11 10月17日延薯4号离地高度与剪切力的变化图

2.3 茎秆直径与机械特性的关系

为了探明淀粉薯杀秧最佳时期,在离地高度为9cm时分别对3个时期、两个不同品种的淀粉薯茎秆进行直径与剪切力的测量(见图12、图13),分别拟合出淀粉薯兴佳2号、延薯4号茎秆剪切力与作物直径间的函数关系式,即

Y11=0.0722x11+3.8986R2=0.9697

Y12=0.038x12+4.0579R2=0.9614

(1)

Y21=0.0943x21+3.8537R2=0.8471

Y22=0.0328x22+4.8834R2=0.9017

(2)

Y31=0.1383x31+4.4119R2=0.8419

Y32=0.0668x32+4.3927R2=0.8359

(3)

其中,Y11为9月27日兴佳2号的茎秆剪切力值;X11为兴佳2号茎秆直径;Y21为10月7日兴佳2号的茎秆剪切力值;X22为兴佳2号茎秆直径;Y31为10月17日兴佳2号的茎秆剪切力值;X32为兴佳2号茎秆直径。

淀粉薯茎秆在打秧期时茎秆直径均大于10mm。由图8可以看出:Y31的剪切力值当直径大于6.4mm时远高于Y21、Y11;Y21的剪切力值当直径大于6.2mm时远高于Y11;Y31到Y21变化趋势远远小于Y21到Y11。由图9中可以看出:Y32的剪切力值当直径大于5.5mm时远高于Y22、Y12;Y22的剪切力值当直径大于6.2mm时远大于Y12;Y32到Y22变化趋势远远小于Y22到Y12。考虑到马铃薯成熟后干物质积累情况,马铃薯最佳杀秧时间为10月7日前后。

图12 兴佳2号直径与剪切力关系

图13 延薯4号直径与剪切力关系

3 田间试验

3.1 试验条件

2018年9月26-30日,在黑龙江省九三管局荣军农场进行了打秧机田间作业试验。试验地为垄播水浇地种植的兴佳2号和延薯4号两个品种的淀粉薯,每个试验区为双垄长度为100m,离地高度分别为6、9、12cm。拖拉机由约翰迪尔1204拖拉机提供,打秧机为河北布谷机械制造厂生产的甩刀锤爪式杀秧机。

3.2 试验方法

按照国家行业标准《NY/T 2706-2015 马铃薯打秧机质量评价技术规范》规定的试验方法[14],分别在垄播水浇地种植的兴佳2号和延薯4号两个品种的淀粉薯种植田地进行杀秧试验,测定马铃薯茎叶打碎长度合格率、留茬长度、伤薯率及漏打率作为打秧机的评价指标(见表1),考查杀秧机传动系统、刀片磨损及刀辊稳定等各部分的性能。

表1 打秧机性能指标要求

1)伤薯率T1。将每个测点内所有的马铃薯挖出并称其质量,再从中挑出伤薯并称其质量。按下式计算每个测点的伤薯率,结果取10个测点的平均值,即

式中T1—每个测点的伤薯率(%);

Ms—每个测点内伤薯质量(kg);

M—每个测点内马铃薯总质量(kg)。

2)漏打率T2。检查测区内茎叶总数和未打到的茎叶数,按下式计算漏打率,结果取平均,即

式中T2—漏打率(%);

Yl—测区内未打到茎叶数量(株);

Y—测区内茎叶总数量(株)。

3)留茬长度T3。检查测区随机取10根打秧作业后茎秧留茬长度T3,结果取其平均值。

9月末收获中末期时,马铃薯打秧机在不同试验条件下的作业指标如表2所示。由表2可以看出:选择离地高度为3cm时杀秧,两种淀粉薯茎秆的留茬长度、漏打率低符合标准,但伤薯率高不符合标准;选择离地高度为6cm时杀秧,两种淀粉薯茎秆的留茬长度、漏打率低符合标准,但伤薯率高于标准;选择离地高度为9cm时杀秧,两种淀粉薯茎秆的留茬长度、漏打率、伤薯率均符合标准;选择离地高度为12cm时杀秧,两种淀粉薯茎秆的留茬长度、漏打率过高均不符合标准,伤薯率低符合标准。所以,马铃薯杀秧机在这一时期应选择离地高度9cm,此为最佳杀秧高度。

表2 打秧机在不同试验条件下作业指标

4 讨论与结论

4.1 讨论

打秧作业后发现的问题:一是漏打率现象多发生在薯秧垄沟中;二是当马铃薯田左右两根垄高低不一时杀秧效果不好;三是打秧机无法将倒伏在垄沟里的薯秧有效清除干净。

4.2 结论

1)两种典型淀粉薯品种兴佳2号、延薯4号茎秆在10月7日的含水率分别达到87.61%、86.36%;从9月27日到10月17日,20天内淀粉薯茎秆含水率分别下降了8.08%、8.92%。这表明,淀粉薯随着收获期的临近,其茎秆的含水率逐步下降。

2)兴佳2号、延薯4号茎秆剪切力从9月27日至10月17日呈增加的趋势。这表明,淀粉薯在收获期,随着时间的延长,茎秆剪切力也随之增加。

3)由所测剪切力与直径间的关系可知,兴佳2号、延薯4号的最佳杀秧高度为9cm。

4)在所测区间收获时间内(9月27日、10月7日、10月17日),通过兴佳2号、延薯4号茎秆剪切力在3个时期拟合方程的对比,得出10月7日前后为淀粉薯茎秆最佳杀秧时间。

5)以河北布谷机械制造厂生产的打秧机进行试验,结果表明:2018年10月7日,离地高度为9cm时,两种淀粉薯茎秆打秧后的留茬长度、漏打率及伤薯率均符合标准。