鲜食玉米低损伤收获装置的设计与试验

杨金砖

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

鲜食玉米是一种经济效益较高的经济作物与粮食作物，主要包括甜玉米及糯玉米[1]。甜玉米起源于美洲大陆，之后在欧美、亚洲等国家逐渐发展。糯玉米起源于中国，云南省及广西省被认定为是糯玉米起源中心。鲜食玉米在国内外市场需求量较大，逐渐发展成为一种大众化的粮食品种[2]。目前，鲜食玉米种植主要分布在中国、美国、法国、西班牙、巴西等国家。我国是世界上最大的鲜食玉米消费国及生产国，据统计，2021年我国鲜食玉米总种植面积已经超过133万hm2，位居世界前列。目前，我国共有超过24个省开始发展鲜食玉米产业，鲜食玉米市场逐渐扩大到全国各地。目前，除直接食用外，还可以加工成为罐头、速冻食品、果冻、蜜饯、养殖、化工及医药等多种深加工产品，市场需求量连年攀升[3]。

鲜食玉米的机械化收获能力是鲜食玉米产业稳定发展的重要技术支撑，鲜食玉米收获时期为乳熟后期，含水率较高，因此，鲜食玉米对摘穗装置要求较高。利用传统玉米收获机进行鲜食玉米收获容易造成鲜食玉米籽粒破损，并且采用夹持输送机构，会造成鲜食玉米的二次损伤。

针对以上问题，重点突破柔性采摘装置关键技术，研发一种鲜食玉米智能收获装备，对于减少鲜食玉米收获过程中的损伤问题提供技术支持。

1 鲜食玉米低损伤摘穗装置的整体设计

1.1 设计要求

鲜食玉米收获时期为乳熟期，此时鲜食玉米籽粒含水率较高，茎秆部分较常规玉米茎秆生而脆，利用传统玉米收获机进行收获时，会造成较高的籽粒破损率与含杂率，严重降低了鲜食玉米的收获质量与经济价值[4]，因此，鲜食玉米收获装置应该满足以下要求。1)降低鲜食玉米收获时果穗与机械的碰撞，降低由于机械碰撞造成的鲜食玉米果穗损伤，保证鲜食玉米收获籽粒破损率范围在1%～2%；2)在进行鲜食玉米收获时，避免摘穗装置切断玉米茎秆，保证鲜食玉米收获含杂率低于1%；3)在收获运输过程中，避免输送装置对鲜食玉米造成二次损伤；4)降低作业时的功率消耗。

1.2 关键部件的设计及结构参数确定

1.2.1 鲜食玉米植株力学特性测定

由于鲜食玉米种植方式及果穗形态参数都存在较大差异，因此，本研究针对东北地区常见的鲜食玉米种类果穗形态结构进行数据统计与分析，并以此作为鲜食玉米采摘装置的理论基础，统计数据如表1所示。

表1 鲜食玉米形态基础数据统计

1.2.2 拉茎辊直径设计

根据《农业机械设计手册》中对摘穗辊直径的要求可知，拉茎辊直径D设计如式(1)

(1)

式中dg—果穗直径，mm；

dj—茎秆直径，mm；

δ—辊间间隙，mm；

μg—拉茎辊对果穗的抓取系数；

μj—拉茎辊对茎秆的抓取系数。

根据本地区实际生产情况及设计依据，本研究选取拉茎辊直径D=34 mm。

1.2.3 拉茎辊工作长度的设计

拉茎辊最小工作长度根据式(2)进行设计[5]

Lmin=Lgsinβ

(2)

式中β—滑切式拉茎辊的水平倾角，(°)；

Lg—穗位高，mm。

根据本研究调查分析结果选择拉茎辊工作长度范围L=720～1 050 mm。

1.2.4 拉茎辊转速设计

拉茎辊工作转速直接影响鲜食玉米收获效率，当拉茎辊工作转速较低时，鲜食玉米与拉茎辊之间出现打滑现象，会增加鲜食玉米收获损失；当拉茎辊转速过高时，拉茎辊与鲜食玉米茎秆之间会产生较大的拉伸力，造成鲜食玉米果穗与机械的碰撞损伤，增加鲜食玉米籽粒破损率。因此，拉茎辊工作转速ω设计依据如式(3)[6]

(3)

式中R—滑切式拉茎辊的半径，mm；

β—滑切式拉茎辊的水平倾角，25°～35°；

vm—机器行进速度，km·h-1。

设定机器前进速度为vm=5～6 km·h-1，因此，拉茎辊转速ω=420～980 r·min-1。

2 鲜食玉米低损伤收获装置试验方案

2.1 鲜食玉米试验台设计

鲜食玉米收获装置的基本要求如下：鲜食玉米收获机拉茎辊间隙可调；拉茎辊转速可调；摘穗板高度可以实现自由调节。

2.2 试验材料

根据玉米田间收获标准，对玉米收获机田间摘穗试验结果进行评估，玉米品种为“京科糯2010”，采用垄作的作业方式，每垄种植玉米长度为300 m，垄距0.6 m。

2.3 试验设计

在综合考虑农艺生产要求的前提下，设定试验了因素水平编码表(表2)，选取摘穗辊间距、行进速度和摘穗辊转速开展三因素五水平正交旋转试验。

表2 因素水平编码表

续表2

2.4 测定指标与方法

本研究选择鲜食玉米摘穗率及籽粒破损率为整体机械评价指标。

2.4.1 鲜食玉米摘穗率

鲜食玉米摘穗率测定依据如式(4)

(4)

式中ηp—玉米摘穗率，%；

N1—实验区域中实际收获的玉米的穗数，个；

N—实验区域中理论收获玉米的总穗数，个。

2.4.2 鲜食玉米籽粒破损率

籽粒破损率指受损伤穗数与实际摘穗数之比，计算方法如式(5)

(5)

式中ηs—玉籽粒破损率，%；

N2—玉米收获后，实际摘取的玉米穗中受损伤的数量，kg；

N1—田间试验结束后实际收获的玉米的穗数，kg。

3 结果与分析

3.1 回归模型分析

田间试验方案与田间试验所得结果如表3所示，回归模型如表4所示。

表3 试验结果

续表3

表4 回归模型方差分析表 单位：%

3.2 参数优化与验证实验

利用Design-Expert 10.0优化程序进行鲜食玉米收获装置田间试验结果的参数优化与验证分析，目标函数如式(6)

(6)

约束函数如式(7)

30

(7)

通过参数优化可得：摘穗辊间距为6 mm，机器行进速度为6.0 km·h-1，摘穗辊转速为980 r·min-1，此时理论摘穗率为98.1%，籽粒破损率为0.8%。

4 结论

鲜食玉米是一种经济价值较高的作物，营养丰富，口感极佳，在我国种植面积连年增加，市场对鲜食玉米的需求十分迫切。本研究基于鲜食玉米收获损伤理论依据基础上，提出一种鲜食玉米收获装置优化方案，并给出关键参数设计依据与参数优化方案，基于正交试验明确鲜食玉米收获参数的优化。研究结果以期为提高鲜食玉米收获率提供理论参考与技术借鉴，对于提高鲜食玉米生产力，增加农户收入与经济效益，为鲜食玉米收获装备的研发提供坚实的基础条件。