作物分段收获中禾秆输送铺放技术的研究综述

　　0、引言

　　机械收获方式主要分联合收获和分段收获(二次收获) 两种。分段收获把割晒与捡拾脱粒、清选分成两个阶段完成，收获过程延长; 但分段收获前阶段只进行割晒，对作物的成熟度及其一致性、株型等不敏感，因此适应性强、适收期长，有利于提高单机收获作业量，增加作业收入。分段收获在割晒时的额外损失可以被其潜在的产量所弥补，从而总的损失少，产量较高，特别是遇到阴雨的天气更明显。现阶段，我国许多作物种植制度多样性及品种的不适宜性决定了分段收获具有广泛的市场。

　　在作物分段收获技术中，割晒技术是基础。对于植株高大、分枝多的作物，割晒技术是分段收获的技术难点，其中的技术关键是作物禾秆的输送与铺放技术。国外实行分段收获的国家都是采用大型的自走式专用割晒机实现割晒作业。这些机型主要适合于大面积作物割晒作业。在输送系统上，采用抗穿刺和撕裂的 V 型带作为输送带。为了保证作物的流动性和铺条的形状，采用特大铺条开口，外加后面割台面板的“后退设计”，增加带的深度及拖拉机地隙来实现作物更好的铺放。

　　目前，我国分段收获中输送铺放技术主要研究水稻、小麦、芦苇、麻类、玉米和甘蔗等作物的秸秆的输送铺放。通过文献检索，结合作物秸秆生物性状，可以将现有实现分段收获中输送铺放的作物秸秆分为两类: 一是矮、细、分枝少的秸秆，如: 水稻、小麦秸秆;二是高大、粗、分枝多的秸秆，如: 芦苇、麻类、玉米、油菜和甘蔗秸秆。

　　为此，通过对近年来作物分段收获中禾秆输送铺放技术的有关研究进行综述，将农作物禾秆分为两大类，分别从输送铺放结构方式研究、输送铺放机理研究、研究方法及手段 3 个方面进行阐述; 最后，对存在的问题及未来的发展趋势进行总结，探讨进一步研究的技术领域。

　　1、 矮、细、分枝少作物秸秆输送铺放技术

　　1． 1 输送铺放结构方式的研究

　　目前，在水稻、小麦及牧草类矮、细、分枝少的作物秸秆输送方式上，主要采用输送带、输送辊、输送链的结构方式实现割倒后禾秆的横向输送; 为了增强输送效果，在输送带上置有窄条帆布凸棱或安装拨指，以增加输送力。在铺放方式上，主要在输送带末端接近排禾口处，安装有拨禾星轮、弧形铺放导板，实现禾秆按要求铺放。这种输送铺放方式多采用卧式或立式割台的形式来实现。

　　马成军等研制了 4SL － 5． 0 型割晒台，其输送机构采用输送带式，大小输送带均采用整体帆布式，其上横向平行置有窄条帆布凸棱(压胶结构) 。曹阳等设计的 4SZ － 4． 2 型自走式割晒机，在割台的两侧配置 10 根输送辊，两侧的输送辊分别向割台的中心转动，实现作物输送。蓝文锋研究了割前脱粒中禾秆的输送，输送器由若干组水平回转输送链构成，输送链上铆有等间距的拨指，实现禾秆的输送。

　　潘家善等设计了南 －303 稻麦收割机，输送装置由两排长短、宽窄不等的帆布输送带组成输送铺放装置。杨天兴研究了齿形链式牧草收割机输送系统，由上、下两条输送带及右侧的 3 个辅助星轮和导向板组成，完成切割后牧草的输送。韩正晟等设计了4GG － 170 型高速收割机，采用侧铺放的形式，输送铺放机构由输送带、拨禾星轮及弧形铺放导板构成，实现禾秆铺放与机器前进方向成 90°夹角; 给出了弧形铺放导板曲率半径以及拨禾星轮与输送带速度之间的关系。张建民等研究设计了小麦割晒机放铺器，在悬挂式割晒机的割台上加装多滚式放铺器技术，放铺器由 5 个输送滚组成，解决了小帆布放铺小麦铺放质量差的问题。姜文研究了一种稻禾铺放质量好的割晒机，在中间多设了一个传送带，速度比两边高出 30% ，能够使稻禾均匀地铺开，而且与前进方向呈45°角，解决了顺垄割晒水稻时，稻禾铺放质量不好，穗头落地问题。杨天兴分析了前悬挂牧草收割机输送系统，该牧草收割机的输送铺放机构由上、下两条输送带及右侧的 3 个辅助星轮和导向板组成，在输送带速度、星轮速度和导向板曲率半径上进行了计算。

　　1． 2 输送铺放机理的研究

　　在输送铺放机理的研究上，主要进行以下 3 方面研究:

　　1) 对输送过程中禾秆进行了力学研究。主要对禾秆在输送带上进行了受力分析; 在理论分析的基础上，给出了作物禾秆顺利输送的数学表达式。

　　2) 对条铺形成过程进行研究。林景尧等研究了条铺形成的一般过程: 利用茎秆染色法对割台上作物运动状态进行了测定，得知单输送带抛掷谷物流分做翻转、不翻转与其断面着地 3 种情况; 研究了被切割作物在割台上转角、割台上谷物流的穗幅差。研究表明，在收割台上茎秆下层转角大于上层转角，这种转角在输送带输送过程中逐渐增大; 割台上茎秆穗幅差增大时，可提高条铺中茎秆穗头暴露的数目。

　　3) 对铺放质量相关因素进行研究。分析了放铺质量与株高及产量、作物成熟度、拨禾轮转速、输送带转速和前进速度、放铺窗口大小及割台倾角等因素相关。对拨禾轮转速、输送带转速和前进速度之间的相互关系，许多学者作了大量的研究，针对不同的输送铺放机构形式，计算了切割速度比和输送速度比; 研究分析了被切割作物在输送带上的转角和输送带上谷物流的穗幅差等参数。

　　马成军等认为影响割晒机放铺质量的关键在于作业速度、大小输送带的输送速度、小输送带放铺窗口大小及割台倾角。采取高作业速度、高输送速度(比一般割晒机输送带速度高 20% －30% ) 、大放铺窗口和小割台倾角的方案可以获得较好的放铺效果。

　　林景尧研究了割晒机前进速度与输送带速度之间的关系，给出了上下限值，推导了相关公式。李万英等探讨了立式割台割晒机前进速度的选择与作业质量关系，计算了切割速度比和输送速度比。

　　1． 3 研究方法与手段

　　在研究方法上，主要以稻麦割晒机为基础，结合输送铺放装置，采用田间试验，利用单因素实验和正交实验方法，分析输送铺放装置结构参数、运动参数对铺放形成过程、铺放质量的影响。

　　2、 高、粗、分枝多作物秸秆输送铺放技术

　　2． 1 输送铺放结构方式的研究

　　在芦苇、麻类、玉米、甘蔗等作物秸秆输送方式上，目前国内外常用的输送装置有 4 种:

　　1) 柔性夹持输送方式，夹持输送链由链条和柔性夹持元件组成。柔性夹持元件材料为帆布帘橡胶带，切成长条对折后固定在滚子链链板上，利用皮带的弹性达到柔性夹持功能，利用链条运动实现输送。杨然兵等设计了花生联合收获机柔性夹持装置，提出了三夹持带柔性夹持技术，并设计了三夹持带夹持输送装置。陈连飞等研究分析了整秆式甘蔗收割机柔性夹持输送装置，夹持输送链由链条和柔性夹持元件组成，链条由托板及链轮支撑，通过张紧装置调节链条张紧力; 柔性夹持元件材料为帆布帘橡胶带，切成长条对折后固定在滚子链链板上，安装间距为两个链条节距，利用皮带的弹性达到柔性夹持功能。高立辉等设计了 4FZ － 140 型自走式亚麻拔麻机，采用装有间隔 U 形弹齿的输送带来实现亚麻从收获台输送到铺放台的亚麻原茎拨成薄厚均匀的亚麻线性有序条放铺。

　　2) 拨齿杆式。拨齿能在输送始端自动伸出，然后保持一定夹持角，实现拨动作物秸秆输送; 待拨齿运动到输送末端时，夹持角逐渐增大，放开秸秆，实现铺放。舒彩霞等设计了 4WG － 1． 5 型高秆芦苇收割机，输送机构由输送链和输送拨齿组成，由横向输送拨齿拨送到左侧，借助弧形挡杆的作用将切割的芦苇连续铺放在田间，完成芦苇的切割铺放作业。

　　3) 链齿式。在输送链上铆接有拨齿，拨齿的夹持角在输送过程中保持不变，靠拨齿对秸秆的拨送作用实现输送。张伟等设计的 4W －2． 2 型芦苇收割机和陈东耀等设计的小型大豆割晒机，采用立式割台，带有双排横向输送链的输送装置，实现大豆横向连续铺放在田间。张连奇设计了手扶油菜割晒机，输送装置由输送链条和滑板组成，将切割下来的作物输送到割台的右端窗口，均匀地散铺在作物割茬上。

　　为了得到良好的铺放效果，采用了独创的输送链组少齿差技术，即在主动输送轴上安装齿数呈递减的驱动链轮，每个单元按照设计的速比转动，使输送链组的各个输送单元以不同的输送速度运转，在前进速度与输送速度的合成下，达到作物铺放形成鱼鳞铺效果。

　　4) 双螺旋输送式。茎秆在压紧装置作用下引导至螺旋输送器并被压紧于螺旋输送器上实现横向有序立姿输送。耿令新等研究高秆作物立式割台双螺旋输送器: 高秆作物立姿输送割台装置工作时，首先在行进状态下使螺旋输送器旋转，割台前方的茎秆在立姿状态下先被对应的引导装置引至割台切割装置的对应位置并从根部被切断; 被切断的茎秆经所述压紧装置被引导至螺旋输送器并被压紧于螺旋输送器上依次向左侧输送，从而方便了对高秆作物茎秆的后续加工处理工序，实现了对切断后的高秆作物茎秆的有序立姿输送。

　　5) 辊式输送，由一系列旋转辊构成输送装置。董世平等研究设计了自走式棉秆捡拾收获机，设计了适用于冠状交织木质化秸秆的 3 辊式输送过桥，主要由张紧弹簧、第1 喂入辊、第2 喂入辊、浮动臂、过桥壳体、第 3 喂入辊及输入带轮组成。第 1、第 2 喂入辊通过浮动臂连接，可以绕回转轴旋转，并在张紧弹簧的作用下保持喂入辊与底板之间的间隙。当喂入量过大时，喂入辊可以向上抬起，保证物料顺利通过。曹震等设计了 4SY － 1． 8 型油菜割晒机，适合油菜机械化分段收获，与轮式拖拉机通过液压悬挂架挂接，以实现割晒机前进作业。其输送系统由立辊总成、伸缩滚筒总成和输送带总成构成。割晒机工作时，油菜茎秆在伸缩滚筒作用下被推向输送带，两侧的油菜茎秆则受立辊相向运动作用被横向输送至伸缩滚筒中间位置，再被推向输送带，到达输送带上的油菜茎秆由输送带输送至机器后部放铺田间。整个输送系统在3 个部分的匹配协同作用下完成油菜茎秆输送铺放。

　　6) 由单带式输送器构成输送系统，由横向拨动机构、纵向拨动机构构成铺放系统。金诚谦等研制了4SY － 2 型油菜割晒机，输送机构采用单带式输送器，倒向割台的油菜向排禾口输送，在横向拨动机构的往复作用下，油菜被拨离单带式输送器，在纵向拨动机构的作用下，油菜呈成条鱼鳞状铺放于排禾口处。

　　在铺放方式上，主要在输送带末端安装有弧形挡杆或弧形挡板，借助输送装置对茎秆的作用力，依靠弧形挡杆或弧形挡板的作用，改变茎秆运动速度方向，实现茎秆横向铺放。这种输送铺放方式多采用立式割台的形式来实现。

　　2． 2 输送铺放机理的研究

　　在输送铺放机理的研究上，主要进行以下 2 方面研究:

　　1) 建立高粗作物茎秆的力学模型

　　现有的建模方法主要采用有限元分析软件建模后转存为模态中性文件，用 ADAMS/Flex 加载和 ADAMS/AutoFlex 法。

　　张杨等研究了拨指链式扶蔗装置，应用动力学仿真软件 ADAMS 建立了甘蔗 － 拨指链式扶蔗装置虚拟样机模型; 通过虚拟正交试验和虚拟双因素试验研究了扶蔗器的结构参数和运动参数对扶蔗效果的影响规律，并在此基础上进行了实验室台架试验以验证虚拟试验的结论。李志红等对整秆式甘蔗收获机甘蔗铺放装置进行了运动学分析，通过对抛出后甘蔗运动过程的高速摄影结果的分析，确立了甘蔗的运动形式，并进行了运动学分析，建立了数学模型，推导出了甘蔗向机车外铺放的条件、甘蔗铺放距离、铺放角的理论计算公式; 采用 MatLab 编程，分析了整秆式甘蔗收获机圆弧轨道式柔性夹持输送装置甘蔗铺放过程中运动参数、结构参数以及甘蔗几何参数对甘蔗向外铺放、铺放距离、铺放角的相互影响规律。王海龙等对玉米收获机秸秆放铺机构进行了运动模拟仿真，通过曲柄摆杆机构实现弹齿的间歇运动。放铺机构末端执行部件搂齿需实现的循环运动过程为: 持续停止在垄沟高度一段时间 － 缓慢抬起到一定高度(待秸秆落下) － 迅速落回垄沟高度并停止一段时间(继续搂铺) 。应用三维设计软件 Solidworks 对放铺机构进行仿真建模，应用运动仿真分析软件 Cosmo-smotion 对放铺机构进行了运动仿真分析。李凡爱研究了立式割台伸缩杆拨禾器，建立了拨杆的运动方程式，在推导出拨杆瞬时速度和伸出长度计算公式的基础上，研究了它们的变化规律与拨杆的动力特性和工作过程，提出了选择拨禾器转速和工作区段，分析计算输禾能力和确定主要结构参数的观点与方法。

　　2) 研究输送铺放相关参数及对铺放效果的影响

　　提出合适的输送机构和传输速度是保证铺放质量的技术关键。在收割量与输送量关系分析的基础上，给出了机器前进速度与输送速度之间的匹配关系。金诚谦等将油菜割晒机看作一种有许多输入和输出变量的复杂动态系统，用数学模型对油菜割晒机输送和铺放相关因素进行描述。舒彩霞等认为我国南方芦苇重心较高(一般在 1． 7m 左右) ，输送拨齿的间隔根据芦苇生长密度及其在输送链上的积聚密度确定，高度方向设计为 4 层，横向间距为 210mm，输送速度为 1． 61m/s，机组作业速度为 0． 933m/s，二者的合成速度正好有利于铺放，能够保证铺放质量。耿令新等利用室内试验台，通过正交试验找出了影响螺旋输送器输送效果的显著因素，通过回归试验找出了显著因素的较优参数值。廖庆喜等研究了芦苇收割机前进速度与输送带转速匹配关系，在收割量与输送量关系分析的基础上，给出了收割机前进速度与输送带转速匹配关系。景枫等利用高速摄影仪观察玉米茎秆横向输送情况，以双拨齿式玉米秸秆横向输送装置的结构、运动参数为研究对象，进行正交试验、单因素试验和较优参数的验证试验，为新型玉米联合收获机秸秆输送装置的设计提供了参考依据。金鑫等对输送铺放过程进行了研究，对过程进行了描述，采用能量守恒定律推出了铺放角; 进行了油菜秸秆摩擦试验，给出了摩擦角。谭鸿雁等分析了油菜的生物形态、割晒时油菜的成熟度、输送和铺放机构结构参数之间的关系以及排禾口因素对油菜割晒作业铺放质量的影响; 给出了铺放质量与机器前进速度以及输送装置、排禾口部分参数之间的关系。

　　2． 3 研究方法与手段

　　在研究方法上，主要采用以下 4 种研究方法: 利用室内试验台，通过正交试验找出了影响输送效果的显著因素，通过回归试验找出了显著因素的较优参数值。应用动力学仿真软件 ADAMS 建立了作物 － 输送装置虚拟样机模型。通过虚拟正交试验和虚拟双因素试验研究分析输送机构的结构参数和运动参数对输送效果的影响规律，并在此基础上进行实验室台架试验以验证虚拟试验的结论。利用高速摄影仪观察茎秆横向输送中的情况，以秸秆横向输送装置的结构、运动参数为研究对象，进行正交试验、单因素试验和较优参数的验证试验; 应用三维设计软件 Solid-works 对输送放铺机构进行仿真建模，应用运动仿真分析软件 Cosmosmotion 对放铺机构进行运动仿真分析。对铺放机构进行运动学分析，结合对抛出后秸秆运动过程的高速摄影结果的分析，确立秸秆的运动形式，进行运动学分析，建立数学模型，推导出秸秆向机车外铺放的条件以及铺放距离、铺放角的理论计算公式，采用 MatLab 编程，分析输送装置秸秆铺放过程中运动参数、结构参数以及秸秆几何参数对秸秆向外铺放、铺放距离及铺放角的相互影响规律。

　　3、 结论与讨论

　　由于我国地域辽阔，农作物种植制度多样，分段收获因其具有较强的适应性与灵活性而逐渐受到重视，尤其在收获经济作物方面具有优势。本篇综述将农作物秸秆按物理性状分为两类，分别从输送铺放结构方式、输送铺放机理、研究方法与手段等几个方面总结和梳理了目前的研究现状。通过对现有技术分析，可以发现以下问题:

　　1) 分枝多、高大作物秸秆生物性状建模方法研究目前还是空白。水稻等第一类作物秸秆、油菜等第二类作物秸秆生物性状有很大差别，对于高大、分枝多的作物秸秆的生物性状模型建模方法研究目前仍是空白; 而作物生物性状模型的建立，有利于输送、铺放机理研究，对于机械化分段收获仿真研究有重要作用。

　　2) 输送机理研究不充分。在输送铺放机理的研究上，部分学者借鉴水稻等第一类作物秸秆的研究方法对第二类作物秸秆输送特性作了一些分析，但没有考虑到第二类作物秸秆分枝多、冠层直径大的特点，在输送装置中运动学与动力学特性有很大差别。

　　3) 铺放机理研究仍是空白。从文献可以看出，无论针对哪一种作物茎秆，所做的研究都在输送技术上，对于铺放机理研究还是空白，现有的研究仅仅只在输送装置末端加一些简单机构，实现禾秆离开输送装置后自然铺放。作物禾秆离开输送装置后成自然状态，铺放效果不佳，对于第二种作物秸秆尤其如此。

　　4) 对于禾秆输送铺放技术研究方法、研究手段落后。现有的研究方法多采用田间试验手段，在作物收获季节，测定试验数据，进行统计分析。试验手段落后，受季节影响，数据有限，试验不充分; 现代先进的试验方法、试验手段都没有得到运用。

　　参考文献:
　　［1］ 刘德军，赵秀荣，高连兴，等． 不同收获方式含水率对油菜收获物流损失的影响［J］． 农业工程学报，2011，27(10) : 339 －342．