王 濤，李亞雄，胡 斌，劉 洋，李 斌，李 帆

（1.石河子大學(xué)，新疆 石河子 832003，2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所）

制種玉米機(jī)械去雄機(jī)械的應(yīng)用與展望*

王 濤1，李亞雄1，胡 斌2，劉 洋1，李 斌1，李 帆1

（1.石河子大學(xué)，新疆 石河子 832003，2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所）

本文對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械在制種玉米上的應(yīng)用研究進(jìn)行了綜述。介紹了國(guó)內(nèi)外玉米機(jī)械去雄的機(jī)理，重點(diǎn)闡述了自主研制的玉米去雄機(jī)與國(guó)外機(jī)型的差距，并對(duì)今后進(jìn)一步深入研究提出建議。

制種玉米；去雄；機(jī)械化

玉米機(jī)械去雄技術(shù)是指應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)械，通過機(jī)械代替人工將適時(shí)玉米的雄穗去除，避免自花授粉，以提高玉米制種的質(zhì)量和產(chǎn)量。

1 國(guó)外玉米機(jī)械去雄技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國(guó)玉米去雄機(jī)

1.1.1 早期玉米去雄機(jī)

美國(guó)早在1937年開始研究玉米去雄機(jī)械，首先研究的機(jī)型為具有自走能力，在高地隙地盤上安裝6個(gè)載人支架平臺(tái)，該機(jī)型傳動(dòng)系統(tǒng)為皮帶、鏈條傳動(dòng)，有3個(gè)行走輪，只可進(jìn)行低速行走；較人工去雄相比，增加的機(jī)車可在玉米地中跨行行走，人站在機(jī)車支架平臺(tái)隨車進(jìn)行手工去雄作業(yè) （圖1）。1950年，美國(guó)設(shè)計(jì)了第2代去雄機(jī)（圖2），該機(jī)與腿，地隙1.85 m。

液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：主要有4個(gè)回路，即抽雄切雄回路、升降回路、轉(zhuǎn)向助力回路和行走回路。采用電液第一代機(jī)型相比，動(dòng)力系統(tǒng)配備大馬力柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，行走系統(tǒng)為高地隙拖拉機(jī)底盤和四輪行走機(jī)構(gòu)，且設(shè)計(jì)了防曬頂棚，該機(jī)型在機(jī)具行走的穩(wěn)定、安全性和工作效率上都有了大幅提高。

1.1.2 自動(dòng)化玉米去雄機(jī)

隨著科技的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械也向自動(dòng)化方向發(fā)展。1981年前后，美國(guó)研究出可以基本代替人工的去雄機(jī)械 （見圖3～8）。經(jīng)過幾十年的改進(jìn)優(yōu)化，主要由美國(guó)Hagie、Big John和Modern Flow等公司制造生產(chǎn)，該類機(jī)型主要由高地隙動(dòng)力行走底盤、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、玉米去雄組件、自動(dòng)仿形控制系統(tǒng)4部分組成，該機(jī)型還配備噴藥組件。

高地隙動(dòng)力行走底盤：由行走底盤、駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓管路、操控系統(tǒng)、前懸掛系統(tǒng)等部件組成。兩輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)在公路運(yùn)輸時(shí)最大行駛速度為30km/h。前橋帶減震系統(tǒng)，前后輪輪距2.0～2.6 m，可調(diào)，前后輪胎面寬度28.5 cm，適應(yīng)新疆地區(qū)的密植作物。采用窄鋼性固定V型加高支聯(lián)合控制，前進(jìn)、停車、倒車均由電子開關(guān)控制，操作靈敏、簡(jiǎn)便。液壓傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)快、慣性小，能高速啟動(dòng)、制動(dòng)和換向。行走系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，能在運(yùn)行中方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速；在田間作業(yè)時(shí)靈敏度高，易控制，易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。

圖1 美國(guó)早期玉米去雄機(jī)

圖2 改進(jìn)型美國(guó)早期玉米去雄機(jī)

玉米去雄組件：為平整玉米高度，第1次用割雄工具，切割高度在抽出的玉米雄穗位置以下8～10 cm，切割至玉米高度整齊。待24～48 h后，玉米雄穗達(dá)到4 cm，使用抽雄輪進(jìn)行第2次抽雄作業(yè)。雖然用抽雄輪去雄更快、更容易，但玉米葉子被切割更多。該組件由重型懸掛架、切刀組合、抽雄穗組合等部件組成。

自動(dòng)仿形控制系統(tǒng)：可根據(jù)作物生長(zhǎng)的高低自動(dòng)仿形，抽凈率可達(dá)95%以上；抽取的葉片數(shù)可根據(jù)不同品種的要求和玉米生長(zhǎng)情況隨意調(diào)整，避免作業(yè)時(shí)損傷營(yíng)養(yǎng)葉；去雄組件可適應(yīng)不同的播種行距，從30～80 cm，可調(diào)。

噴藥組件：由20 m噴桿、2 500 L水罐、藥液噴灑程序設(shè)定儀等部件組成。噴桿為折疊式，由液壓油缸操控，伸展靈活。根據(jù)作業(yè)地塊情況，左架、右架、中間架均可單獨(dú)進(jìn)行噴藥作業(yè)。該機(jī)配備了藥液噴灑程序設(shè)定儀，可根據(jù)作物的噴液量、使用噴頭種類等對(duì)噴灑壓力、行走速度進(jìn)行設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的噴灑量。

主要性能參數(shù)：

1.1.3 主要工作原理

自動(dòng)化玉米抽雄機(jī)采用高架自走結(jié)構(gòu)，前后輪由安裝在輪軸上的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可一次性完成4膜8行制種玉米的抽雄作業(yè)，通過前端的電子眼高度識(shí)別裝置，根據(jù)作物生長(zhǎng)的高度自動(dòng)仿形，抽凈率可達(dá)92%以上，去雄裝置可單獨(dú)控制其升降。工作效率為23.3～26.7 hm2/d。安裝去雄裝置的機(jī)架可以折疊，以便于轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸。

1.2 歐洲玉米去雄機(jī)

歐洲去雄機(jī)發(fā)展時(shí)間較早，但只有法國(guó)Bourgoin公司制種玉米機(jī)型較成熟，該公司有去雄噴藥多功能機(jī)型和去雄機(jī)型 （如圖8所示），2種機(jī)型均為液壓驅(qū)動(dòng)行走、去雄工作，多功能機(jī)型可以噴藥去雄同時(shí)進(jìn)行，減少進(jìn)地次數(shù)；另一種機(jī)型增加了測(cè)高仿形裝置，在去雄生產(chǎn)率上較前一機(jī)型高，但因?yàn)闅W洲與我國(guó)玉米種植模式的差異，這2種機(jī)型都只能進(jìn)行4行去雄作業(yè)，與同類型美國(guó)機(jī)型相比價(jià)格較高。意大利馬斯奇奧URAGANO超高地隙噴藥去雄機(jī)主要用于高桿作物噴藥（如圖9所示），其玉米去雄功能較美國(guó)機(jī)型相比，在制作工藝和自動(dòng)化水平上有了進(jìn)一步的提高。

2 玉米去雄機(jī)械國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 引進(jìn)機(jī)型

圖3 玉米去雄抽雄輪組件

圖4 玉米去雄割刀組件

圖5 美國(guó)公司Big John玉米去雄機(jī)

圖6 美國(guó)Hagie公司玉米去雄噴霧機(jī)

圖7 美國(guó)Modern Flow公司玉米去雄機(jī)

圖8 意大利馬斯奇奧URAGANO超高地隙噴藥去雄機(jī)

新疆兵團(tuán)第四師六十六團(tuán)和黑龍江省寧安農(nóng)場(chǎng)分別于2006年、2007年從法國(guó)BOURGOIN公司各引進(jìn)1臺(tái)4WD 2204 TURBO型玉米抽雄機(jī)。該機(jī)采用78馬力道依茨風(fēng)冷式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，去雄部分分為切雄和抽雄，整機(jī)完全由液壓驅(qū)動(dòng)行走和去雄工作，一次作業(yè)可以完成8行去雄工作。首先切削，當(dāng)母本雄穗臨近抽穗時(shí)，根據(jù)玉米植株生長(zhǎng)整齊程度用去雄機(jī)的切削刀具，進(jìn)行1～2次切削作業(yè)，使植株高矮整齊一致，便于抽雄作業(yè)，提高抽出率；切削后3～5 d待雄穗長(zhǎng)出頂部葉片3～5 cm時(shí)，進(jìn)行第2道工序—去雄。去雄裝置為2片橡膠圓盤，在高速旋轉(zhuǎn)下將雄穗夾起拋出，達(dá)到去雄效果。由于受制種玉米的種植模式、農(nóng)藝要求等因素影響，這種玉米抽雄機(jī)使用效果并不理想。

隨著玉米全程機(jī)械化的推進(jìn)，在2012—2014年，新疆伊犁地區(qū)、昌吉地區(qū)等多地從美國(guó)引進(jìn)多臺(tái)Big John玉米去雄機(jī)（圖10）。國(guó)內(nèi)制種玉米機(jī)械去雄市場(chǎng)逐漸被美國(guó)玉米去雄機(jī)占領(lǐng)。

2.2 研發(fā)機(jī)型

為填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，根據(jù)新疆制種玉米種植農(nóng)藝要求，新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制出3QXZ-8型玉米去雄機(jī)，該機(jī)由行走輪、機(jī)架、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)、抽雄工作部件控制平臺(tái)、對(duì)滾式抽雄部件及操控機(jī)構(gòu)等零部件組成（如圖11所示）。

2.2.1 結(jié)構(gòu)原理

整機(jī)為自走式結(jié)構(gòu)，以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為原動(dòng)力，通過動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（圖12）帶動(dòng)液壓系統(tǒng)（圖13），整機(jī)以液壓油泵為動(dòng)力源，通過管路系統(tǒng)帶動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的液壓馬達(dá)，完成機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，控制駕駛系統(tǒng)（圖14）驅(qū)動(dòng)行走輪中軸上的液壓馬達(dá)使后輪行進(jìn)，然后推動(dòng)前輪導(dǎo)向軸完成整機(jī)行走導(dǎo)向，在抽雄工作部件控制平臺(tái)（圖15）通過液壓油缸控制作業(yè)高度，抽雄工作部件通過控制液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，完成抽雄作業(yè)［1-3］。

圖9 法國(guó)Bourgoin公司的兩種去雄機(jī)

圖10 引進(jìn)美國(guó)的去雄噴藥機(jī)

圖11 3QXZ—8型自走跨越式玉米去雄機(jī)

圖12 動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

圖13 液壓系統(tǒng)

圖14 駕駛系統(tǒng)

圖15 抽雄工作部件控制平臺(tái)

圖16 液壓升降單組對(duì)輥式抽雄裝置

圖17 可調(diào)整的輪距支撐臂

2.2.2 工作過程

去雄裝置包括滾輪抽雄裝置和盤刀切雄裝置2種。滾輪抽雄裝置（圖16）為在連接桿安裝的支承座上通過軸承安裝著主動(dòng)輪軸和從動(dòng)輪軸，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)輪軸其端部固裝著主動(dòng)滾輪，在從動(dòng)輪軸的端部轉(zhuǎn)動(dòng)配合安裝著從動(dòng)滾輪，從動(dòng)滾輪與主動(dòng)滾輪相對(duì)稱，并且其輪面相互摩擦配合，緊緊地接觸在一起，在摩擦力作用下，主動(dòng)滾輪帶動(dòng)從動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)。作業(yè)時(shí)，當(dāng)玉米雄穗接觸到每對(duì)滾輪接觸面時(shí)，2個(gè)輪子擠壓摩擦把玉米雄蕊拔出，完成抽雄作業(yè)。在每個(gè)連接桿上安裝著2套滾輪抽雄裝置；盤刀切雄裝置為在連接桿連接的支撐座上安裝著液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的水平切雄刀盤，在切割刀盤上均布設(shè)置著伸出刀盤的刀片，刀片為銳角形的雙面刀片，在切割刀盤上均布到刀片的數(shù)量為2～4只，作業(yè)時(shí)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的刀盤接觸到玉米雄蕊時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的刀片切掉雄蕊，完成切雄作業(yè)。在每個(gè)連接桿上安裝著2套盤刀切雄裝置。在滾輪抽雄裝置或盤刀切雄裝置的下方通過支承座設(shè)置著對(duì)稱的撥桿，對(duì)稱撥桿的開口呈八字形［4－12］。

通過支撐臂（圖17）安裝的前大梁為可伸縮結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為固接著支撐臂的活動(dòng)梁插入套管主梁內(nèi)，與套管主梁動(dòng)配合，并且通過套管主梁上的螺栓鎖緊定位，通過調(diào)整活動(dòng)梁在套管主梁內(nèi)的插入深度，以調(diào)整對(duì)稱支撐臂之間的距離，然后用螺栓緊固鎖定來實(shí)現(xiàn)前輪輪距的調(diào)整；安裝后輪的支撐臂其上端焊接著帶連接耳的U形板，U形板和其上的蓋板通過四個(gè)螺栓緊固在后主梁上，使安裝后輪的支撐臂定位，當(dāng)需要調(diào)整后輪支撐臂的位置時(shí)，擰松螺栓，調(diào)整后輪支撐臂的位置，然后再緊固螺栓即可，來實(shí)現(xiàn)后輪輪距的調(diào)整，以滿足玉米抽雄機(jī)行走在不同行距的玉米田間。

3 國(guó)內(nèi)玉米去雄機(jī)械存在的技術(shù)難點(diǎn)

玉米去雄機(jī)械逐漸成熟應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但是主要依靠國(guó)外成熟技術(shù)及機(jī)具，根據(jù)國(guó)外機(jī)型在去雄作業(yè)的使用，主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：（1）液壓系統(tǒng)可靠性需要進(jìn)一步提高；（2）自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究還局限在試驗(yàn)室階段，農(nóng)田不可控因素較多，系統(tǒng)穩(wěn)定性難以保證；（3）去雄裝置的單組自動(dòng)仿形控制系統(tǒng)的研究還在進(jìn)行，國(guó)內(nèi)研制的機(jī)型在自動(dòng)化程度和動(dòng)力性上與國(guó)外機(jī)型還存在很大差距。

4 前景與展望

隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)糧食產(chǎn)量和品質(zhì)的要求越來越高，糧食資源的短缺將嚴(yán)重制約人類社會(huì)的發(fā)展。通過農(nóng)業(yè)機(jī)械等手段提高農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)，將對(duì)解決我國(guó)糧食資源短缺和提高農(nóng)作物生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。但是，雖然農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)作物生產(chǎn)中的應(yīng)用具有巨大革新潛能，這也并不意味它在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作用的絕對(duì)。通過以上研究發(fā)現(xiàn)：機(jī)械去雄對(duì)不同玉米品質(zhì)影響的大小與玉米本身的生物性狀是否適合機(jī)械作業(yè)有關(guān)；國(guó)外玉米去雄機(jī)械的壟斷性對(duì)國(guó)內(nèi)該機(jī)械的研制具有一定阻礙性；國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的可實(shí)施性依賴國(guó)內(nèi)液壓、自動(dòng)控制等技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性，在電氣、液壓、自動(dòng)控制技術(shù)逐漸應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械的今天，國(guó)內(nèi)玉米去雄機(jī)械的發(fā)展必定會(huì)縮小與國(guó)外同類機(jī)型的差距，中國(guó)制種玉米產(chǎn)業(yè)也將必定是國(guó)內(nèi)糧食的新增長(zhǎng)點(diǎn)。

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2015—03—09

新疆農(nóng)墾科學(xué)院科技引導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：55YYD201303。