劉崇林,趙勝雪,胡 軍,劉權(quán)磊

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

馬鈴薯屬茄科草本植物,種植遍布世界各地,是人類第四大食物來源[1]。馬鈴薯淀粉薯是國(guó)內(nèi)重要的新型能源原料、糧食、淀粉原料及抗癌保健品等,是我國(guó)糧食生產(chǎn)中重要的原料之一。在我國(guó)北方種植的淀粉薯中,以興佳2號(hào)、延薯4號(hào)為主要代表。近年來,中國(guó)馬鈴薯機(jī)械化呈上升的趨勢(shì)[2],圖1為2008-2016年全國(guó)馬鈴薯機(jī)收面積變化圖。由圖1可知:2016年,全國(guó)馬鈴薯機(jī)收面積為1 389.83khm2,較2008年增長(zhǎng)了197.97%,增長(zhǎng)速度很快。馬鈴薯在機(jī)械帶秧挖掘收獲作業(yè)時(shí),秧莖容易纏繞設(shè)備零部件而引起損壞,且極易造成擁堵,增大功耗,影響挖掘效率和效果。因此,馬鈴薯收獲前應(yīng)進(jìn)行殺秧處理,使馬鈴薯與莖稈分離,減少收獲行進(jìn)過程中的阻力,降低能耗,提升收獲作業(yè)速度,減低分離器的故障率,提升收獲質(zhì)量,提高收獲效率[3-5];同時(shí),促使薯秧的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回流到薯塊上,便于貯藏,提升馬鈴薯的經(jīng)濟(jì)效益。另外,秧莖切碎回到田里,還能起到增加土壤肥沃程度的作用。

圖1 2008-2016年全國(guó)馬鈴薯機(jī)收面積

馬鈴薯殺秧方式主要有3種,包括自然殺秧、化學(xué)殺秧和機(jī)械殺秧。自然殺秧方式包含霜凍殺秧,即利用晚間及清晨霜降凍死馬鈴薯,達(dá)到殺秧效果。該方式受自然因素影響較大,易誤農(nóng)時(shí),但成本低?；瘜W(xué)殺秧主要是利用硫酸銅等農(nóng)藥使薯秧快速枯萎,作業(yè)效率快,但對(duì)環(huán)境造成污染。機(jī)械殺秧主要包含切秧、粉碎秧及壓秧等作業(yè)方式,受自然因素影響較小,但成本較高。綜上所述,在所有的殺秧方式中,以機(jī)械殺秧應(yīng)用最為普遍。殺秧的時(shí)間因地而異:南方作物積溫較高,一般選擇在收獲前1～3周殺秧,此時(shí)的薯體已基本生長(zhǎng)充分,而且土地表面干凈,馬鈴薯表皮老化,損傷率較低;北方作物積溫低,馬鈴薯生長(zhǎng)緩慢,為保證產(chǎn)量不能過早進(jìn)行馬鈴薯殺秧作業(yè),一般在選擇在收獲前短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行殺秧,且與馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)配合作業(yè)[6-8]。

馬鈴薯莖稈機(jī)械特性是影響馬鈴薯殺秧機(jī)的傷薯率、漏打率和葉打碎長(zhǎng)度合格率等作業(yè)指標(biāo)的重要因素,因此本試驗(yàn)對(duì)不同收獲期及離地高度不同的馬鈴薯秧,進(jìn)行了含水率、剪切力的測(cè)試,并將莖稈品種、莖稈直徑等影響因素考慮在內(nèi)的分析,得出最佳的馬鈴薯殺秧時(shí)間、離地高度,旨在為馬鈴薯殺秧機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及作業(yè)參數(shù)提供理論依據(jù)[9-10]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取馬鈴薯淀粉薯中具有代表性的興佳2號(hào)、延薯4號(hào)為試驗(yàn)對(duì)象,樣本取自黑龍江省九三管局鶴山農(nóng)場(chǎng)第一管理區(qū)。該地區(qū)的馬鈴薯種植土壤偏黏,土壤含水率為27.3%,5月初栽,9月末開始?xì)⒀?10月初進(jìn)行收獲作業(yè),一年一季種植,種植模式為單壟單行,壟距為90cm。國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為收獲前1～3周殺秧,為馬鈴薯最佳的殺秧時(shí)間。為了研究具體時(shí)間,本次試驗(yàn)材料取樣時(shí)間為2018年9月27號(hào)、2018年10月7號(hào)、2018年10月17號(hào);每個(gè)時(shí)間段間隔10天,取3次樣,每次取10個(gè)樣本,共采樣30個(gè)。采集期間馬鈴薯秧還在處于生長(zhǎng)狀態(tài),如圖2所示。采集的興佳2號(hào)薯秧長(zhǎng)度為80～120cm;薯秧莖稈直徑為0.41～2.1cm,采集的延薯4號(hào)薯秧長(zhǎng)度為70～110cm;薯秧莖稈直徑為0.43～2.1cm。

圖2 田間馬鈴薯薯秧

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備包括長(zhǎng)春新特試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的WDW-100型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)、河北布谷機(jī)械制造廠生產(chǎn)的打秧機(jī)、上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的DGG-9030B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、電子天平、卷尺及電子游標(biāo)卡尺等。

河北布谷機(jī)械制造廠生產(chǎn)的打秧機(jī),在實(shí)際應(yīng)用中因價(jià)格便宜、性能可靠而大多還用作馬鈴薯殺秧。其與約翰迪爾1204型拖拉機(jī)牽引配套,動(dòng)力由拖拉機(jī)提供。該機(jī)為臥式逆向型粉碎機(jī),刀輥上甩刀采用交錯(cuò)平衡排列方式,機(jī)具平衡性較強(qiáng);刀輥空轉(zhuǎn)額定轉(zhuǎn)速為1 600r/min,配有32把錘爪式甩刀,適宜作業(yè)壟寬為90cm左右,適用于雙壟作業(yè)。作業(yè)時(shí),拖拉機(jī)牽引打秧機(jī)(高度可調(diào))沿壟溝方向前進(jìn),由拖拉機(jī)后傳動(dòng)軸為打秧機(jī)刀輥提供動(dòng)力;錘爪式刀片掛在刀輥上,刀輥高速旋轉(zhuǎn)將莖稈沖擊切斷,并進(jìn)入罩殼進(jìn)行二次粉碎;粉碎后的莖稈從罩殼末端拋撒于地面,完成打秧作業(yè)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 淀粉薯莖稈的含水率的測(cè)定

馬鈴薯在收獲前殺秧時(shí)處于正常生長(zhǎng)狀態(tài)下直接被粉碎還田,所以馬鈴薯莖稈的機(jī)械特性測(cè)定是在鮮秧稈狀態(tài)進(jìn)行的。

每次在田間隨機(jī)取樣興佳2號(hào)、延薯4號(hào)的莖稈各10根,從距離地面2cm處的根部剪斷,共采集3次。在實(shí)驗(yàn)室將莖稈叉及葉片去除掉,根據(jù)上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的DGG-9030B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱水分測(cè)定的要求,將待測(cè)馬鈴薯莖稈進(jìn)行碾碎處理;然后,放入干燥箱內(nèi),用105℃恒溫干燥10h,測(cè)定含水率,每個(gè)品種測(cè)試重復(fù)10次,最后取平均值。

1.3.2 淀粉薯莖稈剪切強(qiáng)度的測(cè)定

淀粉薯莖稈是地下塊莖連接葉片進(jìn)行傳輸營(yíng)養(yǎng)的主要通道,在離地高度越低的地方莖稈越粗,韌性越強(qiáng),因此莖稈剪斷時(shí)最低的地方剪切力最大。馬鈴薯打秧作業(yè)時(shí),甩刀端的線性速度約為28～56m/s,靠沖擊將莖稈切斷,并進(jìn)入罩殼進(jìn)行二次粉碎;粉碎后的莖稈從罩殼末端拋撒于地面,莖稈主要受到剪切力,而拉力和滑切力較小,因此本次試驗(yàn)測(cè)量莖稈的剪切力[11-12]。

在測(cè)量莖稈含水率的同時(shí),在WDW-100型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行莖稈剪切力試驗(yàn),如圖3所示。試驗(yàn)機(jī)精度級(jí)別為1級(jí),力值精確度為1%,位移精確度為0.1%。本次試驗(yàn)選定加載速度為20mm/min,上限載荷為500N,下降最大載荷為10N;測(cè)量時(shí),每組試驗(yàn)在相同條件下重復(fù)10次,最后取平均值。

1.3.3 馬鈴薯打秧機(jī)田間作業(yè)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同離地高度、不同品種馬鈴薯莖稈對(duì)殺秧作業(yè)的影響,采用布谷機(jī)械制造廠生產(chǎn)的打秧機(jī)分別對(duì)興佳2號(hào)、延薯4號(hào)進(jìn)行田間作業(yè)測(cè)試,如圖4所示。根據(jù)NY/T2706-2015馬鈴薯打秧機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范,對(duì)作業(yè)后莖葉打碎長(zhǎng)度合格率、留茬長(zhǎng)度及傷薯率等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試[13]。

圖3 使用WDW-100型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切力測(cè)試

2 結(jié)果與分析

2.1 莖稈含水率變化規(guī)律

通過試驗(yàn)結(jié)果得知:興佳2號(hào)、延薯4號(hào)在9月27日采集時(shí)含水率為90.72%、88.24%;10月7日時(shí)含水率分別為87.24%、84.79%,10天馬鈴薯莖稈含水率分別下降了3.48%和3.45%;到10月17日時(shí)含水率為82.61%、79.32%,10天含水率分別下降了4.63%、5.47%。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出越臨近收獲期莖稈含水率越低的規(guī)律,如圖5所示。

圖5 莖稈含水率隨時(shí)間的變化

馬鈴薯在生長(zhǎng)過程中需要大量水分,中期莖稈水分含量較大,收獲期前植株葉片枯萎,加上植物蒸騰作用變大,莖稈含水率相對(duì)較低,故越臨近收獲期莖稈含水率越低。

2.2 莖稈機(jī)械特性的變化規(guī)律

植物莖稈離地近部分最粗且韌性越強(qiáng),纖維含量越高;隨著莖稈離地高度的上升,相對(duì)根部的莖稈相比細(xì)而柔軟,打秧作業(yè)時(shí)莖稈主要受到剪切力,而受到的拉力、滑切力較小,影響不大,本次試驗(yàn)不考慮。為得到機(jī)械化最佳打秧高度,促進(jìn)馬鈴薯機(jī)械化打秧效果,通過試驗(yàn)在3個(gè)不同時(shí)期分別對(duì)興佳2號(hào)、延薯4號(hào)隨機(jī)采集10個(gè)樣本,分別測(cè)其直徑及離地高度為3、6、9、12cm時(shí)的剪切力值,得出9月27日、10月7日和10月17日時(shí)兩個(gè)品種莖稈的剪切力值都在離地高度為9～12cm時(shí)力值變化趨勢(shì)減緩或不變,打秧高度為12cm時(shí)莖稈留茬長(zhǎng)度會(huì)出現(xiàn)高于標(biāo)準(zhǔn)15cm的情況。為此,馬鈴薯打秧機(jī)最佳離地高度應(yīng)為9cm左右,如圖6～圖11所示。

圖6 9月27日興佳2號(hào)離地高度與剪切力的變化圖

圖7 10月7日興佳2號(hào)離地高度與剪切力的變化圖

圖8 10月17日興佳2號(hào)離地高度與剪切力的變化圖

圖9 9月27日延薯4號(hào)離地高度與剪切力的變化圖

圖10 10月7日延薯4號(hào)離地高度與剪切力的變化圖

圖11 10月17日延薯4號(hào)離地高度與剪切力的變化圖

2.3 莖稈直徑與機(jī)械特性的關(guān)系

為了探明淀粉薯殺秧最佳時(shí)期,在離地高度為9cm時(shí)分別對(duì)3個(gè)時(shí)期、兩個(gè)不同品種的淀粉薯莖稈進(jìn)行直徑與剪切力的測(cè)量(見圖12、圖13),分別擬合出淀粉薯興佳2號(hào)、延薯4號(hào)莖稈剪切力與作物直徑間的函數(shù)關(guān)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為9月27日興佳2號(hào)的莖稈剪切力值;X11為興佳2號(hào)莖稈直徑;Y21為10月7日興佳2號(hào)的莖稈剪切力值;X22為興佳2號(hào)莖稈直徑;Y31為10月17日興佳2號(hào)的莖稈剪切力值;X32為興佳2號(hào)莖稈直徑。

淀粉薯莖稈在打秧期時(shí)莖稈直徑均大于10mm。由圖8可以看出:Y31的剪切力值當(dāng)直徑大于6.4mm時(shí)遠(yuǎn)高于Y21、Y11;Y21的剪切力值當(dāng)直徑大于6.2mm時(shí)遠(yuǎn)高于Y11;Y31到Y(jié)21變化趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Y21到Y(jié)11。由圖9中可以看出:Y32的剪切力值當(dāng)直徑大于5.5mm時(shí)遠(yuǎn)高于Y22、Y12;Y22的剪切力值當(dāng)直徑大于6.2mm時(shí)遠(yuǎn)大于Y12;Y32到Y(jié)22變化趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Y22到Y(jié)12。考慮到馬鈴薯成熟后干物質(zhì)積累情況,馬鈴薯最佳殺秧時(shí)間為10月7日前后。

圖12 興佳2號(hào)直徑與剪切力關(guān)系

圖13 延薯4號(hào)直徑與剪切力關(guān)系

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2018年9月26-30日,在黑龍江省九三管局榮軍農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了打秧機(jī)田間作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)地為壟播水澆地種植的興佳2號(hào)和延薯4號(hào)兩個(gè)品種的淀粉薯,每個(gè)試驗(yàn)區(qū)為雙壟長(zhǎng)度為100m,離地高度分別為6、9、12cm。拖拉機(jī)由約翰迪爾1204拖拉機(jī)提供,打秧機(jī)為河北布谷機(jī)械制造廠生產(chǎn)的甩刀錘爪式殺秧機(jī)。

3.2 試驗(yàn)方法

按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 2706-2015 馬鈴薯打秧機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的試驗(yàn)方法[14],分別在壟播水澆地種植的興佳2號(hào)和延薯4號(hào)兩個(gè)品種的淀粉薯種植田地進(jìn)行殺秧試驗(yàn),測(cè)定馬鈴薯莖葉打碎長(zhǎng)度合格率、留茬長(zhǎng)度、傷薯率及漏打率作為打秧機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)(見表1),考查殺秧機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、刀片磨損及刀輥穩(wěn)定等各部分的性能。

表1 打秧機(jī)性能指標(biāo)要求

1)傷薯率T1。將每個(gè)測(cè)點(diǎn)內(nèi)所有的馬鈴薯挖出并稱其質(zhì)量,再?gòu)闹刑舫鰝聿⒎Q其質(zhì)量。按下式計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的傷薯率,結(jié)果取10個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值,即

式中T1—每個(gè)測(cè)點(diǎn)的傷薯率(%);

Ms—每個(gè)測(cè)點(diǎn)內(nèi)傷薯質(zhì)量(kg);

M—每個(gè)測(cè)點(diǎn)內(nèi)馬鈴薯總質(zhì)量(kg)。

2)漏打率T2。檢查測(cè)區(qū)內(nèi)莖葉總數(shù)和未打到的莖葉數(shù),按下式計(jì)算漏打率,結(jié)果取平均,即

式中T2—漏打率(%);

Yl—測(cè)區(qū)內(nèi)未打到莖葉數(shù)量(株);

Y—測(cè)區(qū)內(nèi)莖葉總數(shù)量(株)。

3)留茬長(zhǎng)度T3。檢查測(cè)區(qū)隨機(jī)取10根打秧作業(yè)后莖秧留茬長(zhǎng)度T3,結(jié)果取其平均值。

9月末收獲中末期時(shí),馬鈴薯打秧機(jī)在不同試驗(yàn)條件下的作業(yè)指標(biāo)如表2所示。由表2可以看出:選擇離地高度為3cm時(shí)殺秧,兩種淀粉薯莖稈的留茬長(zhǎng)度、漏打率低符合標(biāo)準(zhǔn),但傷薯率高不符合標(biāo)準(zhǔn);選擇離地高度為6cm時(shí)殺秧,兩種淀粉薯莖稈的留茬長(zhǎng)度、漏打率低符合標(biāo)準(zhǔn),但傷薯率高于標(biāo)準(zhǔn);選擇離地高度為9cm時(shí)殺秧,兩種淀粉薯莖稈的留茬長(zhǎng)度、漏打率、傷薯率均符合標(biāo)準(zhǔn);選擇離地高度為12cm時(shí)殺秧,兩種淀粉薯莖稈的留茬長(zhǎng)度、漏打率過高均不符合標(biāo)準(zhǔn),傷薯率低符合標(biāo)準(zhǔn)。所以,馬鈴薯殺秧機(jī)在這一時(shí)期應(yīng)選擇離地高度9cm,此為最佳殺秧高度。

表2 打秧機(jī)在不同試驗(yàn)條件下作業(yè)指標(biāo)

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

打秧作業(yè)后發(fā)現(xiàn)的問題:一是漏打率現(xiàn)象多發(fā)生在薯秧壟溝中;二是當(dāng)馬鈴薯田左右兩根壟高低不一時(shí)殺秧效果不好;三是打秧機(jī)無法將倒伏在壟溝里的薯秧有效清除干凈。

4.2 結(jié)論

1)兩種典型淀粉薯品種興佳2號(hào)、延薯4號(hào)莖稈在10月7日的含水率分別達(dá)到87.61%、86.36%;從9月27日到10月17日,20天內(nèi)淀粉薯莖稈含水率分別下降了8.08%、8.92%。這表明,淀粉薯隨著收獲期的臨近,其莖稈的含水率逐步下降。

2)興佳2號(hào)、延薯4號(hào)莖稈剪切力從9月27日至10月17日呈增加的趨勢(shì)。這表明,淀粉薯在收獲期,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),莖稈剪切力也隨之增加。

3)由所測(cè)剪切力與直徑間的關(guān)系可知,興佳2號(hào)、延薯4號(hào)的最佳殺秧高度為9cm。

4)在所測(cè)區(qū)間收獲時(shí)間內(nèi)(9月27日、10月7日、10月17日),通過興佳2號(hào)、延薯4號(hào)莖稈剪切力在3個(gè)時(shí)期擬合方程的對(duì)比,得出10月7日前后為淀粉薯莖稈最佳殺秧時(shí)間。

5)以河北布谷機(jī)械制造廠生產(chǎn)的打秧機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明:2018年10月7日,離地高度為9cm時(shí),兩種淀粉薯莖稈打秧后的留茬長(zhǎng)度、漏打率及傷薯率均符合標(biāo)準(zhǔn)。