伍文杰， 吳崇友

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

油菜是我國主要的油料作物之一，種植區(qū)域廣泛，南北均有種植，且種植面積大[1]，2014年種植面積達(dá) 758.79萬hm2，年產(chǎn)量達(dá)1 477.22萬t，種植面積及產(chǎn)量均位居世界第一。油菜籽作為主要的植物油原料，含有豐富的油酸，具有較高的營養(yǎng)價值，在我國食用油供給安全中具有重要的地位和影響[2]。同時油菜具有作為生物柴油的優(yōu)勢，被認(rèn)為是生物柴油的理想原料[3]。油菜收獲具有季節(jié)性強(qiáng)、勞動強(qiáng)度大、勞動效率低、總損失大的特點(diǎn)，特別是長江流域主產(chǎn)區(qū)的收獲季處于梅雨季節(jié)，油菜籽容易變質(zhì)霉?fàn)€，因此機(jī)械收獲十分必要。然而，油菜自身的生長狀況和特性，如植株較高，莖稈粗壯堅(jiān)韌，分枝密布交叉，相互牽扯分禾困難，角果容易開裂落粒，導(dǎo)致機(jī)械化收獲難度大[4-5]。

我國油菜機(jī)械化起步較晚，近年來以每年3%～5%水平增加，但總體水平仍然很低[6]。由圖1可知，2014年全國油菜綜合機(jī)械化水平為40.47%，但機(jī)收水平僅為24.85%。目前生產(chǎn)上使用的多種型號油菜聯(lián)合收割機(jī)是在稻麥聯(lián)合收割機(jī)的基礎(chǔ)上改裝而成的兼用型收割機(jī)[7]，它們適應(yīng)性差，收割損失率偏高[4]，在低速工況下可以正常工作，但當(dāng)進(jìn)行高速(大于3 km/h)收割作業(yè)時，割臺攪龍容易出現(xiàn)莖稈堆積現(xiàn)象[8]、撥禾輪出現(xiàn)莖稈纏繞問題[9]，從而影響油菜收割作業(yè)的流暢性和工作效率，同時也增加了割臺損失。因此，本文對國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于油菜割臺的研究進(jìn)行分析，并提出問題和建議，以期為油菜收獲割臺的研究和設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

割臺是聯(lián)合收割機(jī)重要的工作部件之一，位于收割機(jī)前方，主要完成對作物的切割工作并將割下的作物連續(xù)輸送給中間輸送器最終到達(dá)脫粒裝置。目前我國油菜聯(lián)合收割機(jī)的主要品牌有湖州星光、江蘇沃得、福田雷沃、湖州思達(dá)、浙江柳林、中機(jī)南方等以及國外機(jī)型如美國的約翰迪爾、日本的久保田、德國的黑格等[5]。這些機(jī)型的割臺基本都是全喂入臥式割臺，可通過更換一些工作部件(切割器、撥禾輪和螺旋推運(yùn)器等)來實(shí)現(xiàn)稻麥兼收。

1.1 切割系統(tǒng)的相關(guān)研究

目前對于油菜聯(lián)合收割機(jī)切割系統(tǒng)的研究主要分為對割刀的研究以及對油菜莖稈物理特性的研究2個部分。

1.1.1 切割器研究 割臺上切割器的作用主要是將直立的作物割下，由于油菜植株高大，分枝密布交叉且相互牽扯，因此油菜聯(lián)合收割機(jī)上除了有通用稻麥?zhǔn)崭顧C(jī)上的往復(fù)式切割器外，在割臺一側(cè)還裝有豎直的分行切割器，以切開相互纏繞的油菜分枝，從而減少分禾落粒損失[10]。

董建東等就豎側(cè)切割器的數(shù)量、類型、水平距離、高度等展開了相關(guān)研究設(shè)計(jì)[11]。由于兩邊安裝側(cè)割刀的造價高、傳動路線復(fù)雜、恢復(fù)稻麥?zhǔn)崭顮顟B(tài)較困難，目前大多數(shù)油菜收割機(jī)只在一邊設(shè)置側(cè)割刀，割刀類型為雙動刀、單刀距行程型(s=t，s為切割行程，t為動刀片間距)往復(fù)式切割器。豎側(cè)切割器與主切割器的水平距離須考慮擾動區(qū)，當(dāng)前伸量y1的取值接近油菜蓬面半徑R時，擾動最小，設(shè)計(jì)取300 mm；而側(cè)切割高度則須考慮油菜植株高度與割茬高度(圖2)。刀片的選擇須考慮油菜切割時的橫向彎斜量和振動，在滿足切割要求的情況下，應(yīng)盡可能減小刀片尺寸、質(zhì)量和間距，在設(shè)計(jì)實(shí)例中采用了整體小刀片。傳動方式采用直接傳動，以小型齒輪液壓馬達(dá)為動力通過曲柄連桿結(jié)構(gòu)帶動割刀作往復(fù)運(yùn)動。而切割頻率尚無明確規(guī)定，由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選定的切割頻率為315～510 r/min。

徐立章等設(shè)計(jì)了4LYB1-2.0型油菜聯(lián)合收獲機(jī)的主要部件，由于油菜分枝較細(xì)，為減小割臺質(zhì)量，簡化傳動，同樣采用液壓馬達(dá)為分禾切割器提供動力，割刀采用光刃小刀，為確定切割器切割頻率和行程，采用Matlab繪制切割圖，通過分析機(jī)器速度、曲軸轉(zhuǎn)速和空白區(qū)的關(guān)系得到，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為700 r/min時較好[12]。

吳明亮等為降低油菜切割損失，減小油菜聯(lián)合收割機(jī)割臺切割力，針對油菜莖稈切割力的主要影響因素(切割方式、莖稈切割位置、切割刀片形式以及切割速度等)在試驗(yàn)臺上進(jìn)行測試試驗(yàn)，認(rèn)為最優(yōu)組合是切割刀片為鋸齒型刀片，切割方式為滑切，切割位置為離地400 mm，切割速度為 200 m/s[13]。

也有學(xué)者考慮到往復(fù)式切割器的慣性沖擊和振動較大，影響機(jī)器使用壽命和作業(yè)質(zhì)量，對切割器進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析。王健康等為降低振動造成的割臺損失，對油菜聯(lián)合收割機(jī)上的往復(fù)式切割器傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析，通過建立機(jī)構(gòu)模型來分析各主要構(gòu)件的運(yùn)動加速度，得到機(jī)構(gòu)各運(yùn)動副之間的約束方程，對方程求解得到構(gòu)件慣性力表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上分析傳動機(jī)構(gòu)慣性沖擊力與各影響因素之間的關(guān)系[14]。李青林等對改裝而成的4LYZ-2型油菜聯(lián)合收獲機(jī)割刀驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，通過ADAMS軟件計(jì)算橫、豎割刀對割臺框架的作用力，為油菜聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，結(jié)果表明，橫、豎割刀對割臺框架的作用力均為簡諧載荷，其中橫割刀載荷大小為3 200 N，豎割刀載荷大小為2 673 N[15]。

除常見的往復(fù)式切割器外，部分研究人員嘗試采用圓盤式切割器進(jìn)行收割。傳統(tǒng)割刀在低速收割過程中振動落粒較多，為此張居敏等針對當(dāng)前油菜割刀的原理性缺陷提出一種全新改進(jìn)方案，提出并聯(lián)回轉(zhuǎn)式圓盤切割器(圖3)，該切割器的切割頻率比往復(fù)式切割器高2～3個數(shù)量級[16]。李仲愷等為降低割臺落粒損失也設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)油菜收獲的偏心圓弧鋸齒刃圓盤切割器(圖4)，該切割器慣性力易平衡、振動小，偏心圓弧刀刃滑切角向外逐漸增大，切割時具有緩沖作用，鋸齒切割阻力功耗低，通過切割單因素及多因素試驗(yàn)，包括切割轉(zhuǎn)速、切割位置和切割傾角等因素，獲得油菜圓盤式切割器的最優(yōu)工作組合，結(jié)果表明，落?，F(xiàn)象得到改善[17]。

1.1.2 油菜莖稈物理特性的研究 切割不僅與割刀關(guān)系緊密，油菜莖稈物理特性對切割系統(tǒng)也有重要影響。

羅海峰等對適應(yīng)機(jī)械化收獲的田間油菜植株特性進(jìn)行了研究，從農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相結(jié)合的角度出發(fā)，對直播油菜田間植株莖稈物理特性包括莖稈直徑、分枝離地高度、分枝數(shù)、莖稈總高度和油菜角果拉斷力進(jìn)行測試研究，獲得田間植株特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和表現(xiàn)特征，結(jié)果表明，適宜的種植密度有利于機(jī)械化收獲作業(yè)[18]。

任述光等利用其改進(jìn)設(shè)計(jì)的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法測定油菜莖稈的彈性模量，并利用霍爾楊氏模量測定儀和讀數(shù)顯微鏡對霍爾傳感器進(jìn)行標(biāo)定，通過測量莖稈彎曲時的砝碼質(zhì)量和測定儀標(biāo)線位移，利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到擬合曲線斜率，結(jié)合莖稈彎曲力學(xué)模型中撓度與彈性模量的關(guān)系式測定彈性模量。結(jié)果表明，成熟期油菜莖稈彈性模量隨含水率的降低而增加，濕莖稈彈性模量約為(169±3) MPa，干莖稈彈性模量約為(186±3) MPa[19]，該結(jié)果對油菜莖稈切割研究具有重要參考價值。

馬征等則采用TA-XT2i型物性測定儀對油菜莖稈整體、莖稈內(nèi)海綿體以及莖稈外殼進(jìn)行彈性力學(xué)特性試驗(yàn)并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，油菜莖稈整體和莖稈外殼的受力隨著加載深度的增加而增大，有明顯的彈性特征；但莖稈內(nèi)的海綿體由于結(jié)構(gòu)松散而在加載深度超過2 mm后出現(xiàn)應(yīng)力屈服現(xiàn)象[20]。

劉兆朋等對成熟期油菜莖稈力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分別測定成熟期莖稈彈性模量、剪切彈性模量、剪切力和含水率，結(jié)果表明，油菜莖稈彈性模量和剪切彈性模量隨莖稈含水率的減小而增大，油菜主莖稈剪切力隨含水率的下降先增大后減小，為高效、低耗油菜聯(lián)合收割機(jī)切割裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[21]。

羅海峰等為更好地了解油菜植株本身的田間生長特性，對成熟期油菜莖稈物理模型及莖稈的生長變化進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析莖稈直徑隨高度和分枝的變化規(guī)律，包括不同部位直徑分布規(guī)律和主莖稈直徑變化規(guī)律，為油菜機(jī)械化收獲等提供理論依據(jù)[22]。

黃震等為降低機(jī)械化收獲過程中油菜籽粒損失率和含雜率，研究收獲前油菜主莖稈與各分枝、主莖稈與角果、各分枝與角果之間連接應(yīng)力隨時間和位置的變化規(guī)律，結(jié)果表明，主莖稈與各分枝、主莖稈與角果、各分枝與角果的連接應(yīng)力在植株生長方向上均變小；在油菜成熟期，油菜主莖稈與各分枝、主莖稈與角果、各分枝與角果之間的連接應(yīng)力隨時間的延長無變化或變化較小，所以在油菜成熟期適當(dāng)提前收獲可以減少因植株干枯造成的損失[23]。

廖宜濤等采用RGT-10電腦伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)，以收獲期的華雜10號為對象，試驗(yàn)研究油菜莖稈的壓縮、剪切、彎曲特征，得出莖稈壓縮、剪切、彎曲的載荷-位移曲線，結(jié)果表明，油菜莖稈是非均質(zhì)、非線性、各向異性材料，在破壞過程中無屈服現(xiàn)象；同時油菜莖稈的主要力學(xué)特性體現(xiàn)在莖稈外壁上，因此在研究中可將其簡化為空心管模型[24]，研究結(jié)果為油菜機(jī)械化收割提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)。

1.2 撥禾輪的相關(guān)研究

撥禾輪的作用是在收獲時扶持和扶起倒伏作物，將作物撥向切割器進(jìn)行支撐切割，同時將割下的作物撥向螺旋推運(yùn)器，保證作物喂入。結(jié)合油菜自身植株高大、枝條纏繞、成熟易炸角的生長特征，對撥禾輪的研究主要集中在撥禾輪仿真及參數(shù)優(yōu)化等方面。

許虎泉等從撥禾輪的轉(zhuǎn)速、撥禾輪中心的水平、垂直位置以及撥禾齒的型式、數(shù)量等方面對新型油菜收割機(jī)撥禾輪主參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[25]。

董月亮等則通過改變撥禾輪轉(zhuǎn)速、收割機(jī)前進(jìn)速度、撥禾輪軸相對割刀的位置等對割臺損失進(jìn)行單因素和多因素試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，收割機(jī)前進(jìn)速度對割臺損失的影響極顯著，其次是撥禾輪轉(zhuǎn)速，然后采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建立各因素之間的回歸方程，求得最佳工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，即撥禾輪轉(zhuǎn)速為18 r/min、機(jī)器前進(jìn)速度為0.6 m/s、撥禾輪軸相對割刀的垂直距離為1 299 mm[26]。

孟為國等針對某型聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行撥禾輪分析優(yōu)化，通過測繪構(gòu)建三維實(shí)體模型，將彈齒工作參數(shù)設(shè)定為前傾15°、垂直、后傾15°，然后分別進(jìn)行運(yùn)動仿真分析并獲取撥禾輪的軌跡曲線，分析比對曲線，研究收割時撥禾輪對麥類作物的收割影響。最終尺寸設(shè)定撥禾輪半徑R=605 mm時，相鄰撥板彈齒間的擺環(huán)空白區(qū)bk值不明顯，對作物撥禾作用點(diǎn)下降，從而降低收割損失率[27]。

楊樹川等進(jìn)行了撥禾輪運(yùn)動軌跡的計(jì)算機(jī)仿真，分別借助不同仿真軟件Matlab、LabVIEW和AMEsim根據(jù)撥禾輪的數(shù)學(xué)模型和物理模型，仿真撥禾輪的運(yùn)動軌跡，對于所述的7種仿真方法，當(dāng)改變撥禾輪的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)時，均可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)條件下?lián)芎梯嗊\(yùn)動軌跡的仿真[28]。

祁兵等通過基于Adams的聯(lián)合收割機(jī)撥禾輪前移范圍的仿真研究，建立撥禾輪前移范圍數(shù)學(xué)模型，提出了最小前移量概念，通過細(xì)化分析約束條件尋找在不發(fā)生回彈且同時滿足垂直插入、穩(wěn)定推送的情況下?lián)芎梯喌那耙品秶?圖5)。利用Adams仿真軟件建立虛擬樣機(jī)，綜合考慮垂直插入禾叢、穩(wěn)定推送、回彈極限條件等對撥禾輪前移范圍進(jìn)行仿真研究，得出在不同輪速比下同時滿足約束條件的撥禾輪前移范圍[29]。

任文濤等對撥禾輪工作中的作物回彈進(jìn)行模擬分析，在2個基本假設(shè)的前提下建立數(shù)學(xué)模型，分析作物剛要發(fā)生回彈時，作物、撥禾輪和割刀間的位置關(guān)系，采用Excel軟件分析得出撥禾輪常用的工作參數(shù)，并利用計(jì)算機(jī)模擬分析速比變化、割茬高度對撥禾輪前移量和作用范圍的影響，得出將撥禾輪適當(dāng)前移可增加其扶禾能力但不應(yīng)超過前移量極限值的結(jié)論[30]。

國外學(xué)者在此方面主要研究了撥禾輪和作物莖稈的相互作用關(guān)系及運(yùn)動受力情況。Hirai等對聯(lián)合收割機(jī)撥禾輪與作物莖稈的相互機(jī)械作用進(jìn)行研究，對基于彈性梁彎曲理論建立的2種作物力學(xué)模型進(jìn)行分析(圖6、圖7)，區(qū)別是在第2種模型中，考慮作物穗部質(zhì)量，并采用試驗(yàn)方法研究撥禾輪運(yùn)動力學(xué)模型，結(jié)果表明，由于穗粒質(zhì)量和作用于作物莖稈垂直分力的屈曲載荷都可增加撥禾輪在收集過程的撓曲，考慮作物穗部的模型對研究撥禾輪與作物相互作用是有用的，并且該模型考慮了垂直分力的影響，可增加撓曲力的分析精度；此外，基于上述結(jié)果進(jìn)行撥禾輪收集作物莖稈的姿態(tài)分析[31]。

Hirai等同時分析了聯(lián)合收割機(jī)撥禾輪運(yùn)動的準(zhǔn)靜態(tài)莖稈彎曲動態(tài)響應(yīng)，通過試驗(yàn)測量聯(lián)合收割機(jī)撥禾輪在收集水稻和小麥時莖稈的水平和垂直反力，試驗(yàn)在5種不同的加載速度下進(jìn)行，研究加載速度對反作用力的影響(圖8)。根據(jù)收集過程中加載點(diǎn)的加速度測試結(jié)果可知，水平反力正峰值和垂直反力負(fù)峰值的位置與水平加速度負(fù)峰值和垂直加速度正峰值位置分別一致。結(jié)果表明，高加載速度下的峰值是由作物莖稈慣性力的影響而形成的。此外，可根據(jù)仿真結(jié)果和測量值之間的不同研究高加載速度下的仿真結(jié)果誤差，加速度力的方向與撥禾輪收集運(yùn)動過程中的加載方向一致，顯示出加速運(yùn)動中力的誤差[32]。

1.3 螺旋推運(yùn)器(攪龍)的相關(guān)研究

作物在割臺上被撥禾輪撥向攪龍后，攪龍將被切割下來的作物均勻地送向喂入口，在伸縮扒指的作用下被推向中間輸送槽。攪龍的常見問題主要有作物喂入不連續(xù)、推運(yùn)器堵塞以及纏繞等，其中喂入不連續(xù)可能是由機(jī)器前進(jìn)速度過快、攪龍伸縮扒指伸出量不夠或撥禾輪離攪龍位置太遠(yuǎn)等造成的；堵塞可能是由推運(yùn)器葉片與割臺底板間隙不合適、作物喂入量過大或撥禾輪前后位置不合適等造成的[33]。喂入不連續(xù)、堵塞問題在稻麥?zhǔn)崭?、大豆收割過程中也常出現(xiàn)，王洪群等根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析原因，給出了解決辦法[34-35]。

余克強(qiáng)等則基于Matlab對谷物聯(lián)合收割機(jī)喂入攪龍機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真理論分析，在收割機(jī)喂入攪龍結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)簡化，不考慮葉片運(yùn)動及機(jī)器運(yùn)動方向、速度，建立數(shù)學(xué)模型，然后運(yùn)用Matlab軟件對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析和仿真，得出喂入攪龍各個參數(shù)值工作時的運(yùn)動變化曲線，可為機(jī)構(gòu)優(yōu)化和實(shí)際生產(chǎn)提供參考[36]。

李海同等在其設(shè)計(jì)的油菜聯(lián)合收獲機(jī)分體組合式割臺上采用復(fù)式推運(yùn)器，該復(fù)式推運(yùn)器由一級滾筒、導(dǎo)向頂蓋、凹板篩、提升攪龍、水平輸送攪龍等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖9所示；油菜莖稈在撥禾輪作用下進(jìn)入復(fù)式推運(yùn)器，推運(yùn)器將莖稈輸送至縱軸流脫粒裝置，輸送過程中一級滾筒(圖10)可以實(shí)現(xiàn)對莖稈初步切斷分離，掉落在割臺上的籽粒和輕雜物則被水平輸送攪龍收集并送入清選裝置；田間試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的分體式組合割臺可實(shí)現(xiàn)莖稈切斷功能且效果顯著，水平輸送攪龍可收集掉落籽粒，且滾筒不會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，整機(jī)工作性能良好[9]。

1.4 關(guān)于割臺的其他研究

對于割臺除對上述切割系統(tǒng)、撥禾輪、螺旋推運(yùn)器等三大主要部件的研究之外，也有學(xué)者從割臺整體及其他方面展開了研究。

查躍華針對油菜莖稈的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型油菜聯(lián)合收割機(jī)伸縮式割臺，主要調(diào)整主割刀與撥禾輪、螺旋輸送器的相對水平距離；采用電動或液壓驅(qū)動的小刀片豎側(cè)切割裝置；通過調(diào)整撥禾輪的位置和轉(zhuǎn)速來適應(yīng)油菜的株高，減少碰撞損失。收割油菜時，主切割裝置前伸到固定座，擺臂調(diào)節(jié)到前伸狀態(tài)，裝上豎側(cè)切割器，調(diào)節(jié)撥禾輪位置、轉(zhuǎn)速；收割麥稻時，主切割裝置的擺臂調(diào)整到后縮狀態(tài)，拆下豎側(cè)切割器，撥禾輪位置、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到收割稻麥狀態(tài)，從而使新型油菜聯(lián)合收割機(jī)能兼收稻麥[37]。

林連華等在研究和開發(fā)4LZ-2.5型自走式油菜聯(lián)合收獲機(jī)主要工作部件的過程中，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種低損失油菜割臺，增加了斜滑板、后擋板、撥禾輪驅(qū)動電機(jī)和前后高低調(diào)整油缸，并對割臺各級傳動比進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果良好[38]。

陳翠英等設(shè)計(jì)了谷物聯(lián)合收獲機(jī)油菜收獲割臺，主要是在未割邊加裝豎直切割器和改變撥禾輪運(yùn)動參數(shù)使其能進(jìn)行油菜收獲作業(yè)[39]。

孟為國等設(shè)計(jì)了聯(lián)合收割機(jī)割臺高度自動控制系統(tǒng)，利用傳感器測得割臺與路面之間的距離，采用可編程邏輯器件(programmable logic device，簡稱PLD)工作原理編輯邏輯程序控制割臺自動升降[40]。

李青林等分析了常柴4LY-Z油菜聯(lián)合收割機(jī)改裝前后在割刀驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動時產(chǎn)生載荷作用下的割臺框架諧響應(yīng)，運(yùn)用ANSYS分別對改裝前和改裝后的割臺框架進(jìn)行分析，由結(jié)果可以看出，改裝后豎割刀的增加加劇了割臺框架的振動，結(jié)構(gòu)的改變對割臺的振動影響不大，主要是豎割刀驅(qū)動機(jī)構(gòu)的增加產(chǎn)生的影響[41]。

李青林等對4LYZ-2油菜收獲機(jī)割臺框架進(jìn)行有限元模態(tài)分析，用Solidworks建立割臺框架三維模型，并用ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到有限元模型，然后進(jìn)行模態(tài)分析，在振型分析中指出割臺框架的薄弱環(huán)節(jié)，為割臺的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[42]。

李耀明等為降低聯(lián)合收獲機(jī)工作時的共振影響，對聯(lián)合收割機(jī)割臺機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，利用UG軟件對稻麥聯(lián)合收獲機(jī)割臺機(jī)架進(jìn)行建模，求出割臺機(jī)架的模態(tài)頻率和振型并對其進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證及理論分析[43]。

羅海峰等為減少油菜在機(jī)械化收獲時的掉粒損失，以碧浪-200Y型油菜聯(lián)合收割機(jī)割臺為研究對象，設(shè)計(jì)了撮箕形莖稈分離裝置、側(cè)置籽粒收集裝置、柵格式莖稈分離裝置、撥桿主動型莖稈分離裝置等4種割臺莖稈分離裝置；田間試驗(yàn)結(jié)果表明，撥桿主動型裝置掉粒損失最小，且無反彈現(xiàn)象，田間掉粒損失為3.2%，效果較理想[44]。

冀牧野等針對油菜植株的生物學(xué)特性，設(shè)計(jì)了一種油菜聯(lián)合收獲機(jī)梳脫式割臺(圖11、圖12)，通過建立梳脫滾筒、撥禾輪等主要部件的運(yùn)動學(xué)模型，確定撥禾輪、梳脫滾筒、切割裝置和防飛濺罩殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)及合理參數(shù)組合，開展梳脫滾筒運(yùn)動仿真分析。仿真和田間試驗(yàn)結(jié)果表明，梳脫式割臺可以實(shí)現(xiàn)油菜收獲的撥禾、梳脫、拋送、切割等功能[45]。

國外方面，Lopes等同樣對聯(lián)合收割機(jī)割臺高度控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要采用線性二次高斯控制(linear quadratic Gaussian，簡稱LQG)和環(huán)傳遞回復(fù)(loop transfer recovery，簡稱LTR)方法進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[46]。

Asoodar等指出，伊朗油菜種植已經(jīng)在其國內(nèi)各地發(fā)展起來，然而在整地、種植和收獲過程中仍然存在一些問題，須要采用新技術(shù)進(jìn)行機(jī)械化收獲，因此谷物聯(lián)合收獲機(jī)生產(chǎn)公司須生產(chǎn)一些安裝在割臺上的擴(kuò)充配件。通過試驗(yàn)研究1種割臺和2種割臺擴(kuò)充配件對油菜收獲損失的影響，從而確定損失量以及造成損失的原因，試驗(yàn)涉及1種常見割臺以及伊朗制造的采用機(jī)械側(cè)刀切割器的Hamed割臺擴(kuò)充配件、采用液壓側(cè)刀切割器的Bizo割臺擴(kuò)充配件，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著割臺運(yùn)禾螺桿與切割器間距離的加大，割臺擴(kuò)充配件能降低割臺油菜落粒損失量，并且使用液壓系統(tǒng)替代機(jī)械系統(tǒng)、使用雙層切割器替代單層刀桿都有助于降低損失量[47]。

Hobson等提出，油菜成熟后角果易炸裂造成籽粒損失，收獲時機(jī)械會對產(chǎn)量造成影響，籽粒損失量甚至常達(dá)產(chǎn)量的25%，且掉落籽粒也會在后茬作物中生長成為雜草。為此他們進(jìn)行試驗(yàn)去鑒別損失原因，然后設(shè)計(jì)了適用于聯(lián)合收割機(jī)的2種不同割臺，以減少籽粒損失，其中一種是標(biāo)準(zhǔn)割臺，一種是在切割器后方設(shè)置傳送帶輔助作物流入攪龍(圖13)。結(jié)果表明，2種割臺損失有顯著差異，側(cè)刀損失是相同的，但由于割臺寬度不同，改裝割臺和標(biāo)準(zhǔn)割臺的損失轉(zhuǎn)化量分別為18.4、34.6 kg/hm2，同時體現(xiàn)寬割臺對于減少落粒損失的優(yōu)勢。除去自然脫落損失和側(cè)割刀損失，改裝割臺的收割落粒損失為59 kg/hm2，而標(biāo)準(zhǔn)割臺為104 kg/hm2；其中改裝割臺切割器的落粒損失為27 kg/hm2，比標(biāo)準(zhǔn)割臺切割器造成的損失減少 1/2，展現(xiàn)了割臺切割器與傳送帶前部配置的效果[48]。

Pari等介紹了意大利農(nóng)場油菜機(jī)械收獲損失情況，意大利的油菜種植主要受限于機(jī)械收獲和天氣原因造成的籽粒損失，該研究從成熟到收獲的所有階段考慮，確定有效籽粒損失，對試驗(yàn)機(jī)械收獲聯(lián)合收割機(jī)配置谷物割臺和特殊油菜割臺等2種不同割臺。結(jié)果表明，這種特殊油菜割臺可以減少籽粒損失，其損失量低于文獻(xiàn)中報(bào)道的范圍，并且可以精密測定損失較高的地方[49]。

Zareei等為減少收集損失，使用克拉斯510確定聯(lián)合收割機(jī)割臺部件的最佳調(diào)整位置以及影響收割機(jī)割臺損失的可調(diào)節(jié)因素包括前進(jìn)速度、撥禾輪速度、割茬高度、撥禾輪摟齒與割刀之間的水平距離及垂直距離等，試驗(yàn)采用田口方法設(shè)計(jì)和分析，使用L18正交矩陣，總共實(shí)施54組。試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳組合參數(shù)為前進(jìn)速度2.5 km/h，撥禾輪速度3 km/h，割茬高度30 cm，割刀水平距離10 cm，割刀垂直距離5 cm，此時組合得到最低收集損失。此外，前進(jìn)速度對收集損失的影響最大，撥禾輪速度、割茬高度、撥禾輪摟齒和割刀水平距離及垂直距離等的影響較小[50]。

2 存在的問題

國內(nèi)外學(xué)者對油菜收割機(jī)割臺開展了廣泛的研究，其研究結(jié)果可指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，其中對聯(lián)合收割機(jī)割臺通用化技術(shù)的研究較多，而針對油菜收獲特殊性問題的研究還不夠深入，仍存在一些亟待解決的問題。

油菜聯(lián)合收割機(jī)技術(shù)主要來源于相對成熟的稻麥?zhǔn)崭顧C(jī)，繼承了稻麥聯(lián)合收獲的路線、原理和機(jī)器結(jié)構(gòu)，但油菜和稻麥還是存在一定差異的，其植株高大，易炸角，易造成較高總損失，須要在兼用的基礎(chǔ)上，針對油菜收獲特性開展特殊部件和參數(shù)研究，以尋求新的突破。

設(shè)計(jì)仍需優(yōu)化。由傳統(tǒng)全喂入式稻麥聯(lián)合收割機(jī)改裝而成的油菜聯(lián)合收割機(jī)改變、增加了適應(yīng)油菜收獲的部件，但收獲損失仍然很大，分禾效果差，且含雜率較高。由于油菜莖稈高大，在割臺上會出現(xiàn)堆積堵塞、纏繞等問題，影響收獲作業(yè)生產(chǎn)效率，是亟須解決的問題。

油菜收獲割臺的研發(fā)。據(jù)測定，油菜割臺損失量占收獲總損失量的40%，且油菜成熟度越高，割臺損失量越大，如何優(yōu)化割刀、螺旋推運(yùn)器與撥禾輪之間的配置關(guān)系或設(shè)計(jì)新型割臺，減少割臺振動，回收落粒損失等都是值得研究的問題。

3 討論與建議

油菜機(jī)械化正處于加速發(fā)展的新起點(diǎn)，面臨難得的發(fā)展機(jī)遇和良好環(huán)境，隨著農(nóng)業(yè)新型經(jīng)營主體的發(fā)展以及經(jīng)營規(guī)模的擴(kuò)大，對新一代油菜聯(lián)合收割機(jī)在作業(yè)適應(yīng)性、順暢性和可靠性等方面提出了更高的要求，為此，須要開展更加深入的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高機(jī)器適應(yīng)性

對于機(jī)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅要追求某一方面最佳，而且要在整體上達(dá)到最佳；對割臺的優(yōu)化不僅要考慮割臺局部，而且要綜合考慮機(jī)器結(jié)構(gòu)和油菜的自身生長特性及生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)，因此須對收割過程中油菜莖稈在割臺上的運(yùn)動機(jī)制進(jìn)行深入細(xì)致的研究，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研發(fā)攻關(guān)，開發(fā)出真正適合油菜收獲的機(jī)器。

3.2 油菜專用割臺部件研發(fā)

主要為對專用切割器的研究，設(shè)計(jì)出減少振動、降低割臺損失、提高切割效率、降低能耗的切割系統(tǒng)對于割臺整體至關(guān)重要，傳動機(jī)構(gòu)、刀片形式、切割方式等都是要考慮的因素；可以嘗試性增加氣力式或機(jī)械式的落粒損失回收裝置；增加刀片切割等防纏繞部件，防止攪龍莖稈堵塞，提高輸送的流暢性。

3.3 新技術(shù)方法的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、理論計(jì)算方法的不斷發(fā)展及計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬仿真分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器開發(fā)設(shè)計(jì)擁有了更好的條件，從而可以提高設(shè)計(jì)的針對性和有效性，縮短設(shè)計(jì)周期并減少試驗(yàn)驗(yàn)證工作量。

3.4 提高智能化水平

從長遠(yuǎn)來說，可以通過智能化技術(shù)提高機(jī)器對作物的適應(yīng)性。如通過對作物狀態(tài)的檢測、判斷來自動調(diào)整割臺的工作參數(shù)，進(jìn)而有效改善收獲質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳崇友，易中懿. 我國油菜全程機(jī)械化技術(shù)路線的選擇[J]. 中國農(nóng)機(jī)化，2009(2)：3-6.

[2]左青松，黃海東，曹 石，等. 不同收獲時期對油菜機(jī)械收獲損失率及籽粒品質(zhì)的影響[J]. 作物學(xué)報(bào)，2014，40(4)：650-656.

[3]管偉萍，肖彌彰，王國槐. 油菜作為生物柴油原料的研究進(jìn)展[J]. 作物研究，2006，20(增刊1)：453-455.

[4]李耀明. 我國油菜聯(lián)合收割機(jī)的現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)機(jī)質(zhì)量與監(jiān)督，2005(1)：40-42.

[5]黃小毛，宗望遠(yuǎn). 油菜聯(lián)合收獲的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2012，2(1)：14-19.

[6]吳崇友，肖圣元，金 梅. 油菜聯(lián)合收獲與分段收獲效果比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(17)：10-16.

[7]季宏軍，豐 暉. 油菜收割機(jī)發(fā)展的制約因素及對策[J]. 江蘇農(nóng)機(jī)化，2012(4)：22-23.

[8]杜 金，蘭心敏. 淺析我國油菜聯(lián)合收割機(jī)發(fā)展?fàn)顩r[J]. 湖北農(nóng)機(jī)化，2010(3)：28-29.

[9]李海同，廖慶喜，李 平，等. 油菜聯(lián)合收獲機(jī)分體組合式割臺的設(shè)計(jì)[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33(5)：111-116.

[10]金誠謙，吳崇友. 油菜收獲技術(shù)基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(1)：5-9.

[11]董建東，何增富. 油菜收割機(jī)豎側(cè)切割器的研究和設(shè)計(jì)[J]. 中國農(nóng)機(jī)化，2008(1)：69-72.

[12]徐立章，李耀明，馬朝興，等. 4LYB1-2.0型油菜聯(lián)合收獲機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(8)：54-57.

[13]吳明亮，官春云，湯楚宙，等. 油菜莖稈切割力影響因素試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(6)：141-144.

[14]王健康，吳明亮，任述光，等. 往復(fù)式切割器傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動動力學(xué)分析[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27(1)：190-194.

[15]李青林，戴青玲. 基于ADAMS油菜聯(lián)合收獲機(jī)割刀驅(qū)動機(jī)構(gòu)的仿真[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(3)：56-58.

[16]張居敏，黃永俊. 油菜聯(lián)合收割機(jī)高速切割器創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2008(7)：143-145.

[17]李仲愷，謝方平，劉 科，等. 油菜收獲圓盤式切割器的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，40(1)：83-88.

[18]羅海峰，湯楚宙，官春云，等. 適應(yīng)機(jī)械化收獲的田間油菜植株特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(增刊1)：61-66.

[19]任述光，吳明亮，謝方平，等. 油菜莖稈彈性模量的測定[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34(1)：38-41.

[20]馬 征，李耀明，徐立章. 油菜莖稈彈性力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016(5)：187-191.

[21]劉兆朋，謝方平，吳明亮. 成熟期油菜莖稈力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(2)：147-149.

[22]羅海峰，吳明亮，翁 偉，等. 成熟期油菜莖稈物理模型試驗(yàn)研究[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，39(1)：88-90，93.

[23]黃 震，吳明亮，官春云，等. 油菜莖稈連接力的測定[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，37(6)：678-680.

[24]廖宜濤，廖慶喜，舒彩霞，等. 油菜莖稈物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究[C]//第十二屆國際油菜大會論文集. 武漢，2007：172-201.

[25]許虎泉，彭珍鳳. 新型油菜收割機(jī)撥禾輪主參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2007，33(6)：58-59.

[26]董月亮，李耀明，徐立章. 油菜聯(lián)合收割機(jī)割臺損失影響因素的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2008(5)：109-112.

[27]孟為國，殷曉軍. 某型聯(lián)合收割機(jī)撥禾輪分析優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2011(6)：9-11.

[28]楊樹川，楊術(shù)明，佘永衛(wèi). 撥禾輪運(yùn)動軌跡的計(jì)算機(jī)仿真[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(12)：141-145.

[29]祁 兵，楊曉京，呂鵬翔. 基于Adams的聯(lián)合收割機(jī)撥禾輪前移范圍的仿真研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，33(3)：70-72，80.

[30]任文濤，王洪來，崔紅光，等. 撥禾輪工作中作物回彈的模擬分析[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，34(2)：121-123.

[31]Hirai Y，Inoue E，Mori K，et al. PM-Power and machinery：investigation of mechanical interaction between a combine harvester reel and crop stalks[J]. Biosystems Engineering，2002，83(3)：307-317.

[32]Hirai Y，Inoue E，Mori K. Application of a quasi-static stalk bending analysis to the dynamic response of rice and wheat stalks gathered by a combine harvester reel[J]. Biosystems Engineering，2004，88(3)：281-294.

[33]高 潮，龔文軍. 聯(lián)合收割機(jī)割臺故障及處理[J]. 湖南農(nóng)機(jī)，2008(8)：30-31.

[34]王洪群. 提高小型聯(lián)合收割機(jī)攪龍輸送均勻性[J]. 農(nóng)村機(jī)械化，1994(3)：21.

[35]張國彪. 防止收割機(jī)螺旋推運(yùn)器堵塞[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械，1986(4)：17.

[36]余克強(qiáng)，成永三，楊 泉，等. 基于MATLAB的谷物聯(lián)合收割機(jī)喂入攪龍機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析和仿真[C]//中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集. 重慶，2011.

[37]查躍華. 新型油菜聯(lián)合收割機(jī)割臺的研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2007，33(6)：19-20.

[38]林連華，王建強(qiáng)，徐海港，等. 4LZ-2.5型自走式油菜聯(lián)合收獲機(jī)的研究與開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2012，2(6)：53-57.

[39]陳翠英，王新忠，何增富. 谷物聯(lián)合收獲機(jī)油菜收獲割臺的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34(5)：54-56，60.

[40]孟為國，金文忻. 聯(lián)合收割機(jī)割臺高度自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械，2013(31)：129-132.

[41]李青林，戴青玲. 基于ANSYS的割臺框架諧響應(yīng)分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(10)：28-30，34.

[42]李青林，陳翠英，馬成禛. 4LYZ-2油菜收獲機(jī)割臺框架有限元模態(tài)分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36(1)：54-56，60.

[43]李耀明，李有為，徐立章，等. 聯(lián)合收獲機(jī)割臺機(jī)架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(18)：30-37.

[44]羅海峰，湯楚宙，官春云，等. 油菜機(jī)收割臺莖稈分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，38(5)：548-550.

[45]冀牧野，廖慶喜，李海同，等. 油菜聯(lián)合收獲機(jī)梳脫式割臺設(shè)計(jì)[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35(5)：117-124.

[46]Lopes G T，Magalhaes P S G，Nóbrega E G O. Optimal header height control system for combine harvesters[J]. Biosystems Engineering，2002，81(3)：261-272.

[47]Asoodar M A，Izadinia Y.收割機(jī)前部擴(kuò)充配件對降低油菜收獲損失的作用(摘選)[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2012，2(9)：79-81.

[48]Hobson R N，Bruce D M. Seed loss when cutting a standing crop of oilseed rape with two types of combine harvester header[J]. Biosystems Engineering，2002，81(3)：281-286.

[49]Pari L，Assirelli A，Suardi A，et al. The harvest of oilseed rape (BrassicanapusL.)：the effective yield losses at on-farm scale in the Italian area[J]. Biomass and Bioenergy，2012，46(SI)：453-458.

[50]Zareei S，Pour S A，Moghaddam M，et al. Optimum setting of combine header for wheat harvesting using Taguchi method[J]. Research on Crops，2012，13(3)：1142-1146.