發(fā)布時(shí)間：所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為了探明不同品種淀粉薯莖稈的機(jī)械特性，以提高馬鈴薯機(jī)械化粉碎還田作業(yè)質(zhì)量，對(duì)馬鈴薯收獲階段不同時(shí)期的莖稈進(jìn)行物理特性分析。以北方地區(qū)淀粉薯興佳2號(hào)、延薯4號(hào)為試驗(yàn)對(duì)象，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、電子天平及電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱等儀器設(shè)備，研究收獲
摘要:為了探明不同品種淀粉薯莖稈的機(jī)械特性，以提高馬鈴薯機(jī)械化粉碎還田作業(yè)質(zhì)量，對(duì)馬鈴薯收獲階段不同時(shí)期的莖稈進(jìn)行物理特性分析。以北方地區(qū)淀粉薯興佳2號(hào)、延薯4號(hào)為試驗(yàn)對(duì)象，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、電子天平及電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱等儀器設(shè)備，研究收獲期內(nèi)兩種淀粉薯莖稈的離地高度和剪切力的變化，得出最佳打秧離地高度為9cm及破壞馬鈴薯莖稈的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)收獲3個(gè)時(shí)期、兩個(gè)品種的薯秧含水率進(jìn)行測(cè)量，得出越臨近收獲期莖稈含水率越低的規(guī)律，確定淀粉薯殺秧最佳時(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，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，對(duì)比相同作物的函數(shù)關(guān)系式變化趨勢(shì)，得出最佳的時(shí)間為10月7號(hào)。本研究為馬鈴薯莖稈粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速、切刀速度及切刀拉力等參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，并為適宜的馬鈴薯莖稈粉碎期選擇提供了參考。
關(guān)鍵詞:淀粉薯;莖稈;機(jī)械特性;剪切力
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(lái)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(lái)，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1389.83khm2，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(guò)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。
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。化學(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(guò)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
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
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(kāi)始?xì)⒀恚?0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。
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(wàn)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1600r/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]。
相關(guān)知識(shí)推薦：cscd農(nóng)業(yè)類期刊有哪些
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(wàn)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]。
2結(jié)果與分析
2.1莖稈含水率變化規(guī)律
通過(guò)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，
馬鈴薯在生長(zhǎng)過(guò)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(guò)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。
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(jiàn)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
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。
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/T2706-2015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(jiàn)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。
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(guò)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。
4討論與結(jié)論
4.1討論
打秧作業(yè)后發(fā)現(xiàn)的問(wèn)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(wú)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(guò)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)。