油菜全产业链机械化智能化关键技术装备研究现状及发展趋势_万星宇.pdf

第 卷 第 期 年 月 华 中 农 业 大 学 学 报 万星宇 廖庆喜 廖宜涛 等 油菜全产业链机械化智能化关键技术装备研究现状及发展趋势 华中农业大学学报 收稿日期 基金项目 国家油菜产业技术体系专项 国家自然科学基金项目 中国博士后科学基金项目 万星宇 通信作者 廖庆喜 油菜全产业链机械化智能化关键技术装备 研究现状及发展趋势 万星宇 廖庆喜 廖宜涛 丁幼春 张青松 黄凰 陈慧 朱龙图 华中农业大学工学院 武汉 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室 武汉 摘要 油菜全产业链包括产前 产中 产后阶段 发展各阶段机械化与智能化技术是实现油菜生产节本增效 的重要途径之一 本文分析了国内外油菜全产业链生产概况和主要环节关键技术与装备发展现状 概述了产前 油菜小区育种 种子精细处理与产后油脂加工关键技术 重点阐述了产中阶段耕整地 播种 收获 田间管理环节 的重点技术发展动态 涵盖了种床整理技术 开畦沟技术 深施肥与秸秆还田技术 单体式与集中式精量排种技 术 无人机播种与病虫草害防控技术 分段与联合收获技术 饲用油菜收获技术及其配套装备 在系统总结和分 析我国油菜产业特点和发展趋势的基础上 指出了现阶段油菜全产业链机械化智能化发展存在区域不平衡 上 下游阶段不平衡和各环节技术体系不平衡 提出加快产前 产后成套装备研发 促进油菜多功能开发利用 实现 产中各环节机械化水平均衡发展 探索油菜机械化生产智能技术与无人系统 形成政府推动 市场拉动 规模驱 动 科技引领的发展路径 是实现油菜全产业链高质高效发展的关键 关键词 油菜 油菜机械 全产业链 机械化 智能化 发展趋势 成套装备 多功能开发 无人系统 均 衡发展 中图分类号 文献标识码 文章编号 油菜是我国最重要的油料作物之一 具有饲料 绿肥 蔬菜 能源 旅游以及蜜源等多种功能和开发 利用上的优势 我国主要油菜种植区域一般可分为 冬播油菜和春播油菜两大产区 其中冬油菜产区集 中分布于长江流域 占总产量的 以上 种植形 式上以稻 油或稻 稻 油水旱轮作方式为主 按照 油菜生产经营流程 油菜全产业链包括产前 产中 产后三大阶段 产前阶段以育种和种子精细处理为 主 涵盖优良种子种苗繁育与推广 农资储备与供应 等 耕整地 播种 田间管理 收获是产中阶段的主要 环节 但各环节机械化整体水平不高且发展不均衡 年油菜机播率 机收率分别仅为 和 产后阶段主要为油脂加工 包括收获后油菜种 子预处理 制油 精炼等环节 长期以来 油菜全产 业链三大阶段发展相对孤立 综合机械化水平低下 智能化进展缓慢 进而导致生产成本高 效益低 制 约了油菜产业的发展 随着农业现代化进程快速推 进 农业生产经营向以机械化为支撑的适度规模方 式转型 打通我国油菜生产产前 产中 产后阶段 技术与经营壁垒 提高全产业链综合机械化 智能化 水平是实现油菜产业高质量发展的重要途径 本文在介绍国内外油菜生产与我国全产业链概 况基础上 比较了国内外油菜生产产前 产中 产后 三大阶段主要环节机械化智能化关键技术与装备发 展现状 分析了现阶段油菜全产业链综合发展的技 术难点和存在问题 展望了我国油菜全产业链机械 化智能化技术发展趋势 油菜全产业链概述 油菜是十字花科芸薹属一年生草本植物 主要 分为白菜型 芥菜型和甘蓝型 种类型 由于其抗 逆性强 适应范围广 目前是全球许多国家和地区的 主要油料作物之一 我国的油菜主产区一般可划 分为冬播油菜区和春播油菜区 我国冬播油菜种植 第 期 万星宇 等 油菜全产业链机械化智能化关键技术装备研究现状及发展趋势 区域主要集中在长江流域各省份 春播油菜种植区 主要分布在青海 内蒙 甘肃等 省 区 油菜全 产业链指油菜生产的产前 产中 产后 个阶段 主 要环节如图 所示 图 油菜全产业链机械化生产主要环节 产前阶段主要为油菜育种和种子精细处理 田 间机械化育种技术与装备已发展成为特殊的 独立 的机械化技术体系 以小区播种最为典型 种子精 细处理指使用生物 物理 化学因子以精选或保护油 菜种子 控制病虫草害 提高油菜在不同土壤条件下 的出苗率和幼苗素质 对于提高油菜 一播全苗 的 稳定性 产量和品质有着重要意义 主要环节包括油 菜种子清选 消毒浸种 包衣等 产中阶段主要包括耕整地 播种 田间管理 收 获等主要环节 耕整地是油菜种植的首要环节 其 目的在于创造良好的土壤耕层构造和表面状态 关键技术包括油菜种床整理 开畦沟 深施肥 秸秆 还田等 播种是油菜生产的关键环节之一 现阶段 主要应用精量播种技术将油菜种子以一定播种量均 匀地播撒在种床适宜位置 保障了农艺要求的种植 密度 为种子发芽 光水肥气充分利用 个体与群体 均衡发育提供良好条件 田间管理是油菜生产的 长周期环节 是油菜从播种到收获的整个生长过程 所需的各种管理措施 包括间苗 追肥 防治病虫草 害等 收获是产中阶段的收尾环节 是高效低损获 取清洁籽粒的关键 机械化收获在多熟制地区有利 于缩短收获期 为及时栽种后茬作物创造条件 产后阶段主要指油脂加工过程 是油菜生产商 品转化环节 油脂加工环节主要是从油菜籽粒中提 取油脂 并对提取的毛油进行精炼 得到精制的食用 油脂产品 同时 对油菜籽粒进行精深加工和综合利 用 从油脂生产副产物中提取高附加值的产品 协调同步发展产前 产中 产后阶段机械化生产 关键技术与装备是提高企业 新型经营主体等抵御 市场风险的能力 促进农业现代化 实现劳动力就业 与油菜产业发展由产中集约向产前 产后阶段拓展 的关键 产前小区播种和种子精细处理技术 与装备 小区播种技术与装备 小区播种机是培育新品种时专门用于田间试验 的播种机 具有定量播种 自动清种等特点 高性能 小区播种机的应用是提高小区育种试验 加快油菜 新品种研发 促进育种产业发展的重要方式 国外小区育种机械起步较早 小区播种机技术 趋于成熟 国外生产小区播种装备的公司包括奥地 利的温特斯泰格 丹麦的霍尔 美国的阿麦科 巴西的 等 代表机型如图 所示 温特斯 泰格 公司研制了气吸组合式小区精 量播种机 实现了单粒排种 并通过安装电子调控 器 播种定位控制器以及 模块 提高了自动化 程度 实现了种子播量 播深等参数的可调可控 小区单粒播种机 轻型小区条播播种机 小区单粒播种机 型自走式小区播种机 手扶式小区育种播种机 全自动化小区精量播种机 图 油菜育种小区播种装备 华中农业大学学报 第 卷 国内对小区育种机械的研究起步较晚 小区育种试 验多采用人工播种的作业方式 随着种子产业的发 展 玉米 大豆 苜蓿等大粒径作物的小区播种机发 展迅速 年 黑龙江省农垦总局红兴隆农管局 科研所成功研制 系列小区播种机 图 可实现不同种类种子及肥料的播量可调 年 黑龙江省东北农业大学成功研制了 手 扶式小区育种精密播种机 图 可一次完成开 沟 播种 覆土 镇压等作业工序 体积小 质量轻 可 单人操作 年 中机美诺农机公司成功研制 了全自动化的小区精量播种机 图 具有自动化 程度高 播种效率高 播种稳定性好等特点 然 而 针对籽粒细小油菜的育种专用小区播种装备鲜 有报道 我国大部分地区处于 无机可用 或 无好机 可选 的状态 严重制约了油菜种业的发展 种子精选处理技术与装备 产前种子精选处理包括种子清选 浸种消毒 包 衣等环节 种子清选是指利用种子与杂余物物理和 空气动力学特性差异 通过种子清选机械选出合格 优良的种子 目前种子清选以风筛组合式清选方式 为主 侯艳芳等 利用悬浮速度的差异设计了由吸 入型风选装置和下吹风装置组成的风选装置 获选 率为 胡志超等 针对现有风筛 式清选机生产率低的问题 对振动喂料装置和主动 力系统与筛体振动装置进行优化 研制了高效风筛 式种子清选机 实际生产率可达 针对油 菜种子粒径小 易破损等问题 提高种子清选机械适 应性是解决专用化的关键 现阶段浸种消毒研究以消毒工艺为主 万林 等 通过研究经 浸泡的油菜种子出苗后生 物质酶的活性及有机质的含量 得出过氧化氢浸种 能促进苗期生长 提高产量 张顺凯等 通过研究 浸种对不同播期油菜生长发育的影响 得出 浸种处理对早播油菜生产具有负向效应 但 对晚播油菜生产具有显著的正向效应 目前与消毒 浸种工艺的配套机械化技术与装备鲜有报道 种子包衣是将农药 肥料 杀虫剂 杀菌剂等化 学成分混合在一起 加入黏着剂或成膜剂通过搅拌 或喷涂等方法包裹在种子的表面 是现代种子加工 生产中的关键环节 具有代表性的种子设备有丹麦 的兴百利 公司生产的 批次式包 衣机 美国的 公司生产的 批次式种 子处理机等 任奕林等 为解决包衣过程中种子 之间的粘接问题 设计了一种可自由拆卸式的对辊 式滚筒机构油菜种子包衣设备 通过设置密布和相 互配合的上凹槽和下凹槽 可实现油菜种子单独包 衣 喻志成 结合机器视觉技术 依据种子包衣后 种衣的特点 提出使用机器视觉技术对种子包衣技 术进行鉴定 提出了采用结合机器视觉技术的种子 包衣智能化控制方式 总体而言 我国产前种子精细处理设备多为通 用机型 存在适应性差 作业质量不佳等问题 难以 满足油菜高质量精细处理要求 油菜专用设备匮 乏 需要围绕油菜种子粒径小 流动性好 含油量高 易破损等生产现实开发配套技术与装备 产中环节关键技术与装备 耕整地技术与装备 种床整理技术与装备 我国南方冬油菜主产 区生产季节的降水量较大 因此 一般要求油菜种植 耕整地机具作业后的种床厢面平整 具体而言细碎 土层深度需在 以上 地表平整度在 之内 碎土率大于 且开好厢沟 腰沟 畦沟 沟宽需 沟深 以便雨水及时 排出 才能满足油菜种植的基本要求 进行机械化耕整作业时 耕整机械的耕作深度 主要由联合耕整 翻耕 旋耕 深松等机具作业深度 及仿形机构共同决定 研究耕深稳定性调控技术 对后续油菜播种作业至关重要 国外如凯斯纽荷 兰 约翰迪尔等大型农机公司研发的联合耕整机 图 利用机具自身质量 通过调节行走支撑轮离地 高度进而控制机具作业深度 可通过相关传感技术 实时调节耕作深度 国内相关学者对耕整机具作业 深度也进行了研究 万国伟等 研制了一种液压驱 动式圆盘耙 作业耕深为 耕深稳定性 变异系数为 刘晓鹏等 开发设计了一种联 合耕整机 该耕整机主要采用主动式对置犁耕与被 动式开畦沟 碎土 平整相结合的工艺方案 试验结 果显示 该该耕整机耕深稳定性系数达 以上 一般耕作机具实现耕深稳定后 还需进行碎土 平整作业 以避免播深不一致 导致油菜出苗不齐及 长势不一致等问题 国外油菜用联合耕整机具一 般通过后置安装钉齿耙 弹齿耙或者碎土辊以实现 土地的细碎平整 图 张青松等 研制 了一种深浅旋组合式种床整备装置 该装置采用多 区段双螺旋线对称排列旋耕弯刀实现旋耕碎土 再 第 期 万星宇 等 油菜全产业链机械化智能化关键技术装备研究现状及发展趋势 配合后拖板实现厢面平整 试验结果显示 该种床整 备装置的碎土率与厢面平整度分别为 和 在保证厢面平整度与碎土率的基础上 还需满 足油菜种植作畦开沟的农艺要求 现阶段油菜播种 开畦沟装置的作业方式主要包括主动和被动开沟 种 其中主动开畦沟装置作业效果好 但功耗较高 被动开畦沟装置虽然结构简单 但难以保持作业稳 定 张青松等 设计了一种类铧式犁开畦沟装 置 实现了前犁开沟起土 后犁收沟整形的开沟工 艺 为满足土壤高含水率条件下的开畦沟作业要 求 刘晓鹏等 进一步设计了一种船型开沟器 该 船型开沟器作业是可形成沟深 上沟 宽 沟底宽 的梯形畦沟 开 畦沟技术是我国南方冬油菜产区油菜种植田间雨水 顺利排出的重要保障 种床整理是油菜播种重要环节 稳定的土层深 度 适宜的细碎土壤和厢面平整度是保障油菜正常 生长发育的必备条件 国外种床整理多采用大型化 装备 作业效率高 但不适宜于我国南方油菜主产区 土壤黏重板结 地表前茬作物秸秆残留量大等复杂 田间工况 发展适应该地区种床整理的耕整地装备 是研究难点 深施肥和秸秆还田技术与装备 传统撒施或 者机械混施于土壤表面的施肥方式 其肥料利用率 一般不超过 与之相比 肥料深施通过将肥料 施入到种子的正下方或者侧下方土层指定深度 可 有效降低肥料挥发和流失 肥料利用率可提高到 形式多样的深施肥铲 图 是 实现肥料深施的关键部件之一 国外联合耕整机 由于作业幅宽大 一般多采用锄铲式或滑刀式深施 肥铲 主要为多列交错布置以防止土壤拥堵 如约翰 迪尔 型联合耕整机的作业幅宽可达 其 中深施肥铲布置成 列 每列铲体间距达 受我国南方冬油菜产区田块面积小 田间转移不便 等不利因素的影响 我国油菜深施肥装备作业幅宽 一般较小 普遍作业幅宽为 机具作业速度 一般不超过 为解决水旱轮作区深施肥铲易 堵塞的问题 肖文立等 设计了一种带切茬圆盘的 类铧式深施肥装置 通过在施肥铲体前安装切茬圆 盘 实现切茬 破土及深施肥的功能 廖宜涛等 基于主动刮削防堵原理设计了一种油菜精量联合直 播机主动防堵深施肥装置 可满足稻 油轮作区油菜 种植施肥播种农艺要求 在我国冬油菜产区 由于 地表秸秆量大且韧性强 土壤黏重板结 油菜种植机 具作业幅宽小 深施肥部件铲体及出肥口易堵塞 难 以保证深施肥作业质量 采用仿生技术及创新性设 计新型深施肥机是目前冬油菜产区深施肥部件研究 的重点及难点 秸秆还田不仅降低了秸秆焚烧所造成的大气污 染 而且还可通过增加土壤有机质 改良土壤结构 促进微生物活力和作物根系发育等实现增产 进一 步减少化肥施用量 国外地块广阔区域如加拿大等 在播种油菜前 先通过大型联合耕整机对地表秸秆 进行翻埋和还田处理 为后续的油菜播种提供了良 好条件 目前我国南方冬油菜产区采用独特的水旱 轮作模式 由于油菜播种时土壤黏重板结 且地表前 茬作物秸秆高粗 残留量大 秸秆还田技术尚未成熟 应用 为提高对复杂田间工况的适应性 魏国粱 等 设计了一种犁旋组合式油菜直播机 图 该机型可一次性作业完成秸秆翻埋 碎土平整 开畦 沟 施肥 播种等作业工序 廖庆喜等 则设计了 一种带状种床整理装置 图 通过旋耕装置的灭 茬刀组及带状旋耕刀组进行秸秆还田及种床整理 秸秆还田技术及装备的应用可实现田间大量秸秆的 机械化埋覆 在减轻劳动强度的同时还可有效地避 免机具堵塞 提高了油菜机械化播种效率 精量播种技术与装备 随着农机农艺技术深度融合 傅廷栋院士提出 油菜种植可因地 因时增加种植密度等建议 达到 以密增产 以密补迟 以密省肥 以密控草 以密适 机 的效果 油菜种子具有粒径小 球形度高以及流 动性较好等特点 但由于其表皮薄且含油量高 导致 机播时易出现破损和堵塞现象 开发适用于油菜种 子特殊生物学特性和密植农艺要求的排种器是目前 油菜机械化精量播种的难点和关键点之一 此外 随着土地经营方式转变 以农业专业合作社 农机专 业合作社和家庭农场为主体的适度规模经营成为发 展趋势 对作物播种效率提出了更高要求 目前 油 菜机械化精量播种主要由单体式排种 集中式排种 无人机排种等排种方式 单体式精量排种技术与装备 单体式排种器 可播种一行作物 依据作业幅宽及行距 播种机可模 块化配置多个单体式排种器一次完成多行作业 油 菜单体式精量排种主要包含机械式和气力式两类 汤楚宙等 针对型孔轮式排种器设计了一种调节 华中农业大学学报 第 卷 联合耕整机限深单元 联合耕整机碎土单元 联合耕整机平整单元 深施肥示意图 锄铲式深施肥铲 滑刀式深施肥铲 类铧式深施肥铲 犁旋组合式油菜直播机 灭茬旋耕双轴耕整机 图 种床整理 深施肥技术以及秸秆还田技术装备 环以调节播量 研究了不同排种器结构尺寸及作业 参数对排种均匀性及种子破损率的影响规律 张青 松等 设计了一种带缺口矩形勺式油菜精量穴播 排种器 研究了型孔尺寸 数量 安装倾角和转速等 因素对播种质量的影响规律 气力式排种器相比于机械式排种器具有伤种率 低及对种子适应性好等优点 田波平等 研制了 型油菜精量联合直播机 能一次完成开沟 起垄 播种 施肥等作业 舒彩霞等 廖宜涛等 进一步分析了其气力系统工作特性并提出一种溢流 释压的稳压方法 研究了各运行参数对排种质量的 影响规律 为提高油菜精量直播机对播量变化的适 应性 舒彩霞等 设计了一种凸轮摇杆式播量调节 装置 分析了调节装置运动学特性 为进一步提高正 负气压式排种器对高速排种适应性 李兆东等 设 计了槽齿组合式吸种盘 采用动力学分析与 仿真分析等手段研究了较优的槽齿结构型式及其对 充种和吸种效果的影响机理 通过不断改进优化 系列播种机已在长江流域冬油菜种植区及部 分春油菜种植区得到广泛应用 集中式精量排种技术与装备 集中排种器 简称集排器 为 个排种部件 个种箱或者 个 统一的输种系统同时排种 实现 一器多行 的精量 排种装置 可实现高速 宽幅播种 显著提高工作效 率 具有装种卸种方便 整机及传动结构简单等特 点 已成为当前排种技术发展的趋势 根据排种 原理可分为机械离心式集排器 气力滚筒式排种器 和气送式集排器 图 机械离心式排种器主要利用回转运动部件迫使 种子在离心力作用下排出 廖庆喜等 设计了一 器多行机械离心式油菜排种器 图 依靠回转的 倒置内锥筒实现一器多行排种 同时结合 软 件模拟分析了排种过程 探明了种子量与临界转速 之间的关系 进一步通过优化型孔直径并设计枝 状阀式分流装置提高了田间作业适应性 王都 等 为提高油菜离心式集排器充种稳定性 设计了 一种 沙漏通道 型充种管 实现排种器种子流可控 机械离心式集排器结构简单且灵敏度高 但其排种 量与播种机前进速度同步性不够 气力滚筒式集排器 图 应用气流正压或负 压使种子吸附或压在型孔上 一次播种 行 基于正负气压组合式排种原理 李明等 设计了一 种气力滚筒式油菜精量集排器 建立了负压值 正压 值与集排器结构参数和运行参数的数学关系模型 李兆东等 采用气流清种与气压护种组合技术解 决了种子易被剪切破坏的问题 设计了一种 倒方 锥 型孔并应用于油菜精量气压式集排器 德国阿 玛松公司研制了 气压式精密排种器 可适 应前进速度 的高速精量播种 完全满足大 田块高效播种需求 气送式集排器采用机械定量 气流一阶分配或 二阶分配的方式排种 能适应多种作物高速 宽幅 第 期 万星宇 等 油菜全产业链机械化智能化关键技术装备研究现状及发展趋势 高效播种 已成为国内外排种器发展的主要方向 国外的气送式播种机主要应用于以大豆 麦类等为 代表的中 大粒径作物种子精量条播 等 采用的 型和 型气送式集 排器可将大豆 绿豆 高粱和小麦等种子平均分配至 开沟器中 等 比较了平行盘 封闭漏斗型 和流线型分配器结构形状对排种性能的影响 发现 供种速率和入口气压对分配均匀性影响较大 我国 南方冬油菜产区多为稻油 麦 水旱轮作种植方式 油菜 小麦是主要冬季种植作物 为提高机具利用 率 雷小龙等 设计了油麦兼用型气送式集排器 图 以提高机具利用率 提出了一种倾斜锥柱状 型孔和锥孔轮交错排布的结构 优化设计了文丘里 管式供料装置和碗式枝状分配器 邢鹤琛等 设 计一种油菜双圈 小麦三圈型孔交错排布以及斜锥 形型孔结构的油麦兼用集排器 基本满足长江中下 游地区油菜和小麦播种要求 为实现油菜轻简化精 量 高速播种 等 进行了气流集排的关键 参数 空气速度 流量浓度和管道直径 与排种均匀 性影响的研究 等 为研究气送式集 排器中种子 气流两相流的影响机制 开展了 耦合仿真 以数学模型的方式描述了集 排器分种的过程 针对作业坡度对油菜气送式集排 器性能影响的问题 王磊等 应用 仿真探究地表坡度对供种装置 集中分配器性 能的影响规律 针对坡度变化范围大时供种量稳定 性不足等问题 设计了一种调节弹簧调节清种毛刷 与外切圆弧型孔轮距离以控制充种及清种量 实现 坡地播种稳定供种 气送式集排器排种性能优越 可适应高速 宽幅 多种作物的精量播种 现阶段能 满足油菜 小麦等小 中粒径种子的播种要求 有效 提高了机具利用率和生产效率 是中国农业现代化 进程中规模化经营机械化播种的发展趋势 无人机播种技术与装备 长江中下游地区丘 陵 山区 河滩 坡地等冬闲田面积广阔 是油菜种植 的潜在耕地资源之一 常规地面播种装备因适应性 问题无法进入作业或进入作业的经济效益不高 配 备高精度自主飞行功能的无人机体型小 作业灵活 可悬停 起降无需跑道 地形适应性好 可以实现航 迹规划和自动导航飞行 具有地面播种装备无法 比拟的高通过性特点 利用无人机飞播技术可 完成复杂地貌的油菜种植 油菜无人播种装备主要由无人机和播种装置组 成 无人机作为利用无线电遥控设备和自备程序控 制装置操纵的不载人飞行器 可实现适应不同地貌 和播量需求的油菜飞播 黄小毛等 为有效解决 农用无人机复杂边界田块下的油菜播种作业问题 引入贪婪算法 凸多边形最小跨度法和步进旋转法 提出一种对田块边界形状具有普适性意义的旋翼无 人机作业路径规划算法 徐博等 为实现多个作 业区域不同播种效果 基于遗传算法与 问题得 到区域间的优化作业顺序 研究了一种无人机全局 航线规划算法 吴开华等 为在坡地作业过程中 保持稳定的仿地飞行以提高作业质量 通过前置毫 米波雷达与对地毫米波雷达的高度进行多雷达高度 信息融合以提高响应速度 并采用模糊 控制算 法控制无人机高度 针对无人机的研究主要为提高 飞播作业过程的作业质量 效率和续航 重点开展无 人机作业路径的规划和优化工作 播种装置作为实现飞播的核心部件 其排种性 能决定种子在地表分布的均匀性和一致性 张青松 等 为解决丘陵山区油菜种植面积逐步扩大和平 原地区稻油茬口矛盾突出的问题 开发了与极飞 四旋翼无人机平台配套的油菜无人机飞播装置 和控制系统 设计的槽轮式排种装置可实现油菜条 播 黄小毛等 设计了基于离心条播式排种器的无 人机油菜飞播装 优化了上凸锥筒离心式排种器结 构 提出了一种与离心排种器配合使用可实现油菜 条播的辅助导种装置 等 为实现坡地有效播 种 设计了一种用于无人机的离心式排种装置 应用 仿真分析离心式圆盘的转速 无人机的飞行 高度和挡板环的角度对分布均匀性的影响 综上所 述 现有针对无人机播种装备的研究主要集中于设 计轻量化 结构简单的排种装置 通过仿真和试验分 析无人机旋翼气流 排种装置 导种管对播种均匀性 的影响 且为增加地表种子分布的有序性 无人播种 逐渐由撒播到条播技术发展 收获技术与装备 油菜属于无花序作物 植株高大 分枝多 成熟 果荚易炸裂 机械化收获作业难度较大 现阶段油 菜机械化收获方式主要有联合收获和分段收获两种 形式 此外 为提高油菜种植附加价值 实现油菜多 功能开发利用 饲用收获也逐步推广应用 分段收获技术与装备 分段收获主要通过割 晒机先将油菜割倒铺放于田间进行晾晒 利用后熟 作用至油菜完全成熟后 再进行捡拾 脱粒作业 我 华中农业大学学报 第 卷 国油菜种植区域跨度较大 各地区油菜特性与成熟 度不一致 增加了油菜的收获难度 分段收获充分 利用了油菜的后熟作用 确保成熟度基本一致 对油 菜的品种适应性较强 延长了收获期 可减小收获损 失率并有效缓解轮作区茬口矛盾突出的问题 且收 获后籽粒相对饱满 含水率基本一致 利于产后油脂 加工 提高油脂品质 割晒机主要通过立式或卧式割台输送装置将割 倒后的油菜集中并有序铺放至田间 铺放方式可分 为中间铺放与侧边铺放 种形式 因油菜植株高 大 国内外油菜割晒机以卧式割台为主 种铺放方 式并存 发达国家已实现油菜规模化种植 形成了 宽幅 大马力 专用化 智能化的油菜割晒装备 如 公司研制的 系列割晒机 图 采用中间铺放方式 割幅可达 可根 据需要调节割茬高度 加拿大 公司研制的 型割晒机 图 割幅为 能够 实现双向驾驶 收获效率高 在关键装置与调控技 术研发上 等 针对油菜收获时堵塞严重 损失较大的问题 设计了一种辅助输送装置 提高了 油菜输送的流畅性 等 设计了一种配有 速度控制系统的自走式油菜割晒机 可以根据作业 需求调节收获速度 提高了收获的适应性 我国油菜收获机械研究起步较晚 现阶段分段 收获装备基本实现了切割 输送 铺放的功能 但存 在输送效率低 铺放质量差 输送通道易堵塞等问 题 限制了割晒机的工作效率 廖宜涛等 针对南 方小地块作业损失大 能耗高等问题 设计了一种用 于小地块油菜分段收获的 型手扶式油菜割 晒机 与手扶拖拉机配套作业 结构简单 韩彩锐 等 针对前悬挂油菜割晒机传动路径复杂 动力损 失大等问题 设计了一套与 型油菜割晒机 配套的液压驱动系统 各运动单元独立工作 提高了 对不同品种油菜的适应性 王修善等 针对现有 油菜割晒机适应性差等问题 设计了一种 型油菜割晒机 采用履带式底盘和立式割台作业 可 根据地形调整割茬高度 油菜铺放整齐均匀 石增 祥 等以联合收获机为动力平台设计了 型油菜割晒机 图 实现油菜的单侧铺放 油菜输送和铺放的过程中 机具参数与油菜特 殊生物学特性不匹配是导致铺放效果不佳的重要原 因 金诚谦等 基于 型油菜割晒机研究了 油菜形态 成熟度 输送机构参数 铺放装置参数以 及排禾口等因素对铺放质量的影响 蒋亚军等 针对 型油菜割晒机 图 机架振动幅度 大等问题 基于 对机架进行了建模分析 得 到了六阶模态下机架的频率与振型 提出了增加拱 门结构的设计方案 降低了割晒机工作时的共振 李海同等 为提高手扶立式油菜割晒机的作业性 能 基于 和 建立了割晒机与油菜植 株的刚柔耦合模型 并进行了仿真试验 得到了前进 速度 割茬高度 植株密度 摩擦系数等因素对油菜 铺放质量的影响 为割晒机的作业参数优化提供了 理论支撑 综上所述 国外因田块面积大 油菜割晒机以宽 幅 大喂入量 大马力 广适性为特点 多采用中间铺 放方式 基本实现了油菜茎秆的有序条铺 我国南 方冬油菜种植区受田块面积小 水旱轮作田间工况 复杂等制约 宽幅割晒机难以应用推广 有限割幅内 实现茎秆有序铺放是割晒机研发的难点 此外 实现 割晒机机组前进速度 拨禾轮转速 输送装置运行参 数等的综合适配是提高割晒机对油菜植株适应性的 关键 联合收获技术与装备 联合收获是使用联合 收获机一次性完成油菜切割 脱粒 分离 清选等主 要工序的收获方式 具有省时省力 作业效率高 适 宜抢农时等优点 可适应我国绝大部分地区的油菜 种植环境 得益于水稻 小麦等粮食作物联合收获 技术的快速发展 稻麦联合收获已形成了较为成熟 的机械化收获技术与装备体系 然而 由于油菜植 株高大 成熟度不一致 角果易炸裂等特殊生物学特 性 由稻麦联合收获平台发展而来的油菜联合收获 机适应性不足 综合损失率居高不下 年我国 油菜机收率仅为 远低于小麦 水稻的机械化 收获水平 目前油菜联合收获机总体上向广适性 大喂入量 智能化 功能集成化方向发展 图 和 图 为国内外典型油菜联合收获机 油菜联合收获机由割台 脱粒分离装置 清选装 置等组成 割台工作过程中割刀 侧边切割器往复运 动及拨禾轮击打是导致割台振动与落粒损失的主要 因素之一 植株接触部件的优化是提高油菜联合收 获机适应性 减少籽粒损失的关键 在解决割台 均匀喂入的问题上 李海同等 提出了具有茎秆切 割 输送 复切功能的分体组合式割台及其复切输送 器间隙自适应调节机构 朱剑等 开发了一种基于 嵌入式的电液比例控制系统 提升了割台工作高度 第 期 万星宇 等 油菜全产业链机械化智能化关键技术装备研究现状及发展趋势 调整实时性和准确性 庄肖波等 提出一种基于鲁 棒反馈线性化割台高度控制策略 提升喂入量的稳 定性 降低整机各环节的作业负荷波动 目前割台 损失仍是整机主要损失之一 低损均匀喂入是提升 后续工作部件性能的关键 针对脱粒分离装置大喂入量作业适应性要求 国内外围绕脱粒元件的选择与优化设计 脱粒间隙 可调结构设计及相关参数匹配设计开展了研究 唐 忠等 研究了不同脱粒元件的脱粒分离的性能影 响 试验得出短纹杆综合脱粒性能较优 邸志峰 等 设计了一种纹杆块与钉齿组合式轴流脱粒滚 筒 谢芳平等 耿端阳等 设计了柔性脱粒滚 筒 均为脱粒元件的设计与选型提供依据 李耀明 等 设计了由凹板间隙调节系统和凹板筛后侧油 压力采集系统组成的脱粒滚筒负荷监测和凹板间隙 调节装置 王勋威等 设计了一种直径可调的脱粒 滚筒 通过改变脱粒滚筒直径 实现脱粒间隙调节 脱粒分离装置作为联合收获机的核心装置 其物料 处理能力的提升是实现联合收获机喂入量提升的关 键 围绕大喂入量及其波动变化作业开展脱粒滚筒 结构设计 脱粒分离装置的参数优化与匹配是未来 发展方向 清选装置以风机与振动筛组合式清选装置为 主 也有部分中小型联合收获机采用旋风分离清选 装置 针对风筛组合式清选装置主要开展了筛分机 理探究 风机和筛体优化 气流场和物料耦合分析等 研究 童水光等 樊晨龙等 王立军等 为优 化风机和筛体分别提出了双风道六出风口风机 圆 锥形风机 双层振动清选装置以提高清选系统的工 作性能 李耀明等 针对清选筛脱出物易粘附 堵 塞清选筛的问题开展了仿生筛的研究 明确脱出物 粘附规律与仿生筛的结构设计 在清选装置内气流 场和物料运动分析研究中计算流体力学 和颗 粒离散元 及其耦合的方法应用广泛 李洋 等 研制了多风道清选试验台以研究脱出物喂入 量对清选装置内部气流场的影响 李洪昌等 对风 筛式清选装置进行 与 软件耦合仿真 得 到脱出物在清选室内的运动规律及脱出物颗粒运动 轨迹 此外 廖庆喜等 基于短程收获原理 开发 了利用悬浮气流清选的旋风分离清选系统 验证了 旋风分离应用于油菜清选的可行性 随着油菜单位 产量的不断提高 需要进一步研究清选装置的结构 与运动参数匹配 脱出物与清选装置耦合 脱出物组 分分配 关键装置布局优化在联合收获机有限空间 内合理布局 提高清选装置性能及效率 饲用收获技术与装备 为增加油菜种植附加 产值 提高农户种植积极性 除油用外 油菜的茎 叶 可作为鲜喂饲料直接供牲畜食用 也可青贮后作为 春冬饲草的重要来源 缓解冬春季节青饲料严重缺 乏的问题 且饲用油菜作饲料具有种植成本低 产量 高 适口性好 蛋白质和脂肪含量高等优点 对于我 国畜牧业的发展具有促进作用 目前 青饲收获技 术和装备发展相对成熟 典型装备包括纽荷兰公司 青贮收获机 科乐收 自走式青贮饲料收割机 新疆牧神 型自走式青 黄 贮饲料收获机 中机美诺 自 走式饲料收获机等 但饲用油菜专用收获装备鲜有 报道 饲用收获技术关键在于切碎技术的研究 茎秆 切碎质量的高低是评价饲料优劣的重要标准 公谱 等 研究表明切碎方式不仅影响切碎效果 且对畜 禽采食率 饲料营养价值等影响显著 切碎方式的选 择要综合饲喂对象 饲料种类 饲料后续处理和功耗 等多方面的因素 按照切碎方式的不同 切碎装置 可分为盘刀式和滚刀式 种类型 盘刀式切碎 装置用于饲用油菜收获时 油菜受过度揉搓挤压 导 致汁水溢出无法饲喂 而且切碎后物料易在长而窄 的输送通道内堵塞而无法继续作业 蒋亚军等 针对长江中下游地区饲用油菜生物量大 含水率高 缺乏适用收获机械的问题 开发了饲用油菜专用收 获机 图 开展了冬春鲜喂饲用油菜机械化收获 切碎装置设计与试验 吴巧梅等 对平板刀式滚 筒切碎装置的参数进行试验优化 在满足抛扔条件 下 应尽量选择较大的切割前角 刀片的安装隙角要 尽可能小 饲用油菜收获期长 不同生育期物料特性 差异大 喂入量大 含水率高等特殊生物学性状是导 致常规青贮收获机适应性不高的主要原因 同时 饲用油菜作为新型饲料 其适口性 饲喂效果与机械 化收获装备参数匹配关系亟待深入研究 病虫草害无人机防治技术与装备 无人机植保作业对不同地形 地块大小和作物 高度适应性好 具有作业效率高 应对突发灾害能力 强等特点 国内相关企业生产了系列化的植保无人 机 如大疆 系列植保无人机 极飞 系列植保无 人机等 为提高施药的均匀性 减小药液的飘逸损 失和节能高效作业 众多学者开展了无人机喷药系 华中农业大学学报 第 卷 机械离心式 气力滚筒式 气送式 约翰迪尔 油菜割晒机 油菜割晒机 型油菜割晒机 型油菜割晒机 联合收获机 沃得 联合收获机 饲用油菜收获机 图 油菜精量播种与收获机械装备 统关键部件结构优化 作业参数和作业效果实时检 测等研究 喷药系统合理的结构设计和作业参数控制是良 好作业效果的重要保证 李熙等 采用在药箱设 置水平和竖直阻尼隔板的结构方案 降低了药液晃 动对无人机稳定运行的不利影响 姜锐等 设计 一种通过采集药箱内外气压差值及无人机倾斜角 度 利用混合数字滤波算法准确获取药箱液量的监 测装置 何勇等 详细分析了不同喷嘴的结构 特 点和适用场景 介绍了喷嘴性能评价指标及测试方 法 提出应结合作物 喷药需求以及作业环境三因素 进行施药决策 刘洋洋等 通过建立阀门开度与 作业高度 作业速度和施药量的分级控制算法 构建 多信息监测与变量施药系统 此外 仿真模拟分析 是研究施药效果的有效措施 张豪等 采用 方法分析了悬停高度 生长阶段和自然风速等因素 对无人机下洗气流场的影响规律 研究得出自然风 影响下洗气流分布对称性 沿逆风方向调整可改善 施药效果 等 采用生成对抗网络模型提取 样本特征来预测单旋翼无人机气流场 获得比 模型更快的数据压缩速度和更高压缩率 喷药效果的精准高效观测是评价作业质量和改 进喷药系统的重要依据 张瑞瑞等 采用荧光示 踪法与水敏纸法研究了不同飞行速度和飞行高度条 件下施药雾滴沉积特性 王志翀等 设计一种无 人机喷药雾滴沉积飘移立体分布的测试方法 通过 在地面和空中布设沉积和飘移收集器 研究了不同 机型和喷头作业时的沉积和飘移特性 王昌陵 等 设计一种仿真果园试验台 通过在地面 冠 层 空中等处设置沉积和飘移收集装置 提出可采用 雾滴空间飘移指数评价药液雾滴空间飘移特性 利 用无人机技术可解决因油菜生育后期植株高大 分 枝众多等因素导致田间封行 传统植保机械难以作 业的难题 开放环境下实现雾滴均匀覆盖 提高续航 时间及作业效率仍是重大挑战 产后油脂加工技术与装备 油脂是人体所需能量和脂肪酸的重要来源之 第 期 万星宇 等 油菜全产业链机械化智能化关键技术装备研究现状及发展趋势 一 油脂加工设备包括了从油菜籽粒收获后的干 燥 清理 分选 储藏及输送 籽粒的预处理 预榨 浸 出 精炼 包装与副产品的精深加工等全过程各个单 元操作所需的各种专用设备和通用设备 通过制油 工艺改良提高油料产品转化率和利用率 对协调产 业发展 推进农业增效 促进农民增收 保障农村稳 定 提高城乡居民生活水平和质量具有重要的现实 意义 脱皮冷榨制油工艺是近几年国内外涌现出的新 型工艺技术 可减少加工物料的高温处理 所得油脂 品质高且降低了加工能耗和成本 脱皮与皮仁 分离是制油前预处理中重要环节 也是双低菜籽高 效加工研究的难点和热点 德国凯姆瑞亚 斯凯特 公司与德国埃森综合大学食品工艺系合作开发了一 种油菜籽破壳及壳 仁分离设备 采用相对运动的 个圆辊对油菜籽进行压碎的破壳方式 壳 仁分离则 采用了高压电场分离法 中国农业科学院油料 作物研究所应用离心撞击式脱皮和综合分离原理 研制出油菜籽干法脱皮机与皮仁分离系统 传统热榨 浸出菜籽油加工工艺生产的油脂色 泽深 酸值高等缺点 与传统的油菜籽制油普 遍采用蒸炒 预榨 浸出工艺不同 低温压榨不需蒸 炒 能耗较低 且冷榨制油工艺一般为全机械过程 经螺旋压榨机压榨后过滤 双螺旋压榨机由于具有 油脂高效提取 饼粕质量好和工艺成本低等优点而 得到广泛推广 现已出现了多种新型低温压榨工艺 技术和设备 国内在相应低温压榨设备加工能 力和规模方面不断扩大 如低温螺旋榨油机 单 螺杆油料冷榨机 油料冷榨机 等 然而 我 国油菜生产经营规模相对较小 油菜产后油脂加工 环节缺少成套产地加工设备 导致收获后油菜籽粒 无法及时处理 延长了产后加工周期 提高了高含水 率油菜籽粒霉变风险 造成籽粒损失 油菜无人农场关键技术与装备 农场由于其特殊规模效应 在农业生产领域具 有重要的作用 伴随农业的发展 农场经历了传统农 场到机械化农场到自动化农场再到目前的无人农 场 无人农场是在人不进入农场的情况下 采用物 联网 大数据 人工智能 机器人等新一代信息 技术 通过对农场设施 装备 机械等远程控制或智 能装备与机器人的