潘 峰 ， 李 斌 ， 韩 林 ， 赵 岩

（1.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000；2.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；3.农业部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832000）

0 引言

向日葵是世界第四大油料作物，同时也是我国重要的经济作物和油料作物[1-5]。近10年我国向日葵年均种植面积大约在1 445万亩，2021年约为1 600万亩，位居世界第6位，年产量大约为313万t[6-7]。我国向日葵种植主要集中在河套、呼包鄂、新疆和甘肃等地区，其中，油葵与食葵种植面积各占50%[8-10]。向日葵的生物特征为花盘可宽达30 cm，植株高1 m～3 m，生育期短，一般在85 d～120 d。其中，油葵植株特性较矮，花盘大小中等，种子较短小，果皮多为黑色，含油率高达40%～55%；食葵籽粒大，皮壳厚，果皮多为黑白底纹，是大众不可缺少的零食之一，具有温补阳气、强身健体和预防贫血等功效[11]。

随着人们生活质量的提升，对葵花油和葵花籽的需求量大大增加。收获是向日葵大田生产的关键环节，也是劳动强度最大的作业环节，随着农村劳动力逐渐向城市转移，农村劳动力日益短缺已成为限制向日葵规模化种植的棘手问题。因此，大力攻克向日葵机械化收获技术，研制先进适用的向日葵收获装备，是促进向日葵产业发展的当务之急[12-14]。

本文将对国内外向日葵收获装备展开归纳阐述，探讨我国向日葵机械化收获面临的主要问题及发展趋势，为研究高效机收作业模式、开发高性能收获机械提供参考。

1 向日葵收获机械研究现状

按照作业工序，向日葵机械化收获主要包括收割、脱粒、清选等关键环节，各环节可依托核心技术形成独立装置分阶段实施作业，即分段收获；亦可兼容配套形成整机，开展联合作业。

1.1 国外向日葵收获装备

国外向日葵种植时期早，收获机械发展周期长，技术较为成熟，在收获环节已完全实现机械化联合作业[15-16]。并且国外向日葵种植地块大而平整，种植模式与品种较统一，研发的联合收获机可实现较高的收获效率。国外研制的联合收获机以自走式为主，不同机型的联合收获机主要区别在于割台部分，通过更换不同类型的割台和筛板，可适应不同作物，实现一机多收。自走式联合收获机作业效率高、适应性和仿形能力较强，适用于大规模种植的农场。其中，具有代表性的产品有纽荷兰（NEW HOLLAND）CR880、约翰迪尔（JOHN DEERE）S690i和克拉斯（CLAAS）TUCANO 450等联合收获机。与联合收获机相匹配的向日葵割台型号主要有MACDON FD2、GERINGHOFF SUNLITE Horizon和DRAGO Gold系列等。

纽荷兰公司（NEW HOLLAND）的CR880型联合收获机如图1所示，其配备麦克唐公司（MACDON）制造的FD2系列向日葵专用割台，割台如图2所示，可一次性完成收割、脱粒、存储和卸料作业。该割台宽度达到12.2 m，采用双转子设计，与其他谷物类割台的区别在于此割台前方设有若干梳齿，能够使向日葵茎秆更顺利地进入割台，割台底部的往复式割刀组将向日葵的茎秆切断，然后由拨禾器将向日葵卷入机器，卷入后，联合收获机对其进行脱粒、除杂等工序，每小时作业面积高达180亩。CR880型联合收获机主要由割台控制系统、组合式脱粒分离系统、清选系统和储料仓组成。该机型的凹板液压调节系统带有自动过载保护装置，可通过无级变速器调节脱粒轴流滚筒转速，提高脱粒效率；储料仓容积达11 000 L，能容纳10 t葵花籽，延长单次作业线，较高的卸粮速度也缩短了卸粮间隔，在两者的共同作用下，具有动力匹配充足、脱净率高等优点，极大地提升了收获效率。

图1 NEW HOLLAND CR880型联合收获机

图2 MACDON FD2系列向日葵专用割台

约翰迪尔公司（JOHN DEERE）的S690i型联合收获机如图3所示，配套如图4所示的格林豪夫公司（GERINGHOFF）SUNLITE Horizon型向日葵专用割台可高质高效完成向日葵收获作业。该割台采用对行作业形式，去掉了传统的拨禾轮，避免拨禾轮转动造成籽粒飞溅而降低产量；将传动的扶禾器设计成扶禾槽，可使割台前端全覆盖式地接收散落的籽粒，扶禾槽中部设有输送带，能够及时将收集的籽粒喂入联合收获机，避免浪费。S690i联合收获机的驾驶系统可与智能喂入量控制系统相结合，从而提高机具收割质量和工作效率；并且该机型配有单纵轴流脱粒分离系统，内部设有逐级放大的螺旋上盖板，能够在一拉一放间轻柔脱粒，减少籽粒的碰撞，提高脱粒质量；上盖板的导流叶片角度可以通过电机调节，根据不同收获作物、不同工作模式进行调节，从而获得最佳的脱粒分离性能。该配套机型具有自动化程度高、收净率高和破损率低等优点。

图3 JOHN DEERE S690i型联合收获机

图4 GERINGHOFF SUNLITE Horizon型向日葵专用割台

克拉斯公司（CLAAS）生产的TUCANO 450型联合收获机如图5所示，主要由自动优化系统、驾驶系统、液压系统、操作系统、脱粒系统和清选系统等组成。该收获机配有加速滚筒同步调节混合脱粒装置，其自动脱粒分离系统可通过调节轴流脱粒滚筒转速、脱粒凹板间距、脱粒筋板和脱粒凹板盖板来优化脱粒过程，提高脱粒效率。TUCANO 450型联合收获机在进行向日葵收获作业时，通常选配卓收公司（DRAGO）的Gold系列向日葵专用割台，如图6所示。该割台将传统的机械传动切割方式改进为液压切割方式，割台工作位置可以在驾驶室进行调整，打破了葵盘收获高度和茎秆切割高度的限制；此割台收割时将向日葵茎秆和葵盘分成两部分作业，茎秆在地表附近被切割，而葵盘在距地表1.5 m左右被收获，割台只将葵盘喂入联合收获机，提高了收割工作的灵活性；并且，葵盘收获环节先于茎秆切割环节，避免了因切割茎秆产生振动而损失籽粒的情况发生。该割台将传统扶禾器与新型扶禾槽相结合，并在扶禾槽中配备带有特殊橡胶齿的籽粒收集链，共同组成扶禾装置。扶禾槽可收集葵盘接触割台时散落的籽粒，再通过收集链输送至进料口，收集链的橡胶齿能够阻挡茎秆进入割台，提高机具的收净率。该割台配合联合收获机，具有收获效率高、籽粒损失率小等优点。

图5 CLAAS TUCANO 450型联合收获机

图6 DRAGO Gold系列向日葵专用割台

1.2 国内向日葵收获机械研究现状

1.2.1 主要收获方式

向日葵已成为我国部分农民主要的经济作物之一，其种植区域主要分布在纬度较高的省区，人均种植面积较大，适合推广机械化作业。而对于其他小面积分散种植的地区，实现农业机械化比较困难，从而导致我国各地的向日葵种植模式和品种差别较大，使得向日葵收获作业成为比较棘手的问题。目前我国向日葵收获主要有人工收获、分段收获和联合收获三种形式。

1）人工收获。人工收割葵盘，将其晾晒后进行脱粒和清选，所有收获工序全部依靠人工完成。该收获方式劳动强度较大，生产率较低，并且容易受天气影响，采用人工收获方式的多为小规模种植户和农业机械欠发达地区。

2）分段收获。采用分段收获方式时，食葵和油葵的收获工序略有不同。食葵分段收获时通常将晾晒工序前置，即收获前先由人工完成插盘晾晒工序，晾晒后由人工或机械采摘收集葵盘，再利用机械完成脱粒和清选工序。油葵分段收获通常是在油葵到达收获期后，直接进行葵盘采摘、机械脱粒和清选工序。分段收获对向日葵品种和株高的要求不高，因此适应性较强，收获时葵花籽粒不易破损，提高了收获质量；并且分段收获还可以缓解阴雨天气影响收获的问题。但分段收获方式的人工成本依然较高，因此仅适用于小规模种植户。

3）联合收获。联合收获方式即通过联合收获机在田间一次性完成摘盘、脱粒和清选等所有作业工序。联合收获方式具有作业效率高、籽粒损失率小、收获周期短和人工成本低等优点，非常适合我国向日葵主产区的收获作业，有利于促进我国向日葵产业发展。

1.2.2 主要割台类型

目前我国向日葵联合收获机相关研究还处于起步阶段，多数地区以人工采收为主，难以满足大面积葵田收获需要。为提高向日葵机械化收获效率，国内大量科研工作者以玉米、小麦等作物联合收获机的割台和脱粒装置为基础进行向日葵联合收获机研究试验，发现向日葵收获的关键问题在于缺少联合收获机配套的专用割台[3-5]，这严重限制了我国向日葵收获机械化的发展。近几年，随着向日葵种植规模的扩大，向日葵联合收获机及其专用割台成为研发重点，目前有部分高校、研究院以及企业通过借鉴国外向日葵联合收获机和改装国内其他谷物收获机割台进行向日葵收获机割台的研发，目前国内向日葵割台根据拨禾装置的功能结构差异，可分为拨禾链式割台和拨禾板式割台两种类型[17-18]。

1）拨禾链式割台的拨禾装置主要采用链式结构。作业时，向日葵植株茎秆被分禾器锥形曲面向后引导，直至接触到两相邻分禾器之间的拨禾链，并在后者的拨动下携持运送至切割器处，进而切断葵花茎秆，实现盘、秆分离。掉落的葵盘在拨禾装置的持续作用下运送至输送绞龙，再通过绞龙输送至脱粒装置和储料箱中进行脱粒分离作业，进而完成收割作业流程。采用拨禾链扶禾，茎秆不易发生倾斜，有利于茎秆的切割，但实际作业效率偏低，且缺少籽粒补收装置，收获损失率较高。

为提升拨禾链式割台作业效果，我国学者在功能结构设计、作业参数优化等方面展开了大量研究，取得了较好的效果。张学军等[19]为拨禾链式割台配置拉茎辊装置，能够在拨禾链往后运输向日葵茎秆的同时，拉动茎秆向下运动，从而减少收割时葵盘上茎秆的残留，降低后续的脱粒含杂率。田间试验结果表明：该割台籽粒损失率可降低至3%，但作业速度还有待进一步提升。张凌杰等[20]设计了一种兼具拉茎、切割效果的拉茎辊，从而省去了切割器，简化了割台结构；在此基础上，配置了籽粒补收装置，减少了籽粒损失。田间试验结果表明：该割台工作稳定可靠、原理可行，但存在收割通道易堵塞、葵盘甩出输送器等问题，机械结构有待进一步优化。刘羊等[17]设计的割台采用回转式切割器，相较于传统的往复式切割器，茎秆割断效果更佳且不易掉落籽粒。田间试验结果表明：影响籽粒损失率与切割功率最主要的因素为回转式切割器转速。

2）拨禾板式割台的拨禾装置采用板式结构。作业时，借助拨禾板往下后方的拨送功能将植株送入往复式切割器完成盘、秆割离。该类型割台的喂入效率高，且通常设有籽粒回收装置，收获损失率较小。

国内对拨禾板式割台的研究集中于分禾器结构、拨禾轮转速和作业速度等方面。刘巍等[3]为油葵联合收获机设计出了一种专用的拨禾板式割台，试验表明：其在作业速度0.8 m/s、喂入量3.3 kg/s时，损失率仅为1.42%，收获效果较好。黄小毛等[21]将分禾器替换为分禾扶禾收集槽装置，该新型机构能够收集因拨禾轮击打和割台振动而掉落的籽粒，使其随着输送带一起进入绞龙，极大地减少了籽粒损失。靳伟等[18]将分禾器倾斜安装，可回收因碰撞掉落的油葵花盘和籽粒，同时，通过多因素试验探究出影响籽粒损失率大小的因素为：拨禾板转速＞留茬高度＞作业速度。石运建等[22]为向日葵收获割台配置了防护罩和转辊，同时，在分禾通道两侧设有毛刷，能够控制切割动作后葵盘上附留茎秆的长度，降低含杂率，减少籽粒损失。

1.2.3 主要自走式收获机

德州春明农业机械有限公司研制的自走式葵花联合收获机[23]，能够完成葵盘的收割、脱粒、清选等工作。该机型割台安装了一对螺旋拉茎辊装置，两拉茎辊相接触的挤压间隙由外向内逐渐缩小，能够使茎秆往后运动的同时，拉动茎秆向下运动，减少葵花茎秆的残留。但往往籽粒损失较多，脱粒装置为螺旋杆式轴流型脱粒装置，清选装置为振动筛式清选装置，对轻杂质的清选作用较弱，收获效果不理想，收获后的籽粒损失率较大，含杂率高。

托克托县宏昌机械制造有限公司研制的4ZXRKS-4型自走式向日葵联合收割机[24-25]主要由割台、脱粒装置、清选装置和液压系统等组成，集摘盘、脱粒、清选、葵盘籽粒分类收集、自动卸料为一体。割台为拨禾链式割台，在分禾器两侧增加密封刷，能够防止籽粒从分禾器之间的缝隙掉落，并增加拉茎辊装置，减少茎秆的残留，降低含杂率；脱粒装置为3级切流式脱粒装置，通过不同级转速和脱粒元件的脱粒，能够提高葵盘脱净率并降低葵籽破碎率；选用风筛式清选装置，能进一步降低含杂率。该机型作业幅宽可达2.4 m，作业效率较高；收获籽粒含杂率为8.12%，损失率为1.19%，收获质量较高。该机型于2017年生产200台，在内蒙古巴彦淖尔市、乌兰察布市等地进行推广使用。

济宁德尚源机械设备有限公司生产了4XLZ-6型自走式向日葵联合收获机[26]，该收获机割台为拨禾板式割台，设有转辊装置，能够减少茎秆的残留；采用葵花专用滚筒和凹板筛配合进行脱粒，脱粒柔和、顺畅；采用逐稿器分离和风力清选相结合的清选装置，清选效果好。该机型作业幅宽为3.9 m，作业效率高达15亩/h～20亩/h，作业效率高；收获后的籽粒含杂率为3.5%，破碎率为2%，损失率为3%，收获效果好。

目前，我国市场上的向日葵联合收获机，一部分是从玉米和小麦联合收获机改装而来，还有一部分是通过测绘、改装国外割台等方式得到，这些向日葵收获机都存在适应性较差和收获效果不理想等问题。农机发达国家的向日葵联合收获机性能较稳定、可靠性强，但国外割台割幅巨大，对地块及种植模式要求较高。国外土地大而平整、种植模式单一，而我国种植模式和农艺参数多种多样。而且国外联合收获机价格相对昂贵，因此，研制适合我国国情的向日葵联合收获机至关重要。

2 我国向日葵收获机械存在的问题

2.1 农机与农艺融合度较低

我国向日葵品种众多，没有形成主导品种，各地区采用的种植模式也不同，导致向日葵在收获时的植株高度、花盘大小、生育期长短和种植行距差异较大，农机与农艺融合度较低，直接影响机械化收获作业。

2.2 收获机具作业性能适应性差

割台、脱粒和清选系统是向日葵联合收获机的核心技术和关键部件，直接影响机具的作业性能和收获质量。目前的向日葵收获机械大多是从其他谷物联合收获机或国外割台改装而来，改装后的机型对葵花品种和种植模式的通用性较差，收获时籽粒表皮的划伤率和含杂率较高，难以满足葵花的商品质量要求；并且，收获作业后的葵花茎秆留茬高度参差不齐，会影响后续耕整地等田间作业。

2.3 收获机械智能化程度低

我国向日葵收获机械运用的智能化技术较少，智能化控制收获装备水平较低，对收获装备割台、脱粒装置、清选装置等关键部件的自动调节和实时监测系统缺乏深入研究。

3 向日葵机械化收获的发展建议

3.1 加强农机与农艺的结合

加强向日葵品种的繁育与推广，积极推广新品种和新技术，引导农户扩大优良品种的种植面积，因地制宜选用主导品种，建立高标准农田，使向日葵种植模式、收获期茎秆高度、葵盘成熟度等农艺参数一致，农机与农艺相结合，有利于向日葵机械化收获作业。

3.2 提升收获机械作业性能

根据葵花籽粒收获质量要求，加紧研制出性能可靠的收获机械。在研制过程中积极引入新工艺、新材料和新技术，对关键零部件进行深入研究与试验，依据试验数据开发出具有较强性能的向日葵专用割台、脱粒分离装置等关键部件；制定出向日葵联合收获机行业规范条例，督促企业更注重产品质量，提高我国向日葵联合收获机的标准化、通用化和系列化程度。

3.3 提升收获机械的智能化水平

随着我国科学技术不断发展，机电一体化、传感器、物联网等高新技术将会持续应用于农业机械，这些技术可较好地运用于向日葵联合收获机自动仿形、动态监测和参数匹配等方面，大幅提高向日葵收获机械的综合性能和智能化程度。

4 结束语

随着人们对食用葵花籽粒和葵花油需求量的增加，我国向日葵年种植面积呈逐年增长趋势，向日葵产业在我国种植业结构中占据重要地位，并且向日葵成为我国重要的经济作物。本文总结了国内外向日葵收获机械研究现状，分析了向日葵机械化收获过程中存在的问题，并提出了相应的发展建议。“中国制造2025”将农机装备列为十大重点发展领域之一，为高端农机装备发展提供了重要的战略机遇；随着国家对高端农机领域重视程度的提高，向日葵机械化收获技术将会向规模化、标准化、系列化、智能化和精准化等方向高速发展，为促进向日葵产业发展和机械化收获水平提升奠定基础。