卢秉福，刘 娜，於丽华，张文彬，刘晓雪

（1黑龙江大学/国家糖料改良中心，哈尔滨 150080；2北京工商大学经济学院，北京 100048）

0 引言

蔗糖是食品加工行业中不可替代的重要原料。蔗糖产业看似小，却事关国家发展大局，与老百姓的实际生活息息相关[1]。甜菜作为制糖的重要原料之一，在中国种植已有116年的历史[2-3]，已成为黑龙江、内蒙古和新疆及邻近省、区的优势农作物[4-5]，甜菜制糖亦成为当地发展区域经济的支柱产业[6-7]。甜菜种植比玉米、小麦、大豆、马铃薯等作物更费工时[8]，随着农村劳动力价格的急剧上升[9-10]，在主要竞争作物基本实现机械化的情况下，加快甜菜生产机械化的发展已成为唯一选择。目前中国甜菜生产机械化水平已达到90%[11-12]，个别地区甚至达到95%以上，在此背景下，依据甜菜机械作业效率优化机组配置，减低作业成本、提高生产效率具有重要意义。至今为止，中国甜菜机械作业效率方面的研究工作尚属空白，但中国学者在玉米、小麦、大豆等作物领域亦开展了相关的研究工作，孔德刚等[13-14]对小麦、大豆播种和小麦收获机组作业分别进行了分析，找出了影响作业效率和经济性的原因，提出了机组的合理运用模式；黄小毛等[15]利用计算机技术优化组作业模式，为提高机组作业效率提供了解决方案；黄小毛等[16]在给出作业路径规划优化目标模型的基础上，提出“两步优化法”，先以最短路径为优化目标规划初始作业路径，然后考虑消耗品的补给与续作问题；王涛等[17]、杨博等[18]利用北斗导航技术、GIS技术、无线通讯技术和网络技术系统帮助农机组织实施精准调度、实时监控、统计分析、地图查询，合理安排作业，提高了机组作业效率。20世纪80年代日本就已经对甜菜机组作业效率开展了全方位的研究[19]，确定了机组的标准（平均）作业效率和高、低作业效率的参考值，为机组合理配备提供了依据。甜菜机械化作业具有较强的季节性，特别是播种和收获作业对甜菜产质量影响很大[20]。为了科学合理运用甜菜生产机具，最大程度地发挥其潜力，本研究借鉴日本甜菜机械和国内大田作物机械作业效率方面的研究经验，开展甜菜机械作业效率方面的研究工作，科学分析影响机组作业因素，合理匹配工作机具和编制机组，为提高甜菜机械化作业的生产率提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点

2019年5月5日—6日在黑龙江省依安县红星乡互助村和红旗村进行甜菜播种机组作业效率实验测试，2019年10月5日—8日在上述地块测试甜菜切顶机和挖掘装载机机组作业效率，测试地块面积分别为20 hm2和16 hm2，垄长分别为620 m和500 m，行距66 cm，株距18 cm。

1.2 试验机组

甜菜播种机组配套动力为Deer554拖拉机，播种机为2BFMQ-2型气吸式精量播种机，种子为荷兰安地公司H809丸化单粒种，肥料为颗粒状甜菜专用肥，机组作业人数2人，驾驶员为男性41岁农机手，有10年以上的农机驾驶经验，技术熟练；甜菜切顶机组配套动力为Deer554拖拉机，切顶机为4TQ-2型甜菜打叶切顶机，前端旋转链条将甜菜茎叶打碎，尾端切刀将甜菜青顶切除，机组作业人数1人，驾驶员为男性28岁农机手，技术熟练；甜菜收获机组配套动力为Deer554拖拉机，收获机为4TW-2型甜菜挖掘装载机，轮式挖掘器，挖掘作业时配2台四轮拖拉机牵引载重4 t料箱装运甜菜，机组作业人数3人，驾驶员为男性25～40岁农机手，技术熟练。

1.3 测试方法

测试仪器及工具主要有秒表、皮尺、钢卷尺等。通过资料调查和现场测试，查明机组作业地块的面积、垄长、行距、株距等参数。使用秒表记录机组作业过程中的总作业、田间转向、故障排除、检查调整、加种子肥料、异常停机、更换地块等内容的时间，并记录作业现场发生的详细事项，然后进行汇总分析，计算出甜菜机械机组作业效率，见公式(1)。

1.4 数据处理

实际测得的数据采用Excel软件处理。

2 结果与分析

2.1 机组作业的影响因素

甜菜播种是甜菜生产机械化作业最为关键的技术环节，播种质量的好坏直接影响甜菜出苗率和成苗率，对甜菜产量有着至关重要的影响；甜菜收获是甜菜生产的最后环节，在收获条件适宜的情况下，甜菜机械收获损失率为5%左右，而在收获条件不适宜的情况下，甜菜机械收获损失率高达18%[21]。在保证作业质量的前提下，甜菜播种与收获作业中，影响机组作业效率的主要因素有土壤条件、农艺技术、机组配置、作业时间4个一级指标以及地块的大小与形状、土壤含水量、整地质量、作业精度、株行距配置、配套动力、工作部件类型、作业速度、故障排除时间和机手技术水平等32项二级指标和64项三级指标，见表2。在一级指标中土壤条件和机组配置是影响甜菜收获机械作业质量的关键影响因素，在二级指标中，地块的大小和形状、土壤含水量、整地质量、作业精度、配套动力、工作部件类型、作业速度、机手技术水平是影响机组作业效率的重要因素。分析机组作业效率的影响因素，研究提高甜菜播种与收获机组作业效率的方法，科学合理地制定机具的选型配备计划，保障机组的牵引效率，应尽可能实现机组大型化、高速化、复合化，以提高作业效率。

表2 甜菜播种与收获作业效率的影响因素

2.2 机组作业时间

甜菜机组在作业时间内纯作业时间与总作业时间之比称为作业效率。机组作业时间可分为总作业时间、实际作业时间、辅助作业时间和承接作业时间，其中实际作业时间包括纯作业时间和田间调头时间，辅助作业时间包括故障排除时间、检查调整时间、加种子肥料时间，承接作业时间包括异常停机时间和地块转移时间。在田间以外的机组检查调整时间、技术保养时间、加油时间和机库到田间所耗时间不予考虑。表3为实测的甜菜播种机组、甜菜打叶切顶机组和甜菜挖掘装载机组作业时间。

表3 甜菜播种和收获机组作业时间 s

3 甜菜播种与收获机作业效率

3.1 甜菜播种机作业效率

甜菜播种机组作业中纯作业时间、田间调头时间、故障排除时间、检查调整时间、加种子肥料时间、异常停机时间和地块转移时间占总作业时间的比率见图1。由图1可知甜菜播种机组作业效率为63.99%，略低于日本甜菜播种作业效率的69%[22]。在播种作业中实际作业时间占79.40%，田间调头占比较高，达15.41%，这受地块的大小、形状和田间道路影响较大[23]；辅助作业时间占12.51%，其中故障排除、检查调整和加种子肥料时间分别占4.87%、3.52%和4.12%；承接作业时间占8.09%，其中异常停机和地块转移分别占2.38%和5.71%。除实际作业时间外，故障排除和检查调整用时最多，占比达8.39%，机组发生故障、检查调整与机组人员技术水平和机组可靠性有关，尤其是机组的技术水平和可靠性更为重要[24]，这也说明机组人员技术水平和机组技术的先进性、作业的可靠性还有待提高；地块转移时间占比达5.71%，这与地块大小和机组实际作业生产率有关，加种子肥料时间占4.12%，甜菜播种为精量点播，丸粒化种子，播种量较小，肥料为专用肥，加肥时较费体力和时间，异常停机主要是由于因组织管理不善引起的待工和机手休息时间，如物料运送不及时等[25]，占比达到2.38%，在实际作业时需要合理安排和管理。

图1 甜菜播种机组各项作业时间分布

3.2 甜菜打叶切顶机作业效率

甜菜打叶切顶机组作业中纯作业时间、田间调头时间、故障排除时间、检查调整时间、加种子肥料时间、异常停机时间和地块转移时间占总作业时间的比率见图2。由图2可知甜菜打叶切顶机组作业效率为60.51%，介于日本甜菜分段式收获标准作业效率55%和较高作业效率66%之间[22]。在打叶切顶作业中实际作业时间占72.30%，其中田间调头时间占11.79%；辅助作业时间占15.29%，其中故障排除和检查调整时间分别占8.26%和7.03%；承接作业时间占12.47%，其中异常停机和地块转移分别占4.71%和7.70%。除实际作业时间外，故障排除和检查调整用时最多，这与机组人员技术水平和机组可靠性有关，主要原因还是国产甜菜打叶切顶机质量与国外甜菜收获机比较质量还处于较低水平，故障多、可靠性差[26]，机组人员技术水平和机组作业的可靠性还有待提高；地块转移时间占比达7.70%，这与甜菜规模化种植有关；异常停机主要是由于因组织管理不善造成的窝工和机手休息时间，占比达到4.71%，在实际作业时需要合理安排和管理。

图2 甜菜打叶切顶机组各项作业时间分布

3.3 甜菜挖掘装载机作业效率

甜菜挖掘装载机组作业中纯作业时间、田间调头时间、故障排除时间、检查调整时间、异常停机时间和地块转移时间占总作业时间的比率见图3。由图3可知甜菜播种机组作业效率为64.32%，介于日本甜菜分段式收获标准作业效率55%和较高作业效率66%之间[22]。在甜菜挖掘装载作业中实际作业时间占74.24%，其中田间调头时间占9.92%；辅助作业时间占12.54%，其中故障排除、检查调整和加种子肥料时间分别占7.01%和5.53%；承接作业时间占13.22%，其中异常停机和地块转移分别占5.15%和8.07%。除实际作业时间外，地块转移用时最多，尽管甜菜种植规模较大，但地块较小是地块转移耗时较多的主要原因，异常停机主要是由于因组织管理不善引起的待工和机手休息时间，以及运转车与挖掘机配合不够默契，衔接耗时较多的原因。故障排除和检查调整用时较多，引起原因与打叶切顶机的原因一致，急需提高甜菜挖装载机技术水平和产品质量；在挖掘装载过程中，2台四轮拖拉机配合挖掘机作业运送甜菜，在衔接上也会影响作业效率[27]。此外，收获损失率也比较高，农户在收获后的地块有雇工和运输车捡拾漏挖、漏检的块根，这也从另一方面证明国产甜菜收获机的质量有待提高。

图3 甜菜挖掘装载机组各项作业时间分布

4 讨论

4.1 提高机组纯作业时间的比率

目前中国甜菜生产机械化水平已达到90%以上，甜菜播种机与收获机以国产为主[28-29]，与进口甜菜播种机与收获机比较[30]，无论是技术水平、产品质量，还是机械可靠性等方面都有很大差距[31-32]，因此，可以说中国甜菜机械化是建立在低技术水平和产品质量上的较高的机械化作业水平。此外，目前甜菜作业机组的动力机械以中小型拖拉机为主，大型拖拉机较少[33]，配套的甜菜播种机和收获机不足且不均衡，在播种和收获季节，经常发生不能在最佳时期进行作业，造成甜菜减产[34]。在生产中应尽可能降低辅助作业和承接作业时间比率，提高机组纯作业时间的比率可直接提高作业时间利用率。例如：优化机组的运用管理，减少停机等待种子、化肥时间；提前检修作业机械，保持技术完好状态，避免出现排种、排肥堵塞，切刀与挖掘器堵塞等故障，减少故障排除和检查调整时间；合理安排作业地块，减少地块转移时间等。

4.2 甜菜作业机组合理配置

甜菜播种机和收获机机组的动力选择要根据土壤比阻、地块的形状和大小，田间道路等因素综合平衡来选择合适的拖拉机和配套农具[35]，甜菜播种机既有通用型，也有专用型，而甜菜收获机则属于甜菜专用设备[36]。一般情况下，大型拖拉机功率大、附着性好，生产效率高，机组适于较大且规整地块作业，但灵活性差、田间转弯困难，作业成本高、易出现动力过剩等问题；而小型拖拉机功率小，生产效率低，与大型拖拉机组相比较更适于小土壤比阻、小地块作业，小型拖拉机灵活性好，但易出现动力不足现象。中型拖拉机刚好在大型和小型二者之间。此外，甜菜播种机和收获机作业时最好能够实行联合作业，以减少机组进地次数，降低土壤压实，同时也能够提高甜菜机组生产率。

5 结论

（1）甜菜播种与收获机械作业效率受地块的大小和形状、土壤含水量、整地质量、作业精度、配套动力、工作部件类型、作业速度、机手技术水平等因素的影响较大，在研究机组作业效率时应准确评估机组作业效率的影响因素，科学分析机组纯作业时间、田间调头时间、故障排除时间、检查调整时间、加种子肥料时间、异常停机时间和地块转移时间占总作业事件的比率，努力克服不利因素的影响，保障机组的牵引效率，以提高作业效率。

（2）甜菜播种机组作业效率为63.99%，甜菜打叶切顶机组作业效率为60.51%，甜菜挖掘装载机组作业效率为64.32%。在机组作业过程中田间调头、地块转移时间占比较高，故障排除和检查调整用时亦较多。田间调头和地块转移时间占比较高与甜菜种植地块大小、形状、分布和机组作业幅宽等因素有关，故障排除和检查调整用时较多与国产甜菜机械技术先进性、制造质量还处于较低水平以及机组人员技术素质不够高有关。今后提高甜菜机械技术水平和产品质量及机手素质是主要发展方向。

（3）甜菜机械作业效率对机组的配置十分重要，在甜菜播种与收获机组配置时，要根据机组作业效率等因素对大、中、小型拖拉机和播种机、收获机进行合理配置，同时优化机组的运用管理，提前检修作业机械，保持技术完好状态，合理安排作业地块，确保甜菜机械作业期内可完成的作业面积。中国甜菜生产机械化水平已达到90%以上，但国产甜菜机械的整体技术水平和质量还处于较低水平。未来随着甜菜生产机械技术水平的提高，在使用过程中尽可能实现大型化、高速化，以提高作业效率，最大发挥机器优势。