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洋葱收获机的开发与评估

期刊:journal of soil sciences and agricultural engineeringDOI:10.21608/jssae.2023.180174.1121

学术研究报告:洋葱收割机的开发与性能评估

作者及发表信息

本研究由Abdel-Mageed, H. N.(曼苏尔大学农学院农业工程系)、Y. Y. RamadanSh. M. El-Waseef(埃及农业研究中心农业工程研究所)合作完成,发表于Journal of Soil Sciences and Agricultural Engineering, Mansoura Univ.,2023年第14卷第1期(pp. 17–26)。DOI: 10.21608/jssae.2023.180174.1121。

研究背景与目标

洋葱(*Allium cepa L.*)是全球重要的经济作物,埃及是全球十大洋葱生产国之一。然而,传统人工收割效率低、成本高,且易造成作物损伤。因此,开发高效、低损耗的机械化收割设备成为研究重点。本研究旨在:
1. 设计并制造一种由拖拉机牵引的洋葱收割机;
2. 评估其性能,包括损耗率(如刀片损伤、输送损失等)、效率(如挖掘效率、清洁效率等)及能耗;
3. 进行成本分析,对比机械化与人工收割的经济性。

研究方法与流程

1. 实验设计与变量

研究在埃及达米埃塔省的El-Serw农业研究站进行,土壤为黏土(含水量13%,容重1.32 g/cm³)。实验采用裂区设计,测试以下变量:
- 刀片类型:平刀(flat blade)、鳄齿刀(gator blades)、梯形刀(trapezoidal blades)、勺形刀(scoopal blades);
- 刀片倾角:13°、16°、20°、25°;
- 收割深度:5 cm、8 cm、11 cm;
- 速度比(输送带速度与前进速度之比):1.7、1.85、1.95、2.11。

2. 收割机结构与改进

收割机主要组件包括:
- 挖掘单元:可调节倾角的刀片,切割土壤并提升洋葱;
- 输送系统:不锈钢链条与振动筛,分离土壤与洋葱;
- 动力传输:通过拖拉机PTO(动力输出轴)驱动,配备齿轮箱和滑轮组。
创新点:勺形刀设计减少挖掘阻力,振动筛角度优化(15°)以降低损伤。

3. 性能评估指标

  • 损耗率:包括刀片损伤、刷损、输送损失及未挖掘鳞茎比例;
  • 效率:挖掘效率(ηₗ)、清洁效率(η_cl)、收割效率(η_he)、田间效率(η_fe);
  • 能耗:比能量(kW·h/feddan);
  • 经济性:对比机械化与人工收割的成本节省。

4. 数据分析

使用COSTAT软件进行方差分析(ANOVA),显著性水平设为0.05,计算R²、变异系数(CV)和最小显著差异(LSD)。

主要结果

  1. 最优参数组合

    • 勺形刀(scoopal blades)在25°倾角、11 cm深度、速度比2.11时表现最佳:
      • 总损耗最低(1.80%);
      • 挖掘效率(98.92%)、清洁效率(96.95%)、收割效率(98.20%)最高;
      • 比能量消耗较低(14.67–34.60 kW·h/feddan)。
    • 鳄齿刀(gator blades)在5 cm深度时田间效率(89.3%)和有效田间容量(0.698 fed/h)最高。
  2. 刀片倾角影响

    • 25°倾角显著减少未挖掘鳞茎比例(p<0.05),但20°倾角更适合提升田间效率。
  3. 经济效益

    • 机械化收割成本比人工降低62%,主要得益于劳动力节省和效率提升。

结论与价值

  1. 科学价值

    • 明确了刀片形状、倾角与速度比对收割性能的交互影响,为后续优化提供理论依据。
    • 开发的勺形刀和振动筛设计可推广至其他根茎作物收割机。
  2. 应用价值

    • 在黏土条件下,推荐使用勺形刀+25°倾角+11 cm深度+速度比2.11的组合,以实现低损耗、高效率的收割。
    • 对小规模农户,鳄齿刀+5 cm深度的组合可优先考虑,以平衡效率与成本。

研究亮点

  1. 创新设计:首次在埃及本地化开发适配黏土条件的洋葱收割机,勺形刀和振动筛角度优化是关键突破。
  2. 多变量系统性评估:首次同时分析刀片类型、倾角、深度和速度比的交互作用,数据支持全面。
  3. 经济性验证:通过实际成本对比,证明机械化收割的规模化应用潜力。

其他发现

  • 速度比1.7在清洁效率和比能量消耗上表现更优,但需权衡总损耗率;
  • 土壤湿度与容重对挖掘阻力的影响需进一步研究,以扩展设备适用性。

(注:1 feddan ≈ 0.42公顷;文中术语如PTO(Power Take-Off)指拖拉机动力输出轴。)

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