摘 要：针对目前亚麻机械化收获作业时，存在的分禾效果不佳、收获效率低、作业协同性差、漏拔率和断麻率高等问题，研制了一种自走式亚麻收获机高效分禾拔麻台，旨在实现亚麻高效分禾、垂直低损拔取、柔性夹持输送、植株有序翻转等一体化作业流程。对分禾器、拔麻台等核心部件开展了系统性结构设计优化与作物互作过程分析，兼顾植株高效引导与茎秆低损作业需求，确保植株能够有序进入拔麻区域，实现亚麻植株的平稳拔取与姿态转换，为放铺台的均匀铺放奠定了基础。开展单因素试验探究机具前进速度、拔麻位置高度两个核心因素对拔麻台作业性能的作用规律;以漏拔率和断麻率为试验评价指标，以机具前进速度、拔麻位置高度为试验因素，开展两因素五水平正交旋转组合试验，建立非线性规划参数模型，系统分析了试验因素间的交互作用并获取最优工作参数组合:当机具前进速度为2.38m/s、拔麻位置高度为268mm时，拔麻台作业效果达到理想水平，漏拔率为0.64%，断麻率为4.84%。在此工作条件下开展田间验证试验，得到平均漏拔率为0.65%，平均断麻率为4.81%，与优化值基本一致，整体作业性能满足实际农业生产需求。研究结果可为复杂生长条件下亚麻机械化高效低损收获提供理论支撑和技术参考。
关键词：自走式亚麻收获机;拔麻台;分禾器;漏拔率;断麻率
亚麻(Linum usitatissimum L.)作为最古老的经济作物之一，兼具纤维和药用等多重价值，在全球农业生产中占据重要地位[1-2]，广泛应用于纺织、造纸、复合材料等领域。亚麻籽富含油脂、亚麻酸等成分，是生物柴油、功能性食品和膳食补充剂的重要原料[3-4]。我国亚麻种植区域主要分布在北方干旱半干旱地区[5-7]，黑龙江省作为我国主要的亚麻生产基地，亚麻产业已成为当地农业经济的重要支柱[8-9]。然而，我国亚麻收获环节长期面临机械化水平低、作业质量差、效率偏低等问题，严重制约了亚麻产业高质量发展[10-11]。亚麻植株茎秆细弱、根系入土较深、种植密度大，对收获机械作业的精准性、柔顺性要求极高[12-13]。传统亚麻收获方式以人工拔取为主，存在劳动强度大、作业效率低，纤维损伤严重等问题。此外，亚麻收获期较短，延误收获将会降低亚麻的品质和产量[14]。近年来，随着人工成本持续上涨，传统收获模式已难以满足规模化种植需求，成为制约亚麻产业发展的关键环节[15-16]。
国外亚麻收获机械研发起步较早，以俄罗斯、哈萨克斯坦、加拿大等国为代表已形成较为完善的亚麻机械化收获装备。俄罗斯ROSTSELMASH公司生产的Draper Stream 900宽幅割台实现了亚麻植株无缠绕输送与宽幅收获，能在保证纤维质量的同时，大幅提高作业效率。比利时Hyler公司设计的HylerSativaFS20型自走式亚麻收获机具配备了轻量化高效的分禾装置，能够显著减少亚麻收割的损失。比利时UNION公司设计的两排自走式亚麻收获机GX220可以调节拔麻高度并配合振动分离系统，显著降低了拔麻过程中的纤维损伤。Mankowski等[16]对约翰迪尔W540型号联合收割机进行改良，解决了谷物联合收割机难以适配亚麻高种植密度、茎秆坚韧的问题。国内现有亚麻收获机如佳木斯东华公司研制的4MBL-1.5型牵引式亚麻联合收获机，实现了亚麻拔取、果实收集作业与田间铺放晾晒，但易出现茎秆倒伏和纤维断裂现象。黑龙江省农业机械工程科学研究院研发了4FZ-140型自走式拔麻机，该装备能完成亚麻的无损伤拔取、有序翻转与放铺。甘肃农业大学研发了丘陵山地胡麻联合收割机能够实现亚麻的防缠绕快速喂入、分段式脱粒与分离、清选等作业[17]。但现有亚麻收获机械仍存在分禾器设计不合理、分禾效率低、拔麻台拔取机理不明确，以及拔麻台作业过程中漏拔率和断麻率较高、作业参数协同性差、缺乏系统优化和稳定性不足等问题。
针对上述问题，本研究开展了自走式亚麻收获机高效分禾拔麻台机构设计与田间收获作业试验研究。通过优化分禾器结构，解决分禾不彻底、茎秆损伤大的问题;探究拔麻台的拔取机理，优化夹持输送机构设计，实现亚麻植株的垂直低损拔取;开展单因素与多因素试验，分析各试验因素对拔麻台作业效果的影响，构建响应面模型，以断麻率和漏拔率为评价指标，建立多参数协同优化模型，获取最佳工作参数组合;开展田间试验验证，有效降低了收获过程中的漏拔率和断麻率，可以为我国亚麻机械化高效低损收获提供理论支撑和技术参考。
1 整机结构与工作原理
1.1 整机结构
自走式亚麻收获机整机结构如图1所示。该设备以实现亚麻高效分禾、将植株垂直地从土壤中拔出、通过输送皮带柔性夹持有序翻转与均匀铺放为目的，减少收获过程中纤维的损伤;通过变速箱和传动机构实现机具前进速度与拔麻台工作速度、放铺台输送铺放速度的协调统一，确保机具运转的平稳顺畅。其主要技术参数如表1所示。
图1 自走式亚麻收获机整体结构图
1.行走系统;2.发动机;3.变速箱;4.放铺台;5.液压系统;6.拔麻台;7.驾驶操作台;8.分禾器。
表1 主要技术参数
1.2 工作原理
自走式亚麻收获机作业时，亚麻植株通过分禾器被引导至拔麻轨道，在拔麻台前端硫化橡胶轮与输送皮带的共同作用下，被夹紧并沿垂直方向从土壤中拔出，随皮带向后方运动。被夹持的亚麻植株沿统一路径通过换向机构输送到放铺台上，再在带有拨齿的皮带输送下沿放铺台斜面有序移动，最终均匀地铺放在机具后方的地面上。在拔麻台下方的液压系统根据亚麻植株的生长情况调节拔麻位置;同时，其结合种植密度调节机具前进速度以控制喂入量;再通过控制拔麻台和放铺台皮带的运转速度，确保植株输送过程平稳有序，避免堵塞[18]。最终实现密集种植条件下的植株分禾、亚麻的无损伤拔取、皮带柔性夹持输送，有序水平翻转和植株均匀铺放等一体化作业流程。自走式亚麻收获机作业过程示意图，如图2所示。
图2 自走式亚麻收获机作业示意图
2 关键部件设计与运动学分析
2.1 分禾器机构设计
分禾器是亚麻收获机的前置部件，在收获作业中分离目标亚麻植株，引导亚麻植株有序进入拔麻台的夹持区域，同时避免植株倒伏、茎秆损伤或分禾器自身发生损坏，分禾器结构与分禾过程中亚麻植株受力情况图如图3所示。
图3 分禾器结构与分禾过程中亚麻植株受力情况图
分禾器以一定角度插入作物群体，通过侧面对亚麻茎秆施加侧向力，使植株向割台偏转，达到分禾效果。分禾器导角α对分禾作业效果有直接影响:α越小，侧向分力越平缓，但分禾效率降低;α过大，侧向分力骤增，易导致植株倒伏或折断。亚麻茎秆在侧向力作用下紧贴分禾器工作面滑动，由于存在法向接触力，产生滑动摩擦，摩擦力过大，会导致亚麻茎秆表皮损伤和纤维断裂;过小，则可能造成茎秆打滑，无法顺利进入割台[19]。因此，在分禾过程中亚麻植株受力关系应满足
式中:F0为亚麻茎秆沿着分禾器运动反方向作用力的数值，单位N;f0为分禾器对亚麻茎秆的摩擦力的数值，单位N;FN为分禾器对亚麻茎秆法向支持力的数值，单位N;μ为分禾器与亚麻茎秆之间的摩擦因数。
经测量亚麻茎秆的滑动摩擦因数μ=0.23，由此确定分禾器导角α=26°，分禾器宽度b=28mm。
在分禾过程中，分禾器距地面高度h也会对分禾性能产生显著影响。当分禾器高度过低(h≤0.2m)时，接触点靠近根部，茎秆弯曲难度大，容易出现分禾不彻底的情况;分禾器高度过高(h≥0.35m)时，接触点靠近上部，茎秆弯曲变形量大，易出现过度弯曲，导致倒伏、漏拔率增大，影响拔麻效果和输送效率。因此，选取0.20m≤h≤0.35m。分禾器的长度L影响分禾过程中的接触范围和引导植株路径长度，分禾器过长会使大量植株挤压增大分禾阻力，分禾器长度过短会使茎秆未完成稳定偏转即进入拔麻台，造成分禾不彻底，发生缠绕或漏收。因此，选取0.95m＜L＜1.00m。
2.2 拔麻台机构设计
自走式亚麻收获机拔麻台是亚麻田间收获的核心作业部件，可完成亚麻垂直拔取、柔性夹持输送、有序姿态转换等连续作业，为后续放铺台均匀铺放亚麻奠定基础。拔麻台整体结构如图4(a)所示，拔麻台前端与分禾器固连，经由分禾器引导的亚麻植株分别被4组拔麻轨道接收，每组拔麻轨道包含2个定位轮、1个硫化橡胶轮和输送皮带，每个拔麻轨道工作幅宽为350mm。拔麻作业在拔麻轨道处完成，亚麻植株被从土壤中拔出并向后方移动，完整作业过程分为夹持、拔麻、输送3个阶段，如图4(b)所示。在夹持阶段，亚麻植株开始接触到输送皮带和硫化橡胶轮，随着机具的前进亚麻茎秆受到硫化橡胶轮的推力和输送皮带的反向作用力，在二者的作用下亚麻植株被夹紧，随着皮带的进一步运动亚麻植株开始受到拔起力的作用[20]。
图4 拔麻台结构与拔麻过程分析
1.定位轮;2.硫化橡胶轮;3.皮带张紧轮;4.辊轮;5.内侧主动带轮;6.外侧主动带轮;7.皮带换向定位轮;8.皮带换向轮;9.水平输送轮;10.亚麻导流板;11.拔麻台侧护板;12.拔麻台底板;13.输送皮带。
在拔麻阶段，输送皮带与茎秆相互接触产生摩擦力，在垂直方向上的分力提供了拔起作物所需的拔起力，亚麻植株在拔起力的作用下克服了根系与土壤的附着力和自身重力，逐渐从土壤中拔出。在拔麻过程中，拔起力F做正功，而亚麻植株自身重力G和土壤对根系的附着力f则阻碍拔麻过程，做负功。以单一植株茎秆为对象进行受力分析，则有F≥G+f。单一亚麻植株的重力G很小，与土壤对根系的附着力相比可以忽略不计，因此拔麻作业的顺利进行应满足F＞f。为确保拔起力F足够大，可以通过调整定位轮位置控制输送皮带的张紧程度，张紧程度越大所能提供的拔起力越大;此外，还可以通过适当增大输送皮带宽度来增大接触面积，从而在相同的工作条件下提供更大的拔起力F。在拔麻阶段，拔麻作业时间t对拔麻作业效果也会产生较大影响;拔麻作业时间过短，皮带与植株的摩擦力作用时长不足，无法完全克服土壤对根系的附着力，易出现不完全拔取和漏拔现象，同时拔取力在较短时间内作用于植株，茎秆承受的瞬时拉力过大，易出现茎秆拉断的情况;而拔麻作业时间过长，会导致植株在拔麻轨道入口堆积，降低机具的作业效率，此外植株被拔麻皮带长时间夹持，夹持部位的表皮磨损、压痕更严重，导致纤维断裂，影响收获亚麻的品质[21]。
亚麻植株完全拔起的必要条件为
式中:W为亚麻植株完全拔起所消耗功的数值，单位N·m;f为土壤对亚麻根系附着力的数值，单位N;θ为拔麻台作业面与地面水平夹角的数值，单位(°)，为确保垂直拔麻，取θ=45°;t1为拔麻开始时间的数值，单位s;t2为拔麻结束时间的数值，单位s;Δh为植株垂直地面方向上的位移的数值，单位mm;h1为植株重心在竖直方向上位移的数值，单位mm。
为确保植株完全拔起，在拔麻过程中植株在垂直方向上的位移应大于等于位于土壤中亚麻根系长度。经试验测量，亚麻根系长度为100mm。
拔麻作业时，为最大程度降低亚麻茎秆的折断风险、减少纤维损伤，应使亚麻茎秆在水平方向无相对位移，使拔麻速度的水平分量与机器前进速度抵消，因此亚麻茎秆保持接近直立的姿态完成拔取;此外，还需让拔麻速度、夹持输送皮带的输送速度与机器前进速度保持一定比例的同步变化，避免茎秆在拔麻台入口堆积或在输送环节跑偏。在拔麻区，输送皮带与硫化橡胶轮相互接触组成包络区(见图5)，亚麻植株通过拔麻区被拔起的过程中水平方向上未发生相对位移，因此拔麻速度v1与输送皮带的线速度vb存在一定比例关系
式中:L为亚麻植株水平移动距离的数值，单位m;v1为水平方向上平均拔麻速度的数值，单位m/s;θ1为拔麻区硫化橡胶轮旋转角度的数值，单位(°);D为硫化橡胶轮直径的数值，单位mm;vb为输送皮带的线速度的数值，单位m/s。
从亚麻植株进入拔麻区到被完全拔起，硫化橡胶轮转动角度θ=110°，经测量L≈135mm，硫化橡胶轮直径p=190mm，计算vb=1.351v1。为确保拔麻速度能完全抵消机器前进速度，实现垂直拔麻，同时预留安全余量以抵消亚麻长势、土壤阻力波动，设定速度冗余系数k(拔麻速度v1与机具前进速度v0的比例系数)。结合亚麻的生长状态和试验验证，确定冗余系数k为1.31～1.55，因此vb=1.77～2.09v0。为了尽可能提高作业效率和实现对部分倾斜角度较大或发生倒伏现象的亚麻植株进行有效收获，选取vb=2.09v0。
在输送阶段亚麻植株根系已完全从土壤中被拔出，茎秆在输送皮带的带动下逐渐开始沿远离硫化橡胶轮的方向移动，并最终在两组拔麻轨道交汇处汇集。此阶段亚麻植株仅受到自身重力G和摩擦力F'作用，二者大小相等方向相反。
亚麻柔性夹持输送是亚麻机械化收获拔取、翻转、铺放全流程的核心衔接环节，需要在实现植株稳定传递的同时，最大限度降低茎秆损伤。被皮带夹持的植株经过亚麻导流板后再次汇聚，通过换向定位轮、皮带换向轮、水平输送轮实现亚麻茎秆的换向翻转，将垂直夹持的麻茎从直立状态转变为水平铺放状态，并保持根部整齐、防止跑偏，为后续平稳有序地铺放奠定基础[22]。
图5 拔麻输送速度与机具前进速度关系图
3 试验与分析
3.1 试验设备及条件
试验于2025年9月于黑龙江省北安农垦分局龙门农场进行。选用黄熟初期和黄熟期田间种植的亚麻植株为试验材料，植株生长状态良好，未出现明显倒伏现象，植株密度小于2300株/m2，满足机械化收获的农艺要求[23]。
3.2 试验指标与方法
试验方法和评价指标参照推荐性地方标准DG/T248—2021《亚麻收获机标准规范》进行。试验区域面积为3hm2，地势平坦、植株成熟度与生长密度均匀，机具单程运行长度大于50m，试验区域宽度4.5m，通过秒表记录作业时间，并计算作业过程中机具前进速度。在该作业区间内随机选取彼此间距不小于2m的5个取样点，分别记录漏拔和拔断的亚麻植株数量并与试验前取样点内的亚麻植株总数进行对比，取样点的范围为1.4m×0.5m，每组试验因素下进行3次重复试验，结果取平均值[24]，以漏拔率和断麻率试验评价指标。
拔麻台漏拔率Sb的计算公式为
式中:Nb为作业后未拔下亚麻的株数，Na为作业前亚麻的株数。
拔麻台断麻率Sd的计算公式为
式中:Nd为作业后断裂的亚麻株数。
3.3 单因素试验
3.3.1 机具前进速度对拔麻台作业性能的影响
为了探究机具前进速度对拔麻台作业性能的影响，以拔麻台漏拔率和断麻率为试验指标，对不同水平下机具的前进速度开展单因素试验。确定机具前进速度为1.60、2.00、2.40、2.80、3.20m/s，通过液压装置调节拔麻台高度为280mm。每组试验进行3次，结果取平均值，如图6所示。
图6 机具前进速度对拔麻台作业性能的影响
由图6可知，随着机具前进速度的增加拔麻台漏拔率和断麻率均呈先减小后增大的趋势。当机具前进速度较低时，亚麻植株在拔麻台上的停留时间较长，漏拔率相对较低;但是在收获过程中植株受到过度的摩擦与损伤，增大了断麻的概率。由于皮带运动线速度与机具前进速度成正比，此时皮带运动线速度较低，拔麻过程中对植株的支撑不稳定性加剧;当机具前进速度过快时，亚麻植株在拔麻台内的时间过短且单位时间内拔麻台的喂入量明显增加，输送皮带无法与每一植株充分接触，夹取稳定性较差漏拔率增加。在拔麻台高速工作时，植株急促地从土壤中拔出，植株抓取过程中受力均匀性较差，断麻率显著增加。当机具前进速度为2.4m/s时，拔麻台作业效果最好，漏拔率和断麻率分别为0.68%和5.03%。
3.3.2 拔麻位置对拔麻台作业性能的影响
为了探究拔麻位置对拔麻台作业性能的影响，以拔麻台漏拔率和断麻率为试验指标对不同拔麻高度进行单因素试验。液压装置调节范围为0～350mm，当拔麻台高度小于200mm时，分禾器会与土壤发生接触，可能会造成机具受损。通过液压装置调节拔麻位置的高度为220、250、280、310，340mm，将机具前进速度调至2.4m/s。每组试验重复3次，结果取平均值，如图7所示。
图7 拔麻位置高度对拔麻台作业性能的影响
由图7可知，拔麻台漏拔率和断麻率随拔麻位置高度增加而先减小后增大。当拔麻台的拔麻位置高度较低时，亚麻植株的根部仍然深深扎根在土壤中，拔除的阻力较大，此时拔麻台需要更大的力量才能将植株从土壤中拔起;同时，亚麻根部茎秆直径较大，植株未能完全被抓取，导致漏拔率较高;由于机械施加的拉力主要集中在根部，可能造成茎秆的纤维断裂，因此导致断麻率增加[25]。当拔麻位置过高时，拔麻机开始抓取植株的顶部，机器对植株的抓取力减弱，植株的顶部较为柔软，抓取过程中的打滑现象明显，引起漏拔率上升;亚麻顶部与下部相比更为细弱，拔麻过程中，植株的顶部被过度拉伸，导致纤维发生断裂，使断麻率增加[26]。当拔麻位置高度为250mm时，漏拔率最小为0.67%;拔麻位置高度为280mm时，断麻率最小为4.97%。
3.4 正交试验
3.4.1 试验设计
基于单因素试验结果，以机具前进速度与拔麻位置高度为试验因素;以拔麻台漏拔率和断麻率为试验指标开展多因素试验，建立试验指标与试验因素的数学模型，探究试验因素间的交互作用影响，并获取最佳工作参数组合。试验因素水平编码表如表2所示，试验结果如表3所示。
3.4.2 试验结果
为了直观展现各试验因素与试验指标间的关系，运用Design-Expert 13软件绘制相应曲面，如图8
表2 试验因素编码
表3 二因素五水平正交旋转组合试验结果
图8 各因素对指标影响的响应曲面图与等高线图
自走式亚麻收获机拔麻台机具前进速度与拔麻位置高度对漏拔率的影响响应曲面图和等高线图如图8(a)、图8(c)所示。当前进速度较低时，随着拔麻位置高度的降低漏拔率先迅速下降后缓慢上升;当前进速度较高时，漏拔率呈现先下降后上升的趋势，但变化过程较为平缓，变化幅度也较小;当拔麻位置高度一定时，漏拔率随前进速度的增加先降低后增加。对漏拔率回归模型进行分析，模型显著性P＜0.001，回归模型显著，模型失拟项P＞0.05，残差项不显著，回归模型成立。漏拔率与前进速度和拔麻位置高度的回归数学模型为
自走式亚麻收获机拔麻台机具前进速度与拔麻位置高度对断麻率的影响响应曲面图和等高线图如图8(b)、图8(d)所示，断麻率随前进速度增大呈现先缓慢下降后快速上升的趋势;当拔麻位置高度一定时，断麻率随前进速度的增加先降低后增加。对断麻率回归模型进行分析，模型显著性P＜0.001，回归模型显著，模型失拟项P＞0.05，残差项不显著，回归模型成立。断麻率与前进速度和拔麻位置高度的回归数学模型为
在此基础上为了获取拔麻台漏拔率和断麻率最佳参数组合，结合前期研究所确定的边界条件，建立非线性规划参数模型为
基于Design-Expert 13软件中多目标参数优化模块对数学模型分析求解，并获取最优工作参数，当机具前进速度为2.38m/s，拔麻位置高度为268mm时，拔麻台作业效果最为理想，漏拔率为0.64%，断麻率为4.84%。
3.5 田间试验
参照最佳工作参数组合，选取机具前进速度为2.38m/s，拔麻位置高度为268mm，开展田间试验验证(见图9)，试验重复5次，试验结果取平均值。
图9 田间试验
试验结果表明，自走式亚麻收获机拔麻台田间作业性能良好，平均漏拔率为0.65%，平均断麻率为4.81%，满足DG/T248-2021推荐性地方标准要求(漏拔率≤1%，断麻率≤5%)。田间试验结果与优化值的相对误差不超过5%，满足作业要求。
4 结论
1)设计了自走式亚麻收获机高效分禾拔麻台，可在亚麻收获过程中的复杂生长条件下实现植株高效分禾、垂直低损拔麻、柔性夹持输送、植株有序翻转等一体化作业，结合收获机后方的放铺台对亚麻植株的均匀铺放，可以实现亚麻高效低损收获全流程机械化。通过对分禾器、拔麻台等机构的作业过程进行动力学分析，优化了各关键部件的结构设计。
2)基于前期理论分析和单因素试验确定机具前进速度和拔麻位置高度为影响拔麻台作业效果主要因素，并明确其取值范围，开展两因素五水平正交试验，基于Design-Expert 13软件多目标参数优化模块获取最优工作参数组合:机具前进速度2.38m/s、拔麻位置高度268mm，此参数下漏拔率为0.64%，断麻率为4.84%，满足设计要求。
3)田间试验结果表明，本研究设计的自走式亚麻收获机拔麻台作业效果与整机田间作业性能良好，平均漏拔率达到0.65%，平均断麻率达到4.81%，能够满足实际农业生产需求。
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文章摘自：徐宏扬,孙志远,刘伟光,等.自走式亚麻收获机高效分禾拔麻台设计与试验[J/OL].农机化研究,1-8[2026-08-16].https://link.cnki.net/urlid/23.1233.s.20260714.1639.002.
