姚禮軍 胡志超 王申瑩++曹明珠 王冰 于昭洋
摘要:收獲臺在花生聯(lián)合收獲機中起著至關(guān)重要的作用,其工作性能的好壞直接影響了機器收獲質(zhì)量以及后續(xù)摘果的性能。目前運用在花生聯(lián)合收獲機上的收獲臺的種類形式多樣,其中典型代表的是挖-拔組合式(運用在花生聯(lián)合收獲機上)和撿拾式(運用在花生分段聯(lián)合收獲機上)。總結(jié)了花生收獲臺的演進歷程和當(dāng)今國內(nèi)外花生收獲機收獲臺常見類型,分析不同結(jié)構(gòu)特征,簡述其工作原理,找出工作時存在的問題。同時,對農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域可借鑒的相關(guān)裝置進行剖析和對收獲臺未來發(fā)展提出相應(yīng)對策與展望,以期能為今后的研究提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞:花生;聯(lián)合收獲機;收獲臺;工作原理;結(jié)構(gòu)特征;設(shè)備創(chuàng)新;關(guān)鍵技術(shù)
中圖分類號: S225.7+3文獻標(biāo)志碼: A
文章編號:1002-1302(2016)12-0033-06
收稿日期:2015-11-17
基金項目:國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(編號:CARS-14-機械化裝備);中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項目;花生智能化高效聯(lián)合收獲關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究項目(編號:2016YFD0702102)。
作者簡介:姚禮軍(1990—),男,安徽安慶人,碩士研究生,研究方向為機械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備。E-mail:1002526216@qq.com。
通信作者:胡志超,研究員,博士生導(dǎo)師,研究方向為農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備。E-mail:zchu369@163.com。
我國是世界上種植花生的主要國家之一,種植面積和產(chǎn)量都位于世界前列,但我國的花生收獲機械水平較發(fā)達國家(如美國)相對滯后,大部分花生種植區(qū)主要還是靠人工、半機械作業(yè)收獲為主,嚴(yán)重制約了花生產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。近年來,隨著人們對機械化生產(chǎn)的渴求以及科研單位水平的提升,花生收獲機械有了較為全面的發(fā)展,主要類型有分段收獲機械和聯(lián)合收獲機械。分段收獲是由多種不同設(shè)備分別(分段)完成整個收獲作業(yè)的過程,常用的分段收獲設(shè)備有挖掘犁、挖掘收獲機、摘果機、復(fù)收機、撿拾聯(lián)合收獲機等。聯(lián)合收獲是指由1臺設(shè)備一次完成挖掘、抖土、摘果、清選、集果和秧蔓處理等收獲作業(yè),是當(dāng)前集成度最高的花生機械化收獲技術(shù)[1-2]。挖掘撿拾是花生聯(lián)合收獲機的重要作業(yè)環(huán)節(jié),也是花生聯(lián)合收獲的關(guān)鍵技術(shù),收獲臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化以及作業(yè)參數(shù)選定直接決定了花生收獲機的作業(yè)性能。目前有關(guān)花生收獲機收獲臺的研究和認識還很粗淺,嚴(yán)重制約了設(shè)備創(chuàng)新水平和效率。
1花生收獲臺的演進歷程
在花生聯(lián)合收獲機研制之前,國內(nèi)外農(nóng)機市場、墾區(qū)、種糧大戶已經(jīng)出現(xiàn)并投入使用多種機型,其結(jié)構(gòu)簡單,基本上只能夠完成聯(lián)合收獲機收獲臺的部分功能,但工作性能穩(wěn)定,在花生收獲階段大大減少了農(nóng)民的勞動強度,縮短了搶收時間。從生產(chǎn)應(yīng)用的時間上看,基本上是經(jīng)歷了由花生挖掘犁、花生挖掘機、花生復(fù)收機到現(xiàn)代聯(lián)合收獲機收獲臺的演變過程。
1.1花生挖掘犁
花生挖掘犁是最早研制的花生收獲機械,其思路來源于普通耕作機械,結(jié)構(gòu)形式也極為相像,與小四輪拖拉機或手扶拖拉機能夠協(xié)調(diào)配套使用。在工作過程中,花生果系能被完全耕起,但果土無法分離,挖掘后還需進行人工抖土、整理撿拾花生等。該犁具的產(chǎn)生為當(dāng)今的花生聯(lián)合收獲機挖掘收獲臺提供了研制思路和理論基礎(chǔ)[3]。其中具有代表性的是4HW-60型,結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2花生挖掘機
花生挖掘機相對挖掘犁功能相對齊全,能夠一次性完成挖掘、抖土、拋秧鋪放。根據(jù)不同地區(qū)差異,各個企業(yè)廠商、研究機構(gòu)已研制并投入使用的機型種類各異,結(jié)構(gòu)尺寸也不盡相同。典型機型有4H-2型(圖2)和4HW-65D型(圖3)。4H-2型研制時間較早,結(jié)構(gòu)簡單,工作性能可靠;4HW-65D型采用了鏈?zhǔn)缴\結(jié)構(gòu),具有較好的抖土鋪放功能,是花生聯(lián)合收獲機收獲臺的雛形[4]。
[FK(W12][TPYLJ2.tif]
1.3花生復(fù)收機
[JP2]花生復(fù)收機是在復(fù)收時使用的機器,將第1次收獲后遺留
[FK(W12][TPYLJ3.tif]
在土壤里的花生進行分離收獲。該機型的結(jié)構(gòu)與花生收獲機類似,只是在結(jié)構(gòu)上多出了分離裝置,有助于從土壤中分離出殘留的花生。由于我國大部分地區(qū)耕種模式采取的是一年兩熟或是兩年三熟,不適應(yīng)這種復(fù)收作業(yè),因此這種機型在我國沒有得到推廣,到目前為止該種機型的研制基本上停止[5]。
1.4花生聯(lián)合收獲機收獲臺
收獲臺是聯(lián)合收獲機的主要組成部分,由于工作原理的不同,撿拾聯(lián)合收獲機和花生聯(lián)合收獲機的收獲臺在結(jié)構(gòu)上存在著很大的差異。在國內(nèi),隨著機械化進程的加快,相關(guān)生產(chǎn)廠商及科研院所也相繼研發(fā)出適合不同作業(yè)模式的花生聯(lián)合收獲機械,收獲臺的結(jié)構(gòu)形式也隨不同機器功能的需要存在相應(yīng)差異。
2國內(nèi)外花生聯(lián)合收獲機收獲臺常見形式
收獲臺是花生聯(lián)合收獲機的關(guān)鍵裝置,在降低損失率和提高作業(yè)順暢性、性能穩(wěn)定性上都具有舉足輕重的作用。
2.1聯(lián)合收獲機的收獲臺
花生聯(lián)合收獲裝置的研究起步晚,技術(shù)有待完善?,F(xiàn)在處于研制階段的機型種類多樣,按喂入方式分類,分為為半喂入和全喂入2種類型。收獲臺的結(jié)構(gòu)形式也隨喂入方式的不同存在巨大差異。
臺灣大地菱農(nóng)業(yè)機械股份有限公司生產(chǎn)TBH-3252型自走式花生聯(lián)合收獲機(圖4)可以一次完成花生挖掘、拔株、夾持輸送、摘果、清選、集果等作業(yè)工序[6]。
[FK(W13][TPYLJ4.tif]
收獲臺位于機器的左前側(cè),結(jié)構(gòu)形式與一般作物(如水稻)收獲機收獲臺有很大差異。主要由挖掘裝置、分禾裝置、扶禾裝置、輸送鏈等構(gòu)成。隨著機器的前進,分禾裝置將松散待收的花生秧蔓向中間歸攏集中,使秧蔓緊湊地進入扶禾裝置,外側(cè)的雜草或是臨行秧蔓在外側(cè)弧形分秧桿的作用下分隔開來,保證收獲臺夾禾的精確性。隨后進入扶禾裝置的秧蔓開始與V形張口的夾持鏈接觸、夾緊,此時挖掘鏟也開始進入土中將花生的主根鏟斷、松土;最終秧蔓經(jīng)過V形區(qū)逐漸收緊,拔起帶有莢果的秧蔓向后輸送,進入摘果裝置,完成收獲臺的挖-拔組合式起秧輸送功能。該裝置性能穩(wěn)定,挖掘損失低,夾持秧蔓整齊,給摘果創(chuàng)造有利條件。
河南豪峰機械制造有限公司研制的全喂入4HQL-120 型花生聯(lián)合收獲機(圖5)采用后置半懸掛方式與拖拉機聯(lián)接,收獲臺工作幅寬120 cm,挖掘鏟為菱形多塊組合式,鏟片材料采用65 Mn鋼,工作表面熱處理至HRC40-50,多個菱形鏟片分別用螺栓固定在鏟托上,更換簡潔方便。針對壅土阻塞、秧蔓纏繞的問題,設(shè)計者在挖掘鏟前面配置帶有切秧盤的滾壓限深裝置,限深棍采用同挖掘鏟工作幅寬等長的圓筒,工作時隨拖拉機前進的同時并自身轉(zhuǎn)動滾壓果秸起到輸導(dǎo)作用,避免纏繞,同時起到限深作用。在滾筒兩邊還設(shè)置了圓形切秧盤,其半徑比滾筒半徑大60 mm,該距離保證能切斷果秧及雜草,避免挖掘鏟工作區(qū)外的果秧及雜草進入工作區(qū)纏繞機架[7]。
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青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的4HQL-2型全喂入自走式花生聯(lián)合收獲機行走系統(tǒng)采用橡膠履帶式底盤,動力為QC495L柴油發(fā)動機,挖掘輸送部件置于一側(cè),整體成側(cè)向配置。在挖掘鏟設(shè)計時,對主要參數(shù)(初始入土角,挖掘鏟鏟面與前進方向角)進行了嚴(yán)格限定,并且通過經(jīng)大量田間試驗調(diào)查與分析,最終確定初始入土角為20°,挖掘鏟鏟面與前進方向形成的滑切角為48°(圖6)。本機采用了一種三帶式夾持輸送機構(gòu),通過單帶和雙帶的重疊區(qū)實現(xiàn)強有力的夾持,彌補了平皮帶夾持力不足的缺點。單帶和雙帶的重疊區(qū)域控制在0~5 mm,并且可以根據(jù)花生品種的不同進行調(diào)節(jié)[8]。
農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的4HLB-2型半喂入式花生聯(lián)合收獲機為近年研發(fā)出來的一種新型花生收獲設(shè)備,花生植株挖掘起秧后由夾持鏈夾持秧蔓向后輸送,完成清土和摘果作業(yè)。鏟-鏈挖拔組合起秧是該機器收獲臺的關(guān)鍵
[TPYLJ6.tif]
技術(shù),研究團隊對該類型花生起秧裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和作業(yè)參數(shù)進行了充分優(yōu)化[9-10]。
挖掘鏟的設(shè)計相對靈活,留有充足的調(diào)整空間來適應(yīng)不同的作業(yè)條件,具有較好的通用性。扶禾裝置采用撥指式扶禾器,與水平方向的傾斜角設(shè)計80°,最低點距挖掘面距離170 mm。夾持輸送部件作為收獲臺的主要工作部件,包括夾持輸送鏈條、主動鏈輪、被動鏈輪、壓緊裝置、自動張緊裝置等,根據(jù)總體配置需要,扶禾速度比設(shè)計為1.5(即扶禾速度與機器前進速度之比),夾持鏈條呈35°傾斜,在這種狀態(tài)下扶禾器撥指合成速度與夾持鏈的夾角為82°,可實現(xiàn)起秧作業(yè)時花生秧蔓與夾持鏈近似垂直夾持狀態(tài)。同時,夾持速度之比設(shè)計為1.2(即夾持輸送速度與機器前進速度之比),可實現(xiàn)夾持鏈合成速度與水平方向夾角為92°,實現(xiàn)正拔作業(yè)。同時,在解析花生秧蔓扶禾運動過程的基礎(chǔ)上,優(yōu)化扶禾器撥指間距,確定了秧蔓扶禾次數(shù)和作用于同一穴花生植株的撥指數(shù)的計算方法,分析了扶禾器、挖掘鏟、夾持鏈的位置關(guān)系對起秧作業(yè)的影響,得出最佳位置參數(shù)[11-12]。田間試驗結(jié)果表明,該收獲臺起秧作業(yè)整齊、有序、順暢,能夠滿足生產(chǎn)應(yīng)用,田間起秧效果如圖7所示。
2.2撿拾聯(lián)合收獲機的收獲臺
美國的花生機械化收獲為典型的兩段式收獲模式,在挖掘裝置挖掘晾曬后采用撿拾聯(lián)合收獲機進行撿收獲。該類機型均采用全喂入收獲方式,收獲臺幅寬大,具有很高的工作效率。
撿拾收獲機的主要生產(chǎn)廠商有AMADAS公司、KMC公司、Colombo公司,各公司生產(chǎn)的機器收獲臺機構(gòu)形式基本相似,在撿拾器的選取上大多采用滾筒彈齒式撿拾裝置。同時,各公司產(chǎn)品也有自身的創(chuàng)新之處,AMADAS公司生產(chǎn)的收獲機收獲臺幅寬大,擁有世界上最大生產(chǎn)效率的花生收獲機,如圖8所示。
KMC公司采用小直徑的彈齒撿拾滾筒,使撿拾花生秧時產(chǎn)生的沖擊較小,減少撿拾過程中的損失(圖9)。為了輔助禾條的撿拾喂入,KMC設(shè)計了幾種輔助喂入裝置,加裝在彈齒撿拾器滾筒上方,提高了整機的工作性能。
Colombo花生聯(lián)合收獲機開始運作于2006年,相比前2家起步晚,但其產(chǎn)品有著自己的特點,在很多方面有獨創(chuàng)的設(shè)計,整個收獲臺采用全液壓驅(qū)動,能夠?qū)崿F(xiàn)靈活方便的無級變速。同時,采用更低的撿拾滾筒和雙喂入攪龍,可以確保平穩(wěn)、順暢地喂入[13-15]。在彈齒的選擇上,也有較大創(chuàng)新,部分機型采用齒流式撿拾裝置,如圖10所示。
[FK(W8][TPYLJ9.tif]
[FK(W13][TPYLJ10.tif]
我國的花生撿拾聯(lián)合收獲機的研究剛剛起步,代表機型是農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的4HL-8型花生撿拾聯(lián)合收獲機。2014年10月,該機在江蘇泗陽完成田間試驗,試驗結(jié)果表明整機具有良好的適應(yīng)性,工作性能優(yōu)良,工作效率是半喂入兩行花生聯(lián)合收獲機的5~6倍。該項技術(shù)的成功實踐填補了國內(nèi)空白,同時也為今后花生聯(lián)合收獲機的研制提供了指導(dǎo)方向以及科研基礎(chǔ)。
撿拾收獲臺位于機器的最前端,工作幅寬3 m,主要由行走輪、滾筒式彈齒撿拾裝置、攪龍、壓草器、滑草板、收獲臺臺架等組成,如圖11所示。在工作過程時,滾筒式彈齒撿拾機構(gòu)的回轉(zhuǎn)運動與機器前進方向相反,隨著整機的水平直線運動,秧蔓在壓草器的作用下被彈齒挑起,當(dāng)運動至與滑草板處
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時,秧蔓與彈齒分離進入攪龍輸送器,隨后在攪龍的推擠作用下進入輸送鏈輸送至脫離裝置,進而完成秧蔓的撿拾摘果。
3對關(guān)鍵技術(shù)的分析
在國內(nèi),花生聯(lián)合收獲機的研制起步較晚,目前研制較多的為采用挖-拔組合式收獲臺的聯(lián)合收獲機,在技術(shù)上也取得了很多成功突破。但是,該機型對不同類型耕作農(nóng)藝方式、土壤類型要求較高。而撿拾聯(lián)合收獲機作為分段收獲的一種主要作業(yè)機械,工作方式與挖-拔組合式聯(lián)合收獲機有很大區(qū)別,挖掘作業(yè)由專門挖掘機挖掘鋪放,再由撿拾聯(lián)合收獲機進行撿拾收獲作業(yè)。該類型的收獲臺針對規(guī)?;N植模式設(shè)計,幅寬可設(shè)范圍大,相對挖-拔組合收獲臺具有明顯的優(yōu)勢。所以,對撿拾聯(lián)合收獲機收獲臺關(guān)鍵裝置的分析具有重要意義。
3.1可借鑒的相關(guān)技術(shù)
在美國,花生撿拾收獲機的研制處于較高水平,產(chǎn)品多樣,對美國本土花生品種的收獲具有較好的適應(yīng)性。由于我國的栽培品種、種植制度、以及生產(chǎn)條件與美國存在較大差異,引進的美國機型對我國花生的收獲效果較差,尤其是撿拾環(huán)節(jié)也存在較大問題。如何針對國內(nèi)的不同品種、地區(qū)差異、不同的作業(yè)模式,研發(fā)高效、性能優(yōu)良的撿拾收獲臺,是研發(fā)國產(chǎn)撿拾聯(lián)合收獲設(shè)備急需解決的問題。農(nóng)業(yè)機械種類繁多,研究內(nèi)容豐富,與收獲臺相近技術(shù)的研究成果在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,相關(guān)研發(fā)裝置可為花生撿拾收獲機收獲臺的研究提供參考和借鑒。
3.1.1撿拾壓捆機
在國外,撿拾壓捆機的研制距今有100多年的歷史,技術(shù)成熟,研制的產(chǎn)品類型多,不僅可以適應(yīng)于不同牧草的撿拾收獲,還可以用于撿拾不同的秸稈。其彈齒滾筒式撿拾裝置良好的撿拾效果和適應(yīng)性對花生撿拾收獲具有實際的借鑒意義[16-17]。
彈齒滾筒式撿拾裝置主要是由彈齒、彈齒桿、曲柄、凸輪盤、滾輪、滾筒護板等組成,結(jié)構(gòu)如圖12所示。滾筒盤固定在中間軸的兩端,并隨中間軸旋轉(zhuǎn),滾筒盤周向開有圓孔,彈齒桿用軸承正好安裝在圓孔中;彈齒沿軸向并排固定在彈齒桿上,凸輪盤固定在外側(cè)的支承板上。帶有滾輪的曲柄固定在彈齒桿端部,當(dāng)滾筒盤隨中間軸旋轉(zhuǎn)時彈齒桿也隨之做圓周運動,同時端部的滾輪沿凸輪盤定向滑道滾動,以控制彈齒的運動軌跡。
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與一般滾筒撿拾器相比,彈齒的運動軌跡主要由機器前進速度、中間軸回轉(zhuǎn)速度以及凸輪盤的形狀三者相互作用來確定,使其運動軌跡更加多樣化。對于不同的物料以及不同作業(yè)條件,可以通過調(diào)節(jié)或是更換凸輪盤形狀來適應(yīng)作物撿拾,提高撿拾率,擴展機器的作業(yè)范圍[18-22]。所以,在面對我國花生種植品種的多樣性以及不同地區(qū)作業(yè)方式的差異,該裝置的借鑒可以提高機器的通用性。
3.1.2油菜撿拾收獲機
在4SJ-1.8自走式油菜撿拾收獲機上運用的是齒帶式撿拾裝置,由于該撿拾器無縫隙,彈齒密集,觸地撿拾,因此很少出現(xiàn)漏枝、掉棵、炸莢、飛穗、掉粒、損失率高等問題[23],對鋪形適應(yīng)性好,撿拾喂入連貫、通暢。齒帶式撿拾器比滾筒撿拾器質(zhì)量輕,在含水率高的田塊作業(yè)時通過性好,提高了作業(yè)效率。其結(jié)構(gòu)如圖13所示。
[FK(W12][TPYLJ13.tif;S+3mm]
該類型撿拾器較彈齒滾筒裝置相比,用齒帶結(jié)構(gòu)代替了彈齒和滑草板,不僅簡化了機械結(jié)構(gòu)還減小了收獲臺運轉(zhuǎn)時的噪音,提高了收獲臺工作順暢性和可靠性,也給生產(chǎn)制造帶來便捷。同時,彈齒與皮帶的固定連接,安裝緊固,可以增加彈齒橫向的安裝數(shù)量,縮短橫向間隙,因此對撿拾矮小的谷物和條鋪稀薄作物較為干凈利索,落粒損失也較少,能夠較好地控制撿拾率[24-25]。
3.1.3谷物收割機割臺
在全喂入谷物聯(lián)合收獲機中,割臺螺旋推運器的運用較為常見,裝置結(jié)構(gòu)緊湊,使用可靠、對谷
物的喂入具有較高的均勻性,可以考慮將該裝置借鑒運用到花生撿拾收獲臺上,改善機器運行順暢性。
該裝置主要是由螺旋和伸縮扒齒2個部分組成(圖14),機器運行時,螺旋將割下的谷物向中間推送至伸縮扒齒處,再由扒齒將谷物挑起流轉(zhuǎn)90°縱向送入輸送裝置。割臺螺旋的主要參數(shù)有內(nèi)徑、外徑、螺距和轉(zhuǎn)速等,根據(jù)作物的不同,相關(guān)參數(shù)進行相關(guān)調(diào)整設(shè)置。同時,相關(guān)試驗結(jié)果表明,輸送的谷物不是充滿螺旋葉片空間,而是一種非均勻性的輸送過程,伸縮扒齒與螺旋葉片以及相關(guān)輔助葉片的使用能夠很好地解決喂入不均勻性問題,提高機器工作順暢性,為后續(xù)脫粒、清選提供有利條件[26]。
3.2發(fā)展對策建議與技術(shù)展望
當(dāng)前,花生撿拾聯(lián)合收獲機正處于研制和試驗階段,相關(guān)技術(shù)主要借鑒吸收國外先進技術(shù)。然而,面臨國內(nèi)復(fù)雜的花生品種以及耕作方式,相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新不可避免。
根據(jù)我國不同地區(qū)花生種植的不同品種,系統(tǒng)研究收獲[JP3]期秧蔓和莢果的相關(guān)特性,建立完善的數(shù)據(jù)庫,為收獲臺的設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考,優(yōu)化相關(guān)機構(gòu),提高機器撿拾率和工作順暢性。
[JP3]針對不同花生品種、土壤類型,收獲臺采用模塊化設(shè)計,并建立相關(guān)通用標(biāo)準(zhǔn),豐富相關(guān)裝置類型,使作業(yè)生產(chǎn)更具明確性。
農(nóng)業(yè)機械一般的工作環(huán)境相對惡劣,傳統(tǒng)設(shè)計都缺乏精確計算,留有過足的余量來保證機器的作業(yè)性能,材料和機器能量消耗就會出現(xiàn)大量的損失。因此,對收獲臺進行輕量化設(shè)計具有現(xiàn)實意義。
[JP3]近年來,電子、傳感、自動化等技術(shù)突飛猛進,機械的發(fā)展革新迎來了又一春天,如何將傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械與新興技術(shù)相結(jié)合,是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域面臨的新的機遇,應(yīng)合理運用相關(guān)技術(shù),采集分析數(shù)據(jù),并在機器收獲作業(yè)時進行實時監(jiān)控調(diào)整。
4結(jié)語
我國花生種植分布廣,品種多,各地區(qū)種植條件有差異較大,對花生機械化生產(chǎn)提出更高的要求。研制出新型收獲臺,實現(xiàn)高效率、高適應(yīng)性、高穩(wěn)定性收獲作業(yè),具有重要意義。通過引進吸收國外先進技術(shù),并借鑒國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械相關(guān)技術(shù)是研制新型花生收獲機械收獲臺的重要途徑。運用電子信息、新材料、自動化等工業(yè)領(lǐng)域的新型技術(shù),可為實現(xiàn)收獲臺高水平收獲作業(yè)提供有力支撐[27-28]。
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