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世界著名难题——“割前脱粒”联收机的探索

    东北大米享誉全国,黑龙江种植面积大,为了提高品质、避免早雪的袭击确保高产优质,日益认识到收获不宜过晚。而当前使用的全喂入联收机因茎叶潮湿谷粒分离损失大、堵塞等问题无法高效作业。秸秆不进入机器的日本“半喂入”联收机作业性能好,但结构太复杂、成本高。反传统的先脱粒后割秸秆的“割前脱粒”方式具有使青绿而潮湿的秸秆不进入机器等诱人的优点,但亦有诸多难点,可以追溯到千年前欧洲高尔人对它就有过探索。从19世纪中叶以来许多国家如澳、日、苏联、意、英、法、菲和我国十余个单位都进行过研究。探索的热忱时高时低地延续了这么多年,其难度可见一斑。蒋亦元持续探索了35年,研制了四代样机。它们都是经过构思、理论分析、计算设计、室内部件试验、反复修改可行后再进入样机的设计、试制,在生产条件下的试验、再修改、再试验至满意的全过程。随着竞争对手的技术进步,这四代样机的原理与结构亦是“与时俱进”地随之变化着的。第一代耗时四年就搞成了,能在先脱粒的同时进行切割秸秆并搂成条铺的割前脱粒联收机。但作业速度过低,不能收倒伏水稻。第二代耗时六年,搞成能收倒伏水稻,但落粒损失过大以失败告终,但收倒伏水稻的扶禾器是成功的。第三代耗时四年,采用气流吸运,并创制出一系列与之配套的新型工作部件,构成了“割前脱粒”水稻收获机。可收倒伏水稻、谷粒损失又少是其突出的优点,但不能在脱粒的同时收获稻草。为此研发了与之配套的能收割稻草并放铺整齐、同时能将粮袋运出田间的多功能自走式底盘,与前者构成了“割前脱粒”水稻收获机器系统。该系统受到用户欢迎和美、日、法等国专家的高度评价,于1995年获国家技术发明二等奖、黑龙江省科技进步一等奖。但蒋亦元认为仍需完善:应在割前脱粒的同时能收获稻草形成“割前脱粒”水稻联合收获机。

    蒋亦元与他的研究集体参考英国发明的、不能收获稻草的“割前摘脱台”,创造成气流吸运的、能同时切割搂集秸秆成条铺的“4ZTL型割前摘脱水稻联收机”。为此耗时十一年。在国家标准规定的作物正常状态下作业时,谷粒损失少,清洁率高,作业速度快(0.7-1.6m/s,最高可达2.2m/s)。曾在几个农场与县的农村收获约700亩水稻。受到用户与专家们的高度评价。发明专利以高价技术转让、实施转化。但在此过程中,一方面暴露出机器本身对作物状态的适应能力尚有较大局限性,需要改进;另外由于其创新难度大、加工技术、资金等条件的限制,使得这一转化过程步履蹒跚、艰难地前进着。为了解决上述问题,研究集体历尽了各种艰难,甘冒王选院士所言:“创新性成果转化为生产力要冒九死一生的风险”。他们之所以能如此执着,就在于这一新收获工艺展现出下述的前景:

    1.与半喂入式相比结构大为简化

    由于省去切割后禾秆的夹持输送机构,传动部件数可以减少2—5倍.成本降低,使用简便。此案是以牺牲收获倒伏作物的性能与采用气流能耗增加为代价的。多年来总认为倒伏水稻毕竟只占少数,在对作物状态适应性上尚有一定空间。

    2.只收谷粒不收割秸秆,实施不粉碎直接还田

    收后的秸秆任其站立田间。之后由铧式犁耕翻不经分碎的秸秆直接还田。在多个农场与农村的试用表明:站立的秸秆在犁耕时由于对地面不会产生相对运动,因而不会产生因粉碎后的长秸秆缠绕犁柱而造成堵塞、拖堆的故障。此外,省去了粉碎秸秆的环节与设备,又节省了粉碎秸秆的能耗。近年来虽有打浆机打茬还田,毕竟打浆耕层浅,隔年仍需翻耕,否则耕层过浅不利于水稻的进一步提高单产。此项站杆不粉碎还田既简便又节能的技术有利于秸秆还田的快速推广,从根本上解决水田土壤板结问题。

    3.可在霜前收获水稻,青绿的秸秆可作青贮饲料

    因秸秆不进入滚筒,从而可提前收获高湿度秸秆的水稻,稻草是青绿的,经捡拾打捆并同时喷洒乳酸菌,经密封发酵,成为牛羊的青贮饲料。可以部分甚或全部替代青贮玉米。以稻秆替代玉米作青贮是废物利用,节省生产成本,更省下了种植青贮玉米的土地,其社会意义更大。

    “割前脱粒”收获工艺与生俱来的特点是——收获直立整齐的水稻,性能优良,但谷粒损失会随着植株倾倒程度而增加。水稻单产的提高使得解题的难度更大。这是未能成生产力的主因。

   【对墨非(G.Murphy)的“π关系式合成理论的修正以至否定

    众所周知,相似理论与模型试验技术被广泛地应用于许多工程技术领域。它尤其适用于当所研究的物理现象的各因素的影响规律尚未被充分掌握,但已知哪些主要的影响因素时,即可采用此技术用较少的试验获得因素与指标之间的响应规律,借此可具有针对性地解决工程中的问题。因而它在创新型探索研究中更有用武之地。蒋亦元在创制单面取土的筑埂机中运用相似理论与模型试验取得了满意的结果。

    当其在球体在液体中沉降规律的验证中,采用Murphy的π关系式合成理论中万博娱乐平台真实性“组分方程必须具有相同形式”时,发现所合成的π关系式得出的结果误差很大。通过多年的周密试验研究,首次提出并经实验和理论上证明:组分方程可以具有不同形式。从而使预测精度显著提高。此成果获得院士、专家们的一致好评。

    此后按上述方法获得组分方程,并合成π关系式,又将各物理量代入后获得了经验公式。但当用获得的经验公式来预测性能指标时发现它的适用范围很窄。当扩大物理量的变化范围时,则预测误差增大,甚至达“荒唐”的地步。经蒋亦元的进一步研究发现G.Murphy的“π关系式合成理论”本身就是错误的,其前后是矛盾的。

    蒋亦元虽然感到遗憾,原来美好的愿想竟成为泡影。但并不后悔。因为:①发现并证明一个定理是错误的,以免误导后人,其价值依然是积极的;②通过这个过程培养了自己敢于怀疑,甚至否定权威的科研态度,也获得了一些探索性研究的方法。

   【在其他农机研究方面的建树

    蒋亦元院士建立的收获机械的平台式逐秸器理论,研究结果被其他学者的实验研究所证实,并被编入全国统编教材。

    亚麻种子成套机械的研究成果在生产中被多年应用。清选质量与效率达到国际先进水平。

    悬挂式水田筑埂机的研究采用单面取土方式是当时国际通行的双面取土的一次革命,有助于减少平地作业用功量,并使作业功能扩大。首创聚四氟乙烯复面,解决了严重粘土和显著减轻了阻力。

    在乳牛饲养机械化的研究中首次采用先进的散放饲养方式、串连式挤奶车间及配套的饲料车间以显著降低劳力消耗。初步结果显示是可行的。遗憾的是后因三年困难时期牛群宰杀,未能继续完善。

     【高级人才的培养的方式与效果

    蒋亦元培养的研究生并不很多。他(她)们工作在国内外有些是很出色的。例如赵匀教授以其发明了新型高速前插旋转式插秧机、国际首创的后插旋转式插秧机和宽窄行插秧机;应义斌教授发明了水果品质在线同步检测与智能化分级技术装备;他们分别在2007年和2008年获得国家技术发明二等奖。他们师生三位是全国奖励办农业装备领域唯有的三个发明二等奖,也是迄今的最高奖。在国外的如张瑞红以其发现加速发酵的细菌,创造出厌氧分级干式发酵系统,利用多种废物产生沼气用于发电,而获美国国家环境保护奖。潘忠礼以其新红外加热干燥技术等成就获得美国总统青年科学家奖。又如孙秀芝以其在基于生物质的聚合物与合成物领域的卓越成就,出版了首部专著,并被美国农业部委任生物质产品与生物质能源创新性研究项目制定组组长。蒋亦元每当谈及学生们的这些成就时就显得兴奋不已。当然这主要是他们自己的努力与智慧的结果,但与蒋亦元的培养方式不无一定的关系。因为他对如何培养是有自己的一套方式。那就是主要传授科学研究的方法论及创新性思维。运用孙子兵法与老子的辩证思维、古诗词的创作、音乐艺术的欣赏,结合农业机械机型的演变过程讲授创造性思维的方法。

    在教学方面,培养博士7名、博士后3名、硕士14名,发表论文60余篇。

    蒋亦元在其他农机研究方面也有建树。获得黑龙江省科学大会项目奖及黑龙江省先进科技工作者称号。连续四年被评为哈尔滨市劳动模范。1980年黑龙江省特等劳动模范。1999获“全国首届优秀博士论文指导教师奖”。2001年获全国农业科学技术先进工作者奖。

蒋院士11次参加国际学术会议,主持专业学术研讨组会议7次。在国际农业工程界具有较大影响。在我国农业工程学科建设中做出了重要贡献。

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