甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

王 冰， 胡志超， 胡良龍， 彭寶良， 王公仆， 王伯凱

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

甘薯是重要的糧食、飼料、工業(yè)原料及新型能源用原料，是世界糧食生產(chǎn)的底線作物和極具競(jìng)爭(zhēng)力的能源作物，亦是優(yōu)質(zhì)的抗癌保健食品，同時(shí)也是欠發(fā)達(dá)地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)收入之一，生產(chǎn)意義重大[1-3]。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織統(tǒng)計(jì)，我國(guó)甘薯種植面積約為3.673 67×106hm2，約占世界甘薯種植總面積的45.06%；總產(chǎn)量約為8.52萬(wàn)t，約占世界甘薯總產(chǎn)量的 77.38%。我國(guó)甘薯種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一[4]。甘薯是勞動(dòng)密集型土下作物，其生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要包括排種育苗、耕整起壟、剪苗、移栽、田間管理(灌溉、中耕、施藥等)、收獲(割蔓、挖掘、撿拾、清選、收集)等[5-6]。收獲是甘薯生產(chǎn)中用工量和勞動(dòng)強(qiáng)度最大的環(huán)節(jié)，其用工量占全過(guò)程的42%左右，主要包括割蔓、挖掘、撿拾、清選、收集等環(huán)節(jié)，目前國(guó)內(nèi)甘薯收獲機(jī)械的使用率依然很低(平原地區(qū)亦不足20%)，仍以人工作業(yè)為主[7-10]。

1 甘薯聯(lián)合收獲裝備的現(xiàn)狀

甘薯機(jī)械化收獲主要分為分段收獲和聯(lián)合收獲等2種方式。分段收獲的作業(yè)工序是先用割蔓機(jī)割除藤蔓，再用挖掘機(jī)械把甘薯挖出，經(jīng)過(guò)初步清理鋪放成條，然后由人工撿拾甘薯、分離雜物、裝車運(yùn)輸[11]。目前，這種收獲方法在我國(guó)及其他不發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用得較多。甘薯聯(lián)合收獲是指采用一至數(shù)種設(shè)備完成秧蔓處理、限深挖掘、輸送分離、清選分級(jí)、集薯裝箱(或裝車)等作業(yè)，可分為兩段式聯(lián)合收獲和一次性聯(lián)合收獲等2種形式。兩段式聯(lián)合收獲是指用單獨(dú)的去蔓設(shè)備割除藤蔓，再采用挖掘聯(lián)合收獲機(jī)挖掘收獲甘薯；一次性聯(lián)合收獲是指采用一種設(shè)備一次性完成從割蔓到收獲所有環(huán)節(jié)的收獲形式。甘薯聯(lián)合收獲機(jī)按動(dòng)力來(lái)源的不同分為自走式和牽引式等2種類型；按清選方式的不同分為帶人工清選臺(tái)和帶自動(dòng)清選裝置等2種類型；按集薯方式的不同分為自帶集薯箱式和帶配套運(yùn)輸車式等2種類型。

美國(guó)、英國(guó)、加拿大以兩段式甘薯聯(lián)合收獲技術(shù)為主，機(jī)具以大型化牽引式機(jī)型為主，適宜在沙壤土上作業(yè)，配套動(dòng)力大，功耗高，一次性投資巨大，對(duì)我國(guó)新疆地區(qū)的甘薯規(guī)模化種植有一定參考意義；日本、中國(guó)臺(tái)灣的甘薯聯(lián)合收獲機(jī)則以小型化為主，多采用自走式機(jī)型，單壟作業(yè)，效率較低，配套動(dòng)力較小，適宜在較疏松的土壤上作業(yè)，對(duì)我國(guó)甘薯的中小規(guī)模種植具有一定借鑒價(jià)值，但難以適應(yīng)我國(guó)偏硬、偏黏土壤種植區(qū)。自走式和牽引式機(jī)型的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 牽引式和自走式機(jī)型的對(duì)比

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些單位開(kāi)展了甘薯收獲機(jī)械的研發(fā)工作，部分收獲機(jī)具已經(jīng)進(jìn)入推廣階段[12-19]。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘薯研究所、南通富來(lái)威農(nóng)業(yè)裝備有限公司、徐州天晟工程機(jī)械集團(tuán)有限公司等單位合作，積極開(kāi)展適合機(jī)械化收獲作業(yè)的甘薯種植農(nóng)藝、作業(yè)模式及配套的起壟、移栽、去蔓技術(shù)裝備研發(fā)與試驗(yàn)示范，研發(fā)出數(shù)種與中小型、大型拖拉機(jī)相配套的分段挖掘犁、分段收獲機(jī)[20-24]，并在江蘇、山東、河南、河北、四川等省進(jìn)行試驗(yàn)、示范和應(yīng)用，為現(xiàn)階段甘薯生產(chǎn)提供有效技術(shù)裝備支撐。另外，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所在對(duì)比借鑒和消化吸收日本、美國(guó)、加拿大等國(guó)甘薯聯(lián)合收獲技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用已有技術(shù)沉淀，持續(xù)創(chuàng)新，成功創(chuàng)制出自走式薯類聯(lián)合收獲機(jī)，該收獲機(jī)可一次完成限深、挖掘、輸送、清土、去殘蔓、清選、裝箱等作業(yè)，可用于甘薯、馬鈴薯等薯類的收獲[25-27]。

1.1 自走式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)

1.1.1 日本機(jī)型 日本自走式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的生產(chǎn)廠家包括東洋農(nóng)機(jī)株式會(huì)社、松山株式會(huì)社和小喬工業(yè)株式會(huì)社等3家，其生產(chǎn)的主要機(jī)型對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 日本的主要機(jī)型對(duì)比[28-30]

以日本松山株式會(huì)社的GZA651機(jī)型為代表，闡述自走式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的主要結(jié)構(gòu)、工作原理。GZA651機(jī)型的主要功能是限深挖掘、輸送分離、薯秧去除、人工清選、集薯等。日本自走式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：采用履帶式底盤；部分機(jī)型采用獨(dú)特的限深機(jī)構(gòu)，配備薯秧分離裝置、高精度的安全防護(hù)裝置和可升降及可傾斜掛袋裝置；單行收獲；采用兩級(jí)輸送分離+人工清選模式；適用于沙壤土區(qū)的粉用甘薯收獲。

1.1.2 中國(guó)臺(tái)灣機(jī)型 中國(guó)臺(tái)灣甘薯聯(lián)合收獲機(jī)主要由臺(tái)灣嘉義農(nóng)業(yè)試驗(yàn)分析所的林金鐓研發(fā)，并由千漢設(shè)計(jì)公司的吳漢筠進(jìn)行商品化。中國(guó)臺(tái)灣甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該聯(lián)合收獲機(jī)可一次完成切蔓、破壟、限深挖掘、輸送分離、集薯等作業(yè)，為當(dāng)前集成度最高的自走式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)[31]。

中國(guó)臺(tái)灣甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的長(zhǎng)、寬、高分別為5 700、1 900、1 850 mm，行走履帶寬為400 mm，兩側(cè)中心矩為 1 030 mm，有效接地長(zhǎng)度為1 350 mm，主要適用于能源用、粉用甘薯的單行收獲。該機(jī)采用50馬力四缸柴油機(jī)作為行走與收獲機(jī)的動(dòng)力源，其中1組油壓回路驅(qū)動(dòng)靜液壓無(wú)級(jí)變速器(hydraulic static transmission，簡(jiǎn)稱HST)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)收獲機(jī)的行走底盤，另外2組油壓回路驅(qū)動(dòng)高速回轉(zhuǎn)的除蔓刀、圓盤犁、輸送鏈、油缸等。

中國(guó)臺(tái)灣甘薯聯(lián)合收獲機(jī)前端裝有1對(duì)挑秧?xiàng)U，用來(lái)將甘薯秧蔓勾起，然后利用錘刀式除蔓刀切斷秧蔓，并采用附有回轉(zhuǎn)動(dòng)力的圓盤犁將薯壟兩旁的秧蔓切除，同時(shí)對(duì)壟兩側(cè)的土壤進(jìn)行切削，便于挖掘犁將甘薯挖起。挖掘深度由支撐輪控制。挖起后，甘薯、土塊以較小角度經(jīng)第1級(jí)輸送鏈進(jìn)行輸送分離，小于鏈桿間距的土壤和雜質(zhì)物被排出機(jī)外；分離后的甘薯落入第2級(jí)輸送提升裝置，該裝置輸送角度約為45°，提升后的甘薯落入收獲機(jī)后方分揀平臺(tái)，由2人進(jìn)行人工分揀，去除小部分土塊及部分秧蔓后，甘薯被送入機(jī)體末端，掉入容量為500 kg的集薯袋內(nèi)，裝滿后將其卸下放于田間。

中國(guó)臺(tái)灣甘薯自走式聯(lián)合收獲機(jī)的特點(diǎn)：采用履帶式自走底盤；可完成切蔓作業(yè)，比日本自走式收獲機(jī)集成度高；采用液壓驅(qū)動(dòng)主要工作部件；設(shè)計(jì)有挑秧刀、帶動(dòng)力圓盤犁等特色結(jié)構(gòu)；采用兩級(jí)輸送分離+人工清選模式；適用于沙壤土區(qū)的能源用甘薯收獲。

1.2 牽引式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)

1.2.1 美國(guó)、英國(guó)、加拿大牽引式甘薯聯(lián)合收獲機(jī) 美國(guó)、英國(guó)、加拿大牽引式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)以寬幅大功率機(jī)組為主。美國(guó)和英國(guó)的收獲機(jī)生產(chǎn)率高，普遍采用氣、電、液等技術(shù)，如挖掘部件采用了液壓技術(shù)；碎土、分離部件采用了氣壓、氣流、光電技術(shù)；采用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)落薯高度、輸送分離角度的自適應(yīng)控制等。美國(guó)、英國(guó)、加拿大生產(chǎn)的牽引式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)比見(jiàn)表3。

綜上所述，牽引式甘薯聯(lián)合收獲機(jī)分為3類。第1類以美國(guó)生產(chǎn)的機(jī)型為代表，與大型拖拉機(jī)配套。該類機(jī)型技術(shù)先進(jìn)，例如美國(guó)Lockwood研制的4行harvester with direct load system機(jī)型，集液壓、機(jī)械、電控、氣壓為一體，配套動(dòng)力為186.5 kW，整機(jī)質(zhì)量約為11 000 kg，收獲行數(shù)為4行，收獲時(shí)的行走速度為3.2～8.0 km/h，可一次完成秧蔓去除、限深挖掘、輸送分離、集薯等作業(yè)，集成度高，在自動(dòng)化控制、薯塊分離、減少薯塊損傷、集薯技術(shù)等方面有獨(dú)特之處。此類機(jī)型配套動(dòng)力大，價(jià)格昂貴。第2類以英國(guó)生產(chǎn)的機(jī)型為代表，與中型拖拉機(jī)配套。英國(guó)Standen公司生產(chǎn)的TSP1900甘薯聯(lián)合收獲機(jī)能一次完成限深挖掘、輸送分離、秧蔓分離、裝車等作業(yè)，此類機(jī)型采用浮動(dòng)式切壟裝置，對(duì)壟型有良好的適應(yīng)性，可確保順利挖掘；采用全幅寬多級(jí)清選分離柵，分離面積大，清選效果好；采用可調(diào)節(jié)角度的輸送分離器，適應(yīng)不同土壤含水率的作業(yè)；采用獨(dú)特的秧蔓分離輥，可根據(jù)作業(yè)條件更換秧蔓分離輥的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)分離輥的高度、間隙及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，使機(jī)具達(dá)到最佳收獲效果。第3類以加拿大生產(chǎn)的機(jī)型為代表，與大中型拖拉機(jī)配套。加拿大Willsie生產(chǎn)的2R Willsie root crop harvester結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)型較長(zhǎng)，地頭轉(zhuǎn)彎和田間轉(zhuǎn)移不方便，適應(yīng)性差，配套動(dòng)力大于80 kW，純生產(chǎn)率為0.30～0.35 hm2/h，能一次完成限深挖掘、輸送分離、集果、裝卸等作業(yè)，但須人工輔助進(jìn)行清選分離，自動(dòng)化程度低。

1.2.2 美國(guó)、英國(guó)、加拿大甘薯牽引式聯(lián)合收獲機(jī)采用的特色技術(shù)

1.2.2.1 秧蔓分離技術(shù) 秧蔓分離技術(shù)包括秧蔓打擊技術(shù)、對(duì)輥去秧技術(shù)和桿輥夾持式分離技術(shù)等3種。秧蔓打擊機(jī)構(gòu)如圖2所示，其工作原理如下：旋轉(zhuǎn)的桿條由于限制銷接觸而停止運(yùn)動(dòng)，桿條在限制銷前發(fā)生彎曲；當(dāng)桿條彎曲到一定程度時(shí)滑過(guò)限制銷，此時(shí)桿條利用產(chǎn)生的高速?zèng)_擊打擊秧蔓。經(jīng)過(guò)打擊后，大于一定標(biāo)準(zhǔn)的最小薯塊從秧蔓上掉落下來(lái)。美國(guó)Lockwood公司生產(chǎn)的機(jī)型采用了類似技術(shù)。

由圖3可知，對(duì)輥去秧機(jī)構(gòu)主要由螺紋去秧輥、光輥等組成，其工作原理如下：螺紋去秧輥上焊有螺旋抓手，作業(yè)時(shí)一組去秧輥上的螺紋去秧輥和光輥交錯(cuò)工作，螺紋抓手輸送并下拉秧蔓，在光輥和螺旋抓手的擠壓下去除秧蔓。設(shè)去秧光輥外緣到螺旋抓手外緣的距離為W，2個(gè)去秧輥的垂直位置高度差為W1。工作時(shí)，W應(yīng)小于對(duì)應(yīng)薯秧直徑D，W和W1應(yīng)以薯秧直徑和薯塊大小為依據(jù)進(jìn)行調(diào)整。英國(guó)的收獲機(jī)采用此種技術(shù)。

表3 美國(guó)、英國(guó)、加拿大的主要機(jī)型對(duì)比[32-34]

由圖4可知，桿輥夾持式分離裝置的工作原理如下：未分離去除的薯秧、雜草等到達(dá)一級(jí)輸送分離裝置的尾端后，通過(guò)彈性桿的阻擋作用導(dǎo)入一級(jí)輸送分離裝置的輸送桿條和彈性去秧輥之間的間隙；一級(jí)輸送分離裝置桿條和彈性去秧輥的轉(zhuǎn)向相反，薯塊穿過(guò)彈性桿間的間隙，落至導(dǎo)薯板上，滑至二級(jí)輸送分離裝置上，薯秧、雜草在一級(jí)輸送分離裝置的輸送桿條和彈性去秧輥的作用下被拋出機(jī)外，薯秧上未脫落的薯塊則在彈性去秧輥和輸送桿之間間隙的限制和薯塊運(yùn)動(dòng)慣性力的作用下被強(qiáng)制摘下；彈性桿通過(guò)螺旋彈簧施加壓力，其壓力大小可通過(guò)設(shè)定彈簧的初始工作長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)，彈性桿具有防堵功能，遇到大于彈性桿間隙的土塊、薯塊等物料堆積現(xiàn)象時(shí)，彈性桿可克服其彈力讓堆積物順利通過(guò)后自動(dòng)彈回原位。英國(guó)的收獲機(jī)采用此種技術(shù)。

1.2.2.2 集薯技術(shù) 集薯技術(shù)包括自適應(yīng)高度集薯裝箱技術(shù)和自動(dòng)集薯輸送裝車技術(shù)。為減小甘薯的損傷，自適應(yīng)集卸薯輸送器采用自動(dòng)集薯輸送裝車技術(shù)。在收獲機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，卸薯輸送器將甘薯卸到運(yùn)輸車上，為減小輸薯器到拖車之間的距離，輸薯器出口距拖車的高度通常采用能改變輸送器傾斜角度的液壓油缸來(lái)調(diào)節(jié)。輸送器的速度可以根據(jù)薯量大小進(jìn)行調(diào)整。美國(guó)harvester with direct load system機(jī)型和英國(guó)TSP1900機(jī)型采用的是自動(dòng)集薯輸送裝車技術(shù)。

薯裝箱技術(shù)可控制甘薯自由落下的高度，減小下落速度，避免在裝箱時(shí)由于甘薯落在薯箱的硬底上而引起損傷。加拿大2R Willsie root crop harvester機(jī)型采用控制薯箱高度的方法來(lái)控制下落高度；美國(guó)harvester with integrated box filling system機(jī)型采用控制輸薯器高度的方法來(lái)控制甘薯下落高度(圖5)。

2 甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 不斷提高甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的適應(yīng)性和系列化程度

根據(jù)田塊大小和種植規(guī)模，研發(fā)單行、多行系列聯(lián)合收獲機(jī)；根據(jù)使用條件，研發(fā)可更換工作部件，如更換分離機(jī)構(gòu)和挖掘鏟等的聯(lián)合收獲機(jī)，以提高機(jī)器的適應(yīng)性。

2.2 不斷研發(fā)滿足多種作業(yè)需求的關(guān)鍵附件

為擴(kuò)大機(jī)器使用范圍，應(yīng)重視關(guān)鍵附件的研究，例如，可根據(jù)種植戶的需求研發(fā)甘薯收集箱、坡地工作裝置、輸送式卸薯器、傾翻式卸薯箱、土塊分離機(jī)構(gòu)、秧蔓去除機(jī)構(gòu)等。

2.3 作業(yè)參數(shù)的可調(diào)性將進(jìn)一步增強(qiáng)

甘薯聯(lián)合收獲機(jī)在結(jié)構(gòu)上應(yīng)加大可調(diào)工作部件的研發(fā)，其目的是根據(jù)機(jī)器的前進(jìn)速度來(lái)調(diào)節(jié)工作部件的速度，從而提高機(jī)器的作業(yè)質(zhì)量。可調(diào)工作部件的參數(shù)包括升運(yùn)鏈抖動(dòng)輪的振幅、輸送分離器的傾角、秧蔓分離機(jī)構(gòu)的間隙、薯箱和卸薯高度等。

2.4 重視非金屬材料的使用

為減小甘薯的損傷和部分易損件的磨損，甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的部分結(jié)構(gòu)應(yīng)采用非金屬材料，例如，在輸送分離器的側(cè)壁、升運(yùn)器的桿條上安裝橡膠保護(hù)層；秧蔓分離機(jī)構(gòu)采用彈性非金屬材料等。所有與甘薯接觸的工作部件都應(yīng)考慮安裝非金屬材料保護(hù)層，例如，升運(yùn)鏈?zhǔn)礁适砺?lián)合收獲機(jī)存在升運(yùn)鏈磨損的共性問(wèn)題，可考慮采用安裝在高強(qiáng)度橡膠帶上的桿條升運(yùn)器取代安裝在鋼制鏈條上的桿條式升運(yùn)器。

2.5 液壓技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用

重視液壓技術(shù)的使用，如挖掘深度、運(yùn)動(dòng)部件速度等的調(diào)節(jié)均采用液壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。履帶自走式聯(lián)合收獲機(jī)也應(yīng)考慮自動(dòng)高度控制系統(tǒng)，例如，輸送器應(yīng)根據(jù)薯堆的高度進(jìn)行相應(yīng)移動(dòng)；應(yīng)用傳感器技術(shù)，以保證輸送器與甘薯或集薯裝置碰撞時(shí)，輸送器可自如地轉(zhuǎn)動(dòng)等。

2.6 研發(fā)新的分離技術(shù)

目前的分離裝置都是根據(jù)甘薯與土塊的形狀和密度等外部形狀特征的差別進(jìn)行分離的，此種分離器不能將黏在甘薯上和混在甘薯中的泥土和雜物完全分離干凈。未來(lái)可研究甘薯同土塊和雜質(zhì)的自動(dòng)非接觸式分離機(jī)構(gòu)，如根據(jù)分離物料的光度特性(光反射系數(shù)、螢光)、聲學(xué)脈沖等，采用放射性輻射技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)甘薯與土塊的有效分離。

3 結(jié)論

本文總結(jié)甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的主要作業(yè)工序、分類，分析我國(guó)在甘薯收獲設(shè)備方面的研究及發(fā)展現(xiàn)狀；闡述日本、中國(guó)臺(tái)灣生產(chǎn)的甘薯自走式聯(lián)合收獲機(jī)的主要機(jī)型，并分析其結(jié)構(gòu)功能、工作原理和主要特點(diǎn)；闡述美國(guó)、英國(guó)、加拿大生產(chǎn)的甘薯牽引式聯(lián)合收獲機(jī)的主要機(jī)型，并總結(jié)其主要類型，研究美國(guó)、英國(guó)、加拿大生產(chǎn)的牽引式聯(lián)合收獲機(jī)所采用的特色技術(shù)。最后，本文分析了當(dāng)前甘薯聯(lián)合收獲機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

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