我國葉類蔬菜機械化收獲技術的發展現狀

陸海濤，呂建強，金 偉，張 鵬，吳芝玲，陳 業

(淮陰工學院 機械與材料工程學院，江蘇 淮安 223003)

0 引言

我國是蔬菜產消大國，在種植的各類蔬菜中，葉菜類蔬菜的種類和品種極為豐富，有4大類230種，種植面積也十分巨大。據統計，葉菜類蔬菜產量已占蔬菜生產總產量的30%～40%，有些地區的葉菜產量比例更高[1]。葉菜類蔬菜產業已經發展成為帶動農民勞動就業和致富的一個重要產業[2]。

傳統葉菜生產屬于勞動密集型產業，相對于耕整地、播種、移栽、灌溉及植保等作業，收獲作業需要更多的勞動力[3-5]。隨著我國城鎮化進程的加快和農村富余勞動力向非農產業的轉移，葉菜生產勞動力短缺和老齡化日趨嚴重，出現用工荒，生產用工成本增加，經濟效益下降，誰來種菜的問題日益突出[6-7]。在我國蔬菜生產作業中，收獲作業約占總作業量的40%[8]。人工收獲勞動強度大、效率低、收獲質量不穩定，已不適應葉菜生產規模化的發展趨勢。葉菜生產全程機械化是現代農業發展的必然要求，收獲機械化成為葉菜生產全程機械化的關鍵[9]。

葉菜是一類主要以肥嫩的葉片、葉柄和嫩莖為食用部位的蔬菜，如菠菜、韭菜、金花菜、生菜、白菜及茼蒿等。葉菜具有葉片柔嫩多汁而少纖維、種植密度大、生長迅速及收獲時間緊迫等特點。我國葉菜產業正快速發展，實現葉菜的機械化收獲具有復雜性和緊迫性，急需大量研究開發[10]。國外的蔬菜收割機械不完全適應我國葉類蔬菜的收獲[11]，只有開發符合我國實際的葉菜收獲機械，才能從根本上提高我國葉菜收獲作業的自動化水平，這無疑具有重要意義。

1 我國葉菜收獲機研制現狀

雖然我國蔬菜機械化收獲的研究起步較晚，發展相對滯后，但發展比較迅速。我國每年都出臺相關政策，劃撥大量的科研經費用于支持蔬菜生產機械化，包括葉菜機械化收獲研究項目。

吳明聰等[12]研制的黃花苜蓿收獲機，如圖1所示。

1.支風管 2.切割刀 3.高度調節螺母 4.主風管 5.高度調節螺母 6.汽油機 7.支撐桿 8.前行走輪 9.機架 10.扶手 11.支撐桿 12.后行走輪

該機以汽油機為動力，以不帶鋸齒的往復雙動刀為切割器，通過調節高度螺栓控制收割高度；用風機把黃花苜蓿吹到收集袋中，可避免機械收集對菜品的影響；采用大而輕的充氣輪胎作為行走輪，工人在機后手扶機器前行完成黃花苜蓿的收獲。機器配套動力為2.2kW，割幅110cm，割茬高度≤12cm且可調，風機流量為0.89mm3/min。

徐少華等[13]研發用于收割青菜、菠菜和韭菜等的收獲機，如圖2所示。該機具有帶根和不帶根收獲兩種獨立的切割裝置，采用多個動力，互不干涉；在輸送裝置的前部下方安裝兩個仿形輪，控制割茬高度；在切刀架前側裝有門框狀的安全桿，既可以防止切刀撞上前方的障礙物，又可以避免切刀傷人；在切割裝置和輸送裝置中間安裝振動篩機構，以提高蔬菜的清潔度；通過帶傳動將蔬菜輸送到后端，進行有序或無序收集。機器的配套動力18kW，作業速度0.2～0.3m/s，作業能力達0.35～0.4hm2/h，清潔度≥90%，收獲率≥95%。

1.安全桿 2.剪切刀組件 3.振動篩機構

徐少華等[14]研發的白菜和菠菜收獲機如圖3所示。通過設計液壓起落架與微調裝置并聯控制系統，使得割刀和收集裝置的高度均可調節，保證留茬深淺一致，也可提高機器的通過性。機具不但可以在平地上進行收割，也可以在壟上進行收割，通用性較高。

1.操作手把桿 2.蔬菜收集箱 3.后固定輪 4.發動機 5.變速齒輪箱 6.鼓風系統 7.切割齒輪箱 8.割刀 9.機架 10.前浮動輪

丁馨明等[15]設計用于收獲大棚蔬菜(金花菜、豆苗、小菜秧)的機器，如圖4所示。該機用蓄電池為行走裝置電機、輸送裝置電機及切割電機提供動力；采用雙動刀往復式切割裝置，設計電動推桿實現割臺的升降，保證切割高度在一定范圍可調；輸送裝置的助運撥板采用軟體材料制作，可將割刀切割下的葉菜及時從割刀上撥運到輸送帶上。該收獲機的總功率為0.6kW，收割幅度為1 000mm，作業效率達0.2～0.25hm2/h，收獲蔬菜的高度范圍為40～400mm。

秦廣明等[16]以汽油機為動力，研制手扶式兩輪行走的葉菜收獲機，如圖5所示。該機選擇雙凸輪機構將旋轉運動轉換成割刀的往復直線運動，通過繪制雙動刀切割圖及大量試驗，確定切割速比為1.7，保證割茬齊整、切割質量的穩定。采用風機和收集板進行收集，收集板安裝在切割裝置前邊，結構緊湊。整機大小為1 390mm×1 640mm×854mm，配套動力為2.28kW，整機質量為37kg，割幅達1 210mm，輪距為1 380mm。

1.切割總成 2.機架 3.風機 4.操縱手柄

高龍等[17]等應用形態學矩陣理論確定葉菜類蔬菜收割機的總體方案，如圖6所示。收獲機由蓄電池統一供電，采用多個電機分別提供動力；兩個行走輪由直流電機直接驅動；前端安裝割茬高度調整機構，由直流電機與絲桿升降機組成；前端底部裝有割幅調節裝置，既可由電機驅動，也可由人工進行微調；蔬菜輸送機構置于機器中部，由兩級帶傳動機構組成；一級輸送帶保持蔬菜豎直站立輸送，二級輸送帶將蔬菜橫向放倒進行輸送；收集箱位于收割機尾部，完成對蔬菜的無序收集。

1.扶手 2.輸送電機 3.輸送機構 4.升降機構 5.電機 6.分禾器 7.割刀 8.割幅調整機構 9.機架 10.蓄電池 11.行走輪 12.控制箱 13.收集箱

馬建國等[18]設計用于收割韭菜的機器，如圖7所示。該機采用人力推動機具前行完成收割，將鐮刀形割刀片安裝在鏈條上，形成鏈式割刀。通過斜齒輪傳動和鏈傳動將機器車輪的轉動轉變為鐮刀切割運動，用兩對4條同步齒型帶夾持切割后的韭菜進行輸送和收集，可同時收割兩壟(行)韭菜。

1.收割機扶手 2.調高桿 3.上蓋板 4.傳動柱 5.收割機輪軸 6.收割機輪 7.鐮刀 8.撥禾板圖7 韭菜收獲機結構示意圖

章永年等[19]開發了自行走式夾持有序收集蔬菜收獲機，如圖8所示。

1.分禾器 2.切割裝置 3.提升裝置 4.第1從動帶輪 5.仿形輪 6.扶禾裝置 7.電池 8.電動推桿 9.張緊支撐裝置 10.轉向裝置 11.蝸桿 12.蝸輪 13.第1主動帶輪 14.水平輸送裝置 15.機架 16.擺動軸 17.行走輪 18.底盤

該機用蓄電池和電動機提供動力。往復式直線割刀可同時收割多行蔬菜，作業效率較高；機具的柔性夾持輸送裝置由同步帶傳動機構、夾持輪和蝸輪蝸桿機構組成；電動推桿提升裝置既可保持輸送機構的傾斜角度，也可舉升或降低柔性夾持輸送機構；以底盤小輪車作為行走裝置，前端底部設計仿形輪，保持割茬高度。該機外形尺寸為1 500mm×1 100mm×550mm，作業幅寬達1 000mm，行駛速度0.6～1.9m/s，割茬高度為10～200mm，生產效率為0.2～0.5hm2/h。

胡杰文[20]設計的空心菜收獲機如圖9所示。機器由拖拉機側牽引式拖動前行，用多級鏈傳動將拖拉機動力傳遞給切割器、行走裝置和輸送裝置；選用標準II型往復式切割器，在撥禾輪輔助下用單動刀切割空心菜，選擇曲柄連桿機構(偏心輪連桿機構)作為切割器的驅動機構；用寬皮帶將空心菜推送至收集箱進行無序收集。

1.切割器傳動機構 2.連桿 3、5、6、7、8、11、12、14、15、16.鏈輪 4.偏心輪 9.主軸 10.拖拉機 13.牽引裝置 17.往復式切割器 18.撥禾輪 19.輸送帶 20.收集箱 21.行走輪 22.機架

申屠留芳等[21]設計乘坐式自行走葉菜收獲機如圖10所示。

1.機架 2.履帶底盤 3.發動機 4.液壓缸

該機以柴油機為動力，割刀為回轉式帶鋸刀具，行走裝置為履帶，割刀和履帶分別由液壓馬達驅動；通過更換割頭，實現帶根或不帶根收獲，具有一定的通用性，用收集箱進行無序收集。農機輸入功率為65kW，整機質量1 225kg，割幅為1 350mm，輸送帶大小為2 600mm×1 350mm。

高國華等[22]對溫室霧培蔬菜的機械化收割進行研究，研制的設備如圖11所示。該機具由定植板運輸機構、蔬菜收獲機構及蔬菜運輸機構3部分組成。蔬菜收獲機構是核心機構，選擇鋸齒形狀割刀，切割方式為滑切。采用雙夾取手爪抓取蔬菜，以氣缸驅動切根手爪完成蔬菜的切根。

1.定植板運輸平臺 2.收獲機構 3.運輸平臺

此外，鹽城明悅機械廠研制的韭菜收獲機(MY-306)如圖12所示。上海康博實業有限公司研制的韭菜收獲機(4G-200)[23]適用于對行收割韭菜，如圖13所示。

圖12 MY-306收獲機

圖13 4G-200收獲機

山東青州華龍機械科技有限公司研制的華龍4GZ-180蔬菜收獲機[24]適用收獲生長于土壤絕對含水率為15%～25%的葉菜，如圖14所示。江蘇鎮江市農機推廣站研制的葉菜收獲機(4GDS-1.0)[25]如圖15所示。

圖14 4GZ-180收獲機

圖15 4GDS-1.0收獲機

綜上所述，我國葉菜收獲機研發的基本格局為以小型化收獲機研制為主，兼顧大型葉菜收獲機的研制。以研制土培葉菜機械化收獲為重點，霧培葉菜收獲機的研制則剛剛起步。葉菜收獲機已有試驗平臺、產品樣機和商業推廣機型，但品種和數量不多，通用機型少，系列化產品少。同國外相比，我國葉菜生產的機械化水平和程度還有較大差距，縮小差距還需付出更多更大的努力。

2 葉菜收獲機的設計技術

完成葉菜收獲的環節有分禾、扶正、切割、傳送、收集及運輸。葉類蔬菜收獲機的基本組成包括動力、切割裝置、行走裝置、輸送裝置和收集裝置等。葉菜收獲機基本性能指標有配套動力、割幅、作業速度、割茬高度及作業效率等。

2.1 動力設計

實現收獲機的行走、割刀的切割運動、傳動裝置的運行都需要動力裝置提供動力。常用的動力有電動機、汽油機、柴油機等。動力裝置除了提供充足的動力外，還要兼顧葉菜的生長特性、生長環境及自身質量。對于在溫室大棚種植生長的蔬菜，柴油機、汽油機排放的廢氣會污染空氣，對蔬菜造成一定的污染。對于一次種植多次收割的蔬菜(如金花菜、韭菜)，為了保證蔬菜的后續生長，盡量減少動力源質量，以減少機具總質量及對蔬菜割茬的壓踏。如果采用拖拉機作為行走裝置，用拖拉機提供動力源是普遍選擇。行走裝置、切割裝置、傳動裝置既可以分別采用1個電動機作為動力，也可以共用1個電動機。日本開展以沼氣作為動力的研究，德國研究氫動力的農用機械[1]。沼氣和氫作為動力符合低碳環保要求，為農機動力的發展提供新方向。

2.2 行走裝置設計

蔬菜收獲機的行走裝置是解決收獲機在田間行走、移動、轉向及轉場等問題的機構。行走裝置對田間坑凹地形、土壤環境具有較強的適應性，具有行走平穩、高通過性、低打滑率、減少對田地的碾壓、操作方便靈活等特點，一般由行走輪、車架、安裝軸、剎車裝置及離合器等部件組成[26]。行走輪有履帶式和車輪式兩種，車輪式應用較多，行走輪數量一般取為2～4個。收獲機的行走既有人工把扶行走收獲機，也有獨立自行走收獲機。前者需要人工把扶才能平穩前行作業，完成蔬菜收割，適合小田塊葉菜的收割，收割質量易受人工影響。獨立自行走收獲機(如拖拉機牽引行走)不需要人工把扶完成收割作業，適用于大田蔬菜的收割。當前，許多蔬菜設施空間小、不標準，普遍存在著作業機械“路難走、門難進、邊難耕、頭難掉”的現象，導致行走裝置難以達到良好的通過性。收獲機在田間的行進速度是影響其作業效率的關鍵因素，也是影響葉菜切割質量的重要因素。通常取行走速度與割刀的平均切割速度的比值(割速比)進行設計，確定割速比的常用方法是繪制切割圖。

2.3 切割裝置設計

切割是指將散亂的蔬菜扶正，用割刀對蔬菜切割部位進行切割，并將割下的蔬菜輸送離開割刀的過程，包括分禾、扶正及切割等環節。切割裝置的組成零部件有切割器、扶正部件、撥禾部件、護刀扳、變速箱、割刀高度和割幅調整機構等。按照切割蔬菜的運動形式分類，葉菜收獲機的切割器有往復直線切割器、圓盤旋轉切割器、齒形鏈式切割器、回轉帶式切割器及鐮刀型切割器等[27-28]。往復式割刀具有所需動力小、作業穩定及結構緊湊等優點。在國家標準GB/T1209-2002中，制定了6種標準往復式切割器[29]，葉菜收獲機切割器首選標準往復式割刀。受割刀旋轉直徑的限制，圓盤旋轉切割器適用于對行收割，工作幅度小，機器前進速度慢。齒形鏈式切割器傳動簡單，工作平穩，既可寬幅收割，又可實現高速作業。

往復式切割器分為單刀往復切割和雙刀往復切割兩種。往復式雙動刀切割器的切割速度可達往復式單動刀切割速度的1.5倍。按傳動原理的不同，往復式切割器的傳動機構可分為曲柄連桿機構、擺環傳動機構和行星齒輪傳動機構3種。曲柄連桿機構結構簡單，制造成本低；行星齒輪式傳動機構的特點是磨損和振動小，工作穩定可靠，但制造精度高、結構復雜[30]；擺環機構具有結構緊湊、穩定和噪聲小等優點[31]。在葉菜收獲機中，常用曲柄連桿機構作為往復式切割器的傳動機構。切割器高度和割幅調整機構主要有鉸鏈四桿機構、螺旋機構和液壓缸。

減小漏割區和重割區面積是切割器設計的基本要求。夏萍等[32]利用MatLab軟件對往復式切割器切割圖進行數值模擬，對影響切割圖的漏割區和重割區面積的關鍵參數進行仿真計算，獲得運動參數和結構參數的組合。實踐表明，恰當的切割速度與收獲機前進速度比可有效保證割茬整齊及切割質量的穩定。對于需要帶根收獲的葉菜(如菠菜、芹菜)，一般采用往復式單動刀切割器，但目前關于土壤環境、割刀切入深度和角度、保留菜根長度等對收獲質量影響的研究基本處于空白。

2.4 輸送裝置設計

輸送裝置是蔬菜收獲機的重要組成部分，其將切割下來的葉菜輸送到收集裝置，保證被切割的葉菜及時離開割刀，有效防止蔬菜在割刀附近堵塞擠壓，輸送過程中避免損害蔬菜品相，防止污染。按照輸送方式分類，輸送裝置可分為推送型、風送型、夾持型、推送加振動復合型及撥指鏈式輸送型等[33-34]。葉菜類型決定輸送方式，韭菜、菠菜等需要夾持輸送，生菜需用推送型裝置，金花菜、三葉菜宜采用風送型裝置。按照輸送路線分類，輸送裝置分為一級輸送裝置和二級輸送裝置。輸送速度、最小夾持力、最小摩擦力是輸送裝置的主要參數。常用傳動裝置有帶傳動、鏈傳動及蝸桿傳動等，以帶傳動應用最為廣泛。

2.5 收集裝置設計

收集是蔬菜收獲在田間的收尾環節，收集不利會造成較大損失。保護蔬菜品相不被污染是葉菜收集的基本要求。葉菜的收集方式分為有序收集、無序收集兩種方式；有序收集是指將收割下來的蔬菜擺放整齊，保持割頭整齊，如韭菜、菠菜的收集；無序收集則把蔬菜零散地收集起來，不考慮整齊性，如生菜的收集。收集裝置主要指標有損傷率、收凈率及收集效率等。收集裝置采用較多的是收集箱，其便于蔬菜的運輸，但人工勞動強度大。有的葉菜(如金花菜)單體細小，單重較輕，切割后用風力將蔬菜吹到收集袋中，完成收集。氣力收集裝置包括風機、風管和收集袋。在有序收集基礎上，將葉菜切割后進行打捆，這是葉菜收集的一種新方式，其研究還處于起步階段。

2.6 其他零部件設計

葉菜收獲機的組成部分還有控制裝置、變速箱、機架、仿形輪及把手等。為減小整機質量和大小，這些零部件設計盡量減小質量、結構緊湊，順應通用化和系列化設計要求。

綜上所述，葉類蔬菜收獲機主要組成部件的類型、特點、應用比較如表1所示。

表1 葉類蔬菜收獲機部件類型、特點及應用

★塑料大棚、日光溫室、露地小田；●露地大田；▲小面積山地、坡地；◆單體細小、單重輕蔬菜；■高植株葉菜；□較多；△較少。

3 存在的問題與對策

3.1 存在的問題

1) 盡管各級政府、科研機構和企業對葉菜收獲機械獲越來越重視，但種菜是勞動密集型產業思想和重糧輕菜思想仍根深蒂固，人工收獲仍是葉菜收獲的主要方式，尚未形成蔬菜機械化收獲的共識；農業基礎設施建設薄弱，葉菜種植農藝簡單粗放，農藝與農機的結合不緊密，設施農業生產不規范，沒有統一標準。這些問題都制約著葉菜的機械化收獲技術的發展，亟待解決。

2) 我國葉菜收獲機研制起步晚，底子薄，技術創新少，研制的收獲機類型少，通用性差；受傳統農業生產模式的影響，有的機械化收獲達不到人工收獲的質量；葉菜收獲機價格高，投資回收周期較長，葉菜收獲機性價比低；具有完全自主知識產權的技術裝備少，跟國外技術差距較大，縮小差距還有很長一段路要走；此外，目前研究主要集中在滿足葉菜收割要求方面，而對葉菜本身的幾何形狀和物理特性研究極少，葉菜收獲機設計技術理論體系還不完善。

3.2 發展對策

1) 在我國耕地面積減少的嚴峻形勢下，應加快制定相關政策保護現有葉菜種植面積，加強葉菜種植基礎設施建設；基于葉菜的生物學特性，探索符合機械化收獲的栽培模式，制定葉菜生產機械標準，使規范標準先行，縮短研發周期；將農機與農藝更加緊密結合，相輔相成，協調發展，盡快實現葉菜的大規模化生產。同時，加大財政支持力度，鼓勵更多的科研機構和企業進行葉菜收獲技術的研究，建立完善的售后服務體系，保護和提高廣大種植戶的積極性。

2) 通過研制專門化、小型化、低成本、輕量化、高采收率的收獲機，提高葉菜收獲機的普及率。通過研究不同種類葉菜的幾何形狀(株高、株徑、根徑、根長、擴展度等)和力學特性(剪切力、拉斷力等)，建立數據庫，為確定收獲機械的關鍵部件參數提供理論支撐。采用現代先進設計技術，創新設計，按照葉菜收獲作業要求進行功能組件的劃分，各功能組件之間可以自由組合，進行模塊化設計，提高葉菜收獲機的通用性，順應葉菜種植規模化和產業化發展趨勢。

4 結束語

我國葉菜收獲機的研制已經取得較大進步，開始進入快速發展階段，但由于我國葉菜類蔬菜的生產條件和生產方式具有特殊性，葉菜機械化收獲研究應堅持多部門、多學科聯合攻關，摒棄急功近利思想，堅持自主創新，采取引進應用和自主研發并重策略，加強技術儲備，研制具有完全自主知識產權的葉菜類生產技術裝備，為實現智能化的可選擇收獲和我國蔬菜生產的現代化打下堅實基礎。

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