葉菜收獲機械的研究現狀及發展展望*

陳文明 ， 王公仆 ， 胡良龍 ， 袁建寧 ， 王 冰 ， 杜元杰

（1.農業農村部南京農業機械化研究所，江蘇 南京 210014；2.南京工程學院，江蘇 南京 211167）

0 引言

我國是世界上蔬菜種植種類最多、范圍最廣的國家，產量約占世界總產量的50%。2021年全國蔬菜播種面積約2 174.43萬hm2，總產量達7.82億t，人均占有量超500 kg，均居世界首位[1-3]。葉菜是一類通常以鮮嫩葉片、葉柄和莖稈為食用部分的蔬菜，具有生長周期短、采收勞動強度大等特點[4]。由于我國葉菜種植品種繁多，且不同葉菜的種植密度、種植模式和生長特性等差異明顯，因此葉菜采收基本依靠人工完成[5]。隨著農村勞動力不斷減少，葉菜采收產業又屬勞動密集型產業，加快葉菜收獲機械發展，實現葉菜機械化、智能化收獲，對降低葉菜生產成本、減輕人工勞動強度、推動葉菜采收行業發展具有重要意義[6]。

1 葉菜收獲機械作業方式分類

我國葉菜種植種類眾多，生長特性差異較大[7]，使得葉菜收獲機械作業方式不盡相同，目前主要分為以下幾種方式。

1）根據切割后葉菜的存放方式，可分為有序收獲和無序收獲。其中，有序收獲的葉菜堆放整齊、品相較好，但相應收獲機械研發復雜，一般需裝備夾持輸送機構；無序收獲的葉菜雖堆放無規律、品相較次，但相應收獲機具研發簡單，收獲效率較高[8]。

2）根據切割后葉菜留茬的根部情況，可分為切根收獲和不切根收獲。其中，切根采收在上海青、菠菜、茼蒿和芹菜等葉菜中比較常見，不切根采收通常用于雞毛菜、小青菜和紅薯莖尖等的采收[9]。

3）根據切割后葉菜的輸送方式，可分為風送式、推送式和夾持輸送式。其中，風送式輸送適用于小型葉菜，推送式輸送機構結構簡單，夾持輸送式可以保證葉菜有序收獲[10]。

4）根據葉菜切割刀類型，可分為環帶切割刀、往復式雙動切割刀和圓盤切割刀。其中，環帶割刀加工精度低，應用范圍廣；往復式雙動割刀切割效率高，但刀具制造較復雜，高速切割時上下刀片易堵塞；圓盤割刀切割范圍有限，一般用于對行收獲，適用于上海青等根系較強的葉菜[11]。

2 國內外葉菜收獲機械研究現狀

2.1 國外葉菜收獲機械研究現狀

發達國家較早對葉菜收獲機械開展研究，并結合傳感器檢測、液壓控制和電動控制等技術，葉菜收獲機械化程度大幅提高，智能化技術相對成熟[6-7]，從依靠人工采收迅速發展為分段收獲機、聯合收獲機收獲[12]。目前，部分國家已基本實現葉菜機械化及智能化收獲，如美國、意大利、日本等[13-15]。

美國十方公司研發了一款葉菜收獲機，適用于收獲莖葉類葉菜，如茼蒿、莧菜等。該機的優點是切割后的葉菜可被輸送帶上的釘齒主動撥送到輸送帶上，極大地降低割臺損失率；缺點是輸送帶制造復雜，同時葉菜根部的黏土也會被撿拾到輸送帶上[16]。

意大利HORTECH公司研制的SLIDE TW型葉菜收獲機，如圖1所示。該機裝配一種波紋夾持輸送帶，可夾持輸送切割后的葉菜到后端進行二次有序人工捆扎，適用于需有序收獲的葉菜，缺點是機具研制復雜，難以推廣，無法滿足小農戶的生產需求[17]；SLIDE FW型葉菜收獲機有液壓輔助轉向和電動臨時停止裝置，如圖2所示，該機臨時停止恢復后能夠以相同速度行走，切割高度由傳感器檢測，可通過液壓控制裝置自動調節[18]；SLIDE VALERIANA型葉菜收獲機配有除土振動器，可有效去除黏附在葉菜上的黏土，使后端收集到的葉菜更干凈，該機適用于收獲幼葉葉菜，如圖3所示[19]。

圖1 意大利HORTECH公司SLIDE TW型葉菜收獲機

圖2 SLIDE FW型葉菜收獲機

圖3 SLIDE VALERIANA型葉菜收獲機

日本川崎公司研發了一款風送式小型葉菜收獲機，其通過高壓氣流將切割后的葉菜輸送至后端收集袋中，風送式輸送的優點在于切割后的葉菜與輸送帶之間無接觸、無摩擦，可在一定程度上減少葉菜損傷，降低葉菜收獲損傷率，該機適用于收獲小葉類葉菜，如三葉草、菊花腦、馬蘭頭等[20]。日本第二產業株式會社研制的TC110E型自走式葉菜收獲機，如圖4所示，該機主要由自走式底盤、往復式雙動割刀、氣流輸送機構和收集袋等組成；切割作業時，由于割刀與葉菜無剛性接觸，可確保葉菜留茬切口基本一致，收獲質量較高，其優點是割刀高度調節范圍大，通用性高，能夠采收包括甘薯莖尖在內的多種莖葉類葉菜[21]。

圖4 日本第二產業株式會社TC110E型自走式葉菜收獲機

2.2 國內葉菜收獲機械研究現狀

我國雖是葉菜生產消費大國，但大部分葉菜種植戶屬中小農戶，存在溫室大棚建造不合格、葉菜幼苗種植布局過于分散等問題，葉菜種植質量較低，農機與農藝無法有效融合，葉菜收獲很難實現機械化、智能化。近年來，我國政府大力支持葉菜收獲機械的研發，每年都投入大量資金，研究雖起步較晚，但發展較為迅速[22-23]。

農業農村部南京農業機械化研究所王公仆等研發的4UM-100型葉菜收獲機，如圖5所示。該機適用于采收甘薯莖尖、小青菜和雞毛菜等莖葉類葉菜，其優點在于電機驅動，無污染；往復式雙動割刀切割，切口平整；切割、撥禾、輸送和行走均由獨立電機控制，操作方便；缺點是整個收獲過程的有序性較差[24]。4UM-120D型電動葉菜收獲機裝配1.2 m帆布式輸送帶及48 V直流電機行走驅動系統，其割刀離地高度可調，直立生長及倒伏類莖葉類葉菜均可收獲。

圖5 4UM-100型葉菜收獲機

江蘇省農業裝備工程技術創新中心丁馨明等研制了一款小型手扶式葉菜收獲機，如圖6所示。該機采用往復式雙動割刀和帶式輸送裝置，可完成葉菜切割及輸送[25]。浙江大學杜冬冬等研發了一款自走式甘藍收獲機，該機主要由引撥機構、切根機構、剝葉機構和輸送機構等組成，采用單行收獲，可一次完成整個甘藍的切根、剝葉和收獲作業[26-27]。

圖6 小型手扶式葉菜收獲機結構示意圖

盧建強等研制了一款手扶式有序葉菜收獲機，如圖7所示。該機采用往復式雙動割刀切割葉菜，利用切割后葉菜之間形成的推擠力將葉菜推送至兩根振動桿上，兩振動桿上下交替振動，既可清除葉菜表面雜質，又能保證葉菜輸送的有序性[28]。

圖7 手扶式有序葉菜收獲機

南京農業大學施印炎等研發了一款自走式蘆蒿收獲機，如圖8所示。該機通過夾持輸送機構將切割后的蘆蒿有序輸送到轉向機構，通過轉向機構將蘆蒿由垂直輸送轉為水平輸送，經二級輸送帶作用將蘆蒿有序輸送到后端收集筐中，實現蘆蒿整個切割、輸送和收獲過程的有序性[29]。

圖8 自走式蘆蒿收獲機

近年來，我國葉菜收獲機械化發展較快[30]，智能化技術水平也有一定程度提高。如吳惠昌等研發了一種牽引式甜菜聯合收獲機自動對行系統，包括對行

探測機構、偏移執行機構、液壓裝置、主控制器等[31]。李新成等采用光電編碼器測量小型電動葉菜收獲機作業行走速度，研制出一種行走速度檢測與自動調節控制系統[32]。

3 葉菜收獲機械發展展望

目前，我國大部分葉菜收獲機械仍處于理論研究和樣機試驗階段，雖不斷對國外葉菜收獲機械開展研究，在此基礎上研發出一些機型，但其只能在一定程度上滿足我國葉菜收獲作業的需求，筆者認為要研發出符合我國葉菜生產國情的收獲機械，應著重從以下幾方面入手。

3.1 開展葉菜物理特性研究

對葉菜物理特性進行研究是葉菜收獲機械研發的首要環節，通過對葉菜葉片、葉柄和莖稈的物理特性展開研究，為葉菜收獲機械研發及關鍵部件參數設定提供有效理論依據[16]。

3.2 提高農藝與農機相匹配程度

在現代農業發展中，農業機械化的實現與農藝緊密相關。農機與農藝相輔相成，共同服務于農業生產的整體效率。通過相關學科專家定期交流和合作研究，培育適合機械化收獲的葉菜品種，制定符合機械化收獲的葉菜栽培模式，研發與農藝相匹配的葉菜收獲機械[18]。

3.3 優化機械結構

葉菜收獲機械最大的市場在農民。對他們來說，有必要最大限度地降低制造成本。在滿足機械性能的前提下，結構簡單緊湊、通用性好的機型往往能更好地滿足廣大市場需求。同時，優化理論的完善和CAD/CAE軟件的應用為機械運動仿真提供了理論支持和技術平臺，從而達到優化機械結構的目的[19]。

3.4 提高機械通用性

在目前葉菜種植模式下，通用性較差的收獲機械會增加葉菜生產成本，限制葉菜收獲機械的普及。應尋找不同葉菜之間的共性，設計合理的結構，實現一機多用，從而提高葉菜收獲機械的通用性[20]。

3.5 提升智能化技術水平

隨著自動控制技術的快速發展，機械系統和控制系統結合將進一步提高收獲機械的可操作性、便捷性和智能化技術水平。我國葉菜收獲機控制部件和系統的研究主要集中在割刀高度自動調節控制系統上，該系統可以根據地面條件和葉菜生長情況自動調節割刀高度，從而實現葉菜收獲一致性的上市要求[21-22]。

4 結語

隨著農村勞動力的日益緊缺及人們對葉菜需求量的不斷增多，我國葉菜收獲必須朝著機械化、智能化的方向發展。我國葉菜品種繁多，種植面積小且不規范，需借鑒國外相關機型的成功經驗，有重點地開展中小型葉菜收獲機械的研發。此外，還應對葉菜物理特性開展研究，有效結合農藝與農機，優化機械結構，提高收獲機械的通用性，研發割刀高度自動升降等控制系統，提升收獲機械的智能化技術水平，這對降低葉菜生產成本、減輕人工勞動強度、實現我國葉菜機械化收獲具有重要意義。