山藥機械化收獲技術及其發展

龍思放 劉月廣 馬斯

摘 要：中國山藥種植具有范圍廣、地域地理復雜的特點，機械化收獲是山藥機械化生產中關鍵的技術環節。山藥收獲機械化技術包括開溝、振動、提升、輸送等幾個關鍵性技術。分析了中國山藥收獲機械化技術的發展現狀、特點及制約因素，并對山藥收獲機械化發展方向進行了展望。

關鍵詞：山藥;機械化收獲;現狀

中圖分類號：S225 ? ? ? ?文獻標識碼：A開放科學（資源服務）標識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.03.003Open Science Identity（OSID）

0 引言

山藥屬草本植物，其塊根富含蛋白質和淀粉，是藥食同源的名貴食材。我國有悠久的山藥栽培歷史，其主產地位于河南，以鐵棍山藥和懷山藥為主，產量占全國80%左右[1-2]。另外，河北、山西、廣西、山東、浙江、湖北等地也有栽培。在我國，山藥收獲還處于半機械化初級狀態，山藥的出土、清選、輸送和存儲還沒有完全實現自動化。大部分收獲機械只停留在開溝、松土階段，極少數配備有提升裝置，但效果差，對山藥損傷較為嚴重[3]。目前，小面積麻山藥種植區多以人工挖掘為主，較大面積種植區多采用挖溝機先在麻山藥兩行間開出一條深溝，然后人工再用鐵鍬挖掘，如圖1所示。以上收獲方式機械化程度低，費時費力，易對麻山藥造成損傷，影響品相。

1 國內外研究發展與現狀

1.1 國外山藥收獲機發展現狀

山藥主產區位于東南亞，20世紀60年代，日本開始研究山藥、胡蘿卜、青芋等根莖類收獲機械，并在20世紀90年代末成功研制出小型根莖類收獲裝備。21世紀初，日本研發了較為成熟的山藥機械，隨后不斷改進優化[4-5]，如圖2所示，實現了種植——培育——收獲的全程機械化。日本所種植山藥較中國山藥品種扎根淺且形態粗，兩者之間存在一定差異，但山藥產業模式值得借鑒與學習。

1.2 國內山藥收獲機的發展及現狀

由于山藥本身脆性大、易折斷且扎根較深，若直接拔取或在山藥下方振動松土是行不通的，因此我國山藥收獲機的設計多重于開溝機研究[6]。國內對開溝機的研究起步較晚，20世紀50年代開始出現犁鏵式開溝機，其結構簡單、工作可靠，但機體笨重、牽引阻力大[7];20世紀70年代出現圓盤式開溝機，其牽引阻力小、工作效率高，但能耗大、開溝深度較淺[8];20世紀90年代螺旋式、鏈式開溝機開始出現，其開溝深度能夠滿足山藥的機械化收獲，與此同時國內拖拉機馬力得到大幅度提升，能夠與開溝機相配套，山藥種植與收獲機械開始出現[9-10]。

1998年北京順義區農機具研究所研發出第一臺雙排鏈式山藥種植收獲機，如圖3所示[11]。其結構包括機架、挖掘裝置和傳動裝置。在收獲過程中，利用兩排鏈條在山藥土壟一側開溝挖掘，隨后由人工挖掘、撿拾，減輕了生產勞動強度。

2011年王茂成設計了螺旋式山藥種植收獲一體機[12]。它主要包括機架、動力裝置、振動裝置及開溝裝置，振動裝置裝配在開溝裝置后端，振動裝置的工作部件為振動箱。工作時，開溝裝置將山藥土壟兩側的土壤掘松之后由振動裝置松土，使山藥向上頂出，如圖4所示。該機具較上一代添加了振動裝置，有利于土壤與山藥分離，但旋溝犁的位置固定就意味著此機具適用性降低，同時機具功耗、前進阻力大，入土過程十分困難。

隨后山東森海公司與山東農業大學聯合研制了佐佐木牌4USY-1山藥收獲機，該機具采用單行收獲的方式，在山藥兩側開溝，振動裝置在山藥下方振動，使山藥隨土壤向上提升，此機具適合我國多種種植模式使用，如圖5所示。田間作業效果表明機械挖掘深度為90～105 cm，起土到位，山藥基本無破損，效果好;試驗田單產約為1474 kg·畝-1，田間破損山藥質量為514 kg，破損率為35%[13]。

2014年河北工業大學等模仿考古挖掘過程，將山藥根莖兩側土壤去除，取其中間部位，加之振動松土，最終研發了一款集挖掘開溝、松土、輸送為一體的山藥收獲機，如圖6所示，但只對該裝備進行了有限元仿真與校核，并未見到實際的田間收獲效果[14]。此機型與佐佐木山藥機較為相似，但在傳動結構上采用前置液壓機構來調節挖掘深度，后置輸送機構通過液壓油缸與機架相連，通過調節液壓系統來改變輸送機構的傾斜角度，從而有利于適應不同深度的山藥挖掘與山藥輸送工作。

2016年蠡縣第一播種機械廠研發了一款麻山藥收獲機，如圖7所示。與前文提到的幾款后懸掛式山藥收獲機不同的是，該機具集挖溝收獲、土壤回填、平整土地等功能于一體，并設有3條開溝鏈，可同時開3條溝進行雙行收獲，振動裝置位于兩行山藥下方，振動松土。折返收獲時將之前倒出到地面的土壤回填至已開溝中，有利于后期的平整地工作。田間實驗結果表明收獲機破損率在5%以內[15]，滿足農藝要求。

2018年初，山東菏澤市陳集鎮農民栗廣臣發明了一款振動式單行山藥收獲機，在山藥兩側開溝的同時附加機械振動，使土壤下降，山藥上升，最后由人工拔取，如圖8所示。該機具也是集山藥收獲與土壤回填的一體化機械，通過田間試驗表明效率約為人工的30倍，且損失率較低。

2 存在問題與研究方向

2.1 存在問題

目前國外根莖類作物的機械化收獲技術比較成熟，國內山藥產業的實際情況和機械化收獲的研究還存在諸多問題，制約著山藥產業在我國的發展。

（1）種植農藝多樣化。

山藥機械化收獲對農藝要求高，加之我國山藥在種植、田間管理等方面機械化程度低，且各地的種植方式不同、農藝不規范，對山藥收獲機的適應性能力提出很高要求。此外，大部分山藥種植區域不集中、成片狀，缺乏相對成熟的合作機制，導致山藥不能規模化生產，一些大型種植機械、收獲機械價格昂貴，個體戶很難承擔其費用。

（2）收獲阻力大，山藥損傷率高。

山藥收獲作業條件差，挖掘深度較深。泥土、石頭等雜物會對機具造成很大的前進阻力和剛性沖擊，減少機具壽命。評價收獲機性能的重要參數是農作物的損傷率，山藥在收獲過程產生損傷是正常的，但應完善相應的國家或行業標準，將山藥的損傷降低至可接受范圍內。

（3）傳動結構復雜。

山藥收獲機械包括開溝、振動、松土等幾個關鍵部分，執行裝置形式多樣，結構復雜，造成機械整體過于龐大，加之作業深度較大，極易造成壅土、黏附等問題，阻礙收獲機進行持續作業。

2.2 未來研究方向

（1）山藥本征特性研究。

山藥物理特性的研究是山藥收獲機械研發的重要環節，通過研究山藥的幾何形狀、根莖葉的物理特性（抗拉強度、剪切力、拉拔力等）的研究，可以為山藥收獲機械的研發、關鍵部件參數的設定提供理論依據。

（2）農藝農機相結合。優化作物品種，使其有利于機械化種植、管理與收獲，同時改進種植模式，規范種植間距，通過合理利用催熟技術，使山藥一次性機械收獲成為可能。通過相關學科專家的定期交流，協同研究，制定符合機械化收獲的栽培模式。

（3）機械結構的設計與優化。

山藥收獲機械體積大，價格高，由于農民的經濟承受能力低，需盡可能降低制造成本。在保證機械性能的前提下，設計結構簡單、緊湊、通用性好、智能化程度高的山藥收獲裝備，將成為未來市場的大趨勢。同時，現代機械設計理論和方法，以及CAD/CAE 軟件，對進行機械運動學、動力學仿真提供技術支持，為優化機械結構提供有力保障。

（4）智能化的收獲系統。

隨著微電子技術的迅速發展，將機械系統和液壓系統以及電氣系統充分結合起來，可使收獲機更加輕量化、智能化、便捷化。針對山藥收獲機，可以加裝導航裝置，既保證了山藥收獲機的直線行駛，又實現了精準作業。

3 結論

隨著山藥種植面積的不斷增加，迫切需要一臺能夠實現開溝、振動、松土、輸送、篩分的聯合收獲機械。一方面要統一栽培模式，實現規模化、標準化種植;另一方面要加強對適合于山藥收獲的小型大馬力拖拉機的研發，實現山藥智能化收獲。同時，要結合山藥種植農藝，加大山藥收獲關鍵性技術的研發力度，盡快實現山藥產業的機械全程化與智能化。

參考文獻：

[1]韋本輝.中國淮山藥栽培[M].北京：中國農業出版社，2013.

[2]湯潔，戴興臨，涂玉琴，等.淮山藥新品種及栽培新技術研究[J].江西農業學報，2011，23（9）：57～59.

[3]于萬勝.山藥收獲機的設計與研究[D].天津：河北工業大學，2014.

[4]劉建軍，宋建農，陸建偉，等.大蒜收獲工藝的分析與探討[J].農機化研究，2008（1）：24-25.

[5]松田清明，宮本啓二，佐藤禎稔.ナガイモ掘取り機の収穫作業體系と作業性能および負擔面積[J]. 農作業研究（Japanese Journal of Farm Work Research），2001，36 （3）： 163～170.

[6]王俊發，馬旭，馬瀏軒，等.根莖類中藥材收獲裝備現狀及其收獲工藝[J].農機化研究， 2009（12）：12-15.

[7]Alvarez M，Grima， P N W，Verhoef. Forecasting rock trencher performance using fuzzy logic[J]. ? International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1999（36）： 413-432.

[8]Vilde Arvids， Rucins Adolfs. Development of agricultural mechanics[C]. Engineering for Rural Development，11th International Scientific Conference，2012（5）：67-73.

[9]李自華，柯保康.農業機械學[M].北京：中國農業出版社，1991（3）：150-175.

[10]朱新民.1KLZ-27型螺旋開溝機[J].農牧與食品機械，1991（4）：38-38.

[11]高士文，劉文華，劉建福.山藥種植收獲機：中國，98252126.X[P].1999-10-16.

[12]王茂成.山藥收獲種植兩用機：中國，102144450.A[P].2011-08-10.

[13]刁懷慶.4USY-1型山藥收獲機田間試驗研究[J].農業技術與裝備，2014（12）：30～31，33.

[14]于萬勝.山藥收獲機的設計與研究[D].天津：河北工業大學，2014.

[15]宋帥帥，楊欣，馮曉靜，等.自走式麻山藥收獲機的研究[J].農機化研究，2018（2）：80-84.