豌豆機械化收獲技術研究現狀與研究趨勢

趙繼云,王曉燕,王 杰,侯秀寧,宋昌博,張學敏

(1.中國農業大學 工學院,北京 100083;2.現代農業裝備優化設計北京市重點實驗室,北京 100083)

0 引言

豌豆(Pisum sativum L.)屬于豆科(Leguminosae),蝶形花亞科(Papilionoideae),豌豆屬(Pisum),別名荷蘭豆、麥豆、青豆、胡豆、淮豆、金豆、畢豆、寒豆等[1]。豌豆富含營養成分,可作為糧食、蔬菜和飼料。此外,豌豆根瘤可以進行生物固氮,每公頃豌豆田可固定空氣中的氮素 75～90 kg,有利于改良土壤和促進下茬非豆科作物增產[2]。據 FAO統計,截止至2007年,全世界有93個國家生產干豌豆,栽培面積689.6萬m2,總產量1 012.8萬t;80個國家生產青豌豆,栽培面積108.8萬m2,總產量 826.5萬t。中國干豌豆栽培面積和總產量分別占全世界的 15.2%和13.8%,青豌豆栽培面積和總產量分別占全世界的23.1%和 30.4%,在世界豌豆生產中占比很高[3]。我國的豌豆幾乎在各個省份都有種植,隨著城市化進程的推進,農村勞動力不斷減少,為保證農作物生產效率,不得不使用機器代替人工勞動力,且農村地區的農機服務站越來越多[4],加速了中國農業向機械化、自動化轉變。我國豌豆種植產業龐大,近年來已有相關學者針對青豌豆和干豌豆的豌豆莢和豌豆秧的特點設計了專用的剝殼機構[5-9],但由于各種因素的限制,其機械化程度極低,這也是制約我國豌豆種植產業進一步發展的主要原因之一。

1 豌豆收獲機械的特點

1)收獲環境的復雜性。由于豌豆在我國的種植范圍非常廣泛,無論是平原還是山區都有種植,這限制了豌豆的收獲無法像小麥一樣采用大型聯合收割機收獲。如果豌豆收獲機械的體積像山區所用的小型農用機械(如手扶拖拉機、小型旋耕機等)一樣,就不能保證其在平原大田里的收割效率。所以,既要保證豌豆收獲機械的靈活性和可調性,還要保證收割效率。

2)收獲機械的專用性。由于豌豆成熟后植株相互糾纏且倒伏在地上,幾乎沒有農作物與其相似,所以豌豆收獲機械的專用性非常強,而通用性不高。因此,在設計時應盡量選用通用零件,以提高其調試和維護工作的方便性。

3)收獲機械的經濟性。農業機械設計的初衷就是利用機械代替人工進行農業勞動以提高經濟效益,所以設計豌豆收獲機械時,在保證功能性的前提下,應盡量減少成本,切實提高其使用者的收益。

4)收獲機械的質量保證。對于種植在山地、丘陵地區的豌豆,在設計時還需注重收獲機械的生產質量。由于山地、丘陵地區地況復雜,土地里還混有樹枝、石塊等雜物,如果將這些雜物卷進收獲機械中有可能會破壞收獲機械。所以,在設計豌豆收獲機械時應將切割刀齒刀刃硬度、機械結構強度等因素考慮進去,避免在收獲機械進行收割作業過程中發生機器損壞等現象[10]。

2 國內外研究現狀

2.1 國外豌豆收獲機械研究現狀

在豌豆收獲機械的研究上,歐美國家已有成熟的豌豆收獲機械進行收割工作,且已經高度自動化。圖1為荷蘭PLOEGER機械公司生產的EPD540型收割機,該機長11.65m,寬3.9m,高4m,空載質量24.24t。此大型收割機被設計專門用于農場中的農作物收割,可收割豌豆、蠶豆、蕓豆等豆類作物,且具有作物去皮、秸稈粉碎等功能。EPD540型收割機在作業時的行走速度最高可達7km/h,收割效率非常高,油箱可盛裝920L燃料,可持續工作較長時間。除了上面所說的這種收割機械的功能性,還配備了觸摸控制屏和先進的全車信息診斷系統,可以準確、快速收集作業過程中的信息,并自行處理或傳遞給駕駛人員,以保證作業過程的高效率和穩定性。EPD540型收割機對駕駛室進行深度人機工程學設計,可保證駕駛人員在工作過程中的舒適性和開闊的視野范圍。圖2為EPD540型收割機正在進行收割作業。

圖1 荷蘭PLOEGER機械公司生產的EPD540型收割機

圖2 EP540進行收割作業

由于EPD540型收割機自身并沒設有儲物倉,所以在進行收割作業時,旁邊需伴隨一輛卡車用于收集收割下來的農作物。EPD540型收割機整車由PLOEGER機械公司擁有自主知識產權,高度集成了先進的自動化和信息化技術,在歐洲、美國、加拿大等地區的豆類種植農場中使用最為廣泛,是PLOEGER機械公司的主打產品[11]。

美國的豌豆種植也十分廣泛,且在20世紀七八十年代就開始對豌豆收獲機械進行研究[12]。圖3為美國早期的豌豆收割機。這個時期豌豆收割機械的研制還處于起步階段,機器體積十分龐大,且功能比較單一。這種豌豆收割機靠拖拉機牽引進行工作,并裝有一個柴油機用來驅動其上的各工作部件。它采用圓盤刀收割,豌豆秧被割下后經傳送裝置在機器的收集裝置內團成一團,然后被丟到地上,便于后續人工收集。這種豌豆收割機的工作穩定性很差,在工作過程中傳送裝置和收集裝置常發生纏繞和堵塞現象。在美國的大農場中,低效率的人工收割已經不能再滿足大面積豌豆的收割需求,迫使豌豆的收割作業向機械化轉變,即使是并不完善的收割機械也要比傳統的人工收割工作效率高很多。在經過幾十年的發展后,美國的豌豆收割機械已經趨于成熟。美國十方國際公司是美國規模較大的農業機械制造商, 2005年在我國黑龍江省哈爾濱市設立中國辦事處,專門推廣特種農業機械。圖4為美國OXBO公司生產的2430多功能收獲機,這種收獲機在更換相應的收獲頭架后,可用于玉米(鮮食玉米、種子玉米、甜玉米)、辣椒、豆類(青豆角、毛豆、鮮豌豆)、葉類蔬菜(菠菜、青菜等)等不同作物的收獲,在進行收割作業時具有較高的自動化,在收割豌豆時可以一次性完成收割及去皮脫粒[13]作業。這種豌豆收獲機工作效率很高,可達1.2～1.3hm2/h;該機有自己的儲料倉,堆存高度在2.8～4m內可變,容積11m3、容量3 632kg,作業過程中無需跟隨運載卡車,這就增加了其作業的獨立性和靈活性。

圖3 美國早期的豌豆收獲機械

圖4 美國OXBO公司生產的2430多功能收獲機

俄羅斯雅羅斯拉夫爾州的農作物種植業和機械制造行業比較發達,農業機械化程度較高。圖5為雅羅斯拉夫爾州的豌豆收割機。這種豌豆收割機也有一個小型的撿拾器用來梳理長勢不整齊的豌豆秧,減少了豌豆秧對切割裝置的纏繞。其切割裝置為一種往復刀,豌豆秧被切割后輸送到后方進行去皮和脫粒,經粉碎裝置粉碎后還田,豌豆粒經出料筒吹出到旁邊跟隨的載貨卡車上。這種豌豆收割機也是一種自動化程度較高的大型豌豆收割設備,尤其適合在像雅羅斯拉夫爾州那樣廣袤平曠的土地上進行收割作業。這種豌豆收割機專門針對該州的豌豆收割設計,結構簡單且收割效率高,俄羅斯大部分的豌豆收割作業都已經采用該設備收割。

圖5 雅羅斯拉夫爾州的豌豆收割機

近年來,電子信息產業快速發展并被國外的農業機械制造商應用于農機的生產與使用中[14],使得農機的智能化水平有了較大提高,如荷蘭PLOEGER機械公司生產的EPD540型收割機[15]。這種高效率、智能化的豌豆收獲機械在收割豌豆時極大地減輕了勞動力負擔,提高了收獲質量,對促進農業發展和農民增收起到了重要作用。但是,這種大型收割機械只適合于國外的農場環境收割,對我國山區、丘陵等種植環境極不適合,且這種大型收割機械制造成本和服務費用高,個體農戶很難負擔得起。所以,研制出專門適合我國豌豆種植環境的收割機械尤其必要。

2.2 國內豌豆收獲機械研究現狀

由于我國豌豆的種植環境較為復雜,大多為山區和丘陵地區個體種植,想要像小麥那樣聯合收割無法實現。所以,國內的農業機械生產廠家專門針對我國特殊的豌豆種植環境研發了一些豌豆收獲機械。

圖6為內蒙古自治區烏蘭浩特市順源農牧機械制造廠生產的順源牌2zsgj-4型收割機,是同中型拖拉機配套使用的前置全懸掛式收割機具。其切割裝置分為兩組,每組有兩個成角度安裝的長直刀,每組割刀的刀刃都向外,在拖拉機前進的過程中割刀給豌豆秧一個斜向切割力,類似鐮刀一樣將豌豆秧割下。這種豌豆收割機對豌豆秧較為平直的豌豆品種收割效果較好,相比人工收割工作效率有很大提高。但是,這種收割機只能應用在地形較為平緩的地區,而且損失率較大。這些機具只能完成收割工作,收割后還需對地上作物進行整理,自動化程度較低,比較耗費人力,對種在山地上的豌豆收割也比較困難。

圖6 順源牌2zsgj-4型收割機

圖7為山東省曲阜市富強機械廠生產的富強牌豌豆割曬機。這種機器分為切割部分和疏導部分:切割部分在機架的下方,用來切割豌豆秧,主要裝置為往復割刀機構,往復割刀相比圓盤刀和直刀來說損失率小,工作穩定性好;疏導機構主要由主動撥禾鏈條和大從動輪組成,用來將切割下的豌豆疏導到機器一側,既便于晾曬又減少了機器的堵塞和纏繞。但是,這種割曬機只適用莖稈較為平直的豌豆品種或未發生倒伏和倒伏不嚴重的豌豆田,對倒伏豌豆的收割效果很差,作業質量很低,會有較多收割損失。

我國對于倒伏品種的豌豆的收割方式依然采用傳統的人工收割,雖然已經有可實現收割功能的豌豆收割機械,但依然存在一些結構和功能方面的問題。由于豌豆成熟后植株相互糾纏且倒伏在地上,所以機器收割時很容易造成堵塞和糾纏,且很難保證收割質量,有時會破壞豌豆造成損失。一些研發機構針對豌豆秧收割困難的問題,研發出了一些特殊機構來解決這個問題。

圖7 富強牌豌豆割曬機

圖8為中國農業大學研制出的一種側置圓盤式豌豆割曬機。

1.撥禾單元 2.機架單元 3.側刀單元

這種側置圓盤式豌豆割曬機的整機安裝在拖拉機一側,工作動力來自拖拉機,隨著拖拉機前進進行收割作業。這種豌豆割曬機為了便于切割倒伏的豌豆秧,專門設計了一個“撥禾單元”。撥禾單元主要由滾筒和撥齒組成,作用與聯合收割機上的撥禾器或扶禾器作用相同[16-17],滾筒滾動時撥齒可以有效地將倒伏的豌豆秧在切割之前扶起[18],大大提高了對倒伏豌豆秧的收割效率。其機架單元主要起承重作用,在經過輕量化和緊湊化設計后,既可以保證傳動機構的功能性,又使整體體積減小。該機側刀單元主要是一把往復刀,在收割工作進行時來剪斷這一側的豌豆秧,可以防止機械行走過程中豌豆秧對裝置纏繞,提高工作穩定性。切割單元中的割刀采用圓盤刀,圓盤刀可以有效減少豌豆秧對切割裝置的纏繞,具有良好的抗干擾能力,且不易磨損,有更長的使用壽命;還有一個整理裝置,是由鋼板彎制而成,在整個機構行進的過程中可以將割下來的豌豆秧聚成一行,便于豌豆后期的脫粒和收集工作[19]。

這種側置圓盤式豌豆割曬機相較于上文提到過的豌豆收割機械,加強了對倒伏豌豆的收割效果,增強了豌豆收割機械的通用性,為倒伏豌豆收割機械的設計與研制提供了思路。但是,這種豌豆割曬機安裝在拖拉機的側方后增加了整體的橫向尺寸,會影響整體平衡性,也會影響在一些狹窄地況的通過性。

近年來,我國的豌豆產業迅速發展,亟需有配套的收割機械在我國推廣開來。雖然已有公司和研發單位對豌豆的收割設備進行了研究和生產,基本功能已經實現,但相關技術還不夠成熟,設計和制造方面的問題依然突出,并沒有將豌豆收割設備形成產業化和標準化[20]。所以,我國對豌豆收割機械的研發還要有更多的投入,在依托大量的田間試驗的基礎上,填補該領域的研究空白。

3 我國豌豆機械化收獲存在的問題

從國內外豌豆收獲機械的研究現狀看,國內的研究進度和國外還有較大差距,我國豌豆生產的實際情況和豌豆收割機械的研究還存在一些問題,制約著其在我國的發展與推廣。

1)農藝粗放,重視程度低。豌豆的機械化收割本身對農藝的要求較高,我國豌豆的耕作、播種等機械化程度不高,種植粗放,農藝不規范,這對收割機械的適應能力提出了更高的要求[20]。此外,我國豌豆生產的手工作業由來已久,廣大農民對豌豆的機械化收割不了解,因此對豌豆收割機械的重視程度不夠。

2)體型大,結構復雜,制造成本高。由于國外豌豆多種植在大型農場內,尤其是歐美國家,設計的豌豆收割機械體型龐大,自動化程度高,多功能一體化程度高,導致制造成本高、價格昂貴[21]。而我國豌豆多為小農戶種植,分布廣泛而分散,一般農民負擔不起投資成本,因此小型號、實用性強的機型更適合我國豌豆的種植現狀。

3)豌豆秧切割困難,易造成收割損失。由于土地不平整,豌豆收獲機械的切割豌豆秧的裝置離地距離難以控制,豌豆秧倒伏在地上時如果切割裝置離地距離過高就會發生豌豆秧漏割,降低收割質量;如果切割裝置離地距離過低,可能發生割刀鏟土的現象,對豌豆收獲機械造成損壞[22]。

4)易堵塞,易造成較大損失率。由于豌豆植株的蔓狀莖的特殊結構,收割作業進行時,莖稈、葉梗、泥土等容易堆積在機械的死角,堵塞作業機械,影響收割效率,而還會增大豌豆的損失率[23-25]。豌豆的損失率是評價豌豆收割機械工作性能的重要指標,收割時造成損失不可避免,但應將損失率降低至可接受范圍之內。

4 我國豌豆收獲機械的研究趨勢

為解決我國豌豆收割機械研制存在的問題,結合我國豌豆種植的實際情況和農業機械的發展現狀,在考慮可行性的前提下提出以下發展方向。

1)規范豌豆種植農藝,以便于豌豆種植和收獲的全程機械化工作。豌豆的種植情況直接影響豌豆的收割條件,平整的土地改善了農業機械的工作條件,不但對豌豆的種植機械在工作時提供幫助,也對收獲機械的進行提供了便利條件,所以在豌豆種植前利用激光平地技術對田地進行平整處理有利于豌豆種植和收獲的全程機械化工作。在豌豆種植時也要有合理的農藝方法,根據豌豆品種合理密植,根據收割效率選擇合適的收獲期,提高豌豆產量。

2)針對豌豆秧的特殊結構形狀重點研究特殊結構及專用結構。由于豌豆品種和種植條件在短時間內不可改變,所以應針對其研究專用的收割機構,如切割機構、防纏繞機構、防堵機構、地形仿形機構及倒伏植株扶起機構等。這些專用機構的研發是整個豌豆收割機械研發的基礎,也是技術核心,只有對核心技術有所突破,才能在整個收割機械的研制上有所突破。

3)針對廣大農村地區研制小型豌豆收獲機械,設立農機服務機構。由于我國豌豆種植大多在農村地區的實際情況,在保證功能性和實用型的前提下降低制造成本、提高廣大農民的可接受度,才是農村用豌豆收獲機械的研究重點。配合當地政策設立豌豆收獲機械農機租賃站和農機服務站也可以更好地滿足農民對收獲機械的使用要求,消除了農民對購買收獲機械的顧慮,進一步推進了農村豌豆產業向機械化的轉變。

5 結論

根據我國農業發展的實際情況來看,農業機械整體的現代化水平與發達國家之間仍存有較大的差距,為了滿足現代社會農業生產生活所需,需要全社會重視提高農業的機械化的發展水平,以此來提高農業產業的機械化水平。豌豆的機械化收獲是我國科技發展與農業發展相結合的必然趨勢,農業機械化的發展對我國農業經濟有著巨大影響。農業機械化的推廣和快速發展對農村經濟發展有著重要的推動作用,大大提高了農業生產率和農業經濟增長速度,有效降低勞動成本,促進了經濟轉型和農業可持續發展。農村勞動力的減少與豌豆需求的日益增長,要求我國豌豆收割必須向機械化的方向發展。雖然有些地區農戶和農民專業合作社購買力有限,但可以組建農機服務隊來租賃農機或者進行農機服務來推廣農業機械的使用。以農機融資租賃豌豆收割機械應具有較高的可靠性和經濟性并適合規模化收獲,使其成為實現我國農業機械化的關鍵技術之一。借鑒國外相關機型的成功經驗,有重點地開展相關機構和機械的研制,研究豌豆的植株特性和收割條件,優化設計機械結構,提高收割機械通用性,開發符合我國種植模式的豌豆收割機械,對實現我國豌豆機械化收割具有重要意義。