花生收獲機挖掘裝置的研究進展

蔣延金，陳立東*，李國昉，王逸飛，杜鳳永

(1 河北科技師范學院機電工程學院，河北 秦皇島，066600；2 河北永發鴻田農機制造有限公司)

花生機械化收獲作業主要包括起挖、去土、晾曬、撿拾、摘果和清選等多個工藝流程[1]。其中，挖掘裝置鏟斷花生根部，將花生的秧和土壤一同挖起，然后將夾雜土壤的花生秧和花生蔓傳輸到分離裝置。挖掘裝置進行的“起挖”環節是花生收獲的第一步，其性能決定收獲的質量和效率。為此，筆者分析了國內外花生收獲機中挖掘裝置的主要類型及國內現階段花生收獲機挖掘裝置存在的問題，提出花生挖掘裝置的發展建議，以期為今后我國花生收獲機挖掘裝置的進一步研發提供參考。

1 花生挖掘裝置的分類

花生挖掘裝置通過“挖”或“拔”的形式將土下花生和秧蔓掘出土壤，鋪放在田間或進入中間輸送裝置。目前，我國花生收獲機械中應用的挖掘裝置按不同的分類標準分為以下4類[2]。

1.1 按挖掘分離裝置組合方式歸類

按照挖掘裝置和分離裝置的組合方式分為挖分一體式、鏟鏈組合式、鏟篩組合式、鏟夾組合式等4種[3]。

挖分一體式挖掘裝置中挖掘部件和分離部件合為一體，可同時進行起挖、輸送和分離等作業，結構緊湊、動力消耗較小、生產率高。4H-2型花生收獲機與4HQL-2型花生聯合收獲機的挖掘裝置采用了挖分一體式結構[4，5]。

鏟鏈組合式挖掘裝置通過挖掘鏟和分離鏈的配合完成收獲作業，挖掘鏟鏟斷花生根部，將花生秧蔓和土壤一同挖起，分離鏈將花生秧蔓和土壤分離并向后輸送。4H-1500型和4HW-800型花生收獲機、4HFS-150型花生聯合收獲機都采用了鏟鏈組合式挖掘裝置[6，7]，具有適應性強、損失率低的優點。但當花生種植密度較大時，鏟鏈組合式挖掘裝置容易雍土。

鏟篩組合式挖掘裝置的作業特點與鏟鏈組合式相似，區別在于由分離篩完成分離作業[8]。HS-73型和4H-800型花生收獲機上使用了鏟篩組合式挖掘裝置[9]。

鏟夾組合式挖掘裝置通過挖掘鏟與夾持帶或夾持鏈的配合完成收獲作業。挖掘鏟鏟斷花生主根，花生植株以直立狀態進入入秧口，通過夾持帶或者夾持鏈夾持花生植株的秧部向后輸送，作業順暢，不雍土。鏟夾組合式挖掘裝置對壟距和花生植株的高度等因素要求較高，適應性差，目前在我國應用較少。2H-1型花生收獲機采用了該挖掘裝置[2]。

1.2 按作業行數與挖掘鏟數量歸類

花生種植經常采用壟作模式，最常見的有單行壟作和雙行壟作[10]。花生收獲機根據不同的花生種植壟數，配置不同數量的挖掘鏟。挖掘鏟越多，挖掘裝置入土性能及碎土能力越強，工作效率越高。雙鏟挖掘裝置結構簡單，但工作效率低于多鏟挖掘裝置。多鏟挖掘裝置的挖掘阻力較小，但制造工藝復雜。4H-2型、4HS-2型花生收獲機均為雙挖掘鏟，一壟雙行作業。4HBL-4型聯合收獲機配置了4個挖掘鏟，可進行兩壟四行花生收獲[11]；4HFS-150型和4HL-150型花生收獲機分別采用了菱形多鏟與三角平面多鏟[12]。

1.3 按挖掘鏟運動狀態歸類

挖掘鏟的運動狀態分為固定式和活動式。活動式挖掘裝置能減少挖掘阻力，提升挖掘的順暢性。4HS-2型花生收獲機通過偏心輪實現挖掘裝置的擺動挖掘[13]；HS-73型花生收獲機通過平行連桿機構實現振動挖掘[14]。固定式挖掘鏟挖掘阻力大，導致機具負荷高。4LH-2型花生聯合收獲機中，挖掘裝置的鏟柄與管座采用螺釘連接，鏟柄可在管座內活動[15]；4HW-800型花生收獲機的挖掘鏟直接固定在機具的橫梁上[6]。

1.4 按挖掘鏟鏟面形狀歸類

挖掘鏟鏟面的形狀分為平面鏟、曲面鏟和槽形鏟等3類[16]。花生挖掘裝置的挖掘鏟以平面鏟為主，鏟面呈流線型，以保證順暢挖掘。4HB-2A型、4HLB-2型、4HBL-2C型花生收獲機均采用了雙梯形鏟[17]；4HL-150型花生收獲機采用的是三角平面多鏟[12]。平面鏟結構簡單，但易出現纏秧和雍土現象。李長銘[18]仿照螻蛄前足第一趾爪的結構，研制了減阻、碎土效果較好的花生挖掘鏟。

2 國內外花生收獲機挖掘裝置的研究現狀

2.1 國外研究現狀

花生收獲機械化程度高達90%以上的有美國、阿根廷、巴西、澳大利亞等國家。美國基于兩段式花生收獲模式，將挖掘裝置與分離裝置組合設計，常采用鏟鏈組合式和鏟夾組合式。Pearman公司生產了PEARMAN-606(6壟)鏟夾組合式花生起收機，Armadas公司生產了ADI-6(6壟懸掛)鏟鏈組合式花生起收機[19]。鏟鏈組合式挖掘適應性較強，但花生種植密度較大時容易雍土。鏟夾組合式作業順暢，但對農藝要求較高。連續多年對花生收獲機的研究和改進，使美國的花生挖掘裝置性能更優越。Kelly公司的花生收獲機配備柔性挖掘翻秧裝置，可適應復雜的田間地勢。Armadas公司設計生產的軟盤式挖掘裝置，在挖掘過程中可有效去除雜物[20]。Kelly公司的KMC2002型花生收獲機上采用CV挖掘鏟控制機構，使挖掘鏟作業順暢[21]。

2.2 國內研究現狀

我國花生種植規模大，模式多，產區分布在山東、河北、河南等地。自20世紀80年代以來，我國開始研究多種花生收獲機械以適應不同產區作業需求[22]。目前對于花生挖掘裝置的研究主要集中在挖掘鏟的性能、限深裝置、分禾扶禾裝置等方面。

2.2.1挖掘鏟結構參數研究 花生挖掘鏟主要包括挖掘鏟面、鏟柄和連接部分。挖掘鏟的結構參數包括入土深度、入土角度、鏟翼張角、鏟體寬度、鏟面形狀、鏟柄性能等[23]。入土深度是影響挖掘阻力的主要因素，挖掘阻力隨入土深度的增加而增大。在保證挖凈率的前提下，挖掘深度越淺越好。入土角度影響入土性能，入土角較小時不易入土，入土角較大時挖掘阻力大。鏟翼張角是鏟翼單側外緣線與機組前進方向的夾角，決定了鏟斷花生主根的順暢程度[18]。挖掘鏟常呈倒八字型配置，便于形成滑切，更省力地切斷花生主根[2]。常見的鏟柄類型有彎弧式、直立式和傾斜式。挖掘作業工作阻力較大，要求鏟柄具有足夠的強度。

為減小挖掘阻力，增強破土能力，挖掘鏟一般采用流線形。李長銘[18]以挖掘能力較強的螻蛄的爪作為仿生對象，運用反向工程學原理設計出減阻、碎土效果較好的新型仿生挖掘鏟。楊然兵[24]設計了流線型挖掘鏟，應用于4HQL-2型花生收獲機。陳書法等[12]在4HL-150型花生收獲機的挖掘裝置中采用了帶斜刃的三角形鏟，入土性能良好，鏟刃具備自動清理效果。楊然兵[25]設計了動力圓盤式挖掘裝置，減少機組前進阻力，解決了平作花生聯合收獲過程中挖掘鏟前壅土的問題。

挖掘鏟的擺動或振動也可以達到減阻脫土效果。挖掘鏟入土時處于振動狀態，增加土壤流動性，降低其剪切強度，加速碎土、抖土，起到減阻脫土效果。HS-73型花生收獲機采用平行連桿機構實現振動挖掘[14]。

2.2.2限深裝置的研究 花生收獲機上的限深裝置有機械式限深裝置、液壓式限深裝置和自動控制式限深裝置。機械式限深裝置結構簡單、技術要求低、成本造價低，目前被廣泛采用。限深輪和限深板等類機械式限深裝置存在穩定性差、挖掘鏟調整速度慢的缺點。4H-2型、4HZ-2型和 4HLB-4型花生收獲機分別采用行走輪、鏟側限深器、機械懸浮式限深機構進行機械限深[26，27]。液壓式限深裝置可有效提高挖掘鏟的調整速度，但需要人工觀察田間起伏變化，手動操縱液壓系統，控制誤差較大。4HBL-2型和4HB- 2A型花生收獲機都采用液壓驅動的限深輪[28]。自動控制式限深裝置的自動化程度高，反應靈敏，隨地面起伏自動仿形，是目前最先進的限深技術。4HLB-4型和4HBLZ-2型花生聯合收獲機設有限深輪仿形機構，通過地面仿形系統控制挖掘鏟的升降，保證挖掘鏟與地面的隨動[29，30]。

2.2.3分禾扶禾裝置的研究 分禾扶禾裝置配置在花生挖掘裝置的前側，將當前作業范圍內的花生植株與待收花生植株隔開，并將需起挖的花生植株扶起，提高挖掘效率，方便后續作業[19]。4HB-2A型花生聯合收獲機采用尖錐扶禾器，將需起挖的花生植株扶起并向后引導[28]；4HQL-2型花生收獲機采用棱錐型扶禾裝置[31]；4HLB-2型和4LH2型花生聯合收獲機配置撥指式扶禾裝置[32，33]。

3 我國花生收獲機挖掘裝置存在的問題

3.1 地域差異明顯，花生挖掘效果不理想

我國花生種植面積廣闊，種植模式多樣，有壟作、平作和畦作[10]；花生收獲方式有分段收獲、兩段收獲和聯合收獲。地域種植方式和收獲方式的差異使收獲機挖掘裝置的種類繁多。花生收獲作業時，機組行駛在地形復雜的松軟土壤上，機組質心的波動將不斷改變挖掘鏟的初始入土位置，很難保證行駛穩定性，影響挖掘作業效果。挖掘裝置中普遍存在挖掘鏟鏟前壅土、挖不凈和挖掘鏟硬度高等問題，導致挖掘效果不理想[35]。

3.2 限深裝置落后，挖掘深度控制效果差

研究者對花生收獲機挖掘作業進行運動學和動力學分析時常作理想化處理，假設機組勻速平穩作業。但實際花生種植地形復雜，機組很難實現平穩作業。為減少挖掘阻力，實現機組平穩作業，花生收獲機經常配置限深裝置輔助挖掘[35]，通過限深裝置控制挖掘深度來解決挖不凈和機組適應性差的問題。現階段我國普遍采用的限深裝置和挖掘裝置配合效果差、限深精度低、前行阻力大、地面仿形效果差、響應慢[37]。

3.3 結構設計相似，花生挖掘裝置創新不足

花生收獲機型越來越多，但挖掘裝置的結構設計和作業原理等出現高度相似，普遍存在著收獲過程中振動較大、功耗較高的問題。平面挖掘鏟雖結構簡單，但常出現纏秧和雍土現象。活動式挖掘裝置脫土性較好，但挖掘鏟的振動或擺動增大了機組功耗。4H-2型花生收獲機中柵條擺動挖掘、4H-1500型花生收獲機挖掘鏟振動挖掘，導致功耗較大[4，6]。

4 花生收獲機挖掘裝置發展建議

4.1 結合地域條件，合理選擇挖掘裝置

現有挖掘裝置種類繁多，根據不同地域，選擇適合的挖掘裝置十分重要。保水性較弱的沙地選擇鏟夾組合式挖掘裝置，保水性適中的中壤土選擇鏟鏈組合式挖掘裝置[19]。現階段仍需有針對性的繼續研究適用于中小型花生收獲機作業的挖掘裝置。國外的大型花生收獲機采用圓盤刀和帶柵條的起土鏟，一次作業可挖掘6壟、8壟或12壟花生。目前，大型花生收獲機在我國應用受限，但隨著花生土地流轉和種植面積的增加，6壟以上的大型花生聯合收獲機將會有廣泛應用。

4.2 農機農藝結合，規范區域種植

當代農業生產的重要環節之一是農機農藝的健康結合。在花生收獲機挖掘裝置的發展過程中，多通過挖掘裝置的改進來滿足農藝的要求，未做到農藝與農機的結合與促進。挖掘裝置的研發人員與農藝工作者需積極開展技術交流，創新工作機制。農機與農藝的健康結合和標準化區域種植體系的形成，將有利于挖掘裝置的進一步研發。花生種植規模較大的地區，需先規范區域種植，形成標準化的區域種植體系，研究適用于大型花生收獲機的挖掘裝置。

4.3 拓寬研究視野，進行優化創新

針對花生收獲作業過程中限深不穩定的問題，著力研發與挖掘裝置相結合的自動限深裝置，延長挖掘裝置使用壽命，提高挖掘效率并減少功耗。借鑒其它地下作物收獲機械中挖掘效果好的挖掘鏟，并將其應用于花生挖掘。利用反向工程的原理，從自然界挖掘能力較強的生物身上獲得靈感，設計出仿生挖掘鏟。運用計算機軟件對挖掘鏟進行三維建模，建立有限元模型并進行仿真分析。