白蘿卜收獲機械化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張富貴，范 維

（貴州大學機械工程學院，貴陽 550025）

0 引言

蘿卜是常見的蔬菜，有很高的食用價值，其直根和種子還可入藥，在消食、除燥、解毒、利尿等方面都有獨特的功效。蘿卜中維生素C 含量較高，富含多種酶，對人體健康有重要的作用；蘿卜中含有眾多礦物質(zhì)，不僅特別有利于兒童的生長發(fā)育，還能夠降低膽固醇，控制高血壓、冠心病等疾病的發(fā)作率[1]。

根據(jù)中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示，2012 年蘿卜播種面積為 81.2 萬 hm2，2017 年達到 127.1 萬 hm2，占蔬菜總播種面積的近5.6%，產(chǎn)量約4 500 萬t，占蔬菜總產(chǎn)量的近5.6%，位居各種蔬菜種植面積的前3 位[2]。我國目前蘿卜種植面積約133.2 萬hm2，蘿卜收獲面積和總產(chǎn)量均居世界第一[3]。白蘿卜最耗工費時的是收獲環(huán)節(jié)，也是機械化程度最低的一個環(huán)節(jié)。白蘿卜的收獲包括挖掘、除土、切纓等，目前主要依靠人工來完成，有些地方利用馬鈴薯、中藥材收獲機來兼收白蘿卜，但由于缺少對白蘿卜物理力學特性及蘿卜和土壤之間交互作用的研究，收獲效果不佳，白蘿卜損傷率和漏收率都很高。國外種植的蘿卜以小型蘿卜為主，進口收獲機大都是大型的聯(lián)合收獲機，不適用于南方的小地塊作業(yè)，且各個地區(qū)的蘿卜種植模式也不同，收獲機的適應性差，無法滿足實際的收獲需求，因此急需研制適合不同種植區(qū)的白蘿卜收獲機。

1 國內(nèi)外白蘿卜收獲機械研究現(xiàn)狀

1.1 國外白蘿卜收獲機研究現(xiàn)狀

以蘇聯(lián)和美國為代表的胡蘿卜收獲機，大多以大型拖拉機為動力源，具有大型化、聯(lián)合式的特點，符合歐美國家地廣人稀的情況。美國福特公司于1961 年研制的新型阿爾契胡蘿卜聯(lián)合收獲機，已經(jīng)具有初步的松土、拔取、切櫻、收集功能，但是容易出現(xiàn)漏拔和損傷胡蘿卜等問題，后來歐洲一些學者和廠商在保留該機原理的基礎上改進生產(chǎn)出羅馬尼亞CLR-1、東德EM-11 等機型[4]，這些機型與阿爾契收獲機相比具有更加穩(wěn)定可靠的性能，可解決漏拔等問題。但是這種大型收獲機對于種植模式要求很高，不適合國內(nèi)種植模式和蘿卜品種多樣化的具體情況。

阿薩力（ASA-LIFT）在根莖類蔬菜收獲機方面具有多年研究經(jīng)驗，該公司的胡蘿卜收獲機主要有牽引式T系列和自走式SP 系列兩種，有雙行收獲和多行收獲兩種機型（圖1、圖2），配備智能系統(tǒng)和操作面板，具有良好的操作性和可靠性，田間適用性較強。近年來隨著計算機和微電子技術(shù)的廣泛推廣，在農(nóng)業(yè)機械化上也得到了應用，美國、日本、比利時等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家已將微電子技術(shù)、自動導航技術(shù)應用到農(nóng)業(yè)收獲環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了機械的精準控制和無人駕駛自動收獲等智能化作業(yè)，減少了人工操作，節(jié)約了收獲成本。但是國外種植的蘿卜主要是小根莖蘿卜和胡蘿卜，仍然無法收獲像白蘿卜、青蘿卜這樣大根莖的農(nóng)作物。

圖1 單行夾撥式胡蘿卜收獲機

圖2 自走夾撥式胡蘿卜收獲機

圖3 久保田CH-201C 型胡蘿卜聯(lián)合收獲機

日本在白蘿卜收獲機方面具有小型化、輕便化的特點，日本久保田CH-201C 型胡蘿卜聯(lián)合收獲機（圖3）能-次性完成蘿卜的挖掘、夾持、輸送、切秧、收集等工序，機械作業(yè)性能穩(wěn)定，作業(yè)速度快[5]。小型化和輕便化的設計思路才能滿足國不同種植區(qū)白蘿卜收獲的需求。

1.2 國內(nèi)白蘿卜收獲機研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的根莖類農(nóng)作物收獲主要是挖掘和拔取這兩種方式，拔取式是白蘿卜的主要收獲方式[6]。雖然國內(nèi)收獲面積和總產(chǎn)量世界排名第一，但國內(nèi)在聯(lián)合式和自走式蘿卜收獲機方面仍然處于空白。國內(nèi)的學者主要對蘿卜品質(zhì)和白蘿卜干制品影響因素進行研究[7-10]，對白蘿卜物理力學特性和收獲機的關(guān)鍵部件研究較少。

昆明理工大學對白蘿卜的常規(guī)力學性質(zhì)（彈性模量、應力）進行研了究，通過分析加載部位、方向、速度及含水率對于白蘿卜的力學性質(zhì)的影響，得出了含水率對于彈性模量、應力影響顯著的結(jié)論[11]。青島農(nóng)業(yè)大學對白蘿卜和青蘿卜的幾何特性進行研究，并在實驗臺上進行壓縮試驗，得出兩種蘿卜根部不同部位抗壓力的情況[12-13]，為設計根類收獲機提供了支撐數(shù)據(jù)[14-17]。由于蘿卜的生長壞境條件不同，蘿卜根部大小差異性較大，導致了采用拔取式收獲蘿卜時所需要的拔取力也不同，對于蘿卜的物理力學特性還需進行一定的研究。

南通農(nóng)機化技術(shù)推廣服務站對白蘿卜收獲機的松土鏟進行了優(yōu)化設計，如圖4。對松土鏟參數(shù)進行了改進，達到能夠適合不同種植模式的收獲要求[18]。河北農(nóng)業(yè)大學設計出專用的白蘿卜挖掘鏟，如圖5。工作時，通過挖掘鏟破壞白蘿卜與土壤的接觸力，使白蘿卜與土壤分離，再由人工撿拾裝袋。該挖掘裝置采用后懸掛牽引的方式挖掘白蘿卜，大大提高了白蘿卜的收獲效率，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡易、成本低的特點[19]。

圖4 白蘿卜收獲機

圖5 白蘿卜挖掘鏟

國內(nèi)對于胡蘿卜收獲機的研究較多，已經(jīng)設計研發(fā)出了自走式聯(lián)合收獲機和牽引式收獲機。對于松土鏟和切割裝置等關(guān)鍵部件也有了深入的研究，利用仿生學研制出高效減阻鏟土來解決松土阻力大和漏拔的問題[20]，針對胡蘿卜聯(lián)合收獲過程中對頂切割裝置作業(yè)后胡蘿卜損傷率高、切凈率低等問題，設計了一種單圓盤對頂切割裝置[21]，如圖6。雖然白蘿卜和胡蘿卜的收獲方式類似，但白蘿卜和胡蘿卜的根部幾何特性相差很大，而且蘿卜根部裸露在地面上的高度不一致，通過對胡蘿卜收獲機改進無法滿足白蘿卜的收獲需要。

南通農(nóng)機推廣中心研發(fā)了一款以拖拉機為動力源的蘿卜收獲機，可以進行蘿卜收獲[22-23]，但是沒有對蘿卜的物理力學特性進行研究，也沒有收獲機關(guān)鍵部件參數(shù)，缺乏理論支持。國內(nèi)公司制造了一些多功能蘿卜收獲機，大多由馬鈴薯等根類收獲機改造而來，因此無法適應復雜的田間環(huán)境，也無法滿足各不同種植模式要求。

圖6 單圓盤對頂切割裝置

2 存在的問題

2.1 種植模式多樣化

由于國內(nèi)白蘿卜種植地區(qū)的地形和氣候各不相同，導致種植模式各不相同，蘿卜種植的農(nóng)藝特性直接影響其收獲方式[24]。我國不同地區(qū)白蘿卜種植品種、種植模式各異，由于缺乏標準化、規(guī)范化引導，農(nóng)機與農(nóng)藝融合程度較低，致使農(nóng)機研發(fā)推廣難度增加[25]。各地白蘿卜種植規(guī)模不同，對于收獲機的要求也不相同，在播種環(huán)節(jié)大都采用人工手播的方式，沒有實現(xiàn)精確播種，這給機械化收獲造成了很大困難。

2.2 缺少穩(wěn)定可靠的機械

目前國內(nèi)還沒有性能穩(wěn)定可靠的白蘿卜收獲機械，收獲機依舊依靠國外進口。對引進的機械改進可以解決一些問題，但是無法在全國推廣。目前白蘿卜收獲機仍然處于實驗階段，裝備匱乏、機械化收獲水平低、收獲費時費工及成本高等問題已成為制約白蘿卜全程機械化生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[26]。

3 解決對策

（1）發(fā)展和研制適合當?shù)剞r(nóng)藝的機型，種植模式標準化。不同地形的農(nóng)機要求不同，在北方平原地區(qū)適合發(fā)展大中型的聯(lián)合收獲機，而西南地區(qū)多山地丘陵，適合小型化、輕便化、分段式的收獲方式。

（2）借助科研院和高校的研究力量，研制收獲機的關(guān)鍵部件。通過試驗驗證，確保機械的實用性和穩(wěn)定性，克服白蘿卜收獲機挖掘鏟阻力大，切櫻和運輸?shù)葐栴}。當?shù)毓竞秃献魃鐟獙r(nóng)民進行農(nóng)機操作和技術(shù)培訓，增加白蘿卜生產(chǎn)每個環(huán)節(jié)的規(guī)范性，提高生產(chǎn)效率。

（3）建立農(nóng)機合作社，由散戶種植白蘿卜逐漸發(fā)展成大戶共同生產(chǎn)，降低農(nóng)機購買成本、增加農(nóng)民收入，加快機械化進程。加快培養(yǎng)、扶持種植大戶、農(nóng)機合作社、龍頭企業(yè)等新型經(jīng)營主體，發(fā)揮其在規(guī)模化、標準化和品牌化生產(chǎn)方面的示范引領(lǐng)作用[27]。

（4）雖然白蘿卜機械化收獲處于起步階段，但是總體上在向農(nóng)機智能化、自動化和自動駕駛方向發(fā)展[28-29]。白蘿卜收獲機要能適應復雜多樣的田間環(huán)境，其關(guān)鍵部件設計要合理，降低白蘿卜損傷率和漏拔率。為使農(nóng)民盡快掌握機具操作方法，應簡化機具的操作流程，實現(xiàn)智能化和全自動化。

4 結(jié)論

目前國內(nèi)對白蘿卜收獲機械的研究還處于起步階段，白蘿卜具有很大的消費市場，收獲機械也具有良好的發(fā)展前景。目前對先進技術(shù)、新機型的研發(fā)力度還不夠，需要政府加強重視、引導企業(yè)走向全程機械化的發(fā)展道路，企業(yè)應積極與高校合作，研制適合當?shù)厣a(chǎn)需要的機型。白蘿卜收獲機械化智能化應該借鑒國外先進理念，也需要政府的大力扶持。