根莖作物寶塔菜收獲機的研究現狀

郭 剛，董 運，吳 統，劉浩威

（新疆農業大學機電工程學院，新疆烏魯木齊830052）

0 引言

寶塔菜或稱甘露子，原名草石蠶，也稱“地環”，屬唇形科多年生宿根植物。它的株高在30~120 cm之間，莖稈直立或略微偏向一側生長，莖稈上生有很多葉片，葉片呈卵圓形，長度在3~12 cm之間，寬度在1.5~6 cm之間，葉緣處具有明顯的鋸齒。本品為中國原產，栽培于近水低濕地，寶塔菜莖、葉及根可作食用和藥用，最宜作醬菜或泡菜，也可用全草入藥、治肺炎、風熱感冒等[1]。

寶塔菜多在我國甘肅、寧夏等地栽培種植，經濟效益十分可觀。一直以來多為人工收獲，雖然保證了損傷率、摻雜率低的優點，但效率低、成本高制約了其發展。目前寶塔菜收獲機的生產和實地投用很少，但根據馬鈴薯收獲機的研究經驗對寶塔菜收獲機的理想機型也已有了初步的確定。本文通過查閱并總結梳理有關根莖作物收獲機的研究資料，了解根莖作物收獲機的基本工作原理和關鍵部件的研究方法，以降低摻雜率、損傷率、提高收獲效率等為重要指標，為寶塔菜收獲機的研究提供了參考。

1 寶塔菜收獲機的研究現狀

寶塔菜收獲是生產環節中投入工時最多的環節，不但用工多、勞動強度大、作業條件艱苦，且經常因遭遇風雨天氣不能及時收獲，造成減收或品質下降等損失。目前，寶塔菜收獲機械成熟適用的機型非常少，機械收獲時仍需要大量的人工輔助來完成作業，收獲效率低。

為解決寶塔菜機械化收獲問題，我國科研人員對此進行了研究。寧夏大學陳虎[2-3]研制了一種側懸掛式寶塔菜聯合收獲機，經田間實地試驗發現此收獲機整體機型過大，收獲時轉向不靈便，且會對寶塔菜造成損傷。陳虎通過對市場上類似收獲根莖類農業設備的研究和對當地草石蠶實際種植、收獲情況的調查研究、分析和試驗，根據試驗獲得的數據設計了與拖拉機配套使用的牽引式草石蠶聯合收獲機。寧夏大學陳俊[4]為了提高寶塔菜的生產效益、土地產出率和資源利用率，通過研究國內外根莖類作物收獲機械相關理論以及影響根莖類作物機械化收獲主要因素的基礎上，提出了寶塔菜收獲機的總體設計目標，確定了主要部件的結構，并應用軟件對挖掘裝置、輸送裝置、篩分裝置進行三維建模，基于離散元法對寶塔菜收獲機的挖掘、輸送、分離三個過程進行仿真分析，設計出了一款符合寶塔菜農藝要求的收獲機。

國外尤其是歐美國家農業機械發展較早，發展至今農業水平已處于國際領先地位，但是美國、日本、意大利等農業機械較先進的國家對寶塔菜收獲機械的研究也相對較少，這些國家對根莖作物收獲機的研究主要集中于馬鈴薯收獲機。其主要有兩種方式，一種是馬鈴薯聯合收獲機直接收獲，另一種是挖掘撿拾裝載機加固定分選裝置進行分段收獲。馬鈴薯挖掘機主要應用在意大利、波蘭、日韓等國，以山地種植為主，田塊小且分散，馬鈴薯聯合收獲機主要應用在德國、美國和比利時等國家[5-8]。

2 寶塔菜收獲機

2.1 寶塔菜收獲機工作過程

寶塔菜收獲機先用挖掘鏟將寶塔菜、土塊及莖稈等一起挖出地表，挖掘鏟上方的撥土輪會將土塊及遺漏的寶塔菜撥入傳輸振動裝置，同時將土塊破碎細化，送入傳輸振動分離裝置；傳輸振動裝置通過振動作用將土塊根莖等雜物和寶塔菜分離，細小的土塊會通過篩孔掉落；傳輸鏈板將寶塔菜及較大的土塊等雜質輸送到機械末尾的滾筒中，滾筒的旋轉作用配合風機的風力作用將寶塔菜和雜物進行二次分離，最后滾筒將寶塔菜和未除盡的雜物送入收集箱中。

2.2 寶塔菜收獲機關鍵工作部件

2.2.1 挖掘鏟

挖掘鏟作為收獲機第一個工作部件其作用至關重要，它需要將寶塔菜挖出地表并保證寶塔菜的完整性和帶有最少量的泥土。挖掘鏟的刀型、入土角度和運動形式等決定挖掘鏟入土難易、碎土程度大小及排土效果好壞，直接影響寶塔菜收獲的質量和效率。

佳木斯大學劉新柱等[9]關于大紅蘿卜的收獲建立了挖掘鏟的力學模型，分析了挖掘鏟鏟面傾角對挖掘阻力和摩擦力的影響，選取挖掘鏟鏟面傾角為23°，并對挖掘鏟的結構進行了設計，選取挖掘鏟鏟柄間距為320mm，入土深度為140 mm，鏟的形狀為平面五邊形，鏟面長度350 mm，鏟面寬度為125 mm，鏟刃角為90°，如圖1。

圖1 雙側松土式挖掘鏟

其優點是大部分紅蘿卜收獲機多采用拔取式，此挖掘鏟配合機械拔取部分對土壤進行松弛，有效提高了紅蘿卜的收獲效率。

山東農業大學劉強[10-11]運用回歸分析、離散元仿真等方法設計了一種圓盤張角為20°，偏角為24°、28°和32°的挖掘鏟，通過對圓盤挖掘鏟進行靜力學分析，得到偏角為28°的挖掘鏟可以很好的保護果實，降低了果實的損傷率。

湖北工業大學魏夢陽[12]設計的旋轉驅動式挖掘鏟是將12個箭型鏟焊接在固定底座外，并圓形排列一圈，如圖2，此鏟不同于傳統的挖掘鏟，能夠進行縱向和橫向雙向剪切，大大提高了挖掘鏟破土效率。

圖2 旋轉驅動式挖掘鏟

其優點是旋轉驅動式挖掘鏟主要針對馬鈴薯的收獲，在收獲過程中可有效地避免馬鈴薯莖稈和雜草的纏繞。缺點是由于固定底座直徑有限，不能保證馬鈴薯的收獲率且收獲時容易損傷馬鈴薯。

內蒙古農業大學李祥[13]通過試驗確定了最佳工作參數組合為鏟面傾角20°，鏟刃斜角55°，前進速度0.8 m/s的固定式三角平面挖掘鏟，這種鏟型有利于減小牽引阻力，降低功耗。

海南大學鄒翔翔等[14]運用仿生及有限元分析法模仿東方螻蛄前足趾爪的形狀，設計出了一種傾斜角為25°～30°，鏟齒為空心的仿生挖掘鏟，這種鏟具有良好的質量和力學特性，很好地增強了入土和碎土的功能。

鄭媛媛等[15]在改進馬鈴薯收獲機挖掘鏟的過程中研究出固定組合平面式挖掘鏟和振動挖掘鏟，如圖3。通過研究分析得到振動挖掘鏟收獲時阻力小，入土相對容易，但如果振動幅度等參數設計不合理就會導致機具作業效果不理想，薯土分離效果差等問題。

圖3 馬鈴薯收獲機振動式挖掘鏟

甘肅農業大學楊小平等[16]設計了4U-1600型集堆式馬鈴薯挖掘機，如圖4。對挖掘機階梯挖掘鏟、兩級升運鏈式土薯分離輸送裝置及液壓開啟式集薯箱等關鍵部件進行了設計與選型并完成其關鍵參數的計算確定。以樣機前進速度、一級土薯分離裝置線速度和二級土薯分離升運裝置線速度為自變量，以明薯率和傷薯率為響應值，依據Box-Behnken試驗設計原理，采用三因素三水平響應面分析方法分別建立了各因素與明薯率、傷薯率之間的數學模型，并對各因素及其交互作用進行分析，為解決傳統一級升運鏈馬鈴薯挖掘機土薯分離效果差、人工撿拾鋪條勞動強度大的作業難題提供了解決方案。

圖4 階梯式挖掘鏟

其優點是該挖掘鏟將碎土、土薯分離和運輸整合為一體，大大減小了機具的體積，提高了機具的靈活性和馬鈴薯的收獲效率。缺點是收獲中挖掘的土塊雜質太多，含雜率過高，挖掘時兩邊會出現壅土，造成馬鈴薯遺漏過多，收獲率降低。

2.2.2 撥土輪

撥土輪是挖掘鏟的延伸裝置，主要作用是解決挖掘鏟在挖掘寶塔菜時鏟的兩邊出現的壅土問題，并通過撥土板將較大的土塊破碎細化，為后續的振動分離奠定基礎。

隴東學院敬志臣[17]設計的BS-1200型寶塔菜收獲機在甘肅慶陽鎮原縣太平鎮第一次田間試驗發現，寶塔菜收獲機在收獲過程中挖掘鏟的兩邊會出現壅土現象，物料輸送不暢，收獲后會造成收獲路徑旁的積土量過多，部分寶塔菜也會存留在積土里，使果實遺漏損失率升高，加之寶塔菜收獲季節土壤表層干燥、板結嚴重，所以設計增添了拔土輪并將其設計為螺旋式，在破碎土塊的同時將土壤遺漏果實及其他雜物通過撥土輪的螺旋推移作用送入振動輸送鏈板裝置，既達到了碎土的效果，又減少了壅土量，降低了果實遺漏率（圖5）。

圖5 撥土輪

特點：該撥土輪有效地解決了挖掘鏟的壅土問題，進一步對挖掘的土塊進行破碎，促進了土塊雜質與寶塔菜的分離，降低了含雜率。

李金川等[18]設計了一種螺距均為130 mm，螺旋片高度為420 mm左右對稱的雙向螺旋破土旋耕刀，如圖6。此雙向螺旋旋耕刀松土效果好、可減少積土量，降低果實遺漏率。

圖6 破土旋耕刀

旋耕刀在工作時雖然進行了有效的松土，減少了積土量，但筆者認為這只考慮到了旋耕刀的優點，并沒有考慮到果實的損傷率。

2.2.3 傳輸振動分離裝置

傳輸振動裝置是寶塔菜收獲機進行雜質分離的核心部分，它利用運輸鏈板增加了振動效果，實現了運輸分離一體化。該裝置不僅提高了收獲機的自動機械化，還進一步提高了收獲效率，降低了寶塔菜長距離運輸損傷的概率。

石河子大學劉瀟[19]運用類比和仿真模擬的方法設計了一種在水平方向上以370mm左右的位移進行往復運動，在垂直方向上以260mm左右的位移進行起伏循環運動的抖動面板傳動裝置。當輸送速度為110r/min，振動轉速為100 r/min，振幅水平為下時，明薯率大大提高，傷薯率大大降低。

湖南工業大學劉炳先等[20]通過田間試驗得出當機具前進速度為1.2 m/s、篩桿升運速度為1.3 m/s、抖動器轉速為205r/min時，明薯率最大，挖凈率最大，傷薯率最小。

西北農林科技大學崔振猛等[21]將三七根土分離裝置簡化為曲柄雙搖桿機構，運用運動學仿真及試驗的方法分析得到了最佳的工作組合條件為曲柄轉速295 r/min、篩面傾角8°、篩面長度620mm的雙曲柄搖桿分離裝置，此裝置在組合條件下更有利于根土分離。

李金川等[18]設計的基于TRIZ的旋轉分離式寶塔菜聯合收獲機的振動篩利用連桿機構驅動左右擺動，如圖7。此分離篩選裝置不僅可起到莖土分離作用還可起到輸送作用，對寶塔菜果實可進一步篩選，提高果實清潔度。振動篩為塑料圓柱條形，大大減輕對寶塔菜表皮的損傷，通過研究發現振動篩越長，分離效果越佳，所以本設計將振動篩貫穿整機，達到了良好的分離效果。振動篩長度設計為1 350mm，為使果實順利進入集果箱，將振動篩設計為傾斜狀態，傾斜角度為15°。

圖7 旋轉分離式振動篩

該振動篩只有單一方向的圓柱條形篩網，因此工作時會遺漏一些偏小的果實，造成不必要的經濟損失，且主要依靠振動篩的長度來達到篩選的目的，振動篩過長會影響整體機械的靈活性。

張海紅等[22]通過建立振動篩動力學方程對馬鈴薯收獲機振動篩的振動問題進行研究，著重分析了激振頻率對振動篩振動幅值的影響規律，通過分析發現，當激振頻率近似等于振動篩固有頻率時會導致振動篩在垂直方向的振動幅值顯著增大，降低振動篩的使用壽命。

遼寧省農業機械化研究所李秀娟等[23]研究的TF-VS系列根莖作物收獲機采用左右對稱式異步振動篩，如圖8。該機不但降低了工作阻力，而且降低了動力消耗，提高了工作效率和作業效果。同時，采用飛輪式曲柄配重和曲柄、雙連桿傳動等機構，使機具能耗降低，比普通機型節能50%左右。

圖8 TF-VS系列根莖作物收獲機

新疆農業大學史增錄等[24]在對4UX-550馬鈴薯挖掘機運動分析的基礎上在ADAMS軟件中對馬鈴薯挖掘機振動篩的虛擬樣機進行了仿真分析，計算出振動篩運動時的參數，為馬鈴薯挖掘機振動篩的工作性能和振動篩對土壤和馬鈴薯混合物的拋送和分離能力的研究提供了理論依據，也為今后振動篩的設計提供了一種有效的設計方法。

2.2.4 風機滾筒裝置

由于振動篩不能一次性徹底清除泥土和莖稈等雜質，為了解決這一問題添加了風機滾筒裝置。其工作原理是利用寶塔菜和泥土等雜質的凈重不同，風機的風力配合滾筒的旋轉作用對其進行二次分離，減少摻雜率。

湖北工業大學魏夢陽[12]設計出由螺旋濾網和螺旋葉片組成的滾筒篩，滾筒篩直徑860 mm，長度1 200 mm，濾網間隙寬度50 mm，并運用離散元分析得到最有利于避免馬鈴薯破損、降低摻雜率的滾筒篩轉速工作范圍，如圖9。

圖9 螺旋式滾筒篩

隴東學院敬志臣[17]等為了避免寶塔菜混合物料二次分選擁堵在滾筒篩前端，設計了錐形分離滾筒，筒長1 200 mm，進料端內直徑850 mm，出料端內徑950 mm，內部鋪設矩形篩網形成錐形導流面，促使物料有效分選的同時有軸向推進力。滾筒前端軸向800 mm范圍內鋪設12 mm×12 mm的矩形篩網，為了實現果實和土壤的分離，后端400 mm滾筒內壁鋪設25 mm×25 mm矩形篩網，以便于寶塔菜順利落入集料斗，還可以起到隔離雜草和大土塊的作用。

康地等[25]根據油茶果的橫徑范圍將滾筒篩設計成若干等級，每級分布尺寸孔，孔徑不同，由于后一級孔徑比前一級大，油茶果從滾筒篩進入到出口，小于第一級孔的油茶果從第一級掉出進入下一環節，每級以此類推，分級滾筒篩的設計大大提高了分離效率。

李海等[26]首先建立了半夏收獲機滾筒篩三維模型，利用ADAMS軟件模擬分析滾筒篩在不同轉速和不同傾斜角度的影響下，所選取的滾筒篩上觀測點加速度的變化曲線來研究轉速、傾斜角對半夏收獲效果的影響，為選擇滾筒篩更合理的轉速和傾斜角度提供了一定的理論依據，如圖10。

圖10 錐形分離滾筒

該分離滾筒可有效地將寶塔菜與雜物分離開來，滾筒中的網孔不宜過大，避免寶塔菜遺漏，也不宜過小，防止將剝離開的菜葉遺留在滾筒中并與寶塔菜一起進入箱中。

通過查閱近年來根莖作物收獲機挖掘鏟、撥土輪、傳輸振動裝置及風機滾筒裝置等各關鍵部件研究的國內外文獻，可知各關鍵部件研究方法及解決方案的改進在一定程度上解決了根莖作物收獲機械效率低、損傷率高、成本高等一系列問題。現有的寶塔菜收獲機基本上能實現挖掘、收獲、分離和收集聯合作業，也基本實現了全自動機械化，節省了人力和物力，但現階段的寶塔菜收獲機最關鍵的裝置依然不夠成熟，存在損傷率高、摻雜率高、效率低、成本高等難以解決的問題，因此需通過借鑒已研究和發展比較成熟的其他根莖作物收獲機機械關鍵部件裝置結構方案設計、性能參數優化思路及理論依據，以此來指導寶塔菜收獲機機械的研究與發展。

3 結論

（1）通過查閱近年來根莖作物寶塔菜收獲機研究文獻資料，發現現有的寶塔菜收獲機仍存在損傷率高、摻雜率高，效率低等根本問題。

（2）通過分析可以得到根莖作物收獲機的研究方向如下：

①挖掘鏟：果實的損傷率要低、果實挖離土壤率要高，所以應在挖掘鏟的形狀，排列以及入土角度和深度等方向進行研究。

②撥土輪：撥土輪是挖掘鏟的輔助機械，在解決碎土和處理壅土問題上起主要作用，而雙向螺旋式撥土輪有良好的效果，在此基礎上進行改進效果更好。

③振動篩：首先不能損傷果實表面，還要起到分離雜質和運輸的作用，可以在振動方式（上下式、左右式、上下左右復合式等）和篩網形狀（網格大小、整體體積、傾斜角度等）等方面進行改進。

④滾筒：滾筒的工作需要加入風機的配合，且滾筒的形狀可以是多種多樣的，比如直筒式、錐形、兩邊大中間小、兩邊小中間大等，對此需要建立最優化模型，選擇效率最高的滾筒形狀。