馬鈴薯收獲機研究現(xiàn)狀及貴州馬鈴薯收獲機械化發(fā)展對策*

丁尚勇，林蜀云，周訓(xùn)謙，付 梅，劉春波，齊興源

（1.貴州益眾興業(yè)實業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550001；2.貴州省山地農(nóng)業(yè)機械研究所，貴州 貴陽 550001；3.畢節(jié)農(nóng)業(yè)機械研究所，貴州 畢節(jié) 551799；4.貴州省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，貴州 貴陽 550001）

馬鈴薯種植歷史已經(jīng)近500年，而中國在明朝外來傳入后開始種植，發(fā)展到現(xiàn)在，南北方均有大面積種植。西南地區(qū)（四川、重慶、云南、貴州）以丘陵山地為主，垂直氣候差異明顯，雨水豐富，適合馬鈴薯生長。據(jù)統(tǒng)計，西南地區(qū)馬鈴薯總種植面積約228萬公頃，其中，貴州馬鈴薯種植面積更是居全國前列，約為80萬公頃。貴州現(xiàn)有馬鈴薯種植及加工企業(yè)450家（注冊資金100萬以上），主要進行馬鈴薯種植和粗加工。貴州不僅種植面積巨大，也是較大的馬鈴薯消費市場，馬鈴薯作為蔬菜或主食在貴州人餐桌上全年可見，可見貴州的市場巨大，具備完整的產(chǎn)銷鏈。但是，馬鈴薯發(fā)展核心問題之一種植機械化一直沒有得到有效解決。

1 馬鈴薯收獲機研究歷程及現(xiàn)狀

經(jīng)歷數(shù)百年的馬鈴薯種植，均是人工種植和采收，早期主要采用傳統(tǒng)犁挖掘，效率低。到了20世紀(jì)40年代，二戰(zhàn)結(jié)束以后，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，為了實現(xiàn)馬鈴薯的規(guī)模化種植和收獲，以蘇聯(lián)和美國為代表的國家開始研制和應(yīng)用馬鈴薯收獲機[1]，在種植條件和品種上進行適配和研究。20世紀(jì)50年代初，馬鈴薯收獲機械化趨于成熟，歐洲的德國、比利時等和亞洲的日本、韓國也開始引進和研發(fā)相關(guān)技術(shù)[2]。20世紀(jì)60年代，美國和蘇聯(lián)等國家開始推廣應(yīng)用馬鈴薯聯(lián)合收獲機。到20世紀(jì)80年代末，美國等西方國家基本實現(xiàn)馬鈴薯機械化收獲[3]。相比之下，我國的馬鈴薯收獲機械發(fā)展較晚，開始于20世紀(jì)60年代[4]，整體來講，馬鈴薯收獲機的發(fā)展分為兩個大類，挖掘鏟式馬鈴薯收獲機和馬鈴薯聯(lián)合收獲機。

1.1 挖掘鏟式收獲機研究現(xiàn)狀

分段式馬鈴薯收獲主要分為挖掘、分離及輸送、鋪放、撿拾四個環(huán)節(jié)[3]，其中挖掘鏟式的馬鈴薯收獲機主要應(yīng)用于分段收獲，完成挖掘、分離及輸送、鋪放三個環(huán)節(jié)工作，也是目前國內(nèi)使用最為廣泛的馬鈴薯收獲機具，國內(nèi)青島紅珠、中機美諾等公司均有開發(fā)同類型的馬鈴薯收獲機，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)等大學(xué)科研院所都開展了馬鈴薯收獲機技術(shù)的研發(fā)，主要圍繞挖掘部件、輸送分離裝置進行研究改進。

挖掘部件主要為挖掘鏟和輔助挖掘機構(gòu)，挖掘鏟的研究20世紀(jì)70年代到80年代就已經(jīng)開始，挖掘鏟的研究主要圍繞以下兩方面。

1）挖掘鏟結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及設(shè)計，最早針對挖掘鏟的研究文章在1981年發(fā)表，齊忠蓮在文中針對挖掘部件的結(jié)構(gòu)、分類、存在的問題進行了詳細(xì)分析[5]。1999年，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)趙滿全等針對馬鈴薯的挖掘鏟進行了詳細(xì)設(shè)計[6]。2000年以后，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等的大量學(xué)者開始了大量馬鈴薯挖掘部件的設(shè)計和優(yōu)化，并開始采用計算機模擬技術(shù)，其中，呂金慶等針對挖掘鏟的長度、傾斜角度提出了相關(guān)設(shè)計理論公式[7]，并應(yīng)用于實際生產(chǎn)制造中，賈晶霞、張東興等通過馬鈴薯挖掘鏟的參數(shù)模擬及優(yōu)化得到最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，避免試驗受到土壤、氣候等干擾因素的影響[8]。文學(xué)洙等進行了振動式挖掘機的設(shè)計，對挖掘鏟的運動方程進行了推導(dǎo)和分析，并對其影響其作業(yè)性能的參數(shù)進行了研究[9]。2010年前后，隨著計算機技術(shù)的進步，有限元分析、虛擬樣機技術(shù)等先進設(shè)計分析手段開始應(yīng)用在馬鈴薯收獲機上，進一步針對馬鈴薯的阻力、應(yīng)力情況進行分析，其中，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)吳海平等對挖掘鏟的阻力狀況圍繞挖掘深度、挖掘角度、作業(yè)速度進行了分析[10]，得出深度是影響挖掘阻力的關(guān)鍵參數(shù)，黑龍江農(nóng)墾科學(xué)院楊柏松等采用CATIA[11]對挖掘鏟的受力情況進行了有限元分析及強度校核。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)張瑞等對馬鈴薯挖掘鏟結(jié)構(gòu)進行分析和研究，得出三角平面挖掘鏟動力性能好，柵條挖掘鏟有助于薯土分離[12-13]。之后提出復(fù)合型挖掘鏟，前端為三角平面，后端采用柵條結(jié)構(gòu)，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)鄧偉剛等對馬鈴薯挖掘鏟工作力進行了仿真分析。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)趙帥等[3]、西華大學(xué)廖敏等通過振動挖掘鏟來提高切削土壤挖掘降低阻力。近年來，部分學(xué)者進一步對仿生挖掘鏟的設(shè)計進行研究，圍繞仿生挖掘鏟原理、參數(shù)及仿真進行了研究，其中，吉林大學(xué)包健倫利用仿生原理以兔門牙為原型對挖掘鏟的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[14-15]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)黃積佰等進行土壤擾動行為離散元仿真分析[16]，并通過試驗分析了土壤運動速度與挖掘鏟距離的關(guān)系。國內(nèi)學(xué)者對挖掘部件進行了大量的研究，隨技術(shù)的進步呈明顯的階段性，對于改進馬鈴薯挖掘鏟具有較高研究價值。

2）輸送分離裝置的研究和優(yōu)化，輸送分離裝置目前以柵條式振動輸送裝置為主，也最為廣泛。薯土分離裝置的研究基本與馬鈴薯收獲機和挖掘鏟的研究是同時開始的，但是，能夠查閱到的文獻基本都是2000年以后的，圍繞輸送裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析和優(yōu)化。其中，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)的張建等圍繞馬鈴薯輸送采用ADMAS對抖動分離裝置進行了仿真分析[17]，并對輸送分離部件進行了參數(shù)優(yōu)化。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的呂金慶等、黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)的趙勝雪等針對黏重土壤的分離輸送裝置進行了設(shè)計和優(yōu)化[18-19]，通過試驗，效果良好。山東理工大學(xué)魏忠彩等完成了離散元的波浪篩面參數(shù)仿真及優(yōu)化[20]。除此以外，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)機械化研究所等都進行過相關(guān)研究[21-22]。但是，目前輸送分離裝置結(jié)構(gòu)還相對獨特，對于丘陵山區(qū)應(yīng)用效果并不是很好。

1.2 聯(lián)合收獲機研究現(xiàn)狀

國外在馬鈴薯聯(lián)合收獲機方面20世紀(jì)70年代就趨于成熟，蘇聯(lián)、美國均有相關(guān)的馬鈴薯收獲機，對比之下，國內(nèi)遠(yuǎn)落后于國外，研究機型還主要集中在小型馬鈴薯聯(lián)合收獲機，或者牽引式聯(lián)合收獲機，無論是收獲效果還是應(yīng)用范圍都還存在較大的局限性。國內(nèi)開展相關(guān)研究的學(xué)者也是極少，可檢索的最早相關(guān)研究是1975年黑龍江大興安齡地區(qū)農(nóng)機研究所李明光等據(jù)蘇聯(lián)生產(chǎn)或同類仿制的馬鈴薯收獲機的試驗情況[23]。2000年以后，2004年，江蘇射陽縣農(nóng)機化推廣站周良墉對中國農(nóng)機院設(shè)計的兩種新型馬鈴薯聯(lián)合收獲機進行了試驗[24]，2006年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)賈晶霞等對馬鈴薯聯(lián)合收獲機的輸送臂采用ADAMS-Matlab進行了聯(lián)合仿真[8]。之后，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)、佳木斯大學(xué)等高校及科研院所圍繞馬鈴薯聯(lián)合收獲機對輸送裝置、莖葉清理裝置等進行了模態(tài)、應(yīng)力有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。同時，中機美諾等企業(yè)開始有同類產(chǎn)品面向市場。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、山東理工大學(xué)等機構(gòu)學(xué)者圍繞一種多段分離的馬鈴薯聯(lián)合收獲機開展了設(shè)計和研究[25]，針對搖擺架、挖掘機構(gòu)、車身調(diào)平系統(tǒng)等機構(gòu)進行設(shè)計、分析及優(yōu)化，整機集成了碰撞檢測技術(shù)，實現(xiàn)了馬鈴薯聯(lián)合收獲機多段分離。同時，重慶農(nóng)業(yè)機械研究所、西南大學(xué)、昆明理工大學(xué)等機構(gòu)學(xué)者設(shè)計了一種針對黏重土壤的小型馬鈴薯收獲機[26]，其采用履帶式行走底盤和三級輸送裝置，同時，南京農(nóng)業(yè)機械化研究所對設(shè)計的小型自走式薯類聯(lián)合收獲機開展了應(yīng)用及試驗[27]。目前，馬鈴薯聯(lián)合收獲機以牽引式為主，自走式相對較少，鑒于目前丘陵山區(qū)的作業(yè)條件，可使用機具依舊極少，馬鈴薯采收問題依舊普遍存在。

2 貴州馬鈴薯收獲機械化現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 貴州地區(qū)馬鈴薯機械化現(xiàn)狀

貴州作為西南丘陵山區(qū)，全省丘陵山區(qū)面積達(dá)到92.5%，同時全省土壤以黃壤、黃棕壤為主，土壤黏重、地塊小等自然條件限制比較明顯，對農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展影響極大。2016—2020年馬鈴薯機械化相關(guān)數(shù)據(jù)如圖1所示。基本的綜合機械化率為17.81%、20.07%、26.04%、29.22%、32.82%，雖然逐年上升，但是其中占比較大的為機耕率，而機械化播種率不足2%，機械化收獲率分別為3.13%、10.71%、7.33%、8.16%、7.81%，基本沒有明顯增長，整體機械化率不足8%，遠(yuǎn)低于國家平均水平。機具方面，無論是播種還是收獲，在使用種類和規(guī)模方面均極為有限。以馬鈴薯收獲機具為例，主要為青島洪珠的4U-90或衍生改進型這類小型馬鈴薯收獲機，采收幅寬超過2 m的中大型機具受限于拖拉機動力、自然條件等多種因素，極少大面積使用。而貴州由于土壤的黏重過篩時間過短，小型機具在使用效果、作業(yè)效率上又存在明顯不足。

圖1 2016—2020年馬鈴薯機械化相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2 存在的問題

根據(jù)上述分析，不難發(fā)現(xiàn)，貴州馬鈴薯機械化發(fā)展存在的問題隨著經(jīng)濟發(fā)展暴露越加明顯，結(jié)合國內(nèi)對馬鈴薯收獲機的研究現(xiàn)狀進行分析。

2.2.1 貴州農(nóng)機裝備研發(fā)、生產(chǎn)能力弱

目前，貴州省內(nèi)使用的馬鈴薯收獲機具均為山東、河南、江蘇等的廠家生產(chǎn)的，貴州省內(nèi)主要是畢節(jié)市農(nóng)業(yè)機械研究所、貴州省山地農(nóng)業(yè)機械研究所開展了馬鈴薯收獲機具的相關(guān)研究，而貴州省內(nèi)具備農(nóng)機生產(chǎn)和研發(fā)能力的企業(yè)小于10家。所以馬鈴薯收獲機具的迭代改進速度極受限制，尤其是針對貴州地區(qū)作業(yè)條件，對比近10年在貴州推廣應(yīng)用的馬鈴薯收獲機具不難發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)、使用效果等方面均沒有明顯提升和改善。

2.2.2 針對黏重土壤的收獲機具研究極少

目前，開展針對黏性土壤馬鈴薯收獲的研究較少，僅昆明理工大學(xué)、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)等少量大學(xué)及科研院所進行了一些研究，且應(yīng)用于實際中的產(chǎn)品極少，并且主要圍繞機具結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，提升效果有限。同時缺乏原理創(chuàng)新，多為例如黏重土壤狀態(tài)下的篩分方法及效果的研究。

2.2.3 農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施落后，種植農(nóng)藝參數(shù)不統(tǒng)一

如前所述，全省丘陵山區(qū)面積達(dá)到92.5%，耕地以非規(guī)則地塊、小型地塊（不足2畝）為主，種植農(nóng)藝參數(shù)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致機具配套選型難。主要暴露在：1）地域不同、品種不同、種植主體不同都存在不同的種植農(nóng)藝參數(shù)差別，限制了機具的推廣應(yīng)用；2）機具選型環(huán)節(jié)配套銜接方面，存在收獲、播種機具、拖拉機動力不配套等問題；3）基礎(chǔ)相對較好的農(nóng)田在前期建設(shè)過程中未設(shè)置下田口，導(dǎo)致機具作業(yè)前期準(zhǔn)備工作時長較長。

3 貴州等丘陵山區(qū)馬鈴薯收獲機發(fā)展對策

3.1 加強黏性土壤的薯土分離清選理論

雖然在早期學(xué)者對馬鈴薯收獲機具的基礎(chǔ)原理進行了深入的研究，對馬鈴薯的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，2000年過后，也有很多學(xué)者結(jié)合先進有限元分析算法及軟件，對結(jié)構(gòu)及動力學(xué)載荷進行了分析，但是針對西南地區(qū)的黏重土壤，振動分離效果提升相對有限，解決貴州馬鈴薯機械化收獲問題的關(guān)鍵在于對黏重土壤的研究，加強原理創(chuàng)新和理論研究是必要的。

3.2 研發(fā)適用于山地的小型自走式馬鈴薯收獲機

山地本身作業(yè)條件限制頗多，如果采用牽引式聯(lián)合收獲機則體積大，如果采用小型馬鈴薯收獲機則作業(yè)效果較差。為了提升分離效果，顯然分離時間應(yīng)更長、分篩機構(gòu)尺寸應(yīng)更大。為了保證整機的緊湊性，采用小型自走式是解決山地馬鈴薯機械化收獲問題的一個方法，雖然降低了整機的通用性，但是保證了整機體積和作業(yè)效果，近年來，也有部分大學(xué)及科研院所開始進行相關(guān)研究。

3.3 研究基于仿生學(xué)的挖掘鏟

自然界中某些動物長期生活在土壤環(huán)境中，已進化出能適應(yīng)不同土壤環(huán)境的活動方式，逐步形成了優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的力學(xué)功能。而目前，馬鈴薯收獲機大量功率消耗在挖掘過程中[28]，優(yōu)良的仿生性能對于提高整機的作業(yè)效果意義重大，需要長期深入地研究[29]。

4 結(jié)語

馬鈴薯機械化收獲已經(jīng)有數(shù)十年的研究，國內(nèi)外學(xué)者針對馬鈴薯收獲機的設(shè)計理論也提出了相對較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)。但是，針對西南地區(qū)，尤其貴州高黏性土壤下的馬鈴薯或其他塊莖類作物收獲的研究并不多，今后，針對黏重土壤的馬鈴薯收獲技術(shù)應(yīng)以薯土分離效果好、損傷率低為目標(biāo)，使馬鈴薯機能夠更加廣泛地應(yīng)用在貴州山地作業(yè)的實際生產(chǎn)中。