根莖類(lèi)作物采收裝置的研究現(xiàn)狀*

李 桂 ， 谷潤(rùn)潤(rùn) ， 吳業(yè)北

（新疆理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，新疆 阿克蘇 843000）

通信作者：吳業(yè)北（1988—），男，山東泰安人，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。我國(guó)作為種植根莖類(lèi)作物的大國(guó)，根莖類(lèi)作物種植區(qū)域廣泛。目前，根莖類(lèi)作物包括薯類(lèi)、花生、山藥及各類(lèi)藥材等[1]。薯類(lèi)包括甘薯和馬鈴薯，二者主要分布在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，其中四川產(chǎn)量位居前列[2]。花生的產(chǎn)量與含油率都很高，且對(duì)土地要求不高，所以在全國(guó)各地都有種植。我國(guó)種植的根莖類(lèi)藥材有100多種，有些既可以食用又可以醫(yī)用，如黃連、人參、板藍(lán)根、肉蓯蓉等是不可或缺的藥用原料[3]。根部作為根莖類(lèi)作物經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的部分，不僅可以貯存并合成各類(lèi)有機(jī)物質(zhì)，還可以為作物的生長(zhǎng)提供所必需的營(yíng)養(yǎng)[4]。馬鈴薯類(lèi)的作物有著很高的淀粉含量，可以滿足人類(lèi)對(duì)食物的需求，有些作物還具有一定的醫(yī)療效果，可以促進(jìn)醫(yī)藥學(xué)的研究。例如，在2020年抗擊新冠疫情的初期，部分中藥材就起到了十分重要的作用[5]。根莖類(lèi)作物的食用部分通常為作物的根或者莖，而植物的根莖又都生長(zhǎng)扎根于土中，所以如何高效采摘根莖類(lèi)作物是農(nóng)作物采收的重要課題。傳統(tǒng)的人工刨土采收方式不僅成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且很難滿足市場(chǎng)對(duì)根莖類(lèi)作物產(chǎn)品的高質(zhì)量需求。故而需要不斷實(shí)踐以促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，這既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇[6]。

1 根莖類(lèi)作物采收方式

目前，我國(guó)根莖類(lèi)作物的采收方式主要為機(jī)械采收、人工采收和人工機(jī)械結(jié)合采收。如馬鈴薯主要采用機(jī)械采收的方式，但一些偏遠(yuǎn)的山區(qū)和農(nóng)村地區(qū)因種植面積較小且受交通、地形因素的制約，仍然采用人工采收的方式。況且，我國(guó)多高山和丘陵地形，有些地區(qū)不適合大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)[7]。

1.1 傳統(tǒng)采收方式

根莖類(lèi)作物的傳統(tǒng)采收方式就是采用人工刨土，十分耗時(shí)耗力。比如，在馬鈴薯、紅薯、山藥等采摘時(shí)，由于根莖深埋土中，采收就存在較大難度。山藥的根莖是直立生長(zhǎng)在土中，有的長(zhǎng)達(dá)1 m左右，傳統(tǒng)的采收方式需要在土里挖掘深溝，并且不能折斷山藥的根莖，導(dǎo)致了許多根莖類(lèi)的藥材綜合成本極高[8]。因此，手工采摘根莖類(lèi)作物不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，且效率低下。

1.2 機(jī)械采收方式

根莖類(lèi)藥材作物的采收部分實(shí)現(xiàn)了半機(jī)械化，機(jī)器負(fù)責(zé)挖掘，人工進(jìn)行藥材和土壤分離的操作。山藥的采收采用機(jī)械采挖和人工采挖相結(jié)合的方式，人工采挖雖然勞動(dòng)力大、效率低，但是可以更好地保證山藥的完整性和品質(zhì)；機(jī)械采挖雖然勞動(dòng)力小、效率高，但是機(jī)械采挖很容易破壞山藥的完整性。所以目前山藥收獲多采用機(jī)械開(kāi)溝和人工采挖相結(jié)合的方式，不僅可以提高效率，也能保證山藥的品質(zhì)和完整性。

2 根莖類(lèi)作物采收機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 短根莖類(lèi)作物采收機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)在社會(huì)主義改造時(shí)期就開(kāi)始學(xué)習(xí)歐美等西方國(guó)家的先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的根莖類(lèi)作物收獲機(jī)，對(duì)馬鈴薯、花生、紅薯等一些常見(jiàn)的根莖類(lèi)作物實(shí)行機(jī)械化采收[9]。馬鈴薯挖掘機(jī)的引進(jìn)、研制較早，1960年，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)部門(mén)引進(jìn)了西德VR-2、波蘭RCE-2、英國(guó)Johson和蘇聯(lián)KTH-2型馬鈴薯挖掘機(jī)等。在對(duì)機(jī)械的性能進(jìn)行測(cè)試、技術(shù)吸收后，結(jié)合國(guó)內(nèi)馬鈴薯種植的現(xiàn)狀研制了適合我國(guó)發(fā)展的馬鈴薯收獲機(jī)，但是由于技術(shù)條件的限制，馬鈴薯收獲機(jī)的研發(fā)工作一直比較緩慢[10]。隨著我國(guó)馬鈴薯種植面積的不斷擴(kuò)大，國(guó)產(chǎn)的小型馬鈴薯收獲機(jī)也開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，馬鈴薯機(jī)械制造企業(yè)迅速崛起并高速發(fā)展，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。結(jié)合前期對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)技術(shù)的研發(fā)工作，我國(guó)馬鈴薯機(jī)械制造企業(yè)成功研制出多款技術(shù)成熟、性能可靠、功能完善的馬鈴薯收獲機(jī)[11]。

中機(jī)美諾科技股份有限公司研發(fā)的1710A型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)可以一次性完成挖掘、分離運(yùn)輸、除秧、側(cè)輸出作業(yè)，具有收凈率高、破損率低、成本回收快等特性[12]；青島洪珠農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司與青島農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的洪珠4U-170大型馬鈴薯收獲機(jī)可以實(shí)現(xiàn)薯秧分離、薯土分離、薯塊集條鋪放作業(yè)，具有明薯率高、傷薯和破皮率低等突出特性，此機(jī)器被廣泛用于大面積短根莖類(lèi)作物種植區(qū)域[13]；山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司和山東理工大學(xué)研發(fā)的希森天成4ULZ-170型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)為牽引式，需要拖拉機(jī)牽引聯(lián)合收獲，挖掘后的薯土通過(guò)輸送網(wǎng)篩進(jìn)行薯土分離和薯塊輸送，在薯塊輸送的過(guò)程中進(jìn)行薯秧分離，薯土、薯秧分離后的干凈馬鈴薯進(jìn)入集薯輸送裝置，通過(guò)集薯輸送裝置將干凈的馬鈴薯輸送至運(yùn)輸車(chē)中，然后運(yùn)輸車(chē)將收獲后的馬鈴薯轉(zhuǎn)運(yùn)回廠[14]。該馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)能實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的挖掘、薯土分離、薯秧分離、集中收集輸送等作業(yè)。

2.2 長(zhǎng)根莖類(lèi)作物采收機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

以往我國(guó)長(zhǎng)根莖類(lèi)作物的收獲工作大部分采用傳統(tǒng)的人工刨土、手工分離、人工拾取等方式，目前采用挖掘、抖動(dòng)、傳送、收集等鏟鏈結(jié)合的機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)。先采用框式、鏵式等入土機(jī)構(gòu)，將土松動(dòng)，然后進(jìn)行人工分離和拾取[15]，再采用震動(dòng)鏟、叉齒去挖掘、抖動(dòng)，最后傳送到地面。該方式直接實(shí)現(xiàn)了作物和泥土的挖掘、分離、傳送、收集等一體化的機(jī)械工作[16]，一定程度上提高了人工拾取的效率。

賈素梅等[17]共同研發(fā)的4GJ-880型根莖類(lèi)藥材作物收獲機(jī)，收獲效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作；甘肅省渭源縣農(nóng)機(jī)推廣站研發(fā)并投入使用的4YW-160型根莖類(lèi)藥材挖掘機(jī)可以完成簡(jiǎn)單的挖掘工作，并在進(jìn)行挖掘分離和收獲工作部分做了進(jìn)一步的改進(jìn)[18]。4YW-160型的根莖類(lèi)藥材挖掘機(jī)由高級(jí)工程師周振華主持的研發(fā)小組進(jìn)行了多年的研究改進(jìn)，現(xiàn)已達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，并在全國(guó)進(jìn)行了大規(guī)模推廣[19]。

2.3 根莖類(lèi)藥材采收裝置發(fā)展現(xiàn)狀

根莖類(lèi)藥材收獲機(jī)的研究是從1990年開(kāi)始的，國(guó)內(nèi)相關(guān)的農(nóng)機(jī)科研單位、學(xué)者和企業(yè)所研制、生產(chǎn)和銷(xiāo)售的根莖類(lèi)藥材收獲機(jī)樣式眾多，但是按照藥土分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行劃分，主要分為桿條式升運(yùn)篩式、振動(dòng)帶式和振動(dòng)篩式三大類(lèi)根莖類(lèi)藥材挖掘機(jī)。

陳威等[20]研制了一臺(tái)自走式太子參聯(lián)合收獲機(jī)，針對(duì)挖掘鏟和振動(dòng)篩進(jìn)行試驗(yàn)研究，采凈率高達(dá)90%，而破損率控制在10%以內(nèi)，可用于丘陵山區(qū)太子參收獲作業(yè)；何曉芬等[21]研究設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型折耳根收獲機(jī)，針對(duì)挖掘鏟和輸送分離裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以適用于我國(guó)西南山區(qū)、丘陵地區(qū)等小面積土地的折耳根收獲；張文杰等[22]針對(duì)西北地區(qū)研究設(shè)計(jì)了一臺(tái)4Y-1200型藥材收獲機(jī)，可適用于黃芪、紅芪、黨參、甘草等深根莖類(lèi)藥材的收獲；謝新亞[23]研究設(shè)計(jì)了一種適合新疆地區(qū)甘草種植模式的甘草收獲機(jī)，可一次性完成甘草的挖掘、輸送、分離、鋪地等作業(yè)；崔振猛等[24]研發(fā)了4SD-1700型懸掛式三七藥材收獲機(jī)，以用于三七的采摘收獲工作。

3 根莖類(lèi)作物采收裝置存在的主要問(wèn)題

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，我國(guó)根莖類(lèi)收獲機(jī)得到了迅速發(fā)展，但是根莖類(lèi)收獲機(jī)在應(yīng)用過(guò)程中仍存在諸多技術(shù)和使用問(wèn)題，制約了我國(guó)根莖類(lèi)作物采收工作質(zhì)量的提升，阻礙了先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的指引和改善作用，也直接影響了我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)農(nóng)村的發(fā)展。

3.1 機(jī)械化智能水平低

根莖類(lèi)作物收獲機(jī)的機(jī)械化智能水平低，缺少智能設(shè)備的結(jié)合。根莖類(lèi)作物收獲機(jī)在工作時(shí)，其根莖和泥土分離機(jī)構(gòu)的振動(dòng)頻率會(huì)對(duì)根莖泥土的分離率和根莖的損傷率產(chǎn)生較大影響。如果振動(dòng)頻率過(guò)高，會(huì)對(duì)根莖造成過(guò)度損傷；如果振動(dòng)頻率太低，又會(huì)使根莖和泥土難以分離。因此，根莖類(lèi)作物收獲機(jī)需要結(jié)合一種可以根據(jù)土壤的堅(jiān)硬度、濕度、挖溝的深度等因素變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率的智能化輔助設(shè)備。此外，由于我國(guó)根莖類(lèi)收獲機(jī)種類(lèi)多、機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化水平低等因素，進(jìn)一步加大了數(shù)字化智能技術(shù)和收獲機(jī)械設(shè)備有效融合的難度[25-26]。

3.2 功能單一

根莖類(lèi)作物收獲機(jī)的功能單一，難以滿足根莖類(lèi)收獲機(jī)的應(yīng)用技術(shù)需求，導(dǎo)致每年需要投入大量的人工成本到根莖類(lèi)藥材的采收中。部分根莖類(lèi)草藥收獲機(jī)僅有挖掘功能，沒(méi)有配套的藥土分離裝置和藥材傳輸運(yùn)輸裝置，藥土分離結(jié)構(gòu)有待完善，而僅有的根莖類(lèi)多功能機(jī)械又存在藥土分離不徹底、不干凈、藥材損傷大等問(wèn)題。根莖類(lèi)作物收獲機(jī)在設(shè)計(jì)和制造上存在缺陷，機(jī)械工作的可靠性較低，經(jīng)常出現(xiàn)技術(shù)故障，而需要的調(diào)修時(shí)間又過(guò)長(zhǎng)，直接導(dǎo)致了工作效率低下。同時(shí)，根莖類(lèi)作物收獲機(jī)在收獲時(shí)如果挖溝深度不夠，則會(huì)出現(xiàn)油耗高、動(dòng)力消耗大、牽引阻力大等問(wèn)題[27]。此外，我國(guó)在根莖類(lèi)作物收獲機(jī)技術(shù)中，缺乏機(jī)械聯(lián)動(dòng)關(guān)系等知識(shí)的研究，只能通過(guò)多年積累的工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行改善，很難提升機(jī)械技術(shù)的應(yīng)用水平[28]。

4 未來(lái)展望

我國(guó)的根莖類(lèi)作物機(jī)械收獲技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，還需要相關(guān)農(nóng)業(yè)部門(mén)的重視，鼓勵(lì)機(jī)械創(chuàng)新，大力發(fā)揮農(nóng)業(yè)機(jī)械化的作用，加大對(duì)根莖類(lèi)作物收獲機(jī)的研制投入力度，妥善解決根莖類(lèi)作物收獲過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題，最大程度提升根莖類(lèi)作物在農(nóng)村、藥材市場(chǎng)的價(jià)值效益，并且加強(qiáng)根莖類(lèi)加工業(yè)、藥品制造業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，引導(dǎo)更多人才加入，特別是鼓勵(lì)大學(xué)生積極從事機(jī)械制造業(yè)，大力發(fā)展機(jī)械創(chuàng)新等。

4.1 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合

我國(guó)不同地區(qū)的土壤條件與氣候環(huán)境差異較大，各個(gè)地區(qū)對(duì)根莖類(lèi)作物的種植習(xí)慣也不相同，播種、種植方式也不一樣，導(dǎo)致了同一根莖類(lèi)作物收獲機(jī)很難對(duì)不同地區(qū)的作物進(jìn)行統(tǒng)一采收。所以農(nóng)業(yè)部門(mén)應(yīng)該對(duì)各類(lèi)根莖類(lèi)作物的種植方式制定統(tǒng)一的要求，方便收獲機(jī)在采收作業(yè)時(shí)減少對(duì)根莖的損傷，保證根莖類(lèi)作物的收獲質(zhì)量，降低機(jī)械使用成本，提高農(nóng)村整體經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 加強(qiáng)機(jī)械技術(shù)研發(fā)

大部分根莖類(lèi)藥材收獲機(jī)的分離裝置不夠完善，相關(guān)部門(mén)需要引進(jìn)歐美等西方國(guó)家的先進(jìn)機(jī)械設(shè)備，研究改進(jìn)出不僅可以對(duì)根莖類(lèi)作物進(jìn)行挖掘工作，還可以對(duì)其進(jìn)行作物分離、選擇和處理等的優(yōu)質(zhì)收獲機(jī)，將機(jī)械信息化、自動(dòng)化、電氣化等先進(jìn)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)功能一體化，增強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的使用能力。

4.3 提高機(jī)械可靠性，延長(zhǎng)使用壽命

目前，我國(guó)根莖類(lèi)機(jī)械的可靠性較低，工作時(shí)常出現(xiàn)問(wèn)題，且使用質(zhì)量不高。由此，我們可以使用先進(jìn)的材料加工工藝對(duì)機(jī)械的材料和零部件進(jìn)行改進(jìn)，延長(zhǎng)收獲機(jī)的使用壽命，從而更好地減少投入成本。

4.4 加大資金投入和扶持力度

政府應(yīng)加大對(duì)根莖類(lèi)作物收獲機(jī)械的扶持力度，重視根莖類(lèi)作物機(jī)械設(shè)備的研發(fā)工作，提供良好的政策環(huán)境，起到調(diào)節(jié)市場(chǎng)的作用，并鼓勵(lì)大學(xué)生等科研人才投入機(jī)械設(shè)備的研發(fā)與改進(jìn)工作中，鼓勵(lì)企業(yè)自主創(chuàng)新，提高各企業(yè)的研發(fā)能力，支持研究單位、高校與企業(yè)合作，提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。