西南丘陵山區馬鈴薯機械化收獲技術與裝備研究進展

余小蘭，林蜀云，王太航，費 孟

（1.貴州省農業機械技術推廣總站，貴州貴陽 550003；2.貴州省山地農業機械研究所，貴州貴陽 550002；3.貴陽市農業機械有限公司，貴州貴陽 550003）

馬鈴薯是我國第四大糧食作物，我國2022年的馬鈴薯種植面積高達475.81萬hm2，產量約1.8億t。馬鈴薯有四大種植區，即北方一季作區、西南混作區、中原二季作區和南方冬作區[1]，其中西南混作區主要指云貴川渝、西藏以及湖南和湖北的部分地區，而貴州的威寧被稱為“中國馬鈴薯之鄉”。然而，在西南山區，由于地塊面積小，坡度大，路面崎嶇，同時土壤板結、黏重等原因。目前，大多數區域采用人工挖掘、分段收獲，作業量大，收獲技術、設備落后，適合山地作業的收獲機發展明顯落后，急需研制適合于我國山地地區的馬鈴薯收獲機械。但由于我國農機行業的技術水平較低，大部分機械仍處于引進外國技術并對其進行改進提升的階段，與世界先進水平存在較大差距。文章重點介紹了馬鈴薯收獲機械的核心技術和國外的一些重要進展，并提出了今后的發展趨勢和發展方向。

1 馬鈴薯收獲機關鍵技術

1.1 挖掘鏟減阻挖掘技術

挖掘鏟減阻挖掘技術主要包括挖掘鏟減阻、減壅防堵技術，挖掘鏟分為三大類，即固定式挖掘鏟、驅動式挖掘鏟、組合式挖掘鏟。1）固定式挖掘鏟結構簡單，常見的有平面鏟、曲面鏟等。2）驅動式挖掘鏟是指挖掘鏟產生的動力驅動來進行旋轉或往復的運動，主要包括轉盤式和振動式挖掘鏟，其中振動式挖掘鏟應用相對廣泛，此類型的挖掘鏟的兩側安裝防纏繞裝置[2]，如青島洪珠4U-83 型、德州鴻友4UX-83型、青島璞盛4U-85 型等均采用此種類型的挖掘鏟。3）組合式挖掘鏟主要組成部分有挖掘鏟、限深和防纏繞的裝置等，組合式挖掘鏟常用在大型馬鈴薯聯合收獲機中，代表機型德國GRIMME VARITRON 470、比利時Dewulf Kwatro等[3]。

挖掘鏟基本要求為挖掘深度穩定，壅土不嚴重，以及減阻降耗。當下挖掘鏟挖掘技術的研究包括仿生學改進挖掘鏟、利用離散元法分析挖掘機理等方式來改進挖掘鏟。樊昱[4]利用離散元法來分析耦合機理，即挖掘鏟與土壤-塊莖-根系團聚體之間的耦合，同時利用野豬拱嘴的特征曲線創造性研制仿生挖掘鏟。石林榕等[5]的仿生挖掘鏟模型來源于螻蛄前足脛節爪趾的外輪廓。

1.2 自動對壟深度控制技術

對壟深度調控技術常見的有2 種，即自動對壟技術、挖掘深度自動調控技術。1）自動對壟技術是收獲機根據地形變化來自動調整機身以及挖掘裝置的位置，從而讓收獲機和薯壟盡量對齊，在一定程度上保證挖掘精度，在牽引式馬鈴薯聯合收獲機中較為常見。德國GRIMME 公司采用自動對壟技術，如圖1 所示，該裝置集成液壓-電控相關技術，機械探桿落入壟溝，同時利用傳感器來探測軌跡信息。2）挖掘深度自動調控技術是指根據地形變化，仿壟形、仿地形實時調節挖掘鏟挖掘深度，從而減少馬鈴薯漏收以及傷薯。德國GRIMME Terra 采用仿形挖掘深度控制技術，如圖2 所示，該裝置通過集成液壓、智能測控等技術，壟形壓力調節器來完成實時仿壟形、仿地形。

圖1 自動對壟技術

圖2 Terra深度控制技術

1.3 薯土分離輸送技術

薯土輸送分離技術主要有2 種，即聯合式薯土輸送分離技術、分段式薯土輸送分離技術。

1）聯合式薯土輸送分離技術在中大型馬鈴薯聯合收獲機中較為常見，該技術的輸送分離篩在3 級及以上，而且根據不同的機型在提升輸送段的差異可分為4 種，即垂直環繞式提升裝置、立式環形提升裝置、提升臂式提升裝置、斜置提升輸送裝置。垂直環繞式提升裝置在大型馬鈴薯聯合收獲機較為常見，例如Ploeger Oxbo AR-4BX 型、GRIMME VARITRON 270型、AVR Puma 4 型、ROPA Keiler-2 型等。立式環形提升裝置在中型馬鈴薯聯合收獲機較為常見，如日本東洋農機株式會社TPH-179 型、TPH-55 型等。提升臂式提升裝置在大中型馬鈴薯聯合收獲機較為常見，某種程度上是對分段式收獲的優化，如德國GRIMME GT 300 型、英國Standen-T2 型、意大利SPEDO-Senior 型、希森天成4ULZ-170 型、青島洪珠4U-90LH 型等。斜置提升輸送裝置在小型自走式馬鈴薯聯合收獲機中較為常見，一般經挖掘或經一級輸送分離裝置就輸送至提升輸送裝置，代表機型有韓國新興實業的SHI-1500 型馬鈴薯聯合收獲機、南京農機所4UZL-1 型自走式薯類聯合收獲機、意大利SPEDO-Junior 裝箱式聯合收獲機、西班牙Argiles HC-Arrastrada 型等。

2）分段式薯土輸送分離技術在牽引式分段馬鈴薯收獲機較為常見，輸送分離篩多數為一級或二級，常見機型有德國GRIMME WH 200 系列和WR 200 系列、英國ScanStone 公司Webber和Windrower 系列、希森天成的4UQ-165 型、青島洪珠4U-170B 型、德沃4UMF-180型等。

1.4 秧蔓分離技術

秧蔓分離技術主要包括3 種，即秧蔓打擊技術、對輥交錯除秧技術、彈性梳桿摘輥式薯秧分離技術。

秧蔓打擊技術由旋轉桿條、接觸銷等組成，但是該技術傷薯率高，并不常用。對輥交錯除秧技術由螺紋去秧輥和光輥等組成，代表機型有英國Standen 公司的T、QM 系列、英國ScanStone Windrower 型馬鈴薯收獲機。彈性梳桿摘輥式薯秧分離技術由摘秧輥、分離輸送裝置、彈性擋秧稈機構等組成，在牽引式分段馬鈴薯收獲機中較為常見。

1.5 集薯技術

集薯技術可大致分為2 種，即自適應高度集薯箱技術、自動提升臂輸送裝車集薯技術。1）自適應高度集薯箱技術為減少馬鈴薯的損傷，通過調整薯箱的高度和輸薯器高度，自動調節馬鈴薯自由下落高度，避免因下落產生的損傷代表機型有德國生產的GRIMME VARITRON 系列、比利時的Dewulf-R3060系列、AVR Spirit 和AVR Puma 系列。2）自動提升臂輸送裝車集薯技術利用超聲波傳感器等測距器件，液壓油缸調整提升臂的傾斜角度和落薯距離，國外采取該技術的典型機型有英國的Standen-T 和Standen-QM 系列、德國的GRIMMEGT 系列、美國的Lock wood-672、472Air、Double L7340、和973 等系列，國內有希森天成4ULZ-170、中機美諾1710B 及青島紅珠4U-90LH等。

2 國內外馬鈴薯收獲裝備

2.1 國外馬鈴薯收獲裝備

國外馬鈴薯收獲裝備主要由企業研發，當前發達國家的馬鈴薯收獲裝備公司開始合并，進一步帶動了機型與技術的快速發展。目前歐美國家馬鈴薯收獲呈現出全面機械化的面貌，以大型聯合機械化收獲為主要手段，“挖掘機+撿拾機”的分段收獲為次。先進馬鈴薯收獲機械創造性融入高新技術，例如利用光電傳感技術控制馬鈴薯喂入量和升運鏈轉速，采用氣壓光電等技術進行碎土、分離雜質及利用微機終端進行作業監控和操作等。高新技術的應用，不僅使馬鈴薯的收獲質量有所保障，同時收獲作業環境大大改善[6]。

目前自走式馬鈴薯聯合收獲機比較先進，其底盤輪式或履帶動力，體積大，主要裝置有除秧裝置、挖掘裝置、輸送分離裝置、除雜裝置等[7]。德國、比利時、美國、荷蘭等國的自走式馬鈴薯聯合收獲機最具代表性，德國最大的馬鈴薯全程機械化裝備公司GRIMME，代表機型有VARITRON 系列和VENTOR 系列，如圖3 所示，以GRIMME VARITRON 470 型馬鈴薯收獲機為例，其最小配套動力343 kW，搭載7 t 儲薯料斗，收獲4行，作業行距75～90 cm，配套人機交互設備，實現馬鈴薯收獲實時監控以及各收獲環節的可視化操作。比利時Dewulf 公司有R3060 系列、Kwatro、Kwatro Xtreme 等機型，如圖4 以Dewulf Kwatro 為例[7]，整個裝備大小約為14 m×4 m×4 m，配套動力373 kW，后輪轉向偏差最大可達60°，有利于減小轉彎半徑，使其整機可以靈活適用于轉向半徑受限的馬鈴薯種植地塊，搭載17.5 m3儲薯料斗，配備自動壓力控制APC、自動跟隨系統DAS 及Flexyclean 旁路清潔模塊等，能夠調控壟上壓力，增強薯土分離效果，減輕駕駛員的工作量[8]。

圖3 GRIMME VARITRON 470型

美國Advanced Farm Equipment（AFE）公司生產的Lenco 型自走式馬鈴薯聯合收獲機，如圖5 所示，可實現一次性收獲3、4或6行，配套動力261～336 kW，搭載大直徑葉扇輔助分離系統，提高了“薯-土-雜”混合物分離效果；采用四輪驅動和轉向系統，使得田間駕駛更加靈活，工作時駕駛艙可旋轉至輸送鏈方向，具備良好的物料流可視化效果；荷蘭Ploeger Oxbo公司的代表機型有AR-W 和AR-BX 等，如圖6 所示，以Ploeger AR-4BX 型自走式馬鈴薯聯合收獲機為例[3]，其配套動力為200～380 kW，可卸料斗14 t，通過靜液壓傳動，前后橋轉向，由自動底盤和分離器進行調平，小落差分區升運輸送和獨特的升降機構設計，降低了馬鈴薯輸送過程中的損傷[9]。

圖5 AFE Lenco型

圖6 Ploeger AR-4BX型

與歐美國家不同，亞洲國家研制的機型主要為中小型自走式馬鈴薯聯合收獲機，例如日本東洋農機株式會社的代表機型TPH-179 型、松山株式會社GZA651型、小喬工業株式會社HS700D-K型、韓國新興實業SHI-1500 型等。其中TPH-179 型自走式馬鈴薯聯合收獲機，如圖7 所示，其采用履帶行走底盤，整機全液壓驅動，配套動力為40.5 kW，進行單壟收獲，搭載人工分揀平臺，實現人工精細除雜分揀，輸送分離裝置為多級輸送，采取“升運鏈+立式環形”式[10]。韓國新興實業公司的代表機型為SHI-1500 型，如圖8 所示，采用輪式行走底盤，挖掘鏟挖掘后直接進入輸送分離提升裝置，輸送分離提升裝置上方安裝橡膠刮板式毛刷機構，一方面加強薯土分離效果，另一方面能夠起到提升馬鈴薯的作用，減少馬鈴薯回流。搭載人工分揀平臺，實現人工精細除雜分揀。

圖7 TPH-179型

圖8 SHI-1500型

自走式馬鈴薯聯合收獲機是在牽引式馬鈴薯收獲機和分段收獲機的基礎上發展形成的，許多馬鈴薯收獲技術借鑒于牽引式馬鈴薯收獲機和分段收獲機。下面介紹幾種具有代表性的機型：德國ROPA 公司Keiler-2 型牽引式馬鈴薯聯合收獲機[11]，如圖9 所示，其大小約11.8 m×3 m×3.99 m，牽引配套動力最低60 kW，收獲2 行，行距在75～90 cm，可卸緩沖料斗大小為8 t，該機型搭載獨立液壓驅動系統，可獨立控制各關鍵部件的運行速度，使得各部件運行速度與拖拉機動力輸出軸轉速無關，可實現各部件的無級變速，保持實際工況下最佳轉速，降低馬鈴薯傷薯率與破皮率。日本東洋農機株式會社TOP-1 型牽引式馬鈴薯聯合收獲機[12]，如圖10 所示，其大小約7.98 m×3 m×3.15 m，配套的動力最低59 kW，收獲為單壟，儲薯料斗約4 m3，整機重量約5.35 t，配備可調平動力底盤，可起到防側傾、防側翻作用，適用于丘陵山地馬鈴薯收獲。

圖9 ROPA Keiler-2型

德國GRIMME GT170 型提升臂式馬鈴薯聯合收獲機[13]，如圖11 所示，其長寬高約9.8 m×3.3 m×3.36 m，拖拉機牽引功率為60 kW，收獲行數2 行，整機重5.96 t，配置了自動深度調節裝置和壟脊減壓裝置等，無儲薯料斗，此類機型在工作過程中須同時配套馬鈴薯田間運輸車，使用液壓-機械驅動輸送提升臂直接裝車，隨著馬鈴人工撿拾工作量的減少，大大提高了作業效率，但雙機組作業，消耗功率大，對土地壓實較為嚴重。此外，許多國家因地制宜，在分段式馬鈴薯收獲機的基礎上，研發出搭載人工作業平臺的牽引裝箱式馬鈴薯聯合收獲機，如圖12 所示，以意大利SPEDO 公司Junior型裝箱式馬鈴薯聯合收獲機為例[14]，其長寬高約5.7 m×2.2 m×1.6 m，單壟收獲，收獲幅寬為85 cm，配套動力45 kW，整機重約0.97 t，其特點為使用兩級分離輸送機構，關鍵部件獨立液壓驅動，配備了人工分揀平臺和薯箱機構，結構緊湊簡單。

圖11 德國GRIMME GT170

圖12 意大利SPEDO-Junior

2.2 國內馬鈴薯收獲裝備

我國馬鈴薯收獲裝備的研制主力為各企業、高校和科研院所，只主攻馬鈴薯收獲的規?；髽I只有少數幾家，代表企業有希森天成、青島洪珠、中機美諾、黑龍江德沃、青島璞盛機械及德州鴻友機械等，目前各大企業主要致力于牽引提升臂式馬鈴薯聯合收獲機研發生產，已有部分成型產品，并開始在國內推廣。國內高校是馬鈴薯收獲機研發的主要陣地，主要集中于中國農業大學、東北農業大學、青島農業大學、甘肅農業大學、內蒙古農業大學、昆明理工大學等高校，對馬鈴薯收獲機各關鍵部件的基礎理論研究與優化研究較多，對新機型、新產品等方面的研發較少[15]?？傊壳拔覈R鈴薯機械化收獲處于初步探索聯合收獲階段，馬鈴薯收獲還沒有真正地完成全面機械化，尤其是在西南丘陵山區機械化收獲的程度還比較低下，總體上與外國先進的技術和裝備之間距離比較顯著[16]。

我國自主研發的自走式馬鈴薯聯合收獲機代表機型為農業農村部南京農業機械化研究所的4UZL-1 型，如圖13所示，初步田間試驗呈現的效果較好，底盤為履帶式，配套的動力大小為65 kW，單壟收獲，作業效率為0.16～0.32 hm2·h-1，搭載人工作業平臺，主要由駕駛室、挖掘裝置、限深裝置、一級輸送分離裝置、薯秧分離裝置、薯塊交接機構、刮板輸送提升裝置、橫向輸送分揀裝置、裝袋機構等組成，可完成挖掘、分離輸送、除雜除秧、集薯等聯合作業[17]。黑龍江心語機械公司研制的自走式馬鈴薯聯合收獲機，如圖14所示。

圖13 4UZL-1型馬鈴薯收獲機

我國的自帶料斗牽引式馬鈴薯聯合收獲機正處于研發試制階段，代表機型為黑龍江德沃4UML-180型、黑龍江心語機械和綏化恒豐機械4U-2-1710 等機型最具代表性。黑龍江德沃科技4UML-180 型如圖15 所示，可直接完成挖掘、分離、篩選、提升、卸料、裝車等功能，所需的人工顯著減少，收獲成本大大下降。該機型還采用新型分秧機構和多模式清薯機構，薯秧、薯土分離的效果顯著提高，整機機-電-液一體化協調操控，自動化程度高[18]。青島洪珠料斗牽引式馬鈴薯聯合收獲機如圖16所示，主要由限深裝置、挖掘裝置、輸送分離裝置、立式環形提升裝置、清選除雜裝置、儲薯料斗等組成，集機-電-液一體化操控，實現馬鈴薯聯合收獲，降低了勞動強度，提高了薯秧、薯土分離效果。

圖16 洪珠馬鈴薯聯合收獲機

我國市場上的提升臂牽引式馬鈴薯聯合收獲機技術與裝備較為成熟，代表機型有希森天成4ULZ-170型、中機美諾1710A/B 型、青島洪珠4U-90LH 型、禹城亞泰機械4UQL 系列以及綏化恒豐機械4U-2-1390型等，其特征為集成液壓-機械技術的提升輸送臂，能夠實現2～3級薯土分離和升運裝車等功能。如圖17所示，以希森天成4ULZ-170 型提升臂牽引式馬鈴薯聯合收獲機為例[19]，其長寬高約9.8 m×3.3 m×3.36 m，作業幅寬170 cm，雙壟收獲，最小配套動力88.2 kW，整機重約5.96 t，作業效率至少0.33 hm2·h-1，該機型可直接挖掘、薯土分離、除秧、馬鈴薯收集裝車等作業。高校的成果也比較顯著，代表機械有甘肅農業大學魏宏安等設計的4UFD-1400型[20]，如圖18所示，該機主要由仿形碎土及挖掘機構、薯土輸送分離機構、除秧機構、馬鈴薯分級機構、馬鈴薯裝袋機構等部分組成，其長寬高約4.83 m×2.02 m×2.06 m，配套牽引動力為44～58.8 kW，作業幅寬為140 cm，整機重約2.3 t，純工作時間生產率為0.3～0.5 hm2·h-1，可實現兩級薯土分離，一級莖稈分離，收獲后薯塊分為3 個等級，適用于中大型地塊，顯著降低了人工作業強度。

圖17 希森天成4ULZ-170型

圖18 甘肅農業大學4UFD-1400型

3 展望及建議

隨著馬鈴薯主糧化戰略的逐步推進，馬鈴薯機械化收獲迎來了新的發展機遇。西南丘陵地區地貌地勢復雜，土壤黏度大，馬鈴薯機械化收獲難度大，丘陵山區馬鈴薯機械化水平低于全國平均水平。因此，針對上述問題，提出以下4個建議。

1）加強西南丘陵山區農田的基礎建設，著重于農機農藝的結合。丘陵山區農田的改造主要將小塊農田平整規劃，為馬鈴薯收獲機械化奠定基礎。農機與農藝的結合，要加強農機、農藝、田間管理等多方合作，根據農機使用現狀及農藝標準，利用農業機械裝備進行收獲作業，節約勞動成本，提高生產工作效率，促進丘陵山區農業健康穩定可持續發展。

2）加強對丘陵山區適用馬鈴薯收獲機的研究，制造適合丘陵山區的裝備。首先要加強挖掘鏟等關鍵部件研究，丘陵山區土壤黏重，耕作阻力大，耕作質量低，馬鈴薯收獲機在工作過程中需要消耗大量功率。在挖掘過程中，研發能夠減阻減能的挖掘鏟對于提高馬鈴薯收獲的工作質量和效率、減少薯塊損傷、降低裝備能耗等方面有著重要作用。要充分結合丘陵山區的地形環境和自然環境，加快研發適用于丘陵山區、黏重板結土壤的小型自走式馬鈴薯收獲機，以解決西南地區無機可用的問題。通過協調科研機構、企業及高校之間的合作，將產學研相結合，推進相關農業裝備向微小型化、自動化、智能化的方向發展，進而提高馬鈴薯收獲機械的實用性。

3）加強政策扶持，設置激勵機制。以當前丘陵山區馬鈴薯機械化收割發展落后的狀況為依據，制訂政策時與地方的實際情況相結合，積極為農民提供相應的指導和幫助，做好馬鈴薯收獲機的推廣工作。建立一套切實可行、行之有效的激勵機制，將馬鈴薯收獲機裝備向群眾進行積極推廣，并開展與之有關的教學指導工作，為推動丘陵山區馬鈴薯產業機械化的發展打下堅實的基礎。

4）加強機械化收獲示范區建設，打造宜機示范區。通過示范區的建設，形成馬鈴薯生產的規?；?、標準化。以新型經營主體為基礎，充分利用市場機制，吸納企業、農機專業合作組織、農機大戶、種植大戶等民間組織加入，積極推動“龍頭企業+合作社+農戶”組織模式的發展，培養和壯大一批農機專業合作社和企業，以示范區的建設為基礎，促進整個馬鈴薯產業的迅速發展。