大白菜機(jī)械化收獲技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

王名聲,龔中良,解福祥,宋 健,廖舒懷,李崔建

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 ,長沙 410004;2.濰坊學(xué)院 機(jī)械與自動化學(xué)院,山東 濰坊 261061)

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展,農(nóng)產(chǎn)品機(jī)械化在我國備受關(guān)注,中央一號文件也屢次提及農(nóng)機(jī)的開發(fā),大白菜機(jī)械化收獲逐漸引起重視。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計,現(xiàn)階段我國大白菜每年的種植面積約266.7萬hm2[1],居蔬菜種植面積和北方冬貯蔬菜數(shù)量首位[2-3]。在大白菜生產(chǎn)過程中,大白菜的收獲作業(yè)占全部生產(chǎn)過程的40%[4-5]。由于大白菜收獲比較復(fù)雜,目前我國大白菜收獲作業(yè)仍依靠人工來完成,收獲過程中需要不斷地彎腰砍割、撿拾、去葉和裝車搬運(yùn)等,收獲作業(yè)時間長,勞動強(qiáng)度大[6-7]。

大白菜收獲機(jī)是進(jìn)行大白菜機(jī)械化收獲的一種農(nóng)業(yè)機(jī)械,收獲過程中的損傷率是評價該收獲機(jī)設(shè)計是否合理的一項重要指標(biāo)。數(shù)據(jù)顯示,現(xiàn)有收獲機(jī)對大白菜的損傷較高,而大白菜損傷后極大地降低了其經(jīng)濟(jì)價值。為此,有必要對大白菜機(jī)械化收獲技術(shù)進(jìn)行深入研究,對關(guān)鍵裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)優(yōu)化,尋求一種大白菜低損、高效、自動收獲技術(shù),對提高我國大白菜機(jī)械化收獲水平具有重要意義。

為此,結(jié)合現(xiàn)有大白菜收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀,重點分析了大白菜機(jī)械化收獲中拔取、切根、輸送提升以及轉(zhuǎn)運(yùn)收獲等關(guān)鍵技術(shù)問題,并總結(jié)出現(xiàn)有收獲機(jī)械的不足,同時結(jié)合我國現(xiàn)狀,對我國大白菜機(jī)械化收獲技術(shù)的發(fā)展前景和趨勢加以展望,為我國大白菜機(jī)械化收獲技術(shù)裝備的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 大白菜機(jī)械化收獲研究現(xiàn)狀

目前,國內(nèi)外對于大白菜機(jī)械化收獲方面有關(guān)的研究較少,更偏向于研究同為結(jié)球葉菜類蔬菜的甘藍(lán)。早在20世紀(jì)30年代,蘇聯(lián)研制了世界上首臺甘藍(lán)收獲機(jī),距今已將近有90年的研究歷史。該甘藍(lán)收獲機(jī)主要由左右拔取裝置、輸送裝置和切根裝置等組成,由此奠定了甘藍(lán)收獲機(jī)的基本結(jié)構(gòu)[8]。大白菜和甘藍(lán)同為結(jié)球葉菜類蔬菜,其收獲機(jī)械本體結(jié)構(gòu)大致相同,如圖1所示。

1.拔取裝置 2.行走裝置 3.收集箱 4.運(yùn)輸裝置 5.夾持輸送裝置 6.切根裝置圖1 大白菜收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cabbage harvester structure

在大白菜整個收獲過程中,各關(guān)鍵部件也各司其職,表1為大白菜收獲機(jī)主要部件組成及其作用。大白菜收獲機(jī)按行走形式、收獲行數(shù)及底盤樣式可分為不同類型的大白菜收獲機(jī)[9],分類情況如圖2所示。

表1 大白菜收獲機(jī)的主要部件及其作用Table 1 Main components of cabbage harvesters and their roles

圖2 大白菜收獲機(jī)分類Fig.2 Classification of cabbage harvesters

國外,日本Kanamitsu等研制了一種自走式大白菜收獲機(jī),引入了一種機(jī)身位置控制系統(tǒng),利用液壓裝置對收獲機(jī)割臺水平高度進(jìn)行調(diào)控;在大白菜根莖部切割作業(yè)方面,采用圓盤切刀切掉大白菜根,再由工人將切根后大白菜整理裝箱,完成大白菜的收獲作業(yè)[10]。日本農(nóng)業(yè)生物系特定產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)研制了一種懸掛式大白菜收獲機(jī),與拖拉機(jī)配套使用,一次進(jìn)地可以完成拔取、切根、提升及轉(zhuǎn)運(yùn)收集等多項工作[11-13]。2007年,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)針對大白菜收獲問題,通過分析大白菜收獲機(jī)研究現(xiàn)狀,指出現(xiàn)有收獲機(jī)存在的問題;然后,采用萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行大白菜根莖部切割試驗,首次測出了大白菜的根莖部力學(xué)特性;最后,采用三維設(shè)計軟件對大白菜收獲機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計和裝配,實現(xiàn)了對大白菜的拔取、切根及輸送等操作,為我國大白菜機(jī)械化收獲奠定了基礎(chǔ)[14-15]。邱燃[16]等在分析大白菜機(jī)械化收獲中的關(guān)鍵技術(shù)后,研制了一臺大白菜收獲機(jī),試驗結(jié)果表明:收獲機(jī)一次進(jìn)地可實現(xiàn)大白菜的拔取、切根、輸送和收集等多項作業(yè)。黑龍江大學(xué)以黑龍江地區(qū)的大白菜為研究對象,對大白菜種植農(nóng)藝和白菜物理特征進(jìn)行了調(diào)研,設(shè)計了一種大白菜收獲機(jī),在收獲過程中,只需一人在收集平臺揀收,即可完成大白菜的半自動化收獲。該機(jī)利用三維建模軟件研制出虛擬樣機(jī),并對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真,驗證機(jī)構(gòu)間運(yùn)動的可行性;之后,僅對切根傳輸部件進(jìn)行了田間試驗,但收獲效果不太理想,有很大的改進(jìn)空間;目前,該收獲機(jī)械處于改進(jìn)階段,未研制出理想的收獲樣機(jī)[17-19]。

2 大白菜機(jī)械化收獲中的關(guān)鍵技術(shù)

大白菜的收獲流程主要可分為拔取、切根、輸送提升及轉(zhuǎn)運(yùn)收集等過程。目前,大白菜仍是人工輔助收集,而大白菜收獲機(jī)的核心部件為收獲割臺,包括拔取裝置、切根裝置和輸送提升裝置[16]。表2為大白菜收獲機(jī)關(guān)鍵技術(shù)裝備的結(jié)構(gòu)分類及其特點說明。

2.1 拔取技術(shù)

拔取裝置的主要目的是將大白菜連同根部拔出土壤,用拔取合格率和損傷率來評價拔取裝置設(shè)計是否合理。由于我國大白菜在各地的種植情況存在較大的差異性,且大白菜生長情況極易受天氣影響,導(dǎo)致大白菜在收獲時可能會存在參差不齊的現(xiàn)象,影響大白菜的拔取質(zhì)量。因此,需要對大白菜拔取作業(yè)進(jìn)行理論分析和試驗研究,設(shè)計一種大白菜拔取輔助裝置,作用是扶正倒伏的大白菜,降低大白菜在拔取過程中的損傷。其次,我國地貌多樣,大白菜種植環(huán)境惡劣,尤其是南方潮濕的土地,對收獲機(jī)行走裝置有更加苛刻的要求。因此,還需設(shè)計另一種拔取輔助裝置,目前大多采用仿形地輪,可根據(jù)地面的坑洼自動適應(yīng),降低大白菜拔取過程中的損傷。我國在大白菜種植方面也沒有相關(guān)的農(nóng)藝要求,而隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展,農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合是未來的發(fā)展方向[20],單方面要求農(nóng)機(jī)為農(nóng)藝服務(wù)已經(jīng)過時[21],而農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的設(shè)計可以更好地服務(wù)于現(xiàn)在和未來,避免拔取過程損傷相鄰行的大白菜。目前,最常見的拔取裝置類型有雙螺旋桿式、引拔鏟式。

表2 大白菜收獲機(jī)關(guān)鍵技術(shù)裝備的結(jié)構(gòu)分類及其特點Table 2 Structural classification of key technical equipment of cabbage harvesters and their characteristics

1)雙螺旋桿式。雙螺旋桿式拔取裝置結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。工作時,拔取裝置兩根螺旋桿緊貼地面,螺旋錐體插入土壤,位于大白菜根莖位置處,在兩根反向旋轉(zhuǎn)的螺旋桿作用下,將大白菜拔離土壤。

關(guān)于雙螺旋桿式拔取裝置方面的研究,李洪德[22]提出了一種單行半懸掛牽引式大白菜收獲機(jī)的設(shè)計方案,拔取裝置主要包括左右兩根螺旋桿,利用螺旋升運(yùn)機(jī)構(gòu)的工作原理將白菜拔出土壤。許世超[23]以我國黑龍江地區(qū)的甘藍(lán)為研究對象,對雙螺旋拔取裝置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析,選取螺桿轉(zhuǎn)速、桿間距離、螺桿節(jié)距、螺桿傾角4個因素進(jìn)行正交試驗,優(yōu)化后的拔取裝置拔取合格率較理想,但效率較低。

圖3 雙螺旋桿式拔取裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Structure schematic of double screw rod type extraction device

2)引拔鏟式。在田間測試過程中,引拔鏟插入到大白菜根莖部的位置處,收獲機(jī)向前推進(jìn)時,通過兩鏟尖將倒伏和偏離該行中心線的大白菜進(jìn)行扶正,降低拔取過程對大白菜的損傷。

關(guān)于引拔鏟式拔取裝置方面的研究,甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計了一臺4YB-I型甘藍(lán)收獲機(jī),其拔取裝置采用了引拔鏟,引入了一種松土刀片,刀片布置在引拔鏟下方;同時,借助有限元軟件對刀片進(jìn)行了應(yīng)力分析[24-26]。浙江大學(xué)對履帶自走式甘藍(lán)收獲機(jī)進(jìn)行了研究,提出了一種柔性的引拔鏟式拔取裝置,其引拔鏟采用彈性連桿與機(jī)架連接,且拔取裝置中還加入了一個撥輪,撥輪安裝支架尾部設(shè)計有彈性浮動桿,通過引拔鏟與撥輪的相互配合,提高了甘藍(lán)收獲機(jī)的拔取合格率[27]。

2.2 切根技術(shù)

大白菜切根是大白菜機(jī)械化收獲中必不可少的環(huán)節(jié)。切根裝置主要目的是對大白菜根部進(jìn)行切除,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上,一般讓切根裝置與輸送裝置協(xié)同作業(yè),用切根合格率來評價切根裝置設(shè)計是否合理。目前,根據(jù)切根先后順序來分,大白菜切根方式有兩種:第一種是直接對生長在土壤中的大白菜進(jìn)行切根;第二種通過引拔裝置,先將大白菜拔出土壤后再進(jìn)行切根。與后者相比,前者對刀具的損耗較大,且切根不穩(wěn)定,故現(xiàn)有收獲機(jī)大部分都設(shè)計了引拔裝置,采用后者的方式進(jìn)行切根。

現(xiàn)有切根裝置類型主要為雙圓盤式,是用兩個圓盤刀來完成切根的動作,兩個圓盤刀一般對稱布置在輸送提升裝置的兩側(cè),可重疊布置,也可相切并排布置。雙圓盤式切根裝置平衡了切根時受力情況,有利于提高切根質(zhì)量。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)圍繞甘藍(lán)切根作業(yè),探究甘藍(lán)切根作業(yè)中的力學(xué)機(jī)理,設(shè)計了一種可調(diào)式的切根平臺,其切根裝置采用鋸齒形雙圓盤切刀;為了使甘藍(lán)切根效果更佳,主要研究了切刀轉(zhuǎn)速、切割位置、行走速度、切刀重疊量和俯仰角度等參數(shù)與最大切根反作用力之間的關(guān)系,并通過正交試驗處理試驗數(shù)據(jù)得到較優(yōu)的切根參數(shù)組合,為后續(xù)學(xué)者研究結(jié)球葉菜類蔬菜切根作業(yè)提供了借鑒[28-29]。南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所設(shè)計了一種雙圓盤切根裝置,其切刀形狀為鋸齒型,為保證切根的完整性,將兩圓盤刀重疊布置[30]。Sarkar等[31]設(shè)計了一種自走式的白菜收獲機(jī),對切割轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、切根高度及輸送速度等多項作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。Didamony等[32]研制了一種白菜收獲機(jī)并進(jìn)行了試驗,主要研究了刀盤形狀、刀盤轉(zhuǎn)速和刀盤轉(zhuǎn)角對收獲機(jī)性能的影響。Wright等[33]對白菜的物理力學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究,主要對切割力和拔取力等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量。

2.3 輸送提升技術(shù)

輸送提升裝置的作用是夾持輸送拔取后的大白菜,同時要求輸送提升裝置能適應(yīng)不同物理形態(tài)的大白菜,為大白菜后續(xù)切根作業(yè)做好準(zhǔn)備。由于大白菜葉子鮮嫩,若不對輸送裝置加以處理,在夾持大白菜時會對其造成擠壓損傷,故需要在設(shè)計輸送裝置前深入研究大白菜的擠壓特性,設(shè)計一種柔性自適應(yīng)的夾持輸送裝置,防止夾持過度。目前,我國在大白菜擠壓特性方面缺乏研究,現(xiàn)有收獲機(jī)械僅僅進(jìn)行了理論分析,采用柔性橡膠皮帶夾持大白菜;但在蔬菜嫁接機(jī)器人方面,已有柔性夾持搬運(yùn)技術(shù)[34-35]的應(yīng)用。若要使大白菜在夾持輸送過程中的損傷降至最低,研發(fā)人員應(yīng)從大白菜的擠壓特性方面入手,測定其擠壓強(qiáng)度,為輸送裝置提供參數(shù)來源。若夾持力太小,大白菜在輸送過程中將會松動,導(dǎo)致其位置姿態(tài)發(fā)生變化,從而影響切根質(zhì)量;若夾持力太大,將會對大白菜葉球造成擠壓損傷,影響大白菜的經(jīng)濟(jì)價值。目前,最常見的輸送提升裝置類型有雙螺旋桿式和輸送帶式。

1)雙螺旋桿式。雙螺旋桿式的輸送提升裝置是由一對反向旋轉(zhuǎn)的螺旋桿組成,為了降低大白菜在夾持輸送過程中的損傷,一般在螺旋桿的表面纏繞柔性橡膠。在田間收獲過程中,經(jīng)拔取裝置拔取后的大白菜被送入雙螺旋桿間,基于螺旋運(yùn)動,大白菜被夾持輸送提升。

2)輸送帶式。輸送帶式輸送提升裝置主要由兩個傳送帶組成,如圖4所示。其傳送帶縱向布置,用于夾持大白菜,且兩傳送帶運(yùn)動方向相反,為了降低大白菜在夾持輸送過程中的損傷,傳送帶采用柔性材料;大白菜在物理形態(tài)上有一定的差異,故在傳送帶內(nèi)部設(shè)計了彈簧張緊裝置,可以對不同大小的大白菜進(jìn)行固定夾持輸送。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)公開了一種具有品種適應(yīng)性的自走式大白菜收獲機(jī)及方法,在夾持輸送方面,采用了輸送帶式的輸送提升裝置,利用輸送帶內(nèi)部的彈性張緊機(jī)構(gòu)自動適應(yīng)物理形態(tài)有差異的大白菜,保證大白菜的固定夾持輸送[36]。此外,南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的4GZ-1200甘藍(lán)收獲機(jī)[37]、俄羅斯研制的甘藍(lán)收獲機(jī)[38]、浙江大學(xué)研制的履帶自走式甘藍(lán)收獲機(jī)[39]在輸送提升方面,均采用輸送帶夾持甘藍(lán),對結(jié)球葉菜類蔬菜夾持輸送時效果較好。

2.4 轉(zhuǎn)運(yùn)收集技術(shù)

轉(zhuǎn)運(yùn)收集環(huán)節(jié)是大白菜機(jī)械化收獲的最后一個環(huán)節(jié),轉(zhuǎn)運(yùn)收集裝置的作用是將切根后的大白菜運(yùn)輸至指定的收集箱內(nèi),完成大白菜收獲作業(yè)[40]。轉(zhuǎn)運(yùn)收集裝置一般由傳送帶、收集平臺和收集箱組成,收集方式根據(jù)是否需要人工輔助收集分為兩種,即人工輔助收集和傳送帶直接輸送收集。其中,前者需要工人在收集平臺將傳送帶輸送過來的大白菜整齊擺放至收集箱,可靠性高,在收集過程中對大白菜造成的損傷較低,但作業(yè)效率不如后者,且經(jīng)濟(jì)成本較高;后者是省去了收集平臺,將傳送帶直接與收集箱相連,由于大白菜從傳送帶上掉入收集箱內(nèi),可能會對大白菜造成一定的損傷,但該方式全程機(jī)械化,工作效率高于前者。目前,在大白菜收集方面,機(jī)械化收集水平較低,因大白菜具有易損傷特性,后續(xù)研究大白菜收集裝置可從有序化和柔性方面進(jìn)行設(shè)計,研制出一種大白菜有序化柔性收集裝置,在保證不損傷大白菜的同時,提高大白菜裝車過程中的工作效率。

綜上所述,國內(nèi)對于大白菜機(jī)械化收獲技術(shù)還不夠成熟,與國外相比,還存在一定的差距。筆者通過分析大白菜機(jī)械化收獲中的關(guān)鍵技術(shù),總結(jié)出現(xiàn)有大白菜收獲機(jī)主要存在以下幾點問題:①大白菜損傷的問題。目前,我國對大白菜物理力學(xué)特性的研究還不夠深入,關(guān)鍵部件的參數(shù)未在試驗中得到驗證;同時,大白菜葉子鮮嫩,在收獲過程中極易損傷,導(dǎo)致現(xiàn)有大白菜機(jī)械化收獲破損率較高,影響其經(jīng)濟(jì)價值。②農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝不協(xié)調(diào)的問題。我國主要以小農(nóng)經(jīng)濟(jì)為主,種植模式比較粗放,未制定規(guī)范的大白菜種植要求;而農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的不協(xié)調(diào)的問題將會給研發(fā)大白菜收獲機(jī)增添一定的難度,如收獲時損傷大白菜。③智能化程度低的問題。由于大白菜在成熟期間可能出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象,難以保證收獲機(jī)割臺中心與大白菜行中心在同一直線上,而現(xiàn)有收獲機(jī)智能化程度低,未能微調(diào)其收獲割臺,給大白菜造成一定的損傷;且在大白菜收集裝車方面,僅實現(xiàn)半自動化,工作效率低下。

3 總結(jié)與展望

1)開展農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的研究。目前,農(nóng)業(yè)機(jī)械化的實現(xiàn)難以脫離農(nóng)藝的支持,農(nóng)機(jī)的研發(fā)和農(nóng)藝的制定是相互作用的,大白菜收獲機(jī)的研發(fā)同樣也避不開大白菜種植農(nóng)藝,但我國目前還沒有制定一套規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的適合于大白菜生產(chǎn)種植農(nóng)藝要求。今后,相關(guān)學(xué)者、研究人員和專家應(yīng)多多交流討論,共同制定一套符合大白菜機(jī)械化收獲的農(nóng)藝要求,如行距、株距、壟作或平作等,研發(fā)一種與農(nóng)藝相結(jié)合的大白菜收獲機(jī)。

2)柔性化收獲技術(shù)的研究。損傷率是大白菜收獲機(jī)重要的評價指標(biāo)之一。大白菜在收獲過程中,拔取、夾持輸送等過程都會對大白菜造成損傷。大白菜損傷的根本原因是擠壓過度,研究者首先應(yīng)深入探究大白菜的物理力學(xué)特性,得出理想的擠壓力范圍;其次,利用建模仿真軟件分析大白菜收獲過程中的受力和變形,構(gòu)建一種大白菜低損傷約束模型;然后,研究柔性撥禾拔取技術(shù)、無損切割技術(shù)及柔性夾持輸送技術(shù),盡可能地降低大白菜在收獲過程中的損傷;最后,確定大白菜機(jī)械化收獲關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù),實現(xiàn)大白菜的柔性化收獲。

3)無人化收獲技術(shù)的研究。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展,大白菜機(jī)械化收獲必將朝著智能化、無人化的方向發(fā)展。目前,我國大白菜收獲樣機(jī)還處于半自動化收獲,距離全自動、無人化收獲還存在不小差距。首先,由于大白菜收集作業(yè)仍是人工操作,需要設(shè)計一種大白菜有序化收集裝置;其次,研究割臺行走仿形技術(shù)和自主導(dǎo)航技術(shù),實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)割臺的角度和高度及對收獲路徑進(jìn)行規(guī)劃,最終實現(xiàn)大白菜收獲的無人化管理;最后,將自主導(dǎo)航系統(tǒng)、割臺行走仿形系統(tǒng)集成到大白菜收獲機(jī)上,實現(xiàn)大白菜無人化收獲是未來大白菜收獲機(jī)的發(fā)展方向。