套種模式下毛蔥機械收獲裝備的研究

高成成

（池州學院，安徽 池州 247000）

隨著我國農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高，毛蔥機械化栽培得到了較廣泛的應用。然而，毛蔥機械化收獲仍面臨較大的技術難題[1]。毛蔥屬多年生作物，收獲時須連根拔起，但毛蔥根系發(fā)達，根際部位土壤致密，增加了挖掘難度。此外，毛蔥大面積商業(yè)化生產(chǎn)采用的套種模式，導致毛蔥蔥稈嚴重倒伏纏繞，不利于機械順利插入收獲。因此，研發(fā)適合套種模式下的毛蔥機械化收獲裝備，是當前進一步實現(xiàn)毛蔥種植環(huán)節(jié)機械化的重要課題。

1 毛蔥機械收獲面臨的問題

1.1 毛蔥輻射倒伏，不利于機械化操作

套種模式不合理或者行距較窄，株距也較密集，會導致單株毛蔥獲得的生長空間有限。同時，外部環(huán)境如風力、水分等因素也會促使毛蔥倒伏。這些因素共同作用下，毛蔥稈呈明顯的輻射倒伏狀態(tài)，稈體嚴重纏繞[2]。嚴重倒伏會導致收獲裝備無法順利插入毛蔥行間，整個收獲工藝均受到嚴重阻礙。具體來看，一是收獲裝置無法順利進入行間，插入收獲體系的鏟具無法接觸到根部。二是即便強行插入，倒伏纏繞也會對輸送系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的堵塞。三是倒伏嚴重的毛蔥無法實現(xiàn)有效整復作用，導致根部無法暴露，影響鏟具的挖掘。四是強行操作倒伏纏繞的毛蔥將導致大量脫粒和斷稈問題。

1.2 根際部位土壤致密，增大挖掘阻力

毛蔥根系發(fā)達，主根長度可達30 cm以上。長期生長過程中，根系對周圍土壤形成“篩子”狀固結，使根際土壤致密度明顯增大。測量結果顯示，根際土壤容重達1.35 g/cm3～1.5 g/cm3，而正常土壤容重僅為1.1 g/cm3～1.2 g/cm3。土壤孔隙度也從50%降低到30%以下。由于根際土壤致密導致的巨大阻抗，使毛蔥機械化收獲過程中的下力挖掘難度大為增加[3]。根據(jù)土力學計算，致密土壤的內摩擦角可高達35°以上，相比普通土壤的25°～30°提高了約20%。這意味著挖掘阻力幾乎增加了一倍。同時，高密度根系對挖掘過程的溫和性也有極高要求，不能對根系造成破壞。針對根際土壤致密問題，目前常見的收獲機構采用鏟式結構，并配合氣動裝置進行輔助。但僅靠鏟式結構難以克服巨大的挖掘阻力，根系損傷嚴重。

1.3 收獲與運輸聯(lián)合作業(yè)難度大

毛蔥機械化收獲后，還需要進行甩掛除泥、初步清洗、分選等后續(xù)聯(lián)合作業(yè)，以實現(xiàn)連續(xù)的收獲與運輸作業(yè)流程。但毛蔥稈長、根系發(fā)達的特點使這一流程配合存在巨大難度。具體來看，毛蔥連根拔起后進入輸送系統(tǒng)，需要進行甩掛除泥[4]。這一過程中，輸送鏈條或帶的高頻振動將直接作用到長達60 cm的蔥稈上，而嚴重的輻射倒伏也使蔥稈在輸送系統(tǒng)內部發(fā)生了連續(xù)不斷的碰撞。這些因素很容易導致蔥稈斷折、脫粒等問題發(fā)生。同時，收獲產(chǎn)生的連續(xù)強烈振動將通過蔥稈直接傳導到后續(xù)的根系分選系統(tǒng)，嚴重影響分選機構的工作穩(wěn)定性。而分選系統(tǒng)作為精密作業(yè)系統(tǒng)，對穩(wěn)定性要求極高。如果采用剛性連接，振動影響將難以避免；而如果完全隔離，則又失去了運輸與分選的邏輯配合關系。此外，收獲機構與運輸系統(tǒng)的動力學匹配也是一個關鍵難題。收獲產(chǎn)生的連續(xù)沖擊負載特點與運輸系統(tǒng)的穩(wěn)定運行要求存在矛盾。這需要采用彈性連接等措施進行調和，但其復雜度和制造難度都很高。

2 套種模式毛蔥機械收獲關鍵技術分析

2.1 倒蔥整復機構設計

為適應套種毛蔥嚴重的輻射倒伏現(xiàn)狀，實現(xiàn)機械化快速整復是關鍵所在。目前，主要有兩種整復機構設計方案：旋轉式和橫移式。旋轉式整復機構工作原理是設置高速旋轉的整復部件，通過旋轉刮板或棒實現(xiàn)毛蔥扶正[5]。優(yōu)點是整復效率高，可實現(xiàn)90%以上整復率。但結構復雜，制造難度及能耗較大是其缺點。橫移式整復機構則利用輪間隙匹配毛蔥行距，依次使倒伏毛蔥扶正，整復率可達87%左右。該機構設計制造簡單，但整復效率相對較低。為兼顧效率與簡捷，一種新型整復機構設計方案是：設置尖銳鈍角調節(jié)刮板，配合橫移前置輪實現(xiàn)整復。具體來說，調節(jié)刮板安裝在前置輪前方，與輪間隙相匹配，依次掃過毛蔥行。刮板底部為尖銳鈍角結構，可插入土壤車流層中，利用土壤阻力產(chǎn)生扶正力矩。該設計可實現(xiàn)85%以上的整復率，同時結構簡單，易于調節(jié)和維護。

2.2 挖掘裝置參數(shù)優(yōu)化

考慮到毛蔥根際土壤致密的問題，實現(xiàn)快速連根挖掘是機械化收獲的又一難點。目前，可采用帶孔鏟式挖掘結構，并通過參數(shù)優(yōu)化提高挖掘性能[6]。一是鏟片形狀設計。采用弧形鏟片，前端開口處曲率半徑控制在150 mm 左右，可減小對根系的損傷。同時，側翼設計成螺旋上升形狀，可實現(xiàn)向兩側翻裂，降低挖掘阻力。二是鏟片孔隙率控制。根據(jù)土壤學試驗結果，當孔隙率約為15%時，既可利用氣動作用加速挖掘，又不會過度削弱鏟片強度。采用Φ10 mm 的均勻排列圓孔，可滿足要求。三是工作深度。根系垂直分布范圍約30 cm，因此工作深度控制在32 cm～35 cm，既可完整挖取根系，又可避免對次生根的損傷。垂直插入速度以8 cm/s～12 cm/s為宜，避免根系脫落。

2.3 收獲與運輸作業(yè)匹配

毛蔥機械化收獲后，還需進行運輸、分選等聯(lián)合作業(yè)，實現(xiàn)從田間到倉儲的一體化機械化解決方案。這需要協(xié)調解決收獲與運輸?shù)膭恿W匹配問題。一是收獲系統(tǒng)產(chǎn)生的連續(xù)強力沖擊振動可能導致脫粒、斷稈等問題[7]。采用彈簧減振裝置可有效緩解振動負面影響。具體方案是在收獲裝置與傳送帶接觸處設置環(huán)形減振彈簧組，優(yōu)選鋼圈彈簧或六棱形橡膠彈簧，按一定間距分布。這可起到緩沖減振作用，避免收獲振動完全傳遞到輸送系統(tǒng)。同時，收運輸接觸處也需設計緩沖過渡段，實現(xiàn)剛柔結合。該過渡段采用柔性膠合皮帶，長度為傳送帶寬度的0.8～1 倍。彈性皮帶可進一步起到減振作用，使運輸系統(tǒng)免受收獲振動影響。二是運輸裝置需采用國際標準化的模塊化和容器化設計理念。例如采用標準尺寸的網(wǎng)箱、集裝箱等容器作為貨運裝置。容器充當運輸過程中的緩沖隔離單元，可大幅降低收獲振動對運輸?shù)呢撁嬗绊憽Ｈ沁\輸與后續(xù)分選裝置之間也需設置減振連接段。典型方案是采用鋼架懸臂支承的皮帶傳輸段，并配合螺旋彈簧或橡膠減振元件，實現(xiàn)收獲系統(tǒng)與精密分選系統(tǒng)的動力學隔離。

3 套種模式毛蔥機械收獲裝備研發(fā)方案

3.1 整體技術路線

根據(jù)套種毛蔥機械收獲面臨的關鍵問題，擬定了以下整體技術路線。

1）倒伏整復系統(tǒng)：采用尖銳鈍角刮板配合橫移輪實現(xiàn)快速整復，參數(shù)優(yōu)化方案包括調節(jié)刮板傾角、車輪間隙匹配行距、優(yōu)化刮板尖銳鈍角結構等[8]。目標是使整復率達到90%以上。

2）挖掘系統(tǒng)：采用帶孔弧形鏟式挖具，利用氣動輔助實現(xiàn)快速有效連根挖取。優(yōu)化設計參數(shù)包括鏟片曲率、螺旋側翼、孔隙率、工作深度等。目標是減小挖掘阻力，保持根系完整率大于95%。

3）收運匹配系統(tǒng)：利用減振彈簧、緩沖段、隔離容器等實現(xiàn)收獲系統(tǒng)與運輸系統(tǒng)的動力學協(xié)調。目標是減小脫粒率至5%以下，斷稈率至2%以下。

4）作業(yè)流程優(yōu)化：針對收獲、甩掛、清洗、分選等環(huán)節(jié)，研究最佳作業(yè)流程和間歇距離。優(yōu)化目標是作業(yè)節(jié)拍協(xié)調一致，實現(xiàn)作業(yè)平穩(wěn)連續(xù)。

3.2 關鍵部件設計

毛蔥機械收獲裝備的關鍵部件設計主要包括整復系統(tǒng)、挖掘系統(tǒng)、減振系統(tǒng)、容器化系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。

1）整復系統(tǒng)采用尖銳鈍角結構的刮板，材質選用工程塑料，刮板長度配合輪間距，安裝在整流輪前方；鈍角部分優(yōu)化為80°左右，同時設置前置整流輪，直徑匹配毛蔥行距[9]。

2）挖掘系統(tǒng)設計開口式弧形鏟片，前端弧度半徑為140 mm；側翼呈螺旋上升形狀，鏟片均勻分布Φ12 mm 圓形貫通孔，孔隙率控制在12%，鏟片材質選高強度、低磨損鋼。

3）減振系統(tǒng)在收獲裝置與輸送接觸處設置環(huán)形減振組件，采用鋼圈彈簧或六棱橡膠彈簧，間距100 mm，輸送帶入口設置柔性膠皮過渡段，長度為輸送帶寬度的0.8倍。

4）容器化系統(tǒng)設計模塊化網(wǎng)箱，內部長度、寬度分別為1 000 mm、600 mm，網(wǎng)箱材質為工程塑料，底部設計成金屬滑軌結構，箱體通過滑軌與輸送帶實現(xiàn)精準對接[10]。

5）控制系統(tǒng)采用PLC 電控與氣動組合控制模式，設置人機對話操作界面，鎖存故障診斷程序，控制精度達到±2%以內的穩(wěn)定誤差范圍。

4 試驗設計與結果分析

4.1 試驗設計

為了驗證所提出的毛蔥機械化收獲裝備設計方案和技術路線的有效性，進行了如下試驗設計：一是在典型套種毛蔥試驗地，選取連片區(qū)域10 畝地塊進行測試。所有地塊毛蔥栽培采用標準套種模式，行距18 cm，株距12 cm，株高40 cm～60 cm，倒伏嚴重。二是自主研發(fā)一臺毛蔥機械化收獲試驗機，整體采用模塊化設計。包含尖銳鈍角刮板整復系統(tǒng)、帶孔弧形鏟挖掘系統(tǒng)、鋼圈彈簧減振系統(tǒng)、網(wǎng)箱容器化輸送系統(tǒng)。關鍵參數(shù)為刮板鈍角80°，前置輪直徑18 cm，鏟片孔隙率12%，挖掘深度32 cm，鋼圈彈簧間距10 cm，網(wǎng)箱尺寸60 cm×100 cm。三是進行收獲試驗，機械工作速度定為1.0 m/s，連續(xù)作業(yè)時間為2 h。收獲過程持續(xù)記錄各項技術指標，包括整復率、根系完整率、脫粒率、斷稈率等數(shù)據(jù)。同時，使用高速攝像系統(tǒng)記錄收獲全過程，以供后期分析。四是收獲結束后，隨機抽取100 株毛蔥進行人工分析，評估根系受損情況、蔥稈完整性，并取樣檢測收獲后毛蔥的營養(yǎng)成分變化情況，以全面評估機械收獲對產(chǎn)量及質量的影響。

4.2 結果分析

通過對毛蔥機械收獲裝備的現(xiàn)場試驗，獲得了關鍵技術指標的數(shù)據(jù)結果，對這些結果進行統(tǒng)計分析如下：在整復率方面，經(jīng)過2 h 連續(xù)作業(yè)，共對2 000 余株毛蔥進行了機械化整復。結果顯示，整復效果良好，這證明設置尖銳鈍角刮板的整復機構設計是行之有效的。在根系完整率方面，隨機抽取100 株毛蔥進行檢查，斷根情況很少，這說明弧形螺旋帶孔鏟的挖掘系統(tǒng)可減小對根系的機械損傷。在脫粒率方面，輸送過程中脫落情況很少，這與設計目標基本一致。在斷稈率方面，幾乎無斷稈發(fā)生，表明設置減振組件可有效減小收獲過程中對稈的損傷。此外，從抽樣檢測結果看，機械收獲對毛蔥營養(yǎng)成分也無明顯負面影響。收獲試驗的主要技術指標結果匯總如表1所示。

表1 毛蔥機械收獲試驗主要技術指標

從表1 可以看出，各項關鍵技術指標的平均值均達到了設計要求，變異系數(shù)也比較小，說明試驗結果穩(wěn)定可靠。這證實了所提出的技術方案和裝備設計是可行有效的。毛蔥機械化收獲裝備在應對套種模式下毛蔥的倒伏和根際土壤致密等問題上取得了進展，具有良好的應用前景。但也還需繼續(xù)優(yōu)化提高指標性能，以適應大規(guī)模高效生產(chǎn)的需求。

5 結語

本研究針對毛蔥機械化收獲中的整復和挖掘難題，提出了尖銳鈍角刮板整復系統(tǒng)和帶孔弧形鏟挖掘系統(tǒng)的設計方案。通過針對套種毛蔥的試驗驗證，表明該設計思路是可行有效的。當然，各項性能指標仍需繼續(xù)優(yōu)化提升，以適應規(guī)?；枨蟆？傮w而言，本研究為實現(xiàn)毛蔥機械化收獲提供了新的技術手段，對推動該領域技術發(fā)展具有借鑒作用。后續(xù)將專注參數(shù)優(yōu)化與產(chǎn)品化，持續(xù)拓展技術應用范圍。