閆帥華 劉文君 劉憶 陸洪光 于濤 蔡海晨

摘要：文章針對我國山藥種植面積和產量日益增長，而其機械化收獲水平相對較低的現狀，對國內外山藥收獲機械研究的現狀及其典型收獲機械的設計結構特點進行了分析，指出了其存在的主要問題和影響我國山藥收獲機械化發(fā)展的主要因素，并提出了中國發(fā)展山藥機械化收獲技術的途徑和研究重點。

關鍵詞：山藥收獲；機械化；收獲機械；山藥種植；現代機械設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：S225 文章編號：1009-2374（2016）18-0190-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.095

山藥又稱薯蕷、土薯、山薯蕷、懷山藥、淮山、白山藥，是人類食用最早的植物之一，也是在《中華本草》中收載的草藥。山藥有很大的藥用價值和食用加工價值。山藥所含的多糖、尿囊素、皂苷、黏液蛋白、植酸和止杈素等多種藥用物質，可有效地調節(jié)或者增強免疫功能、調節(jié)和促進腸胃功能、抵抗衰老、調節(jié)和降低血脂、預防腫瘤等，有巨大的藥用價值和開發(fā)潛力。

作為既可食用又可入藥的山藥，受到區(qū)域的地質、氣候、生長習性等綜合因素的影響，不同地區(qū)出產的山藥也具有不同的特征，因而具有不同產地的特征。山藥的全國種植面積在8.11萬公頃以上。由于山藥特殊的生長環(huán)境和自身生長特點，山藥的機械化收獲發(fā)展始終處于瓶頸。傳統(tǒng)的人工采收方法效率低、成本高，不能滿足市場的大批量需求。盡管近幾年國內有很多的企業(yè)在山藥機械化收獲方面已小有發(fā)展，但是方式僅僅限于開溝槽之后再進行人工挖取，未實現真正的機械化，且由于目前市面上生產的山藥收獲機的機械設備體積過大、運輸不便，還只能適用于北方的平原地區(qū)，而山藥種植面積甚廣的南方丘陵與山地地區(qū)，機械化收獲形勢卻依然非常嚴峻。目前山藥市場都迫切需要一種體型小巧靈活、收獲效率高的山藥收獲機械。

1 國內外山藥收獲機械研究現狀

1.1 國內山藥收獲機械的研究現狀

雖然我國山藥種植面積較大，但仍以人工收獲為主，機械化收獲水平較低。國內的山藥收獲機械從20世紀60年代開始從國外引進，70年代開始正式研制，通過對國外已有機械的借鑒和自身研究，如今已取得初步成效。但我國在山藥收獲機械方面發(fā)展并不迅速。目前，北方部分地區(qū)已經開始采用機械化收獲山藥，但僅僅實現了挖掘功能，并未達到完全機械化。我國的山藥收獲機械化還只是在山藥側面進行開溝松土，然后人工挖取，最后進行去土收集工作。這種半機械化收獲方式仍然存在勞動量大、工序繁瑣、山藥破損率高等問題，無法適應大規(guī)模種植的要求。目前，山藥的機械收獲方式是開溝。在中國成型的開溝機械產品中，有兩種適于山藥收獲的機械：螺旋式開溝機和鏈式開溝機，螺旋式開溝機主要是利用螺旋切削提升的原理挖掘土壤，鏈式開溝機則主要利用切削原理來將土壤分離開，國內仍有許多設計者提供了山藥收獲機的理論設計，設計新穎，為山藥收獲機械化開辟了新的思路。

1.1.1 螺旋開溝式的多功能山藥收獲。第一種山藥收獲機的發(fā)明者是李壘和李善文。這個發(fā)明設計了一種螺旋開溝式的多功能山藥收獲機。

多功能山藥收獲機包括履帶底盤，設在履帶底盤上的操作臺、電機、豎直機架以及向上提升機構。齒輪箱的總成安裝在機架上并且能夠沿固定的機架上下移動。用于開溝的螺旋鉆軸和提土板安裝在齒輪箱結構下面，電機結構與齒輪箱結構由傳動軸實現傳動連接；提升機構與齒輪箱結構連接，實現對齒輪箱結構的升降操作。這種山藥收獲機的結構比較靈活，而且功能多樣化，能夠同時實現開溝收獲山藥和溝內填土的兩項功能。

1.1.2 鏈式開溝的一種山藥收獲機。第二種山藥收獲機發(fā)明者倪凡喜。他設計的山藥收獲機是典型的鏈式開溝實例。這個設計克服現階段生產技術的不足之處，提供一種山藥收獲機的理論設計，在不損傷山藥塊莖的前提下，可以很大地提高生產效率，降低采收山藥時的成本。這種山藥收獲機，包括振動破土機構、破土機構的固定架、旋轉型軸承座、液壓油缸、可以左右移動的軸承固定支架、懸掛型四軸固定支架、手輪、擋土板、開溝刀片、開溝鏈條、鏈條固定支架和從動輪。破土機構固定架是主體支撐架，整體呈現方形的框架結構，破土機構固定支架的后端，連接著設置的振動破土機構，破土機構固定支架的前端，連接著旋轉式軸承座，旋轉軸承座的前面連接著液壓油缸，液壓油缸的前端連接到左右移動軸承座固定架，左右移動軸承座固定架設置在懸掛式四軸連接在固定架上，在懸掛型四軸固定支架的一邊，設計有手輪，在懸掛型四軸固定支架的兩端后側，設計有擋泥板。在旋轉型軸承座的下端，連接設計有鏈條固定支架，鏈條固定支架的前端設計有主動輪，鏈條固定支架的后端設計有從動輪，繞過主動輪與從動輪，設計有開溝鏈條，開溝鏈條的外表面上設置有開溝刀片。連接到鏈條固定架上，設置有漲緊固定架，漲緊固定架的下端設置有漲緊輪，漲緊輪與開溝鏈條的內表面相接觸。

1.1.3 圓錐螺旋鉆管式山藥收獲機。薦世春、馬繼春、孔凡祝設計出一款圓錐螺旋鉆管式山藥收獲機。這種新型收獲機利用圓錐螺旋鉆管旋轉入土將山藥挖出，真正實現了山藥作業(yè)的機械化。圓錐螺旋鉆管式山藥收獲機由拖拉機、萬向節(jié)傳動軸總成、懸掛架、變速箱和圓錐螺旋鉆管等組成。圓錐螺旋鉆管的圓錐管外表面上有螺旋葉片，圓錐管上有均勻分布的長槽，圓錐管的下端為鋸齒狀。變速箱安裝在懸掛架上，拖拉機的動力輸出軸通過萬向節(jié)傳動軸總成與變速箱的動力輸出軸相聯。在此之后，薦世春等六人又對其進行了改進，采用液壓驅動的方法使圓錐管上下移動，從而提高了機械收獲效率。

1.1.4 液壓叉鏟式山藥收獲機。王福勝、王杰和由振香發(fā)明的一種液壓叉鏟式山藥收獲機也在理論上實現了山藥挖掘機械化。

液壓叉鏟式山藥收獲機包括主框架、可升降移動的活動框架、活動框架上設置挖掘鏟導向架、挖掘鏟導向架安裝可以上下移動的挖掘鏟。主框架由矩形上、下框架和上下框架間的導向支柱構成，導向支柱設置于主框架的左右兩側，每側設置2個，既是上下框架的支撐，又是活動框架上下移動的導向柱?；顒涌蚣芷叫杏谏舷驴蚣埽c固定其上的“V”字形的挖掘鏟導向架處于主框架內。上框架頂部中心設有立柱，立柱頂端拐臂與活動框架之間安裝第一油缸?；顒涌蚣艿目虮谂c導向支柱上的滑套相固接，在第一油缸作用下，活動框架及固定其上的挖掘鏟導向架在主框架內可以上下移動。挖掘鏟導向架的上縱梁與挖掘鏟上縱梁之間安裝第二油缸，用于挖掘鏟的上下移動進行挖掘收獲作業(yè)。挖掘鏟上縱梁兩端具有導向桿，導向桿在挖掘鏟導向架立臂導向槽板中，挖掘鏟在第二油缸作用下沿導向槽板上下移動。挖掘鏟是由4～10塊平板鏟相間隔的并排構成的一組排鏟，兩對挖掘鏟導向架之間中心設置縱向分土板，分土板主視圖形狀為箭頭狀，分土板與其上第三油缸相連接，分土板用于挖掘山藥后的破土填溝。

1.1.5 水沖式山藥收獲機。信登榜、劉桂芳設計的山藥收獲機利用高壓水泵沖洗的方式獲得山藥，有效地降低了勞動強度，保證了山藥的完整性。這種山藥收獲機收集山藥的筒內設有噴水管，噴水管下端的噴嘴傾斜向下，與筒體的中心線夾角為30°～60°，水流經噴嘴沿筒體內壁切線方向斜向下噴出，所有噴嘴噴出的高壓水流在山藥的周圍形成環(huán)形的水流，既可沖刷山藥周圍的土壤又不損傷山藥。筒內還設有回水管，回水管下端的吸嘴與噴水管下端的噴嘴相向，且與筒體的中心線夾角為30°～60°，吸嘴將沖刷后的泥水吸出，經沉淀過濾后再經噴水管由噴嘴噴出；在筒內的下端設置外徑大于筒內外徑的延長部，使得在土壤中沖刷出來的空間大于筒體，收獲山藥結束更容易將筒體取出。

1.1.6 山藥挖掘機撥土裝置。陳玉軍設計的山藥挖掘機撥土裝置其中的撥土叉將山藥挖掘機鏟起的土層的上部撥開，免除了人工撥土的繁瑣勞累。

山藥挖掘機撥土裝置包括機架，機架上安裝撥土動力裝置，曲柄滑塊運動裝置和撥土叉。曲柄滑塊運動裝置與撥土動力輸出端固定連接的曲柄軸，曲柄軸的另一端固定安裝著曲柄，曲柄上安裝連桿，連桿上安裝一個滑塊，機架上設置和滑塊相配的導槽，連桿與撥土叉固定相連。為便于調節(jié)撥土叉的桿長，連桿上設有撥土叉調節(jié)套，叉套裝在撥土叉調節(jié)套內，撥土叉調節(jié)套上安裝撥土叉緊固螺釘。撥土叉包括叉身，叉身上設有叉齒套，叉齒套上安裝有叉齒緊固螺母。

1.2 國外山藥收獲機械的研究現狀

20世紀40年代初，前蘇聯、美國、荷蘭、加拿大等國就開始設計與推廣農用機械，用于收獲花生、馬鈴薯等農作物，70年代主要研制自走式大功率塊莖類作物聯合收獲機械。在亞洲，20世紀60年代日本開始對山藥、胡蘿卜等根莖類收獲機械的研究，并在90年代末生產了小型根莖類收獲機。

2 現役山藥收獲機存在的問題

目前，山藥收獲機主要存在的問題是農機與種植環(huán)境脫節(jié)、收獲功能不完善等方面。

2.1 農機與種植環(huán)境脫節(jié)

山藥的收獲方式受到山藥種植的地理環(huán)境直接影響，因此山藥種植的地理環(huán)境也是山藥收獲機設計的重要依據。目前滿足北方平原大面積種植的山藥收獲機不能在南方部分地區(qū)靈活行走，無法滿足南方丘陵、山地等復雜地形的收獲工作。南方的山藥種植區(qū)域大部分在山地、丘陵地區(qū)，這些特殊的種植環(huán)境，使得山藥收獲機適應較多的地理區(qū)域，所以農機與種植環(huán)境脫節(jié)問題在山藥收獲機的研發(fā)中顯得尤為重要。

2.2 收獲功能不完善

山藥需要經過挖土、拾取、去土等一系列步驟，目前的山藥收獲機只能實現開溝的功能以方便農民撿拾，無法機械化地實現挖取山藥和山藥去土的復雜工序。在這種半機械化的情況下，仍然會出現誤傷、漏收以及工作效率低下的狀況。

3 山藥機械化收獲的主要影響因素

我國的山藥產業(yè)仍處于起步階段，與大豆、玉米、馬鈴薯等早期大力發(fā)展的作物相比，其機械化收獲水平還比較低。究其原因，其主要影響因素有以下三方面：

3.1 對山藥收獲機械化缺乏信心

山藥收獲時容易損傷，所以人們長久以來都僅采用人工收獲的方法收獲山藥。人們主觀認為，山藥的生產是一種只能耗費大量人工的產業(yè)，如果采用機械化收獲會影響山藥的質量，手工生產能夠達到機械化作業(yè)無法達到的水平。

3.2 我國的國情較為特殊

目前中國的農村人口仍然較多，勞動力投入的成本就相對較低，這導致人們對山藥收獲機械化不夠重視，農機研發(fā)的人員更愿意將精力集中在大田谷物的收獲機械上。

3.3 我國幾大山藥主產區(qū)南北方的種植環(huán)境存在較大差異

南方山藥的種植區(qū)域以山地丘陵為主，地理環(huán)境較復雜，農機與種植環(huán)境嚴重脫節(jié)。

4 結語

推進我國山藥收獲機械化的發(fā)展可以從以下四個方面開展工作：

4.1 山藥收獲機械化的宣傳

從限制山藥收獲機械化的主觀因素入手，摒棄山藥采用手工生產觀念，加大對機械化生產的宣傳力度，提高對山藥生產機械化的認識，增強對機械化收獲的信心。

4.2 山藥物理特性的研究

山藥收獲機械產品研發(fā)的首要環(huán)節(jié)就是對山藥物理特性的研究，通過對山藥的幾何形狀特征（長短、粗細等）、物理特性（抗拉強度、拔取力等）、種植生長（深度、間距等）等的研究，可以在山藥收獲機械的設計研發(fā)時，對關鍵機構參數的選取設定提供有力的理論數據。

4.3 農藝結合農機的研究

（1）要針對我國山藥收獲方面存在的問題，吸取國外已有的機械設備和研發(fā)經驗，研制滿足我國各地區(qū)農藝要求的山藥收獲機械；（2）要鼓勵山藥機械化收獲的研發(fā)工作，最好能夠針對山藥收獲機械的研究開發(fā)專題立項，并加大對其資金投入，推進農機農藝技術融合，培養(yǎng)出適宜于機械化收獲的山藥品種，因地制宜地選擇優(yōu)良品種和種植技術，同時改變栽培模式以適應機械化收獲，研發(fā)與農藝相融合的收獲機械。

4.4 機械結構的優(yōu)化設計

目前市場山藥收獲機械的體積結構龐大復雜、耗費材料大、價格高昂，經濟收入較低的農民普遍不具有購買力，因此需要將制造成本最大程度地降低。在滿足山藥收獲機基本功能的前提下，設計出簡單實用的機型，以滿足廣大的市場需求。同時，現代機械設計先進的理論與方法為山藥收獲機械的結構改進創(chuàng)新提供了途徑，CAD/ANSYS等軟件功能的完善以及優(yōu)化理論的研究，為機械的設計仿真提供了技術平臺，讓山藥收獲機械的優(yōu)化有基礎。

參考文獻

[1] 聶文清.廣西山藥產業(yè)發(fā)展的研究[D].廣西大學，2012.

[2] 糜南宏.山藥、牛蒡種植、收獲機械及全國種植面積的分布狀況[J].江蘇農機化，2006，（2）.

[3] 宋洋，張翔.我國淮山收獲機械的研究現狀與趨勢

[J].福建農機，2014，（4）.

[4] 李壘，李善文.多功能山藥收獲機[P].江蘇：CN103609242A，2014-03-05.

[5] 倪凡喜.山藥收獲機[P].山東：CN202551677U，2012-11-28.

[6] 薦世春，孔凡祝，孫志民，秦喜田，付君，李英治.液壓驅動垂直升降式山藥收獲機[P].山東：CN102870542A，2013-01-16.

[7] 薦世春，馬繼春，孔凡祝.圓錐螺旋鉆管式山藥收獲機[P].山東：CN102132647A，2011-07-27.

[8] 王福勝，王杰，由振香.一種液壓叉鏟式山藥收獲機[P].山東：CN102640616A，2012-08-22.

作者簡介：閆帥華（1994-），男，徐州工程學院本科學生，研究方向：機械設計制造及自動化。

（責任編輯：周 瓊）