李勝兵,李 驊,齊新丹,李博竑,丁元庚

(1.南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816；2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 江蘇 南京 210031；3.南京農(nóng)業(yè)大學 工學院，江蘇 南京 210031)

隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，我國已成為世界上主要的大蒜生產(chǎn)國和出口國[1]，近年來，隨著人們的生活水平的提高，對健康綠色食物的要求也越來越高。大蒜作為人類日常生活中不可缺少的調(diào)料，同時具有殺菌、排毒、降低血糖、預(yù)防癌癥等功能[2-3]，市場對于大蒜的需求量越來越多。據(jù)統(tǒng)計，我國的大蒜種植面積超過64萬hm2，占全球大蒜種植面積的60%以上，出口量約占全球總量的80%，是我國國家貿(mào)易的主要農(nóng)產(chǎn)品之一[4]。但目前大蒜生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)中的收獲作業(yè)仍主要靠人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低且勞動成本高。因此，實現(xiàn)大蒜收獲機械化具有重要的意義。

推進大蒜收獲機械化，不僅能夠降低勞動成本，減輕勞動強度，增加收獲效率，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對大蒜種植產(chǎn)業(yè)的智能化管理。我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，大蒜的種植和收獲消耗過多的農(nóng)時、占用大量勞動力，發(fā)展大蒜收獲機械化不僅促進了我國農(nóng)村農(nóng)業(yè)的發(fā)展，而且直接增加蒜農(nóng)的收入。本文通過對國內(nèi)外大蒜收獲機研究現(xiàn)狀進行歸類綜述及展望，為大蒜收獲機械化進一步發(fā)展提供參考。

1 大蒜收獲機的應(yīng)用現(xiàn)狀

大蒜作為根莖類作物，主要由根、假莖、葉、花薹、鱗莖等5個部分組成，由于蒜葉部分比較長，作業(yè)強度大，大蒜在收獲時，容易對蒜頭造成損傷。目前，國內(nèi)外采用的機械式收蒜方法有2種，主要為分段式和聯(lián)合式。分段式大蒜收獲主要是能夠進行大蒜的挖掘、去土、平鋪等功能，后期需要進行人工的撿拾、切莖、切須、收集等作業(yè)[5]。此種方式效率高，應(yīng)用面積廣，而且機型的造價較低。聯(lián)合式大蒜收獲包括完成大蒜的挖掘、去土、夾持輸送、切莖和自動收集等功能，整個過程自動化程度較高，有效地解決了中小型大蒜種植戶勞動強度大、作業(yè)效率低、勞動成本高等實際問題，適合大面積推廣。

1.1 分段式大蒜收獲機

國外的大蒜種植面積相比于我國較少，針對大蒜單品種收獲的機型較少，大部分機型都能夠兼收大蒜、胡蘿卜、土豆等根莖類農(nóng)作物，其中分段式收獲模式主要是以歐美和亞洲少數(shù)國家為主。典型的有美國TopAir公司生產(chǎn)的GW4400四行大蒜挖掘機和GL2400兩行大蒜撿拾機[6]，前者對大蒜進行挖掘、去土，后者完成大蒜的收集，2種機型配套作業(yè)，大大提高大蒜收獲效率，適合大面積作業(yè)，但大蒜收獲時需要2種機型協(xié)同作業(yè)，主要針對于大蒜大規(guī)模種植戶。日本Sasaki公司研制了一款分段式收獲機[7]，該機主要與切秧機配套使用，通過切秧機將大蒜的蒜秧切除，然后通過分段式收獲機實現(xiàn)大蒜的挖掘和去土等功能，該款機型所花費的成本較高、效率較低，不能滿足中小型大蒜種植戶的需求，不適宜進行大面積推廣。荷蘭Michigan公司生產(chǎn)了一款PH-2型花生分段收獲機[8]，兼收大蒜等根莖類作物，能夠?qū)崿F(xiàn)根莖類作物的挖掘、去土及鋪放等工序。

由于國內(nèi)大蒜機械化收獲起步較晚，大多數(shù)收獲機僅能實現(xiàn)大蒜的挖掘去土和蒜莖的切除，整個收獲機自動化程度較低。王利遠等[9]研制了一款三行分段式大蒜收獲機(圖1)，它能夠一次性完成大蒜的挖掘、夾持輸送、打捆及田間鋪放等作業(yè)，并通過田間試驗得知，整機生產(chǎn)效率為0.1 hm2/h,能達到的漏蒜率為1.9%，對大蒜的損傷為0.58%，各項指標達到設(shè)計標準，而且能夠適應(yīng)不同地區(qū)的作業(yè)模式。

1.變速箱;2.傳動錐齒輪;3.打捆機構(gòu);4.限深臂;5.夾持機構(gòu);6.限深輪;7.挖掘立軸;8.挖掘旋轉(zhuǎn)刀盤;9.手扶拖拉機。圖1 分段式大蒜收獲機

濟寧市農(nóng)機推廣站和山東山礦機械有限公司聯(lián)合研制一款分段式大蒜收獲機[10]，主要通過對關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及性能實驗，實現(xiàn)大蒜的挖掘、去土、夾持輸送等功能，整機作業(yè)幅寬54 cm，采用拖拉機牽引式作業(yè)，生產(chǎn)率為0.05～0.10 hm2/h,能實現(xiàn)損失率低于3%，傷蒜率低于1%，且結(jié)構(gòu)輕巧、操作簡便。但該機在工作過程中容易造成壓蒜問題。山東省金鄉(xiāng)縣農(nóng)機局研制一款4DS-1000型大蒜挖掘機[11]，作業(yè)行數(shù)為4行，整個作業(yè)幅寬為1000 mm，整機配套動力為8.8～13.5 kW，對大蒜的損傷率低于2%，漏挖率低于2%，生產(chǎn)效率達到0.1 hm2/h,同時該機采用旋轉(zhuǎn)式挖掘刀具，有效地解決了地膜纏繞問題，能夠完成大蒜的挖掘、輸送和鋪放等作業(yè)，采用液壓方式控制挖掘鏟的升降，能夠自動調(diào)節(jié)根深，前后撥禾器結(jié)構(gòu)解決了拖拉機壓蒜問題。但該機需要與泰山-12型拖拉機的牽引下作業(yè)，整體結(jié)構(gòu)較大，不易于操作。江蘇大學農(nóng)業(yè)工程研究院聯(lián)合江蘇宇成動力集團有限公司主要針對目前市場現(xiàn)存在的一些典型的分段式大蒜收獲機進行了大田試驗[5]，通過試驗研究了振動挖掘裝置的挖掘速度、整機的行走速度和輸出軸轉(zhuǎn)速對收獲性能的影響，為今后分段式大蒜收獲機的研制提供技術(shù)參考。

1.2 聯(lián)合式大蒜收獲機

日本、韓國和一些西歐國家以聯(lián)合式收獲方式為主，主要針對的是大蒜中小型規(guī)模種植。代表機型有法國ERME公司生產(chǎn)的切秧式和打捆式大蒜聯(lián)合收獲機[6]，其中打捆式收獲機包括單行、兩行作業(yè)的機型，能夠?qū)崿F(xiàn)大蒜的挖掘、夾持輸送、蒜莖的打捆，但后期需要人工進行撿拾和切莖等作業(yè),勞動強度較大。切秧式收獲機在拖拉機的牽引下，能夠完成大蒜挖掘、清土、輸送、蒜秧切除、收集入袋等作業(yè)，收獲行數(shù)主要有單行、3行、4行和5行。日本洋馬公司研制了一款HZ-1型大蒜聯(lián)合收獲機[7]，整機單行作業(yè)，能完成扶禾、大蒜挖掘、輸送、蒜秧的切除、蒜須的切斷、蒜頭的收集等，但該機型收獲的蒜頭含土量較多，作業(yè)效率較低。西班牙寶奇(J. J. Borch)公司研制了一款單行切秧式大蒜聯(lián)合收獲機[7]，該機在拖拉機的牽引下作業(yè)，動力為51.45 kW，整機易于操作且自動化程度較高。但該機不能完成蒜頭的收集和須根的切除，后期需要人工進行撿拾和切須。

我國是世界大蒜的主要生產(chǎn)國，大蒜種植區(qū)主要分布在以江蘇省徐州市為中心的蘇、魯、豫3省，大蒜種植范圍較廣，針對目前國內(nèi)大蒜生產(chǎn)現(xiàn)狀，也有不少研究人員研發(fā)過此類的機型，其中農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所和江蘇泰州宇成動力集團有限公司聯(lián)合研制一款4DLB-2型半喂入自走式大蒜聯(lián)合收獲機[12](圖2)，并成功探索出一套適合該機型的寬窄行種植模式，能夠有效地解決收獲機工作時壓蒜問題，但收集裝袋的蒜頭需要人工后期進行切須根作業(yè)。

1.分禾器;2.扶禾器;3.挖掘鏟;4.限深板;5.夾持輸送機構(gòu);6.清土機構(gòu);7.對齊切秧機構(gòu);8.底盤行走機構(gòu);9.刮板輸送帶;10.風機;11.清選篩;12.秧蔓輸送帶;13.秧蔓拋送帶;14.操作臺。圖2 4DLB-2型半喂入自走式大蒜聯(lián)合收獲機

徐州市農(nóng)機技術(shù)推廣站研發(fā)的4S-85型全喂入自走式大蒜聯(lián)合收獲機[13]，該機型與東風-12型手扶拖拉機配套作業(yè)，整機質(zhì)量達到730 kg，工作幅度為850 mm，作業(yè)深度最大為12 mm，生產(chǎn)率達到0.2 hm2/h，挖凈率能達到97%，損傷率低于2%，適合在不同類型的土壤上作業(yè)，能夠兼收花生、大蒜、土豆等根莖類作物。但該機主要采用焊接工藝制作而成，不易于更換零部件。

魯東大學馬凱等[14]研制了一款大蒜全自動聯(lián)合收獲機(圖3)，其中設(shè)計了一種全自動網(wǎng)眼編織袋封裝裝置，能夠完成對蒜頭須根的切除，實現(xiàn)無人工輔助自動收集裝袋等功能，通過田間試驗，整機收獲效率為0.04 hm2/h。但該機整體結(jié)構(gòu)較大，在工作過程中會出現(xiàn)壓蒜問題。

1.拔草叉;2.夾持傳送裝置;3.夾蒜翻轉(zhuǎn)機械手;4.根莖切除裝置;5.輸蒜傳送帶;6.電磁開關(guān)放料口;7.網(wǎng)眼編織袋自動封裝裝置;8.夾持變排傳送裝置;9.傳動軸;10.變向齒輪箱;11.仿生魚鰭挖掘鏟。圖3 大蒜全自動聯(lián)合收獲機

徐文藝等[15]針對目前國內(nèi)大部分地區(qū)大蒜種植模式的不同，研制了一款適合中小型地塊的小型大蒜聯(lián)合收獲機(圖4)，該機采用履帶式行走裝置，能夠滿足大多數(shù)地區(qū)濕軟耕層的收獲需求，整機結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡便。但該機生產(chǎn)效率較低，且切割的蒜莖留存長度不一致，后期還需要人工進行切莖。

1.扶禾器;2.限深裝置;3.挖掘鏟;4.機架;5.夾持裝置;6.底盤;7.升降支架;8.發(fā)動機;9.變速箱;10.蒜秧定位裝置;11.橫向輸送裝置;12.切割裝置;13.液壓油箱;14.座椅;15.操作手柄。圖4 小型大蒜聯(lián)合收獲機

2 大蒜收獲機關(guān)鍵部件的研究現(xiàn)狀

大蒜收獲機主要由扶禾裝置、大蒜振動挖掘裝置、夾持輸送裝置、去土裝置、切割裝置、蒜頭收集裝置及其一些零部件組成。對于如何在小型地塊進行機械化收獲，不少學者針對收獲機上一些關(guān)鍵部件進行了大量的研究，通過對收獲機上關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計，從而來提高整機的收獲性能。

2.1 振動挖掘裝置

振動挖掘裝置是整個收獲機的核心部件，它能夠?qū)ν寥缹舆M行破壞，實現(xiàn)蒜頭和部分土壤的分離，其入土的角度影響整個收獲機的前進阻力。減小機具的行進阻力、降低對蒜頭的損傷是目前振動挖掘鏟的研究重點和技術(shù)難點。邢立冉等[16]設(shè)計了一種利用偏心振動連桿機構(gòu)(圖5)，該機構(gòu)實現(xiàn)挖掘鏟的振動，增加了收獲機的性能，減少牽引阻力，減少了能耗。

圖5 偏心振動機構(gòu)

吳彥強等[17]提出了一種圓盤式大蒜挖掘裝置，通過三因素正交試驗得出圓盤的最佳工作參數(shù)，且使用該挖掘裝置挖掘率為99.56%，傷蒜率為1.57%。辛杰[7]通過研究大蒜種子的物理特性，設(shè)計了大蒜聯(lián)合收獲機的挖掘裝置，并通過EDEM仿真優(yōu)化了大蒜挖掘鏟。劉建軍等[18]通過對4HSHW-1400型大蒜收獲機振動分離裝置進行了動力學和運動學的分析，得到裝置的運動參數(shù)與設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系，為大蒜收獲機的研制提供了參考。

2.2 夾緊輸送裝置

夾緊輸送裝置能夠完成自動對行、對齊切莖、夾持輸送等功能，其中自動對行、對齊切莖且保持大蒜在輸送過程中無損傷，既是整個夾持輸送裝置的研究重點也是技術(shù)難點。陳翠娟[19]通過三維軟件建模并利用ADAMS仿真分析大蒜打捆收獲機，設(shè)計一種更有利于傳送橫向輸送帶。于昭洋等[20]設(shè)計了夾緊輸送裝置(圖6)，大蒜的夾緊方式從鏈條夾緊變?yōu)殒湴迨桨l(fā)夾，這種結(jié)構(gòu)降低了大蒜鱗莖接觸螺旋欄桿時的沖擊力，從而有效地解決了大蒜鱗莖受傷的問題。

1.夾持鏈;2.彈簧壓桿;3.前導軌;4.毛刷;5.中間導軌;6.鏈輪。圖6 夾緊輸送裝置結(jié)構(gòu)圖

辛杰等[21]通過分析大蒜的種植模式研制了一款柔性夾持輸送裝置(圖7)，有效地解決了大蒜在夾持輸送過程中對蒜頭損傷問題。

1.從動齒輪;2.后端從動帶輪;3.主動帶輪;4.主動齒輪;5.液壓馬達;6.輸送帶;7.夾緊輪;8主框架;9.張緊裝置;10.前端從動輪。圖7 柔性夾持輸送裝置

2.3 切割裝置

大蒜作為根莖類作物，大小各異，同時蒜的表皮比較細嫩，在切割過程中容易對蒜頭造成損傷，如何低損高效進行蒜根切除是大蒜機械化收獲技術(shù)難點。Krishna等[22]研制了一種挖掘單元由V形刀片組成的4排拖拉機操作的大蒜收割機，用于機械收割大蒜，有效地實現(xiàn)了蒜秧和蒜頭的分離。于昭洋等[23]設(shè)計了一款大蒜聯(lián)合收獲果秧分離裝置，并對該裝置進行參數(shù)優(yōu)化，經(jīng)過試驗驗證切痕合格率為98.29%，損傷率為2.23%，同時設(shè)計了一種大蒜聯(lián)合收獲根切試驗臺(圖8)，有效地解決了切根清除率低的問題。

1.夾持輸送機構(gòu);2.排序-對齊機構(gòu);3.蒜體導板;4.電機;5.浮動切根機構(gòu);6.前旋轉(zhuǎn)切刀;7.毛刷輥。圖8 大蒜根切試驗臺

馬凱等[14]設(shè)計了一種根莖切除裝置(圖9)，其中設(shè)計的仿形定位料杯與浮動柔性彈簧切根刀精準的配合，彈簧根據(jù)蒜頭大小自適應(yīng)地控制刀具，實現(xiàn)對須根和蒜莖的切除。

山東理工大學嚴紀蘭[24]開展了基于PLC控制的大蒜根須切除設(shè)備的研究，該設(shè)備工作臺采用PLC控制系統(tǒng)，并通過SolidWorks對大蒜根須切除設(shè)備進行建模并導入到ADAMS中建立虛擬樣機模型，并對部分零部件進行動力學和運動學仿真，為今后大蒜收獲機的研制提供了理論基礎(chǔ)研究。

1.切根刀具定制電機;2.柔性彈簧;3.定位滑板;4.帶耳鏈條;5.仿形料杯輸送電機;6.切根刀定制電機;7.仿形定位料杯;8.切莖圓盤刀;9.浮動柔性彈簧切根刀具。圖9 根莖切除裝置結(jié)構(gòu)

3 總結(jié)與展望

通過對國內(nèi)外大蒜收獲機的分析可知，目前我國在大蒜收獲機械化取得了一定成果，但現(xiàn)有的大蒜收獲機還不能完全滿足中小型大蒜種植戶的需求，研究的大蒜收獲機大都僅能單獨實現(xiàn)大蒜的挖掘、去土和蒜莖的切除作業(yè)，聯(lián)合收獲機的自動化程度較低，相關(guān)的技術(shù)和設(shè)備還處于初、中級發(fā)展階段，與國外技術(shù)水平相比還有很大的差距。綜上所述，未來大蒜收獲機的發(fā)展趨勢如以下幾點。

(1)統(tǒng)一大蒜種植技術(shù)，規(guī)范大蒜種植農(nóng)藝。結(jié)合我國大蒜種植特點和土壤條件，研究與制定與大蒜播種、收獲機械研發(fā)有機融合的關(guān)鍵農(nóng)藝技術(shù)，不僅滿足大蒜播種和收獲機械操作的株行搭配、種植方式和田間布局的研究，而且能夠集成適宜大蒜機械化種植和收獲的“宜機化”種植技術(shù)體系。

(2)采用新型材料制造大蒜收獲機的關(guān)鍵部件。新型材料作為現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的先導，應(yīng)用范圍較廣。將新型材料應(yīng)用到大蒜收獲機的研制中，能夠降低關(guān)鍵部件，如大蒜振動挖掘裝置、切割裝置等磨損程度，提高強度，同時能夠提高整個收獲機的工作穩(wěn)定性，降低整機的自重，從而提高整機的收獲效率和工作性能。

(3)發(fā)展自動化、輕量化及智能化的大蒜收獲機。由于大蒜收獲時，大蒜收獲期短，且蒜農(nóng)雇傭工人平均人工費高達15000元/hm2，導致大蒜生產(chǎn)成本增加，蒜農(nóng)收入下降，研制自動化水平高的收獲機能夠大大縮短收獲時間，搶占農(nóng)時，解決大蒜因長時間滯留田間而造成蒜頭損傷的難題，同時能夠降低勞動成本，符合廣大中小型大蒜種植戶的迫切需求。目前國內(nèi)外現(xiàn)存的大蒜收獲機型大都體型龐大，不易于操作，涉及智能化方向較少，但隨著當今世界科技的發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)正在朝著智能化方向發(fā)展，融合多傳感器融合的現(xiàn)代科學技術(shù)，能夠推進大蒜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

(4)提高國內(nèi)大蒜收獲機的自主創(chuàng)新，減少投入成本。目前,我國研制的大多數(shù)收獲機是從國外引進的機型進行改造后反向設(shè)計，大多數(shù)機型都處于樣機試驗階段，穩(wěn)定性不高，無法應(yīng)對我國復雜的農(nóng)田作業(yè)環(huán)境。且由于我國大蒜的種植技藝與規(guī)范和國外不同，直接引進的機型不能直接進行使用，無法進行大范圍的推廣。其次，國外直接引進的機型大都價格昂貴，一般都十幾萬或幾十萬不等，一般的普通中小型大蒜種植戶根本無購買力。綜上所述，提高自主創(chuàng)新能力，研制適合我國國情的大蒜收獲機，不僅為我國大蒜機械化收獲提供性價比高的技術(shù)裝備，同時也是我國大蒜收獲機械市場化發(fā)展的必然趨勢。