王淑紅, 高愛民, 孟養(yǎng)榮, 劉鵬霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院,甘肅 蘭州 730070)

馬鈴薯是繼小麥、稻谷和玉米后全球最重要的糧食作物,在世界上160多個國家和地區(qū)種植,而中國是目前世界上馬鈴薯總產(chǎn)量最多的國家。截止到2021年,我國馬鈴薯年種植面積和產(chǎn)量分別在460.6萬hm2和1 830.9萬t,均占世界首位[1]。馬鈴薯除被用作食用作物外,還被廣泛應用于畜牧食料和工業(yè)生產(chǎn)原材料。馬鈴薯的種植面積隨著其應用價值的逐步挖掘而不斷增加,但大面積的種植使得馬鈴薯收獲成為了一個難題[2,3]。

本文從馬鈴薯機械化收獲技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀入手,分析了馬鈴薯機械化收獲技術的發(fā)展過程,總結(jié)了現(xiàn)有的馬鈴薯收獲技術,并對馬鈴薯收獲機的未來發(fā)展方向進行展望,以期待為馬鈴薯機械化收獲的進一步發(fā)展提供借鑒。

1 馬鈴薯收獲機國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外馬鈴薯收獲機發(fā)展現(xiàn)狀

馬鈴薯原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈,最開始的種植方式以人工鋪放為主,后由牲畜代替了部分人工作業(yè)。20世紀40年代,隨著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,馬鈴薯機械化生產(chǎn)逐漸成熟,第一臺拖拉機的問世更是直接推動了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,推動機械化代替畜牧與人力完成馬鈴薯的部分作業(yè)。20世紀50年代,歐美等發(fā)達國家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)鏈逐漸形成,馬鈴薯作業(yè)全過程也已基本實現(xiàn)機械化。馬鈴薯收獲機由傳統(tǒng)的人力、畜力發(fā)展到牽引式再發(fā)展到自走式一體聯(lián)合收獲機[4]。

AVR公司的Spirit6200牽引式馬鈴薯收獲機,不僅采用了兩級主篩網(wǎng)過濾馬鈴薯,而且通過加裝站臺、料斗底部安裝升運鏈實現(xiàn)了人工雜物清理和邊卸料邊收獲,節(jié)省了作業(yè)時間[5]。

格立莫公司的VENTOR4150型自走式馬鈴薯收獲機,作業(yè)寬度達到3 m,作業(yè)過程中,可完成任意角度靈活轉(zhuǎn)彎;設置了偏移車轍行駛功能,能夠減少對馬鈴薯的碾壓[6]。還安裝了電子智能監(jiān)控系統(tǒng),可實時反饋關鍵部件的信息,智能化程度較高。

美國多寶路公司的Double-L973型馬鈴薯回流收獲機,配備了回流收獲技術,大大提高了收獲過程的清潔能力,提高了收獲效率;采用最短的側(cè)提升機,具有可靠、耐用和適應能力強等特點,是當今馬鈴薯磕碰損傷最低的收獲機[7]。

意大利F.LLISPEDO公司的F.LLI SPEDO Modello CPP-BD系列馬鈴薯收獲機,采用三點懸掛系統(tǒng)與拖拉機連接,寬度可調(diào)節(jié),能一次性完成馬鈴薯挖掘、薯秧分離、挑揀、裝箱等作業(yè),適用于平坦地塊和丘陵山區(qū)[8]。

國外研發(fā)的馬鈴薯收獲機在生產(chǎn)效率、技術水平、機械化程度方面有了很大的提高,但是由于技術成本過高、運輸距離遠、時間長且售后服務效率低,導致其價格高昂、使用率低下。

1.2 國內(nèi)馬鈴薯收獲機發(fā)展現(xiàn)狀

我國早期的馬鈴薯收獲主要以人工或半機械化收獲為主,隨著馬鈴薯種植面積與人工成本的不斷增加,對馬鈴薯機械設備的需求量也在逐步提高,推動了馬鈴薯機械產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。

國內(nèi)在馬鈴薯收獲的機械化發(fā)展起步于20世紀60年代,國內(nèi)各大高校及研究機構(gòu)開始了對馬鈴薯收獲機的研制。甘肅農(nóng)業(yè)大學[9]研制的4U-1400型牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機,采用圓盤切刀,在作業(yè)中切開雜草和土塊,減輕了土薯分離裝置的負擔;通過二級升運裝置,對土薯混合物進一步分離,降低了含雜率。該機具操作簡單、穩(wěn)定可靠,一次進地可以完成挖掘、土薯分離、裝袋等多道工序,極大程度地提高了收獲效率。

甘肅省洮河拖拉機制造有限公司制造的馬鈴薯挖掘收獲機,可一次性完成挖掘、土薯分離和邊收獲邊裝車等作業(yè)環(huán)節(jié),實現(xiàn)了復式薯塊土壤雜物分離;在集薯卸載裝置末端加用雙層柔性聚乙烯緩沖帶,極大程度減少了傷薯率。

希森天成制造的 4ULZ-170 型馬鈴薯聯(lián)合收獲機,屬于牽引式的一種,作業(yè)時通過分離裝置輸送和抖動,將大部分的土壤抖落到地面,從而完成土薯分離;其升運裝置具有伸展功能,高度可根據(jù)運輸車的高度以及運輸車中物料的狀態(tài)進行靈活調(diào)整[10]。

中機美諾公司制造的1710B馬鈴薯聯(lián)合收獲機,采用了兩級輸送分離裝置的強制振動,提高了薯塊與雜物的分離率;采用了浮動圓盤,更有效地切斷雜草,避免了因雜草過多導致挖掘阻力增大而降低挖掘鏟的壽命[11]。

青島洪珠4U-170B型馬鈴薯收獲機采用S型篩選裝置,明薯率高、破皮率低;采用全懸掛雙升運鏈式結(jié)構(gòu),可一次性完成仿形限深、挖掘、切秧、分離升運和放鋪集條作業(yè)[12]。該機既適用于黏性土層的收獲,也適用于沙性土層的收獲。

國內(nèi)馬鈴薯生產(chǎn)全過程機械化技術逐漸趨于成熟,形成了較為完整的體系,但在智能化、多功能集成化、多級輸送和升運裝置可折疊方面還存在一些可優(yōu)化發(fā)展的地方,仍需加大科研投入和支持力度。

2 馬鈴薯機械收獲的重要性及基本條件

2.1 機械收獲的重要性

隨著馬鈴薯的價值被越來越多的人認可,種植面積也在不斷增加,無論是在用工量上還是在勞動強度上,傳統(tǒng)的馬鈴薯收獲方式都不能滿足。同時對于馬鈴薯來說,其本身的收獲期短,需要大量人工參與,但隨著農(nóng)村勞動力的不斷流失,人工成本逐漸增加,因此馬鈴薯機械收獲的需求越來越強烈。馬鈴薯機械收獲的實現(xiàn)既能提高收獲效率,又可以解決勞動強度高的問題。

2.2 機械收獲的基本條件

2.2.1 土壤濕度

馬鈴薯收獲時環(huán)境中土壤的濕度會影響作業(yè)效率,土壤濕度過低會導致土壤過硬,從而增大挖掘鏟作業(yè)的阻力,降低挖掘鏟的壽命。土壤的濕度過高時土壤較為粘稠,既不利于土薯分離,又會附著在收獲機的工作部件上,降低收獲效率[13]。

2.2.2 地塊平整度

地塊平整是保證馬鈴薯收獲效率高、工作質(zhì)量好的基本條件之一[14]。地面有凹坑、石塊等障礙物時,不僅會影響馬鈴薯收獲機的行駛速度,降低收獲效率,還會導致挖掘深度不一致,出現(xiàn)漏薯和損傷馬鈴薯塊莖等問題。

2.2.3 種植深度

馬鈴薯的理論種植深度在15～20 cm。種植深度過淺,馬鈴薯難以吸收成長所需要的營養(yǎng)物質(zhì),不利用馬鈴薯的生長;種植深度過深,又會影響馬鈴薯收獲機的作業(yè)效率[15]。

2.2.4 種植間距

馬鈴薯收獲機作業(yè)時,如果相鄰馬鈴薯的種植間距過小,就會影響收獲機在田間行走,也會對馬鈴薯的塊莖造成機械損傷;種植間距過大,會導致土地利用率過低,降低馬鈴薯的總產(chǎn)量[16-17]。綜合以上情況,最適合馬鈴薯種植的方式是寬窄行密植,既能保證馬鈴薯的產(chǎn)量,又能便于馬鈴薯收獲機的作業(yè)。

3 馬鈴薯收獲機關鍵部件的研究現(xiàn)狀

3.1 馬鈴薯挖掘部件

挖掘部件是馬鈴薯收獲過程中的核心部件,作業(yè)時,需要避免裝置纏草的情況,以保證能夠最大程度地挖掘出土壤中的馬鈴薯;還需要減少土薯分離裝置的負擔,以進一步保證馬鈴薯有較低的含雜率[18]。為便于將馬鈴薯從土壤中挖出,在整機設計時挖掘鏟常被置于收獲機的最前端。目前根據(jù)鏟面形狀不同可將挖掘鏟分為三角平面鏟、條形平面鏟、凹形曲面鏟和凸型曲面鏟等類型[19-20]。

3.1.1 三角平面鏟

三角平面鏟的鏟面設置為三角形,能有效減少鏟尖與土壤的接觸面積,從而減少挖掘鏟的阻力,提高挖掘鏟的壽命[21]。常用螺栓與挖掘鏟架連接,這種連接方式能精確固定被連接件的相對位置,對加工要求較低且裝拆方便。三角平面鏟具有作業(yè)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點,但因其鏟面比較鋒利,在挖掘過程中容易損傷馬鈴薯[22],常被用于重效率輕品質(zhì)的場合。

3.1.2 條形平面鏟

條形平面鏟由于其鏟面形狀設計獨特,能夠保證在完成收獲作業(yè)的前提下盡量減少鏟面與土壤的接觸面積,以此來減輕挖掘鏟承受的阻力影響。常用螺栓與鏟架相連接。條形平面鏟具有結(jié)構(gòu)簡單、便于加工、更換方便等特點。

3.1.3 凹形曲面鏟

凹形曲面鏟一般由上鏟面和下鏟面組成,兩鏟面均為弧形曲面,能夠保證在不損傷馬鈴薯的前提下最大程度地減少鏟面與土壤接觸的面積。凹形曲面鏟的設計增大了鏟入深度,從而增加了馬鈴薯挖掘量[23]。凹形曲面鏟設計通用性強,但制作工藝較為復雜、成本較高且不易于更換,主要應用于大面積種植的地區(qū)。

3.1.4 凸型曲面鏟

凸型曲面鏟的鏟面采用圓弧狀,作業(yè)時,被挖掘鏟挖出的土薯混合物沿著鏟面向后移動并不斷輸送到下一級裝置,雜草和少量的土壤可沿鏟面滑落,減少了土薯分離裝置的負擔[24]。凸型曲面鏟設計結(jié)構(gòu)簡單、制作方便且容易更換,比凹形曲面鏟的應用更廣。

3.2 土薯分離裝置

土薯分離裝置是馬鈴薯收獲機的關鍵部件,直接影響馬鈴薯的品質(zhì)。收獲機挖掘時將土壤與馬鈴薯同時挖出,并輸送至分離裝置上,分離裝置在振動輪的作用下使土薯混合物上下振動,然后將大部分的土壤通過升運鏈間隙篩落至地面,最終實現(xiàn)土薯分離作業(yè)。土薯分離裝置要盡量按照減少與馬鈴薯的摩擦或掉落時降低對馬鈴薯的破壞來設計,以最大程度保證薯塊完整性。馬鈴薯收獲機的土薯分離裝置主要分為柵條分離篩式、拋擲輪式、 振動鏟式三種類型[25-26]。

3.2.1 柵條分離篩式

柵條分離篩式主要適用于大、中型面積的地形作業(yè),工作原理是:分離裝置通過桿條式升運鏈將剛挖出的土薯混合物運送至振動位置,后用強制振動的方式帶動桿條式分離篩運動使土薯混合物上下振動,當雜塊尺寸小于桿條間隙時,就會通過間隙掉落,達到分離雜物的效果[27]。通過此裝置可清除土塊等雜物,裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高等特點。

3.2.2 拋擲輪式

拋擲輪式分離裝置主要適用于黏性土壤或者雜草較多的情況,工作原理是:用凹面挖掘鏟將馬鈴薯從土壤中挖出后將土薯混合物運至一定高度,凹面挖掘鏟上方的旋轉(zhuǎn)拋擲輪指桿將土薯混合物打散,并將處理完畢的馬鈴薯塊拋向一側(cè),形成條堆來防止薯塊過于分散[28-29]。作業(yè)過程中為了防止馬鈴薯的掉落,可在拋擲輪側(cè)面安裝擋簾。拋擲輪式分離裝置因設計結(jié)構(gòu)簡單且制作成本低,在實際收獲作業(yè)中被廣泛應用。

3.2.3 振動鏟式

振動鏟式主要應用于小面積種植馬鈴薯的地區(qū),此裝置主要由振動架、調(diào)節(jié)手柄、分離篩、鉸接臂等部件構(gòu)成[30]。工作原理是:分離裝置通過空間連桿機構(gòu)帶動振動架沿鉸接點做前后、上下往復擺動,振動架擺動時將土壤破碎并使土壤沿分離篩間隙落下,而馬鈴薯塊莖在分離后被推向裝置后方,最后鋪放在田間。振動鏟式分離裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、動力需求小等特點。

4 存在的主要問題及發(fā)展趨勢

4.1 主要問題

4.1.1 聯(lián)合收獲發(fā)展慢,自動化程度低

馬鈴薯收獲機整個生產(chǎn)全過程的實現(xiàn)需要依靠不同裝置,但每種裝置僅能實現(xiàn)殺秧、挖掘或鋪放等單一功能。在收獲薯塊進行撿拾、分級和裝車等作業(yè)時機械化程度低,仍然需大量人工參與,導致作業(yè)時間長、成本高、勞動強度大且效率低。

4.1.2 整體尺寸大,靈活性低

設計馬鈴薯收獲機時,常將挖掘裝置設計成大寬度以滿足多行收獲來減少裝置往返行程。在丘陵山區(qū)小面積區(qū)域種植時,種植區(qū)域形狀接近正方形,如果收獲機尺寸較大,就會導致裝置作業(yè)靈活性低,使收獲效率降低,作業(yè)面積受限。對于裝置不能收獲到的區(qū)域,需要人工收獲,不利于實現(xiàn)馬鈴薯全程機械化。

4.1.3 裝置適應性低

隨著馬鈴薯在國內(nèi)的廣泛種植,不同區(qū)域的種植環(huán)境也不盡相同,設計裝置時需要考慮到區(qū)域特殊性,所以設計出的裝置也具有區(qū)域針對性,難以得到大面積推廣。如進行平原地區(qū)馬鈴薯收獲全過程作業(yè)的裝置難以在丘陵地區(qū)得到應用,還需要對裝置進行深入研究,或者盡量改變種植區(qū)域的性質(zhì),以保證設計出的裝置具有較強的適應性。

4.1.4 土薯分離效率低,破損率高

馬鈴薯收獲機設計的一個核心指標是破損率,當收獲裝置進行挖掘作業(yè)時,挖掘鏟鏟動的速度和鏟面面積會對馬鈴薯的完整性產(chǎn)生影響;當進行土薯分離時,分離裝置的長度以及所用的材質(zhì)也會對馬鈴薯造成一定的損傷,所以一直很難通過提高機械技術達到滿意程度。同時,分離過程中土壤的性質(zhì)和含水量會影響分離效果,收獲時無法不受外界影響。所以提升土薯分離效率、降低薯塊破損率仍然是收獲裝置設計的一個難題。

4.2 發(fā)展趨勢

4.2.1 裝置智能化、多功能化發(fā)展

馬鈴薯收獲期短且工序較為復雜,單個機具難以實現(xiàn)整個流程作業(yè)的要求,收獲馬鈴薯時需要不同的裝置協(xié)同作業(yè)。機具工作過程中需要人工對馬鈴薯進行預處理,后期的馬鈴薯撿拾也需要大量人工參與,這就導致了人力成本和作業(yè)時間的增加。所以多功能一體化的智能化作業(yè)機具研發(fā)成為一個亟需解決的問題,該機具應具備挖掘、土薯分離、秧薯分離和最終裝袋等多個功能。

4.2.2 升運卸載裝置可折疊化

馬鈴薯種植間距小,機械裝置進行多行播種作業(yè),裝置前進或轉(zhuǎn)彎時要具有靈活性,不能碾壓播種坑和薯塊,這就要求裝置體積盡可能減小以增大裝置的靈活運行及轉(zhuǎn)向。馬鈴薯收獲機中的升運卸載裝置主要完成薯塊的輸送裝車作業(yè),但此裝置的體積較大,致使整個收獲機的體積變大,影響作業(yè)效果,降低收獲效率。可折疊升運卸載裝置一般位于集薯箱側(cè)邊位置,可將集薯箱的薯塊直接運送至輸送車中,設置成折疊裝置后可大大減小整機體積,也能使裝置在作業(yè)時靈活度更高。

4.2.3 多級輸送分離

馬鈴薯收獲機挖掘出薯塊后,需要利用輸送裝置將其運送至收集箱,現(xiàn)有的輸送裝置多為單級輸送,效率較低且具有較高的含雜率,仍需花費大量時間進行后期處理。而采用多級輸送分離則能夠消除此弊端,多級輸送能夠?qū)⑹韷K與土塊有效分離,達到作業(yè)效率高且含雜率低的效果。設計時裝置利用橡膠-桿條式升運鏈與振動輪協(xié)同作業(yè)進行土薯分離,將振動輪的振幅和頻率設置為可調(diào)來提高篩分的效果。