南方冬種馬鈴薯收獲機的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究展望

江立凱，馬　旭,b，武　濤，陳學(xué)深，孫國棟，譚永炘，鹿芳媛，陳桂生

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工程學(xué)院；b.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州　510642)

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南方冬種馬鈴薯收獲機的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究展望

江立凱a，馬旭a,b，武濤a，陳學(xué)深a，孫國棟a，譚永炘a，鹿芳媛a，陳桂生a

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工程學(xué)院；b.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州510642)

摘要：實現(xiàn)南方冬種馬鈴薯機械化收獲對推進(jìn)馬鈴薯主糧化進(jìn)程、擴大南方冬種馬鈴薯種植面積具有重要意義。現(xiàn)有馬鈴薯收獲機在應(yīng)用過程中存在挖掘阻力大、易壅堵、明薯率低、傷薯率高等問題，導(dǎo)致目前南方冬種馬鈴薯收獲以人工或畜力為主，機械化應(yīng)用水平低。為此，從南方冬種馬鈴薯種植模式和種植環(huán)境出發(fā)，在分析現(xiàn)有馬鈴薯收獲裝置挖掘部件和分離部件的基礎(chǔ)上，對南方冬種馬鈴薯收獲機的進(jìn)一步研究做出了展望，提出一種雙重振動減阻挖掘部件、一種可分離薯、土、膜的振動桿條升運鏈分離部件，以及一種可分離薯、土、草的撥桿抖動篩分部件，旨在為南方冬種馬鈴薯地膜覆蓋栽培模式及稻草覆蓋栽培模式下機械化收獲裝置的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：冬種馬鈴薯；收獲裝置；挖掘部件；分離部件

0引言

2015年農(nóng)業(yè)部把馬鈴薯主糧化工作列入重要議程，擬在不擠占三大主糧的前提下，因地制宜擴大馬鈴薯種植面積，由目前的533.3萬hm2多擴大到1 000萬hm2。南方利用冬季閑置水稻田種植冬種馬鈴薯，具有提高土地利用率、不與其他作物爭地等優(yōu)勢，且南方冬閑田達(dá)0.07億hm2之多，擴種馬鈴薯潛力大。因此，擴大南方冬種馬鈴薯種植面積成為馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略實施的一大著力點[1-2]。

馬鈴薯生產(chǎn)過程中，勞動力成本約占總成本的40%[3]。采用機械化收獲可減輕農(nóng)民的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，對促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。南方冬種馬鈴薯采用高畦雙行稻草覆蓋或地膜覆蓋栽培，且收獲時正值雨季，土壤含水率高，要求馬鈴薯收獲機既能在黏濕土壤條件下做到減阻脫附，又能有效分離薯、土、草/膜。然而，市場上現(xiàn)有馬鈴薯收獲機大多針對北方壟作或平作的種植工藝研制，在南方冬種馬鈴薯收獲應(yīng)用中存在挖掘阻力大、易壅堵、明薯率低及傷薯率高等問題。雖有少量針對南方冬種馬鈴薯收獲機械的研制[4]，但這些機具主要依靠經(jīng)驗設(shè)計，工作性能還有待提高，無法滿足南方冬種馬鈴薯機械化收獲機具的強大市場需求。南方勞動力成本高，馬鈴薯機械化收獲水平低，市場現(xiàn)有機型在冬種馬鈴薯收獲過程中的不足，已成為嚴(yán)重制約馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略實施的瓶頸，因此亟需開展冬種馬鈴薯機械化收獲技術(shù)與裝備的研究。本文將闡述南方冬種馬鈴薯收獲機的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析現(xiàn)有馬鈴薯收獲機具在南方冬種馬鈴薯收獲中存在問題的原因，最后對南方馬鈴薯收獲機的進(jìn)一步研究進(jìn)行展望。

1栽培工藝

為了抗旱防澇、增加田間通風(fēng)透光，南方冬種馬鈴薯多采用高畦雙行栽培：畦高25～30cm，溝寬30cm，畦寬存在大畦110～120cm和小畦80～90cm兩種；根據(jù)畦寬確定行距，進(jìn)行“品”字形雙行播種。北方馬鈴薯為平作或壟作栽培，多數(shù)地區(qū)采用單行或雙行高壟種植的模式，單行壟作行距60cm左右，株距20～25cm；雙行壟作采用寬窄行，寬行70～80cm、窄行30～40cm，株距20～25cm[5]。此外，為了提高土溫，促進(jìn)種薯發(fā)芽出苗，防止薯苗晚霜凍壞和土壤板結(jié)，南方冬種馬鈴薯多采用覆蓋栽培方式，主要有地膜覆蓋栽培(播種后緊貼畦面覆蓋地膜，膜上相隔幾米壓土塊)和稻草覆蓋栽培(播種后垂直畦面覆蓋稻草3～10cm，再蓋土)[6-8]。南方冬種馬鈴薯所形成的種植模式及農(nóng)藝參數(shù)具有一定的特色，與北方壟作或平作馬鈴薯種植工藝存在一定的差別。

2應(yīng)用現(xiàn)狀與存在問題

2.1應(yīng)用現(xiàn)狀

市場上現(xiàn)有馬鈴薯收獲機根據(jù)其收獲過程完成的程度可分為兩種基本類型：一是聯(lián)合收獲機，可一次完成殺秧、收獲、分離和裝車等多項作業(yè)；二是中小型單項挖掘作業(yè)機，機具進(jìn)行薯塊挖掘和薯土分離后，需人工進(jìn)行拾薯與裝袋[9]。

南方冬種馬鈴薯由于種植規(guī)模較小、配備拖拉機動力小等原因，僅適合推廣應(yīng)用中小型挖掘作業(yè)機。引進(jìn)應(yīng)用的中型挖掘機：如中機美諾科技股份有限公司研制開發(fā)的1520型雙行馬鈴薯挖掘機，配套動力40kW以上，作業(yè)行數(shù)2行，作業(yè)行距80～90cm，挖掘深度可達(dá)25cm，收獲效率0.2～0.4hm2/h[10]。該機為中型挖掘機的代表，采用獨立小鏟，碎土較好，避免了土壤堆積和雜草纏繞，尾部設(shè)計有前后運動的擺動篩，對土壤和莖塊進(jìn)行二次分離[11]。推廣應(yīng)用的同種機型還有山東富邦農(nóng)業(yè)機械裝備有限公司生產(chǎn)的4U-2型馬鈴薯收獲機、天成工程機械有限公司生產(chǎn)的4UQ-165型馬鈴薯收獲機等。而在南方推廣應(yīng)用的小型馬鈴薯挖掘機有青島洪珠農(nóng)業(yè)機械有限公司生產(chǎn)的4U-83型馬鈴薯收獲機，如圖1所示。該機適合壟寬60～85cm的馬鈴薯收獲作業(yè)，配套動力18～30kW，能夠直接提取土壤中殘存的農(nóng)膜，不影響下一季作物的生長[12]。小型馬鈴薯挖掘機一般由固定挖掘鏟和簡單的輸送分離機構(gòu)構(gòu)成，因配套動力小、結(jié)構(gòu)輕便簡單而較受青睞，推廣應(yīng)用的同種機型還有光明農(nóng)機制造有限公司生產(chǎn)的4UM-1型馬鈴薯挖掘機、天成工程機械有限公司生產(chǎn)的4UX-80型馬鈴薯收獲機，以及山東富邦農(nóng)業(yè)機械裝備有限公司生產(chǎn)的4UG-1和4UD-1型馬鈴薯收獲機等。

1.懸掛裝置　2.挖掘裝置　3.防纏繞裝置　4.機架

2.2存在的問題

現(xiàn)有馬鈴薯收獲機多數(shù)針對北方馬鈴薯壟作或平作種植工藝及種植環(huán)境研制，而南方冬種馬鈴薯采用高畦雙行稻草覆蓋或地膜覆蓋栽培。尤其冬種馬鈴薯收獲時恰為雨季，土壤含水率較大，以致現(xiàn)有馬鈴薯收獲機具在南方冬種馬鈴薯收獲應(yīng)用中存在以下問題：

1)對畦難，傷薯率高。南方冬種馬鈴薯多采用高畦雙行栽培，其畦高、畦寬及馬鈴薯定植上的行距、株距與北方存在一定的差異，致使相關(guān)收獲機具在使用中存在機組進(jìn)地行走難和對畦作業(yè)難等問題，從而造成壓碎薯塊、擠傷薯塊和鏟切薯塊的現(xiàn)象。

2)挖掘阻力大。冬種馬鈴薯收獲時節(jié)為3-5月[13],正值南方雨季，土壤黏濕，導(dǎo)致挖掘阻力增大；而在稻草覆蓋栽培模式下，未腐爛的稻草秸稈更是與黏濕土壤交織在一起，形成復(fù)雜多相的“秸稈-黏濕土壤”復(fù)合結(jié)構(gòu)，類似一種纖維增強型的復(fù)合材料。同時，稻草秸稈起到了“加筋”作用，增強了土壤結(jié)合力，使得挖掘阻力顯著增大。

3)分離部件易壅堵，薯土分離率低?，F(xiàn)有機具多采用桿條升運鏈和擺動篩輸送分離，黏濕土壤易粘附于分離部件表面，堵塞升運鏈桿條間隙和擺動篩篩桿間隙，使得土壤難以篩落，進(jìn)一步導(dǎo)致薯土分離率下降。此外，地膜覆蓋栽培方式收獲時土壤中可能殘存一些地膜，也給薯土的分離帶來不便。而在稻草覆蓋栽培模式下：一方面稻草秸稈的韌性和彈性降低了桿條升運鏈和擺動篩的抖動效果；另一方面秸稈的交織作用使得土壤不易破碎，且秸稈使得分離部件纏草、堵塞，嚴(yán)重阻礙分離部件正常工作，導(dǎo)致薯塊分離效果極不理想。

由于上述冬種馬鈴薯機械化收獲存在的問題，市場現(xiàn)有收獲機具在南方?jīng)]能得到大范圍的推廣應(yīng)用。目前，南方冬種馬鈴薯種植主要以人工或畜力收獲為主，勞動強度大、生產(chǎn)效率低、成本高。因此，亟需開展適應(yīng)南方冬種馬鈴薯栽培工藝及種植環(huán)境的機械化收獲技術(shù)與裝備研究。

3研究展望

由于南方冬種馬鈴薯種植規(guī)模較小、配備拖拉機動力小等原因，南方冬種馬鈴薯收獲機的研制應(yīng)朝著中小型機具的方向發(fā)展，且應(yīng)解決上述挖掘阻力大、分離部件堵塞、薯土分離率低、傷薯率高等問題。其中，傷薯率高主要是由于現(xiàn)有收獲裝置挖掘部件的作業(yè)幅寬與深度不適用于冬種馬鈴薯種植工藝所引起的，可通過改變挖掘部件的結(jié)構(gòu)尺寸來解決該問題。所以，南方冬種馬鈴薯收獲機的研究重點有以下兩點：一是黏濕土壤及“秸稈-黏濕土壤”復(fù)合體條件下減阻挖掘部件的研究；二是“殘膜-黏濕土壤”及“秸稈-黏濕土壤”復(fù)合體條件下減粘脫附防堵、馬鈴薯高效分離的分離部件的研究。

3.1挖掘部件

3.1.1現(xiàn)有挖掘部件的分析

現(xiàn)有馬鈴薯收獲機挖掘部件根據(jù)機具工作時挖掘部件的運動形式，主要分為固定式和驅(qū)動式兩種。

大多數(shù)中小型馬鈴薯挖掘機都采用固定式挖掘部件，主要有三角形平鏟、條形平鏟、帶延伸柵條的組合式平鏟和槽形鏟等[14]。其中，三角形平鏟的應(yīng)用最為廣泛，其結(jié)構(gòu)簡單，但易造成機前壅土；而條形平鏟多用于帶有擺動篩的馬鈴薯收獲機上，可使挖掘混合物沿著整個篩寬均勻進(jìn)入擺動篩；組合式挖掘鏟因制造和作業(yè)性能上的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，但其多以整體橫梁為支撐，鏟片間隙處橫梁所造成的迎土面會阻斷土壤順暢流動，從而誘發(fā)土壤壅積[15]?？傊?，固定式挖掘部件的作業(yè)方式容易產(chǎn)生壅土現(xiàn)象，使得機具牽引阻力和牽引功耗較大,所以中小型收獲機作業(yè)時通常表現(xiàn)出拖拉機牽引力和牽引功率不足的問題。

驅(qū)動式挖掘部件的主要應(yīng)用形式為振動式挖掘。相比固定式挖掘部件，振動式挖掘部件具有較高的碎土性能和篩分性能，不易壅土。當(dāng)設(shè)置合適的振動頻率時，最大可使?fàn)恳枇p少50%[14]。

韓杰等人[16]研制了一種振動挖掘部件，如圖2所示。

1.挖掘鏟　2.鍵式振動篩　3.連桿　4、5.吊桿　6、7.橫向鍵

裝置的橫向鍵分別與篩條偶數(shù)組和奇數(shù)組相連，并由曲柄連桿機構(gòu)通過連桿和吊桿帶動，使得偶數(shù)組和奇數(shù)組篩條產(chǎn)生相反方向的往復(fù)運動，對土層產(chǎn)生強烈的作用力，使挖掘鏟碎土能力大大增強，壅土現(xiàn)象明顯減少，牽引阻力也有所減少。

賈素梅等[17]研制的4GJ-880根莖收獲機，采用振動推進(jìn)式直板挖掘鏟結(jié)構(gòu)，挖掘鏟兩側(cè)焊有切草分離鏟，刀體尾部焊接喂入導(dǎo)向板。工作時，由連桿機構(gòu)驅(qū)動挖掘鏟做往復(fù)運動，對鏟面土壤有向后拋送的作用，以消減牽引阻力。

為了更有效地減少挖掘阻力和功率消耗，楊傳華等人[18]設(shè)計了一種雙重振動土壤挖掘機構(gòu)(見圖3)，采用兩個驅(qū)動馬達(dá)，通過兩組杠桿機構(gòu)分別帶動犁刀和挖掘鏟產(chǎn)生近似垂直方向上的上下振動，從而形成犁刀和挖掘鏟雙振動的土壤挖掘機構(gòu)。經(jīng)田間試驗表明，采用雙重振動可使挖掘阻力減少10%～20%，減阻效果明顯。

1.犁刀驅(qū)動馬達(dá)　2.犁刀振動架　3.挖掘鏟驅(qū)動馬達(dá)

3.1.2減阻挖掘部件的研究展望

諸多試驗研究表明，采用振動挖掘部件可減少挖掘阻力，為南方冬種馬鈴薯收獲機減阻挖掘部件的研究提供了思路。為此，本文提出一種雙重振動馬鈴薯挖掘部件，如圖4所示。其中，偏心輪機構(gòu)I轉(zhuǎn)動，通過連桿I帶動挖掘鏟，使挖掘鏟鏟尖產(chǎn)生一定頻率與振幅的上下振動；同時，連桿II由偏心輪機構(gòu)II帶動，使挖掘鏟產(chǎn)生前后方向的振動，從而組成雙重振動的挖掘效果。初步試驗表明：因采用兩套省力、可靠的曲柄連桿機構(gòu)，較小的動力輸出就會使挖掘鏟的鏟尖產(chǎn)生近似垂直與水平方向上的振動力，從而達(dá)到了省功減阻挖掘的目的。

1.挖掘鏟振動吊桿　2.挖掘鏟　3.連桿I

3.2分離部件

3.2.1現(xiàn)有分離部件的分析

目前，市場上馬鈴薯收獲機廣泛采用的是按幾何尺寸進(jìn)行分離的分離部件，如升運鏈、分離篩、滾筒篩及圓盤篩等[9]，最常見的為升運鏈和分離篩兩種。

升運鏈的應(yīng)用最為廣泛，通常使用帶有振動機構(gòu)的升運鏈，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。升運鏈具有較強的分離性能，在傾斜角達(dá)30°時仍有良好的輸送能力，但在粘性土壤中工作狀況不理想[19]。分離篩的主要應(yīng)用形式為擺動篩，由于擺動篩不僅能篩分薯土，而且能把篩面上的混合物向上輸送，許多中小型馬鈴薯挖掘機采用該機構(gòu)進(jìn)行薯土分離，如中機美諾1520型馬鈴薯挖掘機等；擺動篩能有效地破碎土塊并分離薯土，但不能有效分離稻草秸稈或殘膜。少量馬鈴薯收獲機使用滾筒篩或圓盤篩作為分離機構(gòu)，滾筒篩具有堅固耐用、能量消耗少、沒有不平衡慣性力等優(yōu)點，但分離性能差，金屬用量大，土壤過分潮濕時容易黏結(jié)。而圓盤篩與滾筒篩相似，同樣使用離心力分離薯土，相比滾筒篩分離性能較好，但同樣不適合在潮濕土壤條件下工作。

此外，還有一些新型馬鈴薯分離部件。例如，趙碩等[19]設(shè)計了一種弧形撥齒式薯土分離部件，挖掘鏟輸送上來的薯塊和土壤混合物在弧形齒的破碎、撥動和拋擲作用下，能夠使土塊更好地破碎，薯土分離效率和效果得到提高；且撥齒在撥動、拋擲薯塊的過程中薯塊與土壤產(chǎn)生摩擦，使附著在薯塊表面的土壤得到清理?；⌒螕荦X式分離部件結(jié)構(gòu)簡單，分離效果好，克服了其他幾種分離部件在中粘性土壤中使用的限制[20]；但其結(jié)構(gòu)及其運動方式容易發(fā)生繞草，也不能有效分離殘膜。吳建民等人[21]設(shè)計的一種撥指輪式馬鈴薯挖掘機，采用一種撥指輪式分離部件，如圖5所示。柵條鏟鏟起的薯塊和土塊混合物向后運輸滑落到撥指輪上，通過撥指輪上彈性彈指的柔性撞擊，使得薯土分離效率大大提高，且撥指輪工作時為旋轉(zhuǎn)運動，沒有往復(fù)慣性力，機組工作平穩(wěn)；但該分離部件同樣不能有效分離稻草秸稈或殘膜。

1.機架　2.挖掘裝置　3.傳動裝置　4.中護(hù)欄　5.分離調(diào)整裝置

現(xiàn)有分離部件不能完全適用于“殘膜-黏濕土壤”復(fù)合體或“秸稈-黏濕土壤”復(fù)合體條件下的薯塊有效分離。因此，要解決冬種馬鈴薯機械化收獲薯塊分離難的問題，必須對現(xiàn)有分離部件進(jìn)行改進(jìn)或研究新型分離部件。

3.2.2薯、土、膜分離部件的研究展望

上文提到山東青島洪珠農(nóng)業(yè)機械有限公司生產(chǎn)的4U-83型馬鈴薯收獲機能夠從土壤中提取殘留農(nóng)膜，為地膜覆蓋栽培模式下分離部件的研究提供了思路。4U-83型馬鈴薯收獲機的分離部件如圖1所示，采用的是一種抖動桿條升運鏈，南方冬種馬鈴薯地膜覆蓋栽培模式下的收獲機分離部件可參考該部件進(jìn)行設(shè)計，以達(dá)到提取殘膜的目的。而黏濕土壤易粘附升運鏈桿條造成壅土堵塞的問題，可通過適當(dāng)增大升運鏈桿條之間的間隙，以及在桿條升運鏈中間安裝刷子(見圖6)對桿條上粘附的土壤進(jìn)行清理的辦法加以解決。

3.2.3薯、土、草分離部件的研究展望

在升運鏈和擺動篩分離部件的基礎(chǔ)上，提出一種采用撥桿對篩板上篩桿間隙進(jìn)行清理并分離稻草秸稈的撥桿抖動篩分部件，如圖7所示。工作時，挖掘鏟鏟起的薯塊-秸稈黏濕土壤復(fù)合體傳送到升運鏈上，經(jīng)過鏈條的振動和撥動作用，使復(fù)合體破裂，完成初步的土壤分離并繼續(xù)輸送到后方的篩板上；位于篩板上方的撥桿固定于左右兩鏈條上，隨鏈條向篩板后方循環(huán)運動，撥桿上的撥指對篩板上篩桿間隙粘附的黏濕土壤進(jìn)行清理，并挑出稻草秸稈；秸稈被撥桿帶起后隨撥桿運動角度的變化，在自身重力的作用下掉落到下方的落草板上，少量仍附著在撥指上的秸稈隨撥桿運動，當(dāng)經(jīng)過后方落草桿的位置時，也會被落草桿上與撥桿撥指交錯排列的撥指打落到落草板上。落草板為中間凸起兩側(cè)向下傾斜的導(dǎo)向板，與前后擋板結(jié)合形成兩條朝向機具兩側(cè)的落草道。落草板上的秸稈將在機具的振動及自身重力的作用下沿斜板滑落到機具兩側(cè)，而馬鈴薯和土塊在撥桿撥指的撥動下從篩板落到下方的擺動篩上；擺動篩繞擺臂擺動進(jìn)一步抖動分離薯土，再把馬鈴薯抖落到機具后方并排列成條，從而可達(dá)到土、薯、草分離的目的。

圖6　刷子安裝示意圖

1.挖掘鏟　2.升運鏈　3.撥指　4.篩板　5.撥桿　6.鏈輪

4結(jié)論

1)南方冬種馬鈴薯種植工藝與北方不同，現(xiàn)有收獲機不適合其收獲作業(yè)，推廣應(yīng)用受阻，目前主要采用人工或畜力收獲。隨著馬鈴薯種植面積的逐年增長，勞動強度大、效率低、成本高等問題越來越凸顯，因此亟需開展冬種馬鈴薯機械化收獲技術(shù)與裝備的研究。

2)在分析現(xiàn)有挖掘和分離部件研究的基礎(chǔ)上，對南方冬種馬鈴薯的研究進(jìn)行了展望，提出了一種雙重振動減阻挖掘部件，以及適用于南方冬種馬鈴薯地膜和稻草覆蓋栽培模式的抖動桿條鏈?zhǔn)脚c撥桿抖動分離部件。

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Application Status and Research Prospect of Southern Winter Planting Potato Harvesting Machine

Jiang Likaia, Ma Xua,b, Wu Taoa, Chen Xueshena, Sun Guodonga, Tan Yongxina,Lu Fangyuana, Chen Guishenga

(a.College of Engineering; b.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：It has important implication for promoting the process of potato as staple food and expanding the area of southern winter planting potato to realize the mechanized harvesting of southern winter planting potato. However, there are many problems of the existing potato harvesters in the application of southern winter planting potato harvesting,such as big digging resistance, easy blocking, low excavation rate and high injury rate of potato.Currently, southern winter planting potato harvest mainly by person or animal, the mechanical application level is low. According to the planting mode and growing environment of southern winter planting potato, a kind of double vibration anti-drag digging component,a kinds of vibration chain-lever elevator that can separate potatoes from soil and plastic film and a kinds of lever sway separating component that can separate potatoes from soil and straws were proposed based on reviewing the present status of potato harvest equipment and technology, which is considered as a prospect of the research of southern potato harvesting machine and provide a reference for the manufacture of mechanized harvesting devices of southern winter planting potato that under film mulching or straw mulching cultivation mode.

Key words：winter planting potato; harvesting devices; digging components; separating components

文章編號：1003-188X(2016)07-0263-06

中圖分類號：S225.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：江立凱(1990-),男，廣東揭陽人，碩士研究生，(E-mail)18819474879@163.com。通訊作者：馬旭(1959-)，男，沈陽人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)maxu1959@scau.edu.cn。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B03)；國家自然科學(xué)基金項目(51405164)

收稿日期：2015-07-03