山藥收獲機(jī)械化研究的現(xiàn)狀分析

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(chǎn)量日益增長，而其機(jī)械化收獲水平相對較低的現(xiàn)狀，對國內(nèi)外山藥收獲機(jī)械研究的現(xiàn)狀及其典型收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)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(jī)械化發(fā)展的主要因素，并提出了中國發(fā)展山藥機(jī)械化收獲技術(shù)的途徑和研究重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：山藥收獲；機(jī)械化；收獲機(jī)械；山藥種植；現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)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(jià)值和食用加工價(jià)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(zhì)，可有效地調(diào)節(jié)或者增強(qiáng)免疫功能、調(diào)節(jié)和促進(jìn)腸胃功能、抵抗衰老、調(diào)節(jié)和降低血脂、預(yù)防腫瘤等，有巨大的藥用價(jià)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(zhì)、氣候、生長習(xí)性等綜合因素的影響，不同地區(qū)出產(chǎn)的山藥也具有不同的特征，因而具有不同產(chǎn)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(diǎn)，山藥的機(jī)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(nèi)有很多的企業(yè)在山藥機(jī)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(jìn)行人工挖取，未實(shí)現(xiàn)真正的機(jī)械化，且由于目前市面上生產(chǎn)的山藥收獲機(jī)的機(jī)械設(shè)備體積過大、運(yùn)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(jī)械化收獲形勢卻依然非常嚴(yán)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(jī)械。

1 國內(nèi)外山藥收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)山藥收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀

雖然我國山藥種植面積較大，但仍以人工收獲為主，機(jī)械化收獲水平較低。國內(nèi)的山藥收獲機(jī)械從20世紀(jì)60年代開始從國外引進(jìn)，70年代開始正式研制，通過對國外已有機(jī)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(jī)械方面發(fā)展并不迅速。目前，北方部分地區(qū)已經(jīng)開始采用機(jī)械化收獲山藥，但僅僅實(shí)現(xiàn)了挖掘功能，并未達(dá)到完全機(jī)械化。我國的山藥收獲機(jī)械化還只是在山藥側(cè)面進(jìn)行開溝松土，然后人工挖取，最后進(jìn)行去土收集工作。這種半機(jī)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(yīng)大規(guī)模種植的要求。目前，山藥的機(jī)械收獲方式是開溝。在中國成型的開溝機(jī)械產(chǎn)品中，有兩種適于山藥收獲的機(jī)械：螺旋式開溝機(jī)和鏈?zhǔn)介_溝機(jī)，螺旋式開溝機(jī)主要是利用螺旋切削提升的原理挖掘土壤，鏈?zhǔn)介_溝機(jī)則主要利用切削原理來將土壤分離開，國內(nèi)仍有許多設(shè)計(jì)者提供了山藥收獲機(jī)的理論設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)新穎，為山藥收獲機(jī)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(jī)的發(fā)明者是李壘和李善文。這個發(fā)明設(shè)計(jì)了一種螺旋開溝式的多功能山藥收獲機(jī)。

多功能山藥收獲機(jī)包括履帶底盤，設(shè)在履帶底盤上的操作臺、電機(jī)、豎直機(jī)架以及向上提升機(jī)構(gòu)。齒輪箱的總成安裝在機(jī)架上并且能夠沿固定的機(jī)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(jié)構(gòu)下面，電機(jī)結(jié)構(gòu)與齒輪箱結(jié)構(gòu)由傳動軸實(shí)現(xiàn)傳動連接；提升機(jī)構(gòu)與齒輪箱結(jié)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)對齒輪箱結(jié)構(gòu)的升降操作。這種山藥收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)比較靈活，而且功能多樣化，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)開溝收獲山藥和溝內(nèi)填土的兩項(xiàng)功能。

1.1.2 鏈?zhǔn)介_溝的一種山藥收獲機(jī)。第二種山藥收獲機(jī)發(fā)明者倪凡喜。他設(shè)計(jì)的山藥收獲機(jī)是典型的鏈?zhǔn)介_溝實(shí)例。這個設(shè)計(jì)克服現(xiàn)階段生產(chǎn)技術(shù)的不足之處，提供一種山藥收獲機(jī)的理論設(shè)計(jì)，在不損傷山藥塊莖的前提下，可以很大地提高生產(chǎn)效率，降低采收山藥時(shí)的成本。這種山藥收獲機(jī)，包括振動破土機(jī)構(gòu)、破土機(jī)構(gòu)的固定架、旋轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)固定架是主體支撐架，整體呈現(xiàn)方形的框架結(jié)構(gòu)，破土機(jī)構(gòu)固定支架的后端，連接著設(shè)置的振動破土機(jī)構(gòu)，破土機(jī)構(gòu)固定支架的前端，連接著旋轉(zhuǎn)式軸承座，旋轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)計(jì)有手輪，在懸掛型四軸固定支架的兩端后側(cè)，設(shè)計(jì)有擋泥板。在旋轉(zhuǎn)型軸承座的下端，連接設(shè)計(jì)有鏈條固定支架，鏈條固定支架的前端設(shè)計(jì)有主動輪，鏈條固定支架的后端設(shè)計(jì)有從動輪，繞過主動輪與從動輪，設(shè)計(jì)有開溝鏈條，開溝鏈條的外表面上設(shè)置有開溝刀片。連接到鏈條固定架上，設(shè)置有漲緊固定架，漲緊固定架的下端設(shè)置有漲緊輪，漲緊輪與開溝鏈條的內(nèi)表面相接觸。

1.1.3 圓錐螺旋鉆管式山藥收獲機(jī)。薦世春、馬繼春、孔凡祝設(shè)計(jì)出一款圓錐螺旋鉆管式山藥收獲機(jī)。這種新型收獲機(jī)利用圓錐螺旋鉆管旋轉(zhuǎn)入土將山藥挖出，真正實(shí)現(xiàn)了山藥作業(yè)的機(jī)械化。圓錐螺旋鉆管式山藥收獲機(jī)由拖拉機(jī)、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(jī)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(lián)。在此之后，薦世春等六人又對其進(jìn)行了改進(jìn)，采用液壓驅(qū)動的方法使圓錐管上下移動，從而提高了機(jī)械收獲效率。

1.1.4 液壓叉鏟式山藥收獲機(jī)。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(jī)也在理論上實(shí)現(xiàn)了山藥挖掘機(jī)械化。

液壓叉鏟式山藥收獲機(jī)包括主框架、可升降移動的活動框架、活動框架上設(shè)置挖掘鏟導(dǎo)向架、挖掘鏟導(dǎo)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(dǎo)向支柱構(gòu)成，導(dǎo)向支柱設(shè)置于主框架的左右兩側(cè)，每側(cè)設(shè)置2個，既是上下框架的支撐，又是活動框架上下移動的導(dǎo)向柱?；顒涌蚣芷叫杏谏舷驴蚣?，與固定其上的“V”字形的挖掘鏟導(dǎo)向架處于主框架內(nèi)。上框架頂部中心設(shè)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(dǎo)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(dǎo)向架在主框架內(nèi)可以上下移動。挖掘鏟導(dǎo)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(jìn)行挖掘收獲作業(yè)。挖掘鏟上縱梁兩端具有導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿在挖掘鏟導(dǎo)向架立臂導(dǎo)向槽板中，挖掘鏟在第二油缸作用下沿導(dǎo)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(gòu)成的一組排鏟，兩對挖掘鏟導(dǎo)向架之間中心設(shè)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(jī)。信登榜、劉桂芳設(shè)計(jì)的山藥收獲機(jī)利用高壓水泵沖洗的方式獲得山藥，有效地降低了勞動強(qiáng)度，保證了山藥的完整性。這種山藥收獲機(jī)收集山藥的筒內(nèi)設(shè)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(jīng)噴嘴沿筒體內(nèi)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(nèi)還設(shè)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(jīng)沉淀過濾后再經(jīng)噴水管由噴嘴噴出；在筒內(nèi)的下端設(shè)置外徑大于筒內(nèi)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(jié)束更容易將筒體取出。

1.1.6 山藥挖掘機(jī)撥土裝置。陳玉軍設(shè)計(jì)的山藥挖掘機(jī)撥土裝置其中的撥土叉將山藥挖掘機(jī)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(jī)撥土裝置包括機(jī)架，機(jī)架上安裝撥土動力裝置，曲柄滑塊運(yùn)動裝置和撥土叉。曲柄滑塊運(yùn)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(jī)架上設(shè)置和滑塊相配的導(dǎo)槽，連桿與撥土叉固定相連。為便于調(diào)節(jié)撥土叉的桿長，連桿上設(shè)有撥土叉調(diào)節(jié)套，叉套裝在撥土叉調(diào)節(jié)套內(nèi)，撥土叉調(diào)節(jié)套上安裝撥土叉緊固螺釘。撥土叉包括叉身，叉身上設(shè)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(jī)械的研究現(xiàn)狀

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

2 現(xiàn)役山藥收獲機(jī)存在的問題

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

2.1 農(nóng)機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。目前滿足北方平原大面積種植的山藥收獲機(jī)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(fù)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(jī)適應(yīng)較多的地理區(qū)域，所以農(nóng)機(jī)與種植環(huán)境脫節(jié)問題在山藥收獲機(jī)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(jīng)過挖土、拾取、去土等一系列步驟，目前的山藥收獲機(jī)只能實(shí)現(xiàn)開溝的功能以方便農(nóng)民撿拾，無法機(jī)械化地實(shí)現(xiàn)挖取山藥和山藥去土的復(fù)雜工序。在這種半機(jī)械化的情況下，仍然會出現(xiàn)誤傷、漏收以及工作效率低下的狀況。

3 山藥機(jī)械化收獲的主要影響因素

我國的山藥產(chǎn)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(jī)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(jī)械化缺乏信心

山藥收獲時(shí)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(rèn)為，山藥的生產(chǎn)是一種只能耗費(fèi)大量人工的產(chǎn)業(yè)，如果采用機(jī)械化收獲會影響山藥的質(zhì)量，手工生產(chǎn)能夠達(dá)到機(jī)械化作業(yè)無法達(dá)到的水平。

3.2 我國的國情較為特殊

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

3.3 我國幾大山藥主產(chǎn)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(fù)雜，農(nóng)機(jī)與種植環(huán)境嚴(yán)重脫節(jié)。

4 結(jié)語

推進(jìn)我國山藥收獲機(jī)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(jī)械化的宣傳

從限制山藥收獲機(jī)械化的主觀因素入手，摒棄山藥采用手工生產(chǎn)觀念，加大對機(jī)械化生產(chǎn)的宣傳力度，提高對山藥生產(chǎn)機(jī)械化的認(rèn)識，增強(qiáng)對機(jī)械化收獲的信心。

4.2 山藥物理特性的研究

山藥收獲機(jī)械產(chǎn)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(xì)等）、物理特性（抗拉強(qiáng)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(jī)械的設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)，對關(guān)鍵機(jī)構(gòu)參數(shù)的選取設(shè)定提供有力的理論數(shù)據(jù)。

4.3 農(nóng)藝結(jié)合農(nóng)機(jī)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(jī)械設(shè)備和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，研制滿足我國各地區(qū)農(nóng)藝要求的山藥收獲機(jī)械；（2）要鼓勵山藥機(jī)械化收獲的研發(fā)工作，最好能夠針對山藥收獲機(jī)械的研究開發(fā)專題立項(xiàng)，并加大對其資金投入，推進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝技術(shù)融合，培養(yǎng)出適宜于機(jī)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(shù)，同時(shí)改變栽培模式以適應(yīng)機(jī)械化收獲，研發(fā)與農(nóng)藝相融合的收獲機(jī)械。

4.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前市場山藥收獲機(jī)械的體積結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜、耗費(fèi)材料大、價(jià)格高昂，經(jīng)濟(jì)收入較低的農(nóng)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(jī)基本功能的前提下，設(shè)計(jì)出簡單實(shí)用的機(jī)型，以滿足廣大的市場需求。同時(shí)，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)先進(jìn)的理論與方法為山藥收獲機(jī)械的結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(jī)械的設(shè)計(jì)仿真提供了技術(shù)平臺，讓山藥收獲機(jī)械的優(yōu)化有基礎(chǔ)。

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作者簡介：閆帥華（1994-），男，徐州工程學(xué)院本科學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化。

（責(zé)任編輯：周 瓊）