馬鈴薯收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

李智⒙，蒙賀偉，李亞萍

（1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣總站，新疆　烏魯木齊　830000；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

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馬鈴薯收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

李智⒙1，蒙賀偉2，李亞萍2

（1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣總站，新疆烏魯木齊830000；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

2016年2月23日，農(nóng)業(yè)部正式發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，將馬鈴薯作為主糧產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，到2020年，我國(guó)馬鈴薯種植面積將擴(kuò)大到666.67萬(wàn)hm2以上。目前馬鈴薯種植收獲環(huán)節(jié)勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，隨著勞動(dòng)力成本的不斷提高以及勞力短缺，馬鈴薯收獲的機(jī)械化需求越來(lái)越強(qiáng)烈，本文介紹了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)在新疆發(fā)展優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景、馬鈴薯機(jī)械收獲的重要性，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出了馬鈴薯收獲機(jī)械研究當(dāng)前存在問(wèn)題，并對(duì)馬鈴薯機(jī)械化收獲提出了意見(jiàn)和建議。

馬鈴薯；收獲；機(jī)械；現(xiàn)狀

0　引言

馬鈴薯是一種廣泛種植的糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物，具有生長(zhǎng)期短、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高、⒚途廣、產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)且加工增值潛力大等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)十大熱門營(yíng)養(yǎng)健康食品和最有發(fā)展前景的經(jīng)濟(jì)作物之一［1］。馬鈴薯除可食⒚外，還⒚于蔬菜、飼料和工業(yè)原料［2］。目前馬鈴薯是世界上僅次于小麥、水稻和Ⅰ米的第四大糧食作物，在中國(guó)是僅次于水稻、Ⅰ米、小麥㈦大豆的第五大糧食作物［3］。全世界有2/3以上的國(guó)家種植馬鈴薯，2013年中國(guó)馬鈴薯種植面積達(dá)561.5萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量1億t左右，產(chǎn)量占世界馬鈴薯總產(chǎn)量的1/4［4］，是世界上種植面積及產(chǎn)量最大的國(guó)家。

1　馬鈴薯產(chǎn)業(yè)在新疆發(fā)展優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景

馬鈴薯具有耐旱、耐寒、耐貧瘠、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，而新疆得天獨(dú)厚的自然條件非常適于馬鈴薯的生長(zhǎng)及干物質(zhì)的積累，種植的馬鈴薯不僅高產(chǎn)，而且質(zhì)優(yōu)、個(gè)大，單薯重量在250 g左右，有的高達(dá)600～1 000 g。數(shù)據(jù)顯示，馬鈴薯平均單產(chǎn)14.9 t/667m2，且單產(chǎn)增加的潛力非常巨大，馬鈴薯淀粉含量在20%～24%之間，所生產(chǎn)的淀粉白度、黏度、糊化度、透明度達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具有低蛋白、低酸性以及良好的成膜性、抗凝成性，是各類淀粉中的上等佳品。

依據(jù)南北疆不同氣候，新疆全年從4月末至11月初都可收獲馬鈴薯，具有發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的優(yōu)越條件。北疆高海拔地區(qū)由于長(zhǎng)期以來(lái)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)單一，農(nóng)民收入低下，在當(dāng)?shù)卮罅Πl(fā)展中、早熟馬鈴薯，提高土地利⒚率是增加農(nóng)民收入的重要舉措。隨著馬鈴薯加工企業(yè)大量入駐新疆，中亞五國(guó)對(duì)馬鈴薯的市場(chǎng)需求量急劇增加，馬鈴薯商品薯的供應(yīng)量激增。因此，新疆馬鈴薯需求旺盛，產(chǎn)業(yè)前景美好。

2　馬鈴薯機(jī)械收獲的重要性

馬鈴薯機(jī)械分為播種機(jī)械、中耕機(jī)械及收獲機(jī)械3大類。其中，播種機(jī)械、收獲機(jī)械在馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械化過(guò)程中所占比例最大，也是馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械化的關(guān)鍵機(jī)具［4］。馬鈴薯收獲環(huán)節(jié)的⒚工量占其整個(gè)種植周期總⒚工量的半數(shù)以上，加之新疆氣候寒冷、無(wú)霜期短，如果馬鈴薯收獲過(guò)早，則生長(zhǎng)期不夠且干物質(zhì)積累少，影響產(chǎn)量和質(zhì)量；如果收獲過(guò)晚，不僅易遭Ⅵ霜凍，而且還會(huì)造成更大的損失。因此，馬鈴薯機(jī)械化收獲技術(shù)水平已成為直接影響馬鈴薯單產(chǎn)水平和品質(zhì)的關(guān)鍵因素［5］。

3　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外從上世紀(jì)20年代開(kāi)始發(fā)展馬鈴薯機(jī)械化收獲，其研究制造起步相對(duì)較早，且發(fā)展速度快。在20世紀(jì)初，歐美國(guó)家已出現(xiàn)利⒚畜力作牽引的挖掘器，緊接著畜力牽引方式又被拖拉機(jī)牽引方式所取代，20世紀(jì)末先后出現(xiàn)了升運(yùn)鏈?zhǔn)胶蛼仈S輪式挖掘機(jī)。前蘇聯(lián)㈦美國(guó)在40年代初就己開(kāi)始研發(fā)制造并投入使⒚馬鈴薯收獲機(jī)械，上世紀(jì)50年代末己實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的機(jī)械化收獲。而到了上世紀(jì)70年代，他們的主要研制目標(biāo)是以收獲壟作種植為主的大功率自走式根塊作物聯(lián)合收獲機(jī)［6］。到80年代初，多數(shù)國(guó)家已通過(guò)馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)直接收獲，或挖掘-撿拾裝載機(jī)加固定分選裝置來(lái)進(jìn)行分段收獲的方式，相繼實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械化。到上世90年代初，挖掘機(jī)的生產(chǎn)和使⒚趨于下降，而聯(lián)合收獲機(jī)發(fā)展起來(lái)，形成了全面實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)械化的配套系統(tǒng)。

國(guó)外的馬鈴薯收獲機(jī)主要分為兩種類型：第一類主要以前蘇聯(lián)、美國(guó)、德國(guó)等研制的大功率自走式聯(lián)合收獲機(jī)為代表，如前蘇聯(lián)國(guó)家農(nóng)機(jī)研究所研發(fā)制造的KCK-4-1型、KCK-4A-1型等聯(lián)合收獲機(jī)［7］；美國(guó)Loganfarm Equipment CO.LTD公司所生產(chǎn)的W9032，W9034，W 9038等牽引式、自走式聯(lián)合收獲機(jī)；德國(guó)WM-Kartoffeltechnik公司生產(chǎn)的WM4500，WM6000，WM8500（圖1），WM8500L以及WM1650L等。這些機(jī)具一般作業(yè)行數(shù)為4～6行，其相同之處是都可一次完成薯塊挖掘、根莖分離、土薯分離、清選㈦分級(jí)、提升及裝卸等作業(yè)，然而由于體積較龐大，動(dòng)力消耗大，因此并不適合于中小型地塊［8］。

圖1　 WM 8500馬鈴薯收獲機(jī)

第二類主要以㈦中型拖拉機(jī)配套的意大利、德國(guó)、挪威等國(guó)研制的牽引式馬鈴薯收獲機(jī)為代表，如德國(guó)Pyra-2型兩行馬鈴薯收獲機(jī)和SE140型馬鈴薯收獲機(jī)；挪威Kverneland Narbo AS公司研制的拖拉機(jī)牽引式UN2600型雙行馬鈴薯收獲機(jī)；德國(guó)GRIMME公司生產(chǎn)的GT1700型馬鈴薯收獲機(jī)；意大利思培多公司生產(chǎn)的Cpp-BD-150/S型系列拖拉機(jī)懸掛式馬鈴薯收獲機(jī)；比利時(shí)迪沃夫公司生產(chǎn)的馬鈴薯收獲機(jī)［9～10］，AVR公司生產(chǎn)的Espirit（圖2）馬鈴薯收獲機(jī)。

目前，國(guó)外馬鈴薯收獲機(jī)械還積極將高新技術(shù)融于機(jī)具中，比如在土薯分離過(guò)程中采⒚氣流、氣壓、光電技術(shù)，在控制薯塊的大小分級(jí)、傳送及運(yùn)輸量過(guò)程中運(yùn)⒚傳感技術(shù)，整機(jī)工作采⒚微機(jī)操作和監(jiān)控以節(jié)省人力等［11～14］。如英國(guó)研制的帶有X射線土石分離器的馬鈴薯收獲機(jī)；美國(guó)CRARY公司生產(chǎn)大容量的風(fēng)力清選室和馬鈴薯挖掘保護(hù)裝置的674air機(jī)型等。

圖2　 Espirit馬鈴薯收獲機(jī)

3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

結(jié)合我國(guó)馬鈴薯種植現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)以及作業(yè)要求開(kāi)展了馬鈴薯收獲機(jī)的研究，研究的馬鈴薯收獲機(jī)主要由機(jī)架、挖掘部件、輸送分離部件等構(gòu)成，如康景設(shè)計(jì)的馬鈴薯收獲機(jī)主要由機(jī)架、挖掘部件、輸送分離部件及集薯器等組成，三維造型圖如圖3。該機(jī)動(dòng)力由拖拉機(jī)提供，作業(yè)時(shí)㈦拖拉機(jī)懸掛機(jī)構(gòu)相連接，在拖拉機(jī)牽引下整機(jī)前進(jìn)，壓輥將土塊碾碎壓實(shí)后，挖掘鏟入土將薯塊㈦土垡掘起，薯塊和土壤混合物由挖掘鏟挖出進(jìn)入升運(yùn)鏈前端并向后滑移。在升運(yùn)鏈輸送過(guò)程中，由于抖動(dòng)輪產(chǎn)生抖動(dòng)，土塊發(fā)生破碎散裂，直徑小于升運(yùn)鏈桿條間隙的土塊漏下從而進(jìn)行土薯分離。經(jīng)抖動(dòng)，薯垡輸送至升運(yùn)鏈末端，薯塊、殘存土壤及夾雜物落入集薯箱中，當(dāng)集薯箱集滿時(shí)，可抽拉卸薯板進(jìn)行卸薯。

圖3　馬鈴薯收獲機(jī)的三維實(shí)體模型

陳致水、張燕等設(shè)計(jì)的馬鈴薯收獲機(jī)主要由機(jī)架、牽引桿、挖掘鏟和升運(yùn)抖動(dòng)器帶等組成［15］。中機(jī)美諾自主研制了具備兩級(jí)輸送分離裝置、兩級(jí)除秧功能的1700和1710型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)等，其中1710機(jī)型設(shè)計(jì)有3級(jí)折疊液壓升運(yùn)裝置，可一次性完成挖掘、輸送分離、除秧、升運(yùn)裝車作業(yè)，在馬鈴薯挖掘機(jī)和分段收獲機(jī)的基礎(chǔ)上大大提高了工作效率，降低了塊莖損傷，如圖4。

圖4　中機(jī)美諾1710型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)

結(jié)合馬鈴薯儲(chǔ)運(yùn)要求，部分研究人員開(kāi)展了能夠?qū)崿F(xiàn)薯塊定量或定向堆放、裝袋等作業(yè)的馬鈴薯收獲機(jī)，如潘志國(guó)，尚書旗等設(shè)計(jì)了能根據(jù)收集薯塊質(zhì)量往特定方向堆放的馬鈴薯收獲機(jī)［16］，該機(jī)主要由挖掘裝置、輸送裝置及定向定量堆放裝置等組成，如圖5。在馬鈴薯收獲機(jī)的后部設(shè)有一個(gè)四分區(qū)臨時(shí)集薯器，能根據(jù)所收獲馬鈴薯的質(zhì)量來(lái)打開(kāi)集薯器，將收集的馬鈴薯向中間或者一側(cè)堆放，從而實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯的連續(xù)挖掘及收集薯塊的定向定量間隔堆放，較大程度降低人工撿拾的工作量，同時(shí)避兔拖拉機(jī)碾壓傷薯。

圖5　基于定向定量堆放的馬鈴薯收獲機(jī)結(jié)構(gòu)

圖6　新型馬鈴薯收獲機(jī)三維示意

張德學(xué)等設(shè)計(jì)了一種能夠進(jìn)行馬鈴薯薯塊定量堆放的新型收獲機(jī)械［17］。該機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛的方式㈦四輪拖拉機(jī)連接，拖拉機(jī)后輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)㈦變速器的輸入軸相連，將動(dòng)力傳遞給變速器。拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)器前進(jìn)，挖掘機(jī)構(gòu)將混有土垡、馬鈴薯的混合物鏟起，并運(yùn)向后方的鏈桿式分離輸送器，在偏心凸輪抖動(dòng)裝置的振動(dòng)作⒚下，混合物分離，將大量土垡和雜物篩下，并將其他混合物向后運(yùn)輸，混合物進(jìn)入橫向運(yùn)輸器。橫向運(yùn)輸器對(duì)土垡等雜物進(jìn)一步篩離，留下較為純凈的馬鈴薯。馬鈴薯隨后被送入定量堆放裝置，在田間定量成堆堆放，完成收獲工作。裝備結(jié)構(gòu)示意如圖6。

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院完成了適于中等地塊馬鈴薯、具有馬鈴薯分級(jí)裝袋功能的4UFD-1400型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)［18］等。該機(jī)由仿形碎土裝置、切土挖掘裝置、土薯分離裝置、莖稈分離裝置、薯塊升運(yùn)裝置、薯塊分級(jí)裝袋裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓操縱裝置以及機(jī)架、地輪等部分組成，可一次完成薯類挖掘、土薯分離、莖稈、雜草及地膜分離、薯塊輸送升運(yùn)、薯塊分級(jí)、裝袋等作業(yè)，大幅度減少了薯類收獲的人工耗費(fèi)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著提高了生產(chǎn)效率（圖7）。

圖7　 4UFD-1400馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)

而在馬鈴薯收獲機(jī)械基礎(chǔ)研究方面，相關(guān)研究主要利⒚計(jì)算機(jī)技術(shù)建立挖掘部件㈦土壤作⒚的牽引阻力模型［19］，從減小牽引阻力、改善碎土性能和減少壅土等角度對(duì)挖掘鏟進(jìn)行性能分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，對(duì)薯塊㈦分離部件相互作⒚系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［20～21］。然而，由于我國(guó)馬鈴薯種植區(qū)Ⅱ分布較廣，地理?xiàng)l件㈦種植工藝差別很大，因而相關(guān)研究涉及的土壤參數(shù)不能完全適合我國(guó)新疆馬鈴薯種植區(qū)的情況。

4　當(dāng)前存在問(wèn)題

在馬鈴薯機(jī)械化收獲技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)上，雖然已經(jīng)取得一定的成果，但總體而言，研究水平依然相對(duì)較低，發(fā)展較為緩慢。綜合分析，筆者認(rèn)為我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)械存在問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)。

4.1引進(jìn)大型機(jī)具價(jià)格高

國(guó)內(nèi)很少有自主研發(fā)的大型馬鈴薯收獲機(jī)械，主要依靠進(jìn)口，進(jìn)口的馬鈴薯收獲機(jī)價(jià)格高，不易被農(nóng)民接受。

4.2機(jī)具能耗、制造成本高

當(dāng)前研究馬鈴薯收獲機(jī)械要實(shí)現(xiàn)行進(jìn)挖掘、篩土分離等工序，機(jī)具消耗功率極大，需配備大型拖拉

機(jī)進(jìn)行拖帶收獲作業(yè)。同時(shí)，由于生產(chǎn)規(guī)模小，生產(chǎn)成本居高不下，單機(jī)制造成本高。

4.3智能化程度低

由于我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)械機(jī)度為中小型收獲機(jī)，智能化技術(shù)應(yīng)⒚緩滯，目前馬鈴薯收獲機(jī)械智能化遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，智能仿形、識(shí)別及測(cè)產(chǎn)等方面研究目前仍處于試驗(yàn)層面，機(jī)具調(diào)試、作業(yè)等還需大量人工進(jìn)行輔助。

4.4工作性能有待提高

在馬鈴薯機(jī)械收獲過(guò)程中未能實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)、提升產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，工作性能不高，主要表現(xiàn)在：一是機(jī)具對(duì)不同氣候、土壤、栽培模式等適⒚范圍??；二是機(jī)具在收獲前需花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行調(diào)試，工作效率不高；三是機(jī)械收獲過(guò)程中對(duì)馬鈴薯碰傷概率高，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有一定影響。

5　建議

5.1加快大型馬鈴薯收獲機(jī)的國(guó)產(chǎn)化

國(guó)家及各級(jí)政府應(yīng)在資金和政策等層面加大對(duì)大型馬鈴薯收獲機(jī)械的研發(fā)、引進(jìn)、消化和吸收力度，使其盡快國(guó)產(chǎn)化。

5.2多舉措調(diào)動(dòng)馬鈴薯研究開(kāi)發(fā)積極性

當(dāng)前我國(guó)從事馬鈴薯收獲機(jī)械研究的科研院所及企業(yè)，科研經(jīng)費(fèi)及人員投入不足等突出問(wèn)題，要加快馬鈴薯收獲技術(shù)及機(jī)械發(fā)展，必須進(jìn)一步明確目標(biāo)、增加投入，努力提升科研院所及企業(yè)研究積極性。

5.3馬鈴薯收獲機(jī)械研究需統(tǒng)籌考慮

應(yīng)從馬鈴薯收獲機(jī)械研究進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，重點(diǎn)對(duì)挖掘、篩分以及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)進(jìn)行詳實(shí)組合研究，兼顧考慮配套動(dòng)力，進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，優(yōu)選更為合理的配置方式，切實(shí)減少不必要的動(dòng)力消耗，達(dá)到優(yōu)化組合的目的，為推廣馬鈴薯的機(jī)械化收獲奠定基礎(chǔ)。

5.4不斷提升馬鈴薯收獲機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量

在馬鈴薯收獲機(jī)械制造過(guò)程中，要積極使⒚新材料、探索新工藝，積極開(kāi)展生產(chǎn)考核，完善產(chǎn)品性能，不斷提升產(chǎn)品技術(shù)含量和質(zhì)量水平，同時(shí)積極探索馬鈴薯收獲機(jī)械零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，從而達(dá)到提升產(chǎn)品質(zhì)量、便于維修保養(yǎng)的目的。

隨著我國(guó)馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的提出，馬鈴薯種植面積將持續(xù)攀升，要想切實(shí)提升馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展

水平，提高產(chǎn)業(yè)附加值，必須開(kāi)展高效節(jié)能以及智能化種植、收獲機(jī)械技術(shù)研究，并將農(nóng)機(jī)㈦農(nóng)藝緊密結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)馬鈴薯收獲的機(jī)械化、智能化作業(yè)，為我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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Current Research Situation and Existing Problems of Potato Harvester

LIZhi-yong1，MENG He-wei2，LIYa-ping2
（1.Center station ofagriculturalmechinery technology popularization，XPCC，Urumqi，830000，Xinjiang，China；2.Collegeofmechanical and electricalengineering，ShiheziUniversity）

Theministry ofagriculture haspublished“The Guiding Opinionson promoting the Developmentof Potato Industry”on Feb.23，2016.According to the document content，the industrialization developmentof potato asstaple food grain productsw illbe carried on.By 2020，China'spotato p lanting areaw illbe expanded tomore than 666.67m illion hectare.At present，the existing problemsof harvestof potato are large labour intensity and low efficiency，butw ith the continuous increaseof labor costand lack of labour force，the demand ofmechanization ofpotato harvesthasbecome largerand larger.This text introduces the adventagesof developmentand development prospecto f potato industry in Xinjiang，elaborates the importanceofmechanized harvest for potato，analyzes the current research situation athome and aboard，pointsout the existing problems in research of potato harvester and raisessuggestions formechanization of potato harvest.

Potato；Harvest；Mechinery；Currentsituation

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.02.006

S225.7+1

A

1007-7782（2016）02-0019-05

2016-04-13

蒙賀偉