結(jié)球葉菜收獲機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀

張 靜，韓長杰，郭 輝，徐 陽，周 軍

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

0 引言

結(jié)球葉菜是葉菜的一種，其收獲機(jī)械的典型代表是甘藍(lán)收獲機(jī)械，將植株從土壤中拔出后向后傳送，最后完成根莖的切除、剝?nèi)~、收集等工序。關(guān)鍵部件主要包括拔取和輸送裝置、莖部切割裝置及剝?nèi)~裝置等。自1931年前蘇聯(lián)成功研制出了第一臺甘藍(lán)收獲機(jī)以來，國外許多國家都展開了對結(jié)球葉菜收獲機(jī)械的研究工作。經(jīng)過近80年的發(fā)展研究，俄羅斯、日本、美國等國家和地區(qū)已經(jīng)投入實際生產(chǎn)，國內(nèi)對蔬菜收獲機(jī)械的研究，尤其是結(jié)球葉菜收獲機(jī)械仍處于理論研究和試驗階段。本文重點分析了甘藍(lán)收獲機(jī)、大白菜收獲機(jī)等結(jié)球葉菜收獲機(jī)械關(guān)鍵部件的研究進(jìn)展，為今后結(jié)球葉菜機(jī)械化收獲裝備的研發(fā)提供參考。

1 拔取輸送裝置研究現(xiàn)狀

1.1 拔取裝置

在蔬菜的整個機(jī)械化收獲工藝過程中，蔬菜的拔取是第一步，其拔取裝置主要用于將結(jié)球葉菜等整顆植株連根拔取，隨后，通過輸送提升裝置提升和輸送蔬菜，因此拔取的作業(yè)質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)各個環(huán)節(jié)的作業(yè)效果[1]。目前，最常見的拔取裝置形式有鏈條式、鏟式、螺旋錐式和圓盤式4種。以上4種類型拔取裝置均通過1對反向運轉(zhuǎn)的部件作用于結(jié)球葉菜底部和根莖部，引導(dǎo)結(jié)球葉菜至輸送提升裝置，主要結(jié)構(gòu)特點如表1。

表1 四種拔取裝置的結(jié)構(gòu)特點

1.1.1 鏈條式

世界上第一臺由前蘇聯(lián)在1931年開發(fā)的甘藍(lán)收獲機(jī)采用左右回轉(zhuǎn)鏈條結(jié)構(gòu)提取甘藍(lán)，鏈條的內(nèi)側(cè)由彈簧壓緊，兩組拔取器分別固定在刮板式輸送器的兩端，當(dāng)鏈條工作時，鏈條拉住甘藍(lán)的根部將其拔出土壤，但田間試驗證明該鏈條式拔取器工作時受甘藍(lán)尺寸和根莖位置影響較大，對于根莖較低的甘藍(lán)，拔取裝置很難達(dá)到根莖處，且易落入鏈條內(nèi)阻礙鏈條正常回轉(zhuǎn)運動，導(dǎo)致甘藍(lán)堵塞和堆積，因此在后續(xù)的甘藍(lán)收獲機(jī)械研究中很少見到鏈條式結(jié)構(gòu)[2]。

1.1.2 鏟式

浙江大學(xué)研制了一種適合我國南方種植模式的單行自走式甘藍(lán)收獲機(jī)械，采用了可彈性浮動的撥輪配套鏟式拔取裝置作業(yè)，拔取效果較好，對甘藍(lán)的損害較小[3]（圖1）。

圖1 自走式甘藍(lán)收獲機(jī)

1.1.3 螺旋錐式

在國外，日本開發(fā)的手扶自走式大白菜收獲機(jī)使用螺旋提取器和彈性夾帶完成拔取過程[4]（圖2）。美國北卡羅來納州研制的一種背負(fù)式結(jié)球甘藍(lán)收獲機(jī)（圖3）采用導(dǎo)向椎體配合螺旋輸送帶進(jìn)行甘藍(lán)拔取輸送，配套采用了液壓傳動機(jī)構(gòu)[5]。美國Kobuchi等設(shè)計的甘藍(lán)收獲機(jī)也使用了雙螺旋拔取桿，使用引導(dǎo)輪作為輔助拔取裝置，有效提高了拔取輸送的效果與效率，降低了因堵塞引起的故障率[6]。

圖3 甘藍(lán)聯(lián)合收獲機(jī)

在國內(nèi)，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)研究設(shè)計的4YB-1型甘藍(lán)收獲機(jī)采用螺旋錐式引拔收集機(jī)構(gòu)對甘藍(lán)進(jìn)行對行扶正，利用其椎體結(jié)構(gòu)引導(dǎo)甘藍(lán)向上運動，最終拔起甘藍(lán)[7，8]（圖4）。

圖4 4Y-I型甘藍(lán)收獲機(jī)

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)徐麗明等人設(shè)計的一種大白菜收獲機(jī)同樣采取了雙螺旋拔取裝置，并進(jìn)行了大白菜根部物理特性的研究和拔取力測試試驗，采用四個測力計測定整株大白菜完整的從土壤里拔取出來時需要的力，結(jié)果表明拔取力隨著根部直徑的增大而逐漸增大，大白菜根部直徑約 30～35 mm，拔取力約 330～350 N[6]。

此外，北京工業(yè)大學(xué)高國華等人基于能量平衡理論對生菜拉拔切割過程力學(xué)性能分析，研究表明拉拔力有利于減小生菜切割階段的切割力，但是過大的拉力往往會導(dǎo)致切割斷裂截面不均勻，收獲效果不佳[9]。

1.1.4 圓盤式

國外，美國Shepardson等人研發(fā)的甘藍(lán)收獲機(jī)采用了雙圓盤的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)甘藍(lán)的拔取，最終由切割圓盤完成根部的切除，適用任何現(xiàn)場條件及任何卷心菜作物品種，一次收獲切割率高達(dá)80%，1970年紐約加工的一半通過這種方法收獲，但未實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)（圖5）。2000年日本研制了一種聯(lián)合甘藍(lán)聯(lián)合收獲機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)單行種植甘藍(lán)的一次性收獲、收集和裝箱，同樣采用了旋轉(zhuǎn)式雙圓盤根莖引拔裝置，通過輸送裝置將甘藍(lán)運送至切割裝置處，由圓盤割刀一次完成甘藍(lán)根部和頭部外包葉的切斷，收獲效率達(dá)0.3 hm2/h。意大利Hortech公司的RAPIDSR型四行自走式甘藍(lán)聯(lián)合收獲機(jī)采用圓盤割刀切割蔬菜根部進(jìn)行拔取，蔬菜通過兩條傾斜的傳送帶運送到后部清潔平臺由人工進(jìn)行清選裝箱。

美國Hachiya等建立了一套適合大規(guī)模作業(yè)系統(tǒng)的甘藍(lán)收獲方法，無須中斷作業(yè)，為后續(xù)的機(jī)械化收獲應(yīng)用提供了一種新的思路。其采用的是一種旋轉(zhuǎn)式雙圓盤的拔取裝置，后續(xù)工人配合手工去葉、裝箱一體化甘藍(lán)收獲機(jī)，已于2001年底實現(xiàn)商業(yè)化[10]（圖 6）。

圖5 甘藍(lán)收獲機(jī)

圖6 甘藍(lán)收獲機(jī)系統(tǒng)

此外，2017年11月30日，日本Yanmar和Osada Nouki基于已經(jīng)開發(fā)的卷心菜收割機(jī)，共同研制了一種大白菜收獲（圖7），其結(jié)構(gòu)與卷心菜收割機(jī)類似，同樣采用了圓盤式一體拔取切割裝置，但在大白菜輸送到載體時，葉子容易損壞擦傷，關(guān)于該種大白菜收獲機(jī)的其它相關(guān)信息尚未見報道。

圖7 自走式大白菜收獲機(jī)

圖8 大白菜收獲機(jī)

國內(nèi)，哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的背負(fù)式大白菜收獲機(jī)（圖8）采用一對斜置安裝的切口圓盤對白菜進(jìn)行先切根后拔取，由于圓盤弧面與地面接觸以限制深度，對白菜根部切削長度較一致[11]。

綜上所述，目前以上4種拔取裝置形式除鏈條式拔取裝置外，其余3種在國內(nèi)外甘藍(lán)收獲機(jī)械方面都有普遍應(yīng)用，并且都配套了相應(yīng)的撥入裝置。拔取裝置的選擇一方面取決于土壤類型，另一方面取決于植株的特性?，F(xiàn)有研制的大白菜收獲機(jī)械方面大都采用了雙圓盤式結(jié)構(gòu)，其余形式拔取結(jié)構(gòu)尚未查到相關(guān)文獻(xiàn)，雖然已有文獻(xiàn)對結(jié)球葉菜根部力學(xué)特性開展了研究，但對結(jié)球葉菜葉子的相關(guān)特性未展開相關(guān)研究。

1.2 輸送提升裝置

輸送作業(yè)是蔬菜機(jī)械化收獲的重要環(huán)節(jié)之一，輸送提升裝置在完成輸送蔬菜的同時，還必須夾持固定住植株以協(xié)助完成切根操作，且必須克服蔬菜本身重力，利用摩擦有效地防止蔬菜在升運過程中滾動[12]。目前，常見的輸送提升裝置主要有三種結(jié)構(gòu)：螺旋升運式、輸送帶式和輸送鏈?zhǔn)健?/p>

圖9 甘藍(lán)輸送結(jié)構(gòu)

國外，俄羅斯NinaToncheva等人對甘藍(lán)傳送輸送裝置（圖9、10）進(jìn)行了試驗優(yōu)化，得到了較優(yōu)的輸送裝置偏心曲軸角速度（0.105 rad/s），葉片夾緊和間隙之間的間隙（70mm）和甘藍(lán)收獲機(jī)的工作速度（1.17m/s）[13]。

在國內(nèi)，浙江大學(xué)設(shè)計的履帶自走式甘藍(lán)收獲機(jī)采用圓弧形PVC材料凹槽輸送提升裝置，鋸齒式輸送鏈夾持甘藍(lán)根部用于同步輸送，實現(xiàn)甘藍(lán)植株的輸送、夾持和固定等功能，雙橫向傳送帶的夾緊距離可通過間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)手動調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同品種甘藍(lán)的差異[14]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計的大白菜收獲機(jī)采用了螺旋升運裝置配合夾持裝置使大白菜平穩(wěn)輸送。

圖10 試驗裝置

由哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院李向軍等研發(fā)的背負(fù)式大白菜收獲機(jī)采用凸凹條形輸送鏈（圖11），中間凹條均勻分布，有效防止大白菜在提升過程中滾落。

圖11 升運鏈結(jié)構(gòu)

在拔取裝置和輸送裝置之間，部分裝置采用了夾持導(dǎo)向和壓頂裝置，主要目的也是為了配合升運裝置一起，將植株平穩(wěn)輸送到隨后的剝離、切根及其它工序?，F(xiàn)有夾持導(dǎo)向和壓頂裝置主要采用不同形式和材質(zhì)的皮帶水平或豎直方向平行放置進(jìn)行夾持輸送。例如國外大都采用專用一體式皮帶進(jìn)行輸送導(dǎo)向同時可以完成初步剝?nèi)~等工序，輸送效率高，但制造成本較高，適應(yīng)性比較差（圖12）。

圖12 國外輸送導(dǎo)向一體式甘藍(lán)收獲機(jī)

國內(nèi)，黑龍江哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院使用兩條高密度柔性皮帶（圖13）夾持，由于白菜質(zhì)量大，并且在收獲過程中白菜葉不可避免地落入夾持主動輪和皮帶中間，經(jīng)擠壓之后滲出大量水分，導(dǎo)致收獲時皮帶容易打滑而脫落，在皮帶中間位置加裝齒狀C型帶，不僅可以導(dǎo)向，防止皮帶垂直下落，還能強(qiáng)制驅(qū)動皮帶防止打滑。其它類似夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖14[15]。

圖13 夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

綜上，不同輸送提升裝置都涉及到輸送傾角、傳輸速度等關(guān)鍵參數(shù)。研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)傳輸帶寬一定時，輸送量越大，帶速越低，特別是對于傾角較大的輸送裝置，而對于行駛速度的影響不太明顯。由于甘藍(lán)、大白菜質(zhì)量較小，輸送機(jī)構(gòu)的功率消耗較小，輸送機(jī)構(gòu)的功率主要消耗在植株運輸及滾筒自身轉(zhuǎn)動上，在設(shè)計時還要著重考慮如何將切下的根莖快速排出，防止纏繞堵塞。國內(nèi)大都采用了夾持導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在設(shè)計時要根據(jù)結(jié)球葉菜大小調(diào)節(jié)夾持皮帶的距離，避免夾持破碎。

圖14 夾持裝置結(jié)構(gòu)

2 切根裝置研究現(xiàn)狀

切根裝置是結(jié)球葉菜收獲機(jī)作業(yè)的關(guān)鍵部件之一，與輸送提升裝置協(xié)同作業(yè)，主要目的是切除結(jié)球葉菜根，保證凈菜向后輸送。切根質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的剝?nèi)~質(zhì)量，決定著整個收獲機(jī)的作業(yè)性能，現(xiàn)有結(jié)球葉菜收獲機(jī)大多采用先拔取后切根的方式進(jìn)行收獲，但切根裝置的形式有所差異。國內(nèi)在借鑒國外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，主要采用了鋸齒式雙圓盤切割結(jié)構(gòu)為主。

圖15 切割機(jī)構(gòu)示意

例如，哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院采用先切割后拔取的方式來收獲大白菜，其切割機(jī)構(gòu)（圖15）的動力來源于2個液壓馬達(dá)，工作時高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)驅(qū)動切割盤進(jìn)行切割作業(yè)，切割盤采用2個缺口圓盤（直徑350 mm，曲率半徑600 mm，厚度3 mm），圓盤夾角可通過萬向節(jié)安裝調(diào)整，以滿足根部切割位置的要求[11]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計的圓盤刀（圖16）通過5把直刀片固定安裝在刀盤上，構(gòu)成圓盤切割器，并通過對割刀的運動學(xué)分析得出適宜的刀軸轉(zhuǎn)速為68.57 r/min。通過對鋸齒圓盤刀片的模態(tài)分析，浙江大學(xué)得出甘藍(lán)根莖部適宜轉(zhuǎn)速為500 r/min，并結(jié)合切割試驗，以切割力大小為考察指標(biāo)，研究得出單點夾持情況下低速向下削切時切割力最小，其較佳的切割區(qū)域為30～35 mm處，為甘藍(lán)收獲機(jī)切割器的設(shè)計與改進(jìn)提供了理論依據(jù)[16]。

圖16 切割圓盤

綜上，結(jié)球葉菜在切根時一方面要保證較好的切割質(zhì)量和效果，不產(chǎn)生劈裂等切割損傷；另一方面要減少功率和阻耗，防止纏繞堵塞，確保切割圓盤的正常工作。目前已有切根裝置切割高度固定不可調(diào)，在后面的研究中可考慮采用可調(diào)角度或高度式切割機(jī)構(gòu)，確保切割時在最佳切根區(qū)域。此外，相關(guān)研究資料表明，在相同工作條件下，直線刀的切割功耗最小，星齒刀的切割功耗最高，因此需要選擇合適的刃口和切割刀材質(zhì)，以平衡刃角過小導(dǎo)致圓盤刀剛度降低的問題。

3 國內(nèi)外剝?nèi)~裝置研究現(xiàn)狀

剝?nèi)~裝置的主要目的是去除已被切根裝置切斷后部分結(jié)球葉菜的外包老葉，且必須確保葉片表面不被損壞?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外對于甘藍(lán)的剝?nèi)~裝置（圖17）比較成熟，主要通過液壓馬達(dá)驅(qū)動剝?nèi)~輥，在高速旋轉(zhuǎn)下對甘藍(lán)外葉進(jìn)行剝離，同時引導(dǎo)剝離后的甘藍(lán)進(jìn)入后續(xù)輸送裝箱過程[17]。但由于大白菜葉子比較脆弱，易碰傷，現(xiàn)階段對大白菜的剝?nèi)~仍然以手工配合為主。

圖17 剝?nèi)~裝置結(jié)構(gòu)

國外Josie Hughes等人在現(xiàn)有機(jī)械式剝?nèi)~裝置的基礎(chǔ)上研發(fā)了一種自動剝?nèi)~系統(tǒng)，其結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，利用適宜的空氣吸力去除甘藍(lán)葉片，經(jīng)過試驗測試，為今后機(jī)器人自動識別剝?nèi)~技術(shù)提供了一種新方法[18]。

4 存在的問題及建議

4.1 存在的問題

4.1.1 生產(chǎn)栽培模式不規(guī)范制約機(jī)械化收獲和推廣

我國結(jié)球葉菜的種類繁多，種植分布廣泛，且多為農(nóng)戶小規(guī)模種植。不同種植地區(qū)結(jié)球葉菜的種植行距、株距等相應(yīng)的參數(shù)變化范圍也非常大，由此給收獲機(jī)械的設(shè)計帶來了很大的困難[19]。當(dāng)前研究人員局限于研究某一特定的品種進(jìn)行研究，導(dǎo)致收獲機(jī)械的通用性不強(qiáng)，農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)水平相對較低，對制造成本較高的收獲裝備購買力差，以上因素阻礙了收獲機(jī)械化的推廣。

4.1.2 薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)水平滯后影響機(jī)械化水平

在日本等發(fā)達(dá)國家，結(jié)球類蔬菜種植不僅在整個生產(chǎn)過程實現(xiàn)了機(jī)械化，而且已朝著通用高效、智能化收獲等方向發(fā)展。目前，在我國蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)過程中，蔬菜機(jī)械化耕作、移栽、灌溉和植保等技術(shù)得到不斷發(fā)展，但整體機(jī)械化水平較低，收獲環(huán)節(jié)成為限制蔬菜全程機(jī)械化生產(chǎn)的瓶頸?，F(xiàn)有收獲裝備自適應(yīng)差、通用性差、損傷較高，亟需突破薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)問題，以降低機(jī)械化收獲損傷，實現(xiàn)高效收獲。

4.2 建議

為解決結(jié)球類葉菜機(jī)械化收獲問題，首先要對結(jié)球類蔬菜的生物力學(xué)特性和收獲機(jī)理開展深入研究，探討自動仿形技術(shù)、變位切割技術(shù)、柔性喂入技術(shù)等共性技術(shù)，為關(guān)鍵部件的研發(fā)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)；其次，要注重農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的緊密融合，進(jìn)一步規(guī)范葉類蔬菜的種植農(nóng)藝，制定完善的機(jī)械化生產(chǎn)種植模式和體系以保障生產(chǎn)、收獲等各環(huán)節(jié)機(jī)具的配套使用，提高收獲機(jī)械的利用率和通用性。同時進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)電一體化技術(shù)和智能技術(shù)在機(jī)械化收獲中的融合應(yīng)用，實現(xiàn)收獲機(jī)械的自動對行、智能化選擇性收獲、在線稱重及品質(zhì)檢測分級、蔬菜溯源保鮮等，以提高裝備的智能化水平、自適應(yīng)性、通用性和市場化需求性。