葉類蔬菜收獲機械研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

繆磊 王建軍

0 引言

收獲是葉類蔬菜生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)蔬菜收獲方式主要依賴人工作業(yè)，勞動強度大、效率低，收獲質(zhì)量不穩(wěn)定，已不適應(yīng)葉菜生產(chǎn)規(guī)?；l(fā)展的需求。江蘇省蔬菜種植面積和消費量位居全國前列。2018年全省蔬菜種植總面積達1 407.63 khm2，其中葉菜種植面積350 khm2[1]，約占25%。但從生產(chǎn)現(xiàn)狀看，蔬菜生產(chǎn)仍屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，蔬菜收獲機械化水平遠低于耕整地、播種、移栽等環(huán)節(jié)的機械化水平。為此，2017 年起江蘇省啟動設(shè)施農(nóng)業(yè)“機器換人”工程建設(shè)；2019 年出臺了《關(guān)于加快推進農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的實施意見》，將“特色農(nóng)業(yè)機械化率”列入2020 年省委鄉(xiāng)村振興實績考核指標(biāo)。提升葉類蔬菜收獲機械化水平已成為推進農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措和緊迫任務(wù)。

1 葉菜收獲機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

葉類蔬菜機械化收獲包括分禾、扶禾、切割、輸送、收集等環(huán)節(jié)，收獲裝備主要有切割裝置、傳送裝置、收集裝置、行走裝置、動力部件及輔助裝置等。

1.1 切割裝置

切割作業(yè)通常指將田間非對行葉菜扶正，用刀具對葉菜固定位置進行切割的過程，主要包括分禾、扶禾及切割三個環(huán)節(jié)。根據(jù)刀具運動形式不同，切割裝置可分為往復(fù)直線切割、圓盤旋轉(zhuǎn)切割、齒形鏈?zhǔn)角懈罴皫交剞D(zhuǎn)切割等類型。直線切割包括單刀往復(fù)切割和雙刀往復(fù)切割兩種方式[2]，在谷物聯(lián)合收割機上廣泛使用，技術(shù)成熟。帶式回轉(zhuǎn)切割、齒形鏈?zhǔn)角懈钇鹘Y(jié)構(gòu)基本相同，是將動刀固定在鋼帶（鏈條）上，繞兩個帶（鏈）輪運動[3]。圓盤旋轉(zhuǎn)切割裝置的切割部件就是圓盤上的突出齒。各類切割器的特點及適用條件見表1。

1.2 傳送、收集裝置

傳動收集是指將切割下來的葉菜輸送到收集裝置的過程。傳送裝置以帶傳動應(yīng)用最為廣泛（如圖1 所示）。為避免葉菜品相受損、提高作業(yè)效率，不同類型的葉菜需選用不同的傳送收集裝置，比如：韭菜、芹菜等莖稈高、外形規(guī)律的葉菜需要有序收集，宜采用夾持型傳送裝置；金花菜等單體小、質(zhì)量輕的葉菜，需選用風(fēng)送型傳送裝置，將蔬菜吹送到收集袋中；雞毛菜、莧菜等葉菜多采用無序收集方式，需選用推送式或推送振動復(fù)合型傳送裝置，將菜裝入收集箱[4]。

1.3 行走裝置

行走裝置能夠?qū)崿F(xiàn)機器在田間行走、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)向和制動，一般由行走輪、仿形輪、機架及變速箱等部件組成。行走裝置主要有履帶式和車輪式兩種：履帶式行走裝置具有行走平穩(wěn)、打滑率低、田面碾壓輕等特點；車輪式行走裝置具有地形適應(yīng)性強、作業(yè)效率高、操作靈活等特點。收獲機既有手扶式也有乘坐式，可根據(jù)動力配置狀況、作業(yè)環(huán)境等，選擇合理的機具配置。

1.4 動力系統(tǒng)

動力源通常有電動機、汽油機、柴油機等。對于露天田塊的作業(yè)機械，動力源的選擇性較廣，但要充分考慮作物的生長特性、品質(zhì)要求；對于單季多茬收割的蔬菜，為避免根系受碾壓，應(yīng)盡量簡化裝備，減輕自重；對于溫室大棚作業(yè)機械，選配鋰電池為動力，既能簡化結(jié)構(gòu)，又能減少尾氣排放對蔬菜品質(zhì)的影響。為提升機具的操控靈活性及精確度，各工作部件可分別安裝電機作為驅(qū)動器。

表1 各類切割器的特點及適用條件

圖1 電動手扶式葉菜收獲機

2 設(shè)計注意事項

2.1 葉菜自身特性

機具設(shè)計需考慮葉類蔬菜的生長環(huán)境、生長特性及品質(zhì)要求。一要考慮溫室大棚狹小的空間和丘陵、山地等特殊的作業(yè)環(huán)境；二要考慮蔬菜種植農(nóng)藝；三要考慮不同種類的葉菜生長的幾何形態(tài)和物理特性的差異。

2.2 機械的通用性

不同品種的葉類蔬菜切割位置、莖稈粗細、植株高度都不同，這就對收獲機械的適用性提出較高的要求。現(xiàn)有蔬菜收獲機械普遍存在專用性強、通用性差的問題，推廣應(yīng)用難度較大。因此，通用性也是機具設(shè)計的重要考量因素。

2.3 葉菜品質(zhì)要求

葉菜收獲包括土上貼地切割、土下切割，作業(yè)過程難免會有泥土、殘菜等雜物堵塞割臺或傳送入收集箱，而作為主要食用部位的蔬菜葉片極易受損，現(xiàn)有蔬菜收獲機械的收獲效率和作業(yè)質(zhì)量達不到用戶要求，從而影響了用戶購機積極性。

3 技術(shù)發(fā)展趨勢

近年來，我國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)機械化發(fā)展較快，但要提高裝備的實用性，還需從自動化、通用性、適應(yīng)性等方面開展更深層次的研究。

3.1 開展裝備模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計即采用先進設(shè)計技術(shù)，按照葉菜收獲作業(yè)要求研發(fā)通用動力底盤、切割部件、傳送部件、無序輸送和有序輸送等模塊，通過各功能模塊之間自由組合，實現(xiàn)切割和輸送工作部件的快速掛接和有機互換，使收獲機能夠完成土下、貼土、土上切割和有序、無序輸送收集，實現(xiàn)多功能收獲作業(yè)，進而提高產(chǎn)品的通用性。

3.2 促進農(nóng)機農(nóng)藝融合

一方面，要讓農(nóng)藝與農(nóng)機配套，選用適合機械化收獲的種植品種（幾何形態(tài)、物理特性）、種植規(guī)范（株距、行距、壟寬、播種深度等），保障收獲機械的工作效率、作業(yè)質(zhì)量；另一方面，要讓收獲機更好地適應(yīng)種植環(huán)境，通過集成應(yīng)用可變軌距、雙驅(qū)電機控制等技術(shù)，提高不同壟距田間作業(yè)的通用性；通過設(shè)計平行四邊型側(cè)向激振式通用仿形切割裝置，實現(xiàn)切割刀具高度和姿態(tài)的調(diào)節(jié)，提高機具切割作業(yè)性能。

3.3 加強蔬菜物理特性研究

研究蔬菜的物理特性對于控制葉菜損失率和損傷率意義重大。要重點研究不同種類葉菜的幾何形態(tài)( 株高、株徑、根長、葉片開合程度等) 和切割特性( 土壤環(huán)境、切入深度和角度、剪切力、抗拉強度、拔取力等)，建立專家數(shù)據(jù)庫，為收獲機械研發(fā)、作業(yè)中關(guān)鍵部件參數(shù)確定提供理論支撐。

3.4 提升作業(yè)自動化程度

自動化控制能夠大幅減少作業(yè)中人工干涉，提高機械化收獲效率和可靠性。一要開發(fā)以PLC為核心的集中控制器，實時采集機具前進速度、切割高度、姿態(tài)、輸送速度等作業(yè)參數(shù)；二要建立直線行走速度的控制與差速調(diào)控模型；三要根據(jù)收獲性能試驗結(jié)果，建立不同葉菜收獲作業(yè)的優(yōu)化控制模型，確定葉菜收獲的機械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范操作規(guī)程，減小漏割、重割面積。

4 結(jié)語

針對葉菜種植現(xiàn)狀，江蘇省葉菜收獲機的研發(fā)類型應(yīng)以中小型、多功能、輕量化機具為主，要注重模塊化設(shè)計，以提升產(chǎn)品的通用性、利用率。應(yīng)提升整機自動化水平，優(yōu)化控制單元，提高機具作業(yè)可靠性和穩(wěn)定性，為葉菜種植規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。