花生收獲機挖掘裝置的研究進展

蔣延金，陳立東*，李國昉，王逸飛，杜鳳永

(1 河北科技師范學(xué)院機電工程學(xué)院，河北 秦皇島，066600；2 河北永發(fā)鴻田農(nóng)機制造有限公司)

花生機械化收獲作業(yè)主要包括起挖、去土、晾曬、撿拾、摘果和清選等多個工藝流程[1]。其中，挖掘裝置鏟斷花生根部，將花生的秧和土壤一同挖起，然后將夾雜土壤的花生秧和花生蔓傳輸?shù)椒蛛x裝置。挖掘裝置進行的“起挖”環(huán)節(jié)是花生收獲的第一步，其性能決定收獲的質(zhì)量和效率。為此，筆者分析了國內(nèi)外花生收獲機中挖掘裝置的主要類型及國內(nèi)現(xiàn)階段花生收獲機挖掘裝置存在的問題，提出花生挖掘裝置的發(fā)展建議，以期為今后我國花生收獲機挖掘裝置的進一步研發(fā)提供參考。

1 花生挖掘裝置的分類

花生挖掘裝置通過“挖”或“拔”的形式將土下花生和秧蔓掘出土壤，鋪放在田間或進入中間輸送裝置。目前，我國花生收獲機械中應(yīng)用的挖掘裝置按不同的分類標(biāo)準(zhǔn)分為以下4類[2]。

1.1 按挖掘分離裝置組合方式歸類

按照挖掘裝置和分離裝置的組合方式分為挖分一體式、鏟鏈組合式、鏟篩組合式、鏟夾組合式等4種[3]。

挖分一體式挖掘裝置中挖掘部件和分離部件合為一體，可同時進行起挖、輸送和分離等作業(yè)，結(jié)構(gòu)緊湊、動力消耗較小、生產(chǎn)率高。4H-2型花生收獲機與4HQL-2型花生聯(lián)合收獲機的挖掘裝置采用了挖分一體式結(jié)構(gòu)[4，5]。

鏟鏈組合式挖掘裝置通過挖掘鏟和分離鏈的配合完成收獲作業(yè)，挖掘鏟鏟斷花生根部，將花生秧蔓和土壤一同挖起，分離鏈將花生秧蔓和土壤分離并向后輸送。4H-1500型和4HW-800型花生收獲機、4HFS-150型花生聯(lián)合收獲機都采用了鏟鏈組合式挖掘裝置[6，7]，具有適應(yīng)性強、損失率低的優(yōu)點。但當(dāng)花生種植密度較大時，鏟鏈組合式挖掘裝置容易雍土。

鏟篩組合式挖掘裝置的作業(yè)特點與鏟鏈組合式相似，區(qū)別在于由分離篩完成分離作業(yè)[8]。HS-73型和4H-800型花生收獲機上使用了鏟篩組合式挖掘裝置[9]。

鏟夾組合式挖掘裝置通過挖掘鏟與夾持帶或夾持鏈的配合完成收獲作業(yè)。挖掘鏟鏟斷花生主根，花生植株以直立狀態(tài)進入入秧口，通過夾持帶或者夾持鏈夾持花生植株的秧部向后輸送，作業(yè)順暢，不雍土。鏟夾組合式挖掘裝置對壟距和花生植株的高度等因素要求較高，適應(yīng)性差，目前在我國應(yīng)用較少。2H-1型花生收獲機采用了該挖掘裝置[2]。

1.2 按作業(yè)行數(shù)與挖掘鏟數(shù)量歸類

花生種植經(jīng)常采用壟作模式，最常見的有單行壟作和雙行壟作[10]?；ㄉ斋@機根據(jù)不同的花生種植壟數(shù)，配置不同數(shù)量的挖掘鏟。挖掘鏟越多，挖掘裝置入土性能及碎土能力越強，工作效率越高。雙鏟挖掘裝置結(jié)構(gòu)簡單，但工作效率低于多鏟挖掘裝置。多鏟挖掘裝置的挖掘阻力較小，但制造工藝復(fù)雜。4H-2型、4HS-2型花生收獲機均為雙挖掘鏟，一壟雙行作業(yè)。4HBL-4型聯(lián)合收獲機配置了4個挖掘鏟，可進行兩壟四行花生收獲[11]；4HFS-150型和4HL-150型花生收獲機分別采用了菱形多鏟與三角平面多鏟[12]。

1.3 按挖掘鏟運動狀態(tài)歸類

挖掘鏟的運動狀態(tài)分為固定式和活動式?；顒邮酵诰蜓b置能減少挖掘阻力，提升挖掘的順暢性。4HS-2型花生收獲機通過偏心輪實現(xiàn)挖掘裝置的擺動挖掘[13]；HS-73型花生收獲機通過平行連桿機構(gòu)實現(xiàn)振動挖掘[14]。固定式挖掘鏟挖掘阻力大，導(dǎo)致機具負(fù)荷高。4LH-2型花生聯(lián)合收獲機中，挖掘裝置的鏟柄與管座采用螺釘連接，鏟柄可在管座內(nèi)活動[15]；4HW-800型花生收獲機的挖掘鏟直接固定在機具的橫梁上[6]。

1.4 按挖掘鏟鏟面形狀歸類

挖掘鏟鏟面的形狀分為平面鏟、曲面鏟和槽形鏟等3類[16]?；ㄉ诰蜓b置的挖掘鏟以平面鏟為主，鏟面呈流線型，以保證順暢挖掘。4HB-2A型、4HLB-2型、4HBL-2C型花生收獲機均采用了雙梯形鏟[17]；4HL-150型花生收獲機采用的是三角平面多鏟[12]。平面鏟結(jié)構(gòu)簡單，但易出現(xiàn)纏秧和雍土現(xiàn)象。李長銘[18]仿照螻蛄前足第一趾爪的結(jié)構(gòu)，研制了減阻、碎土效果較好的花生挖掘鏟。

2 國內(nèi)外花生收獲機挖掘裝置的研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

花生收獲機械化程度高達(dá)90%以上的有美國、阿根廷、巴西、澳大利亞等國家。美國基于兩段式花生收獲模式，將挖掘裝置與分離裝置組合設(shè)計，常采用鏟鏈組合式和鏟夾組合式。Pearman公司生產(chǎn)了PEARMAN-606(6壟)鏟夾組合式花生起收機，Armadas公司生產(chǎn)了ADI-6(6壟懸掛)鏟鏈組合式花生起收機[19]。鏟鏈組合式挖掘適應(yīng)性較強，但花生種植密度較大時容易雍土。鏟夾組合式作業(yè)順暢，但對農(nóng)藝要求較高。連續(xù)多年對花生收獲機的研究和改進，使美國的花生挖掘裝置性能更優(yōu)越。Kelly公司的花生收獲機配備柔性挖掘翻秧裝置，可適應(yīng)復(fù)雜的田間地勢。Armadas公司設(shè)計生產(chǎn)的軟盤式挖掘裝置，在挖掘過程中可有效去除雜物[20]。Kelly公司的KMC2002型花生收獲機上采用CV挖掘鏟控制機構(gòu)，使挖掘鏟作業(yè)順暢[21]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國花生種植規(guī)模大，模式多，產(chǎn)區(qū)分布在山東、河北、河南等地。自20世紀(jì)80年代以來，我國開始研究多種花生收獲機械以適應(yīng)不同產(chǎn)區(qū)作業(yè)需求[22]。目前對于花生挖掘裝置的研究主要集中在挖掘鏟的性能、限深裝置、分禾扶禾裝置等方面。

2.2.1挖掘鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)研究 花生挖掘鏟主要包括挖掘鏟面、鏟柄和連接部分。挖掘鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括入土深度、入土角度、鏟翼張角、鏟體寬度、鏟面形狀、鏟柄性能等[23]。入土深度是影響挖掘阻力的主要因素，挖掘阻力隨入土深度的增加而增大。在保證挖凈率的前提下，挖掘深度越淺越好。入土角度影響入土性能，入土角較小時不易入土，入土角較大時挖掘阻力大。鏟翼張角是鏟翼單側(cè)外緣線與機組前進方向的夾角，決定了鏟斷花生主根的順暢程度[18]。挖掘鏟常呈倒八字型配置，便于形成滑切，更省力地切斷花生主根[2]。常見的鏟柄類型有彎弧式、直立式和傾斜式。挖掘作業(yè)工作阻力較大，要求鏟柄具有足夠的強度。

為減小挖掘阻力，增強破土能力，挖掘鏟一般采用流線形。李長銘[18]以挖掘能力較強的螻蛄的爪作為仿生對象，運用反向工程學(xué)原理設(shè)計出減阻、碎土效果較好的新型仿生挖掘鏟。楊然兵[24]設(shè)計了流線型挖掘鏟，應(yīng)用于4HQL-2型花生收獲機。陳書法等[12]在4HL-150型花生收獲機的挖掘裝置中采用了帶斜刃的三角形鏟，入土性能良好，鏟刃具備自動清理效果。楊然兵[25]設(shè)計了動力圓盤式挖掘裝置，減少機組前進阻力，解決了平作花生聯(lián)合收獲過程中挖掘鏟前壅土的問題。

挖掘鏟的擺動或振動也可以達(dá)到減阻脫土效果。挖掘鏟入土?xí)r處于振動狀態(tài)，增加土壤流動性，降低其剪切強度，加速碎土、抖土，起到減阻脫土效果。HS-73型花生收獲機采用平行連桿機構(gòu)實現(xiàn)振動挖掘[14]。

2.2.2限深裝置的研究 花生收獲機上的限深裝置有機械式限深裝置、液壓式限深裝置和自動控制式限深裝置。機械式限深裝置結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)要求低、成本造價低，目前被廣泛采用。限深輪和限深板等類機械式限深裝置存在穩(wěn)定性差、挖掘鏟調(diào)整速度慢的缺點。4H-2型、4HZ-2型和 4HLB-4型花生收獲機分別采用行走輪、鏟側(cè)限深器、機械懸浮式限深機構(gòu)進行機械限深[26，27]。液壓式限深裝置可有效提高挖掘鏟的調(diào)整速度，但需要人工觀察田間起伏變化，手動操縱液壓系統(tǒng)，控制誤差較大。4HBL-2型和4HB- 2A型花生收獲機都采用液壓驅(qū)動的限深輪[28]。自動控制式限深裝置的自動化程度高，反應(yīng)靈敏，隨地面起伏自動仿形，是目前最先進的限深技術(shù)。4HLB-4型和4HBLZ-2型花生聯(lián)合收獲機設(shè)有限深輪仿形機構(gòu)，通過地面仿形系統(tǒng)控制挖掘鏟的升降，保證挖掘鏟與地面的隨動[29，30]。

2.2.3分禾扶禾裝置的研究 分禾扶禾裝置配置在花生挖掘裝置的前側(cè)，將當(dāng)前作業(yè)范圍內(nèi)的花生植株與待收花生植株隔開，并將需起挖的花生植株扶起，提高挖掘效率，方便后續(xù)作業(yè)[19]。4HB-2A型花生聯(lián)合收獲機采用尖錐扶禾器，將需起挖的花生植株扶起并向后引導(dǎo)[28]；4HQL-2型花生收獲機采用棱錐型扶禾裝置[31]；4HLB-2型和4LH2型花生聯(lián)合收獲機配置撥指式扶禾裝置[32，33]。

3 我國花生收獲機挖掘裝置存在的問題

3.1 地域差異明顯，花生挖掘效果不理想

我國花生種植面積廣闊，種植模式多樣，有壟作、平作和畦作[10]；花生收獲方式有分段收獲、兩段收獲和聯(lián)合收獲。地域種植方式和收獲方式的差異使收獲機挖掘裝置的種類繁多?；ㄉ斋@作業(yè)時，機組行駛在地形復(fù)雜的松軟土壤上，機組質(zhì)心的波動將不斷改變挖掘鏟的初始入土位置，很難保證行駛穩(wěn)定性，影響挖掘作業(yè)效果。挖掘裝置中普遍存在挖掘鏟鏟前壅土、挖不凈和挖掘鏟硬度高等問題，導(dǎo)致挖掘效果不理想[35]。

3.2 限深裝置落后，挖掘深度控制效果差

研究者對花生收獲機挖掘作業(yè)進行運動學(xué)和動力學(xué)分析時常作理想化處理，假設(shè)機組勻速平穩(wěn)作業(yè)。但實際花生種植地形復(fù)雜，機組很難實現(xiàn)平穩(wěn)作業(yè)。為減少挖掘阻力，實現(xiàn)機組平穩(wěn)作業(yè)，花生收獲機經(jīng)常配置限深裝置輔助挖掘[35]，通過限深裝置控制挖掘深度來解決挖不凈和機組適應(yīng)性差的問題?，F(xiàn)階段我國普遍采用的限深裝置和挖掘裝置配合效果差、限深精度低、前行阻力大、地面仿形效果差、響應(yīng)慢[37]。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計相似，花生挖掘裝置創(chuàng)新不足

花生收獲機型越來越多，但挖掘裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和作業(yè)原理等出現(xiàn)高度相似，普遍存在著收獲過程中振動較大、功耗較高的問題。平面挖掘鏟雖結(jié)構(gòu)簡單，但常出現(xiàn)纏秧和雍土現(xiàn)象?；顒邮酵诰蜓b置脫土性較好，但挖掘鏟的振動或擺動增大了機組功耗。4H-2型花生收獲機中柵條擺動挖掘、4H-1500型花生收獲機挖掘鏟振動挖掘，導(dǎo)致功耗較大[4，6]。

4 花生收獲機挖掘裝置發(fā)展建議

4.1 結(jié)合地域條件，合理選擇挖掘裝置

現(xiàn)有挖掘裝置種類繁多，根據(jù)不同地域，選擇適合的挖掘裝置十分重要。保水性較弱的沙地選擇鏟夾組合式挖掘裝置，保水性適中的中壤土選擇鏟鏈組合式挖掘裝置[19]。現(xiàn)階段仍需有針對性的繼續(xù)研究適用于中小型花生收獲機作業(yè)的挖掘裝置。國外的大型花生收獲機采用圓盤刀和帶柵條的起土鏟，一次作業(yè)可挖掘6壟、8壟或12壟花生。目前，大型花生收獲機在我國應(yīng)用受限，但隨著花生土地流轉(zhuǎn)和種植面積的增加，6壟以上的大型花生聯(lián)合收獲機將會有廣泛應(yīng)用。

4.2 農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合，規(guī)范區(qū)域種植

當(dāng)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一是農(nóng)機農(nóng)藝的健康結(jié)合。在花生收獲機挖掘裝置的發(fā)展過程中，多通過挖掘裝置的改進來滿足農(nóng)藝的要求，未做到農(nóng)藝與農(nóng)機的結(jié)合與促進。挖掘裝置的研發(fā)人員與農(nóng)藝工作者需積極開展技術(shù)交流，創(chuàng)新工作機制。農(nóng)機與農(nóng)藝的健康結(jié)合和標(biāo)準(zhǔn)化區(qū)域種植體系的形成，將有利于挖掘裝置的進一步研發(fā)?；ㄉN植規(guī)模較大的地區(qū)，需先規(guī)范區(qū)域種植，形成標(biāo)準(zhǔn)化的區(qū)域種植體系，研究適用于大型花生收獲機的挖掘裝置。

4.3 拓寬研究視野，進行優(yōu)化創(chuàng)新

針對花生收獲作業(yè)過程中限深不穩(wěn)定的問題，著力研發(fā)與挖掘裝置相結(jié)合的自動限深裝置，延長挖掘裝置使用壽命，提高挖掘效率并減少功耗。借鑒其它地下作物收獲機械中挖掘效果好的挖掘鏟，并將其應(yīng)用于花生挖掘。利用反向工程的原理，從自然界挖掘能力較強的生物身上獲得靈感，設(shè)計出仿生挖掘鏟。運用計算機軟件對挖掘鏟進行三維建模，建立有限元模型并進行仿真分析。