白蘿卜聯(lián)合收獲機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展探討

姚 帥，繆 磊，譚 俊，趙 湛，蔡國芳，黃毅成

（1.江蘇大學農(nóng)業(yè)工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.泰州攜創(chuàng)農(nóng)業(yè)裝備有限公司，江蘇泰州 225300；3.泰州市農(nóng)業(yè)機械推廣站，江蘇泰州 225300；4.江蘇省農(nóng)機具推廣應(yīng)用中心，江蘇南京 210017）

0 引言

我國是世界最大的蘿卜生產(chǎn)國和消費國，種植面積近130萬hm2，產(chǎn)量達4 500萬t，約占世界總種植面積和產(chǎn)量的40%和47%[1-3]，是僅次于白菜的第二大蔬菜。蘿卜屬于根莖類蔬菜，具有生長周期短、適應(yīng)性強、單產(chǎn)高的特點，可以四季栽培、周年供應(yīng)。蘿卜按照顏色可以分為白蘿卜、胡蘿卜、青蘿卜和紅蘿卜等品種。按照種植時間的不同，白蘿卜又可分為春蘿卜、渡夏蘿卜、秋蘿卜以及四季蘿卜等，在我國各地均有廣泛種植。種植模式主要為壟作點播，不同品種蘿卜的壟距、行距、種植密度等都存在一定差異[4，5]。成熟的白蘿卜總長度能夠達到25～40 cm，重量0.5～1 kg。

目前，我國白蘿卜的收獲方式還是依賴人工和半機械化收獲，其中，半機械化收獲主要是通過機具進行松土、挖掘，然后由人工撿拾裝袋完成收獲過程，用工量大、勞動強度高、作業(yè)效率低。近年來，國內(nèi)相關(guān)科研院所和企事業(yè)單位相繼開展了白蘿卜收獲裝備的研究探索，工作原理包括挖掘式和拔取式兩種。挖掘式收獲機大多借鑒根莖類作物收獲機的結(jié)構(gòu)，相比于胡蘿卜以及其他塊根類作物，白蘿卜的體型碩大，如圖1所示，塊根大小不一、地面裸露高度差別大，導(dǎo)致這類機具功耗大、損失損傷率高、環(huán)境適應(yīng)性差、易出現(xiàn)擁堵纏繞等問題，田間工作性能不穩(wěn)定。拔取式聯(lián)合收獲機能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘（松土）、夾持、輸送、切櫻、收集一體化作業(yè)，是國外先進蘿卜收獲裝備的主要工作方式。其作業(yè)效率高、生產(chǎn)成本低、勞動強度低，但整機機構(gòu)較為復(fù)雜，影響作業(yè)性能的因素多，需要進行作業(yè)性能和狀態(tài)的自動化監(jiān)測與控制以實現(xiàn)各工作部件作業(yè)過程的協(xié)同優(yōu)化。

圖1 白蘿卜種植情況

1 蘿卜收獲機研究現(xiàn)狀

1.1 歐美研究現(xiàn)狀

歐美等國家蘿卜收獲機械研究起步較早，受到飲食習慣的影響，以胡蘿卜機械為主，經(jīng)歷了從牽引式到自走式的發(fā)展歷程，已經(jīng)基本實現(xiàn)了生產(chǎn)全程機械化、信息化、智能化，如ASA-LIFT、Weremczuk、Grimme、Vogel、Ploeger等機型。

1.1.1 拔取式收獲機

先進的蘿卜聯(lián)合收獲機以拔取式聯(lián)合收獲為主，主要由扶禾器、松土、拔取夾持、去土、齊平導(dǎo)向、根莖分離、塊根輸送和拋秧等裝置組成[6]。工作過程中，首先在白蘿卜底部進行松土，然后利用夾持裝置將塊根和莖葉從土壤中拔出，經(jīng)傳送帶夾持輸送并完成切櫻、收集工序。

丹麥ASA-LIFT[7]公司的T系列和德國Grimme公司的SP系列收獲機，分別如圖2、3所示。為解決對行收獲問題，采用了夾拔膠帶起收單元設(shè)計，該裝置具有橫向位移功能，由對行卡鉗進行記錄作物位置，自動調(diào)節(jié)起收單元位置，實現(xiàn)精準對行收獲。并且采用了液壓仿形技術(shù)，能夠根據(jù)不同的田間環(huán)境對機架進行升降自動調(diào)節(jié)，提高了作業(yè)適應(yīng)性，解決了多行種植模式下，種植直線度低的收獲難題，有效降低了損傷和損失率。

圖2 丹麥ASA-LIFT T-400多行蘿卜收獲機

圖3 德國GRIMME SP 200蘿卜收獲機

比利時Dewulf[8]公司研制的夾拔式蘿卜收獲機，如圖4所示，工作部件安裝于機器前部，通過底部松土鏟松土后，由起拔皮帶夾住蘿卜櫻拔出蘿卜，并向上輸送到切頂機構(gòu)，切除櫻葉后裝車，從而一次性完成挖掘、拔取、清選、集果作業(yè)流程，有效的解決了機前壅土和損傷率高的問題。

圖4 比利時Dewulf ZKIV蘿卜收獲機

波蘭Weremczuk的拔取式蘿卜收獲機采用后懸掛結(jié)構(gòu)形式，如圖5所示，收獲寬度和高度可以調(diào)節(jié)，采用仿形機構(gòu)控制機架的升降，能夠在復(fù)雜環(huán)境下進行蘿卜拔取作業(yè)，收獲的蘿卜通過傳送帶輸送到配套儲料箱內(nèi)。

圖5 波蘭Weremczuk拔取式蘿卜收獲機

1.1.2 挖掘式收獲機

挖掘式收獲機主要由切頂器、限深輪、挖掘鏟、抖動輸送鏈和行走輪等部件組成，配合大馬力拖拉機使用。它采用切頂器切去蘿卜莖葉，然后由挖掘鏟將蘿卜從土壤中挖出，并通過輸送鏈輸送至升運器和收集箱，在輸送的同時，清除土壤和雜物。如圖6所示的丹麥ASA-LIFT挖掘式蘿卜收獲機。工作過程中，先由切頂裝置將蘿卜的櫻切除，割刀間距可自由調(diào)整，能夠適應(yīng)不同的種植間距，挖掘鏟入土，再將收獲寬度內(nèi)的蘿卜和土一起挖掘送入輸送鏈，采用兩級輸送鏈進行果土輸送分離，即挖掘出的蘿卜和土塊進入第一輸送鏈，在輸送過程中通過抖動輪上下抖動，實現(xiàn)土塊破碎并與蘿卜分離，隨后將蘿卜和未被分離的土塊送至第二級輸送鏈，進一步分離以提高清潔度。這種收獲方式適用于塊根入土深度淺、土質(zhì)疏松的種植環(huán)境。在入土深度較大的黏性土壤作業(yè)時，阻力大、整機功耗高。

圖6 丹麥ASA-LIFT挖掘式蘿卜收獲機

1.2 日本研究現(xiàn)狀

日本石井鉄公司制造的JH90白蘿卜收獲機，如圖7所示。它在扶禾器裝置上安裝了網(wǎng)絡(luò)攝像機，當白蘿卜櫻進入扶禾器的工作位置時，攝像機通過圖像處理技術(shù)，檢測出蘿卜和葉的邊界，以邊界位于圖像的中心位置為基準位置，進行拔取位置的調(diào)整，并能夠通過油缸調(diào)節(jié)拔取高度，從而實現(xiàn)自動對行收獲。運送蘿卜的輸送機和集裝箱均采用了獨立液壓驅(qū)動，在輸送機的頂端安裝了光電傳感器，以測量蘿卜在容器中的裝載狀態(tài)。田間作業(yè)時，需要3人操作，駕駛員操作收獲機，另外兩個人操作裝載裝置。

圖7 石井鉄JH90白蘿卜收獲機

日本久保田研發(fā)的CH-201C蘿卜收獲機，如圖8所示，整機采用側(cè)懸掛結(jié)構(gòu)和HST無級變速底盤，輸出功率14.6 kW，作業(yè)速度0.8 m/s。設(shè)計了L型松土鏟松土進行果土分離，以便于后續(xù)的拔?。辉O(shè)計了出葉齒輪箱，以提高切櫻位置精度，切斷的葉子通過轉(zhuǎn)運裝置排到機器右側(cè)，避免履帶碾壓；整機沒有自動化收集裝置，作業(yè)需要兩名操作人員，一人負責駕駛收獲機，另一名負責蘿卜的裝卸。

圖8 日本久保田CH-201C胡蘿卜收獲機

1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)相關(guān)科研院所和企事業(yè)單位相繼開展了白蘿卜收獲裝備的研究探索工作，如河北農(nóng)業(yè)大學開發(fā)了專用的白蘿卜挖掘鏟，工作時，通過挖掘鏟破壞白蘿卜與土壤的接觸力，使蘿卜與土壤分離，然后由人工撿拾裝袋完成收獲過程[9]；石河子大學、東北農(nóng)業(yè)大學、青島農(nóng)業(yè)大學等單位對白蘿卜收獲機的振動松土鏟進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用偏心連桿式振動裝置進行松土作業(yè)，以機器行走速度、松土鏟激振頻率和振幅、鏟面入土角、鏟刃傾角作為影響因素，進行了結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化[10-12]。黃文祿研制了一畦兩行自走式蘿卜收獲機，收獲部件主要由扶頁、導(dǎo)入、挖掘、夾持、切櫻、收集等裝置組成，能夠?qū)崿F(xiàn)松土、夾持、輸送、切櫻、收集一體化作業(yè)[13]。江蘇省南通市農(nóng)機化技術(shù)推廣中心設(shè)計了白蘿卜挖掘收獲機[14]，如圖13所示，主要由機架、挖掘鏟及限深裝置等組成，作業(yè)時，挖掘鏟將種植壟內(nèi)白蘿卜側(cè)邊及下方的土壤鏟松，壟內(nèi)土壤受到擠壓破碎，蘿卜與土壤實現(xiàn)分離，蘿卜單果隨松散土壤流側(cè)向上浮，最后由人工撿拾裝車。

圖9 南通市農(nóng)機化中心研制的白蘿卜挖掘收獲機

泰州攜創(chuàng)農(nóng)業(yè)裝備有限公司研發(fā)的自適應(yīng)柔性拔取式白蘿卜聯(lián)合收獲機，如圖10所示。針對收獲過程中由于莖葉掐折而造成白蘿卜不能有效拔取、夾持輸運過程中的脫落問題，設(shè)計了由錐度扶禾頭、旋轉(zhuǎn)扶禾套、仿形滑板、壟面距離測量裝置等構(gòu)成的仿形扶莖部件，仿形滑板在彈簧的作用下緊密貼合壟面，通過傳感器測量仿形滑板的位置，獲取扶莖頭與壟面的距離，使得扶莖機構(gòu)能夠根據(jù)蘿卜栽培環(huán)境進行位置的自動調(diào)節(jié)，提高蘿卜莖葉夾持位置的穩(wěn)定性，降低收獲損傷率和損失率。

圖10 泰州攜創(chuàng)拔取式白蘿卜聯(lián)合收獲機

2 存在的問題

我國白蘿卜種植區(qū)域分布廣泛，各地區(qū)的氣候、地形、土壤等環(huán)境差異顯著，播種方式多樣化，種植密度、行距、株距、品種以及壟型都存在差別，導(dǎo)致尚未形成統(tǒng)一的農(nóng)藝種植規(guī)范，機械裝備也沒有統(tǒng)一的設(shè)計標準，農(nóng)機與農(nóng)藝的不匹配，增大了機具研發(fā)和推廣的難度。

針對白蘿卜收獲的理論研究較少，大多在其他根莖類收獲機械的基礎(chǔ)上進行改造，應(yīng)用于白蘿卜收獲存在明顯弊端，如振動式挖掘機構(gòu)的入土性能好，但工作速度低、阻力大；而平鏟式挖掘機構(gòu)對作物的損傷較大、挖掘易壅堵，完成松土后還需要進行人工拔取、切櫻，工序多、成本高、穩(wěn)定性差。進口的聯(lián)合收獲機價格昂貴，大多適用于胡蘿卜收獲，難以直接應(yīng)用于白蘿卜的聯(lián)合收獲作業(yè)。

3 發(fā)展方向

我國是一個多山區(qū)、丘陵的大國，小片分散生產(chǎn)方式普遍，針對不同種植區(qū)域、不同種植品種，需要對耕整地、播種方式、種植密度、行距株距等進行規(guī)范統(tǒng)一，制定完善的配套作業(yè)參數(shù)，加強農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合，形成標準化的生產(chǎn)模式。聯(lián)合收獲能夠一次性完成拔取、切櫻、輸送和裝載等多個工序，是最高效的收獲方式，也是白蘿卜收獲技術(shù)發(fā)展的方向。需要重點突破蘿卜莖葉夾持位置的穩(wěn)定控制、自動對行調(diào)節(jié)、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測與各作業(yè)部件作業(yè)參數(shù)協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，攻克挖掘阻力大、效率低、果土分離不凈、漏收和損傷大的難題，逐步推動機具向多行高效、智能化方向發(fā)展，從而提高整機的作業(yè)效率和不同作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。

4 結(jié)語

隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展速度的不斷加快，實現(xiàn)聯(lián)合收獲作業(yè)是白蘿卜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。缺乏理論研究基礎(chǔ)、農(nóng)機農(nóng)藝不匹配、種植模式多樣是制約我國白蘿卜收獲機械化發(fā)展的重要主要因素，尚無完備的經(jīng)驗可以借鑒，亟待通過政策扶持、積極引導(dǎo)，促進創(chuàng)新攻關(guān)，從而制定具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系和標準。機械化裝備的研發(fā)和標準的制定，也有利于改善栽培和種植模式，實現(xiàn)農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合和規(guī)范化、標準化、規(guī)?；a(chǎn)，這是加快白蘿卜生產(chǎn)機械化發(fā)展的重要保障和必由之路。