根莖作物寶塔菜收獲機(jī)的研究現(xiàn)狀

郭 剛，董 運(yùn)，吳 統(tǒng)，劉浩威

（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

寶塔菜或稱甘露子，原名草石蠶，也稱“地環(huán)”，屬唇形科多年生宿根植物。它的株高在30~120 cm之間，莖稈直立或略微偏向一側(cè)生長，莖稈上生有很多葉片，葉片呈卵圓形，長度在3~12 cm之間，寬度在1.5~6 cm之間，葉緣處具有明顯的鋸齒。本品為中國原產(chǎn)，栽培于近水低濕地，寶塔菜莖、葉及根可作食用和藥用，最宜作醬菜或泡菜，也可用全草入藥、治肺炎、風(fēng)熱感冒等[1]。

寶塔菜多在我國甘肅、寧夏等地栽培種植，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。一直以來多為人工收獲，雖然保證了損傷率、摻雜率低的優(yōu)點(diǎn)，但效率低、成本高制約了其發(fā)展。目前寶塔菜收獲機(jī)的生產(chǎn)和實地投用很少，但根據(jù)馬鈴薯收獲機(jī)的研究經(jīng)驗對寶塔菜收獲機(jī)的理想機(jī)型也已有了初步的確定。本文通過查閱并總結(jié)梳理有關(guān)根莖作物收獲機(jī)的研究資料，了解根莖作物收獲機(jī)的基本工作原理和關(guān)鍵部件的研究方法，以降低摻雜率、損傷率、提高收獲效率等為重要指標(biāo)，為寶塔菜收獲機(jī)的研究提供了參考。

1 寶塔菜收獲機(jī)的研究現(xiàn)狀

寶塔菜收獲是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中投入工時最多的環(huán)節(jié)，不但用工多、勞動強(qiáng)度大、作業(yè)條件艱苦，且經(jīng)常因遭遇風(fēng)雨天氣不能及時收獲，造成減收或品質(zhì)下降等損失。目前，寶塔菜收獲機(jī)械成熟適用的機(jī)型非常少，機(jī)械收獲時仍需要大量的人工輔助來完成作業(yè)，收獲效率低。

為解決寶塔菜機(jī)械化收獲問題，我國科研人員對此進(jìn)行了研究。寧夏大學(xué)陳虎[2-3]研制了一種側(cè)懸掛式寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)，經(jīng)田間實地試驗發(fā)現(xiàn)此收獲機(jī)整體機(jī)型過大，收獲時轉(zhuǎn)向不靈便，且會對寶塔菜造成損傷。陳虎通過對市場上類似收獲根莖類農(nóng)業(yè)設(shè)備的研究和對當(dāng)?shù)夭菔Q實際種植、收獲情況的調(diào)查研究、分析和試驗，根據(jù)試驗獲得的數(shù)據(jù)設(shè)計了與拖拉機(jī)配套使用的牽引式草石蠶聯(lián)合收獲機(jī)。寧夏大學(xué)陳俊[4]為了提高寶塔菜的生產(chǎn)效益、土地產(chǎn)出率和資源利用率，通過研究國內(nèi)外根莖類作物收獲機(jī)械相關(guān)理論以及影響根莖類作物機(jī)械化收獲主要因素的基礎(chǔ)上，提出了寶塔菜收獲機(jī)的總體設(shè)計目標(biāo)，確定了主要部件的結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用軟件對挖掘裝置、輸送裝置、篩分裝置進(jìn)行三維建模，基于離散元法對寶塔菜收獲機(jī)的挖掘、輸送、分離三個過程進(jìn)行仿真分析，設(shè)計出了一款符合寶塔菜農(nóng)藝要求的收獲機(jī)。

國外尤其是歐美國家農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展較早，發(fā)展至今農(nóng)業(yè)水平已處于國際領(lǐng)先地位，但是美國、日本、意大利等農(nóng)業(yè)機(jī)械較先進(jìn)的國家對寶塔菜收獲機(jī)械的研究也相對較少，這些國家對根莖作物收獲機(jī)的研究主要集中于馬鈴薯收獲機(jī)。其主要有兩種方式，一種是馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)直接收獲，另一種是挖掘撿拾裝載機(jī)加固定分選裝置進(jìn)行分段收獲。馬鈴薯挖掘機(jī)主要應(yīng)用在意大利、波蘭、日韓等國，以山地種植為主，田塊小且分散，馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)主要應(yīng)用在德國、美國和比利時等國家[5-8]。

2 寶塔菜收獲機(jī)

2.1 寶塔菜收獲機(jī)工作過程

寶塔菜收獲機(jī)先用挖掘鏟將寶塔菜、土塊及莖稈等一起挖出地表，挖掘鏟上方的撥土輪會將土塊及遺漏的寶塔菜撥入傳輸振動裝置，同時將土塊破碎細(xì)化，送入傳輸振動分離裝置；傳輸振動裝置通過振動作用將土塊根莖等雜物和寶塔菜分離，細(xì)小的土塊會通過篩孔掉落；傳輸鏈板將寶塔菜及較大的土塊等雜質(zhì)輸送到機(jī)械末尾的滾筒中，滾筒的旋轉(zhuǎn)作用配合風(fēng)機(jī)的風(fēng)力作用將寶塔菜和雜物進(jìn)行二次分離，最后滾筒將寶塔菜和未除盡的雜物送入收集箱中。

2.2 寶塔菜收獲機(jī)關(guān)鍵工作部件

2.2.1 挖掘鏟

挖掘鏟作為收獲機(jī)第一個工作部件其作用至關(guān)重要，它需要將寶塔菜挖出地表并保證寶塔菜的完整性和帶有最少量的泥土。挖掘鏟的刀型、入土角度和運(yùn)動形式等決定挖掘鏟入土難易、碎土程度大小及排土效果好壞，直接影響寶塔菜收獲的質(zhì)量和效率。

佳木斯大學(xué)劉新柱等[9]關(guān)于大紅蘿卜的收獲建立了挖掘鏟的力學(xué)模型，分析了挖掘鏟鏟面傾角對挖掘阻力和摩擦力的影響，選取挖掘鏟鏟面傾角為23°，并對挖掘鏟的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，選取挖掘鏟鏟柄間距為320mm，入土深度為140 mm，鏟的形狀為平面五邊形，鏟面長度350 mm，鏟面寬度為125 mm，鏟刃角為90°，如圖1。

圖1 雙側(cè)松土式挖掘鏟

其優(yōu)點(diǎn)是大部分紅蘿卜收獲機(jī)多采用拔取式，此挖掘鏟配合機(jī)械拔取部分對土壤進(jìn)行松弛，有效提高了紅蘿卜的收獲效率。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)劉強(qiáng)[10-11]運(yùn)用回歸分析、離散元仿真等方法設(shè)計了一種圓盤張角為20°，偏角為24°、28°和32°的挖掘鏟，通過對圓盤挖掘鏟進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到偏角為28°的挖掘鏟可以很好的保護(hù)果實，降低了果實的損傷率。

湖北工業(yè)大學(xué)魏夢陽[12]設(shè)計的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動式挖掘鏟是將12個箭型鏟焊接在固定底座外，并圓形排列一圈，如圖2，此鏟不同于傳統(tǒng)的挖掘鏟，能夠進(jìn)行縱向和橫向雙向剪切，大大提高了挖掘鏟破土效率。

圖2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動式挖掘鏟

其優(yōu)點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)驅(qū)動式挖掘鏟主要針對馬鈴薯的收獲，在收獲過程中可有效地避免馬鈴薯莖稈和雜草的纏繞。缺點(diǎn)是由于固定底座直徑有限，不能保證馬鈴薯的收獲率且收獲時容易損傷馬鈴薯。

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)李祥[13]通過試驗確定了最佳工作參數(shù)組合為鏟面傾角20°，鏟刃斜角55°，前進(jìn)速度0.8 m/s的固定式三角平面挖掘鏟，這種鏟型有利于減小牽引阻力，降低功耗。

海南大學(xué)鄒翔翔等[14]運(yùn)用仿生及有限元分析法模仿東方螻蛄前足趾爪的形狀，設(shè)計出了一種傾斜角為25°～30°，鏟齒為空心的仿生挖掘鏟，這種鏟具有良好的質(zhì)量和力學(xué)特性，很好地增強(qiáng)了入土和碎土的功能。

鄭媛媛等[15]在改進(jìn)馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟的過程中研究出固定組合平面式挖掘鏟和振動挖掘鏟，如圖3。通過研究分析得到振動挖掘鏟收獲時阻力小，入土相對容易，但如果振動幅度等參數(shù)設(shè)計不合理就會導(dǎo)致機(jī)具作業(yè)效果不理想，薯土分離效果差等問題。

圖3 馬鈴薯收獲機(jī)振動式挖掘鏟

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)楊小平等[16]設(shè)計了4U-1600型集堆式馬鈴薯挖掘機(jī)，如圖4。對挖掘機(jī)階梯挖掘鏟、兩級升運(yùn)鏈?zhǔn)酵潦矸蛛x輸送裝置及液壓開啟式集薯箱等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計與選型并完成其關(guān)鍵參數(shù)的計算確定。以樣機(jī)前進(jìn)速度、一級土薯分離裝置線速度和二級土薯分離升運(yùn)裝置線速度為自變量，以明薯率和傷薯率為響應(yīng)值，依據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，采用三因素三水平響應(yīng)面分析方法分別建立了各因素與明薯率、傷薯率之間的數(shù)學(xué)模型，并對各因素及其交互作用進(jìn)行分析，為解決傳統(tǒng)一級升運(yùn)鏈馬鈴薯挖掘機(jī)土薯分離效果差、人工撿拾鋪條勞動強(qiáng)度大的作業(yè)難題提供了解決方案。

圖4 階梯式挖掘鏟

其優(yōu)點(diǎn)是該挖掘鏟將碎土、土薯分離和運(yùn)輸整合為一體，大大減小了機(jī)具的體積，提高了機(jī)具的靈活性和馬鈴薯的收獲效率。缺點(diǎn)是收獲中挖掘的土塊雜質(zhì)太多，含雜率過高，挖掘時兩邊會出現(xiàn)壅土，造成馬鈴薯遺漏過多，收獲率降低。

2.2.2 撥土輪

撥土輪是挖掘鏟的延伸裝置，主要作用是解決挖掘鏟在挖掘?qū)毸藭r鏟的兩邊出現(xiàn)的壅土問題，并通過撥土板將較大的土塊破碎細(xì)化，為后續(xù)的振動分離奠定基礎(chǔ)。

隴東學(xué)院敬志臣[17]設(shè)計的BS-1200型寶塔菜收獲機(jī)在甘肅慶陽鎮(zhèn)原縣太平鎮(zhèn)第一次田間試驗發(fā)現(xiàn)，寶塔菜收獲機(jī)在收獲過程中挖掘鏟的兩邊會出現(xiàn)壅土現(xiàn)象，物料輸送不暢，收獲后會造成收獲路徑旁的積土量過多，部分寶塔菜也會存留在積土里，使果實遺漏損失率升高，加之寶塔菜收獲季節(jié)土壤表層干燥、板結(jié)嚴(yán)重，所以設(shè)計增添了拔土輪并將其設(shè)計為螺旋式，在破碎土塊的同時將土壤遺漏果實及其他雜物通過撥土輪的螺旋推移作用送入振動輸送鏈板裝置，既達(dá)到了碎土的效果，又減少了壅土量，降低了果實遺漏率（圖5）。

圖5 撥土輪

特點(diǎn)：該撥土輪有效地解決了挖掘鏟的壅土問題，進(jìn)一步對挖掘的土塊進(jìn)行破碎，促進(jìn)了土塊雜質(zhì)與寶塔菜的分離，降低了含雜率。

李金川等[18]設(shè)計了一種螺距均為130 mm，螺旋片高度為420 mm左右對稱的雙向螺旋破土旋耕刀，如圖6。此雙向螺旋旋耕刀松土效果好、可減少積土量，降低果實遺漏率。

圖6 破土旋耕刀

旋耕刀在工作時雖然進(jìn)行了有效的松土，減少了積土量，但筆者認(rèn)為這只考慮到了旋耕刀的優(yōu)點(diǎn)，并沒有考慮到果實的損傷率。

2.2.3 傳輸振動分離裝置

傳輸振動裝置是寶塔菜收獲機(jī)進(jìn)行雜質(zhì)分離的核心部分，它利用運(yùn)輸鏈板增加了振動效果，實現(xiàn)了運(yùn)輸分離一體化。該裝置不僅提高了收獲機(jī)的自動機(jī)械化，還進(jìn)一步提高了收獲效率，降低了寶塔菜長距離運(yùn)輸損傷的概率。

石河子大學(xué)劉瀟[19]運(yùn)用類比和仿真模擬的方法設(shè)計了一種在水平方向上以370mm左右的位移進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，在垂直方向上以260mm左右的位移進(jìn)行起伏循環(huán)運(yùn)動的抖動面板傳動裝置。當(dāng)輸送速度為110r/min，振動轉(zhuǎn)速為100 r/min，振幅水平為下時，明薯率大大提高，傷薯率大大降低。

湖南工業(yè)大學(xué)劉炳先等[20]通過田間試驗得出當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為1.2 m/s、篩桿升運(yùn)速度為1.3 m/s、抖動器轉(zhuǎn)速為205r/min時，明薯率最大，挖凈率最大，傷薯率最小。

西北農(nóng)林科技大學(xué)崔振猛等[21]將三七根土分離裝置簡化為曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)用運(yùn)動學(xué)仿真及試驗的方法分析得到了最佳的工作組合條件為曲柄轉(zhuǎn)速295 r/min、篩面傾角8°、篩面長度620mm的雙曲柄搖桿分離裝置，此裝置在組合條件下更有利于根土分離。

李金川等[18]設(shè)計的基于TRIZ的旋轉(zhuǎn)分離式寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)的振動篩利用連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動左右擺動，如圖7。此分離篩選裝置不僅可起到莖土分離作用還可起到輸送作用，對寶塔菜果實可進(jìn)一步篩選，提高果實清潔度。振動篩為塑料圓柱條形，大大減輕對寶塔菜表皮的損傷，通過研究發(fā)現(xiàn)振動篩越長，分離效果越佳，所以本設(shè)計將振動篩貫穿整機(jī)，達(dá)到了良好的分離效果。振動篩長度設(shè)計為1 350mm，為使果實順利進(jìn)入集果箱，將振動篩設(shè)計為傾斜狀態(tài)，傾斜角度為15°。

圖7 旋轉(zhuǎn)分離式振動篩

該振動篩只有單一方向的圓柱條形篩網(wǎng)，因此工作時會遺漏一些偏小的果實，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，且主要依靠振動篩的長度來達(dá)到篩選的目的，振動篩過長會影響整體機(jī)械的靈活性。

張海紅等[22]通過建立振動篩動力學(xué)方程對馬鈴薯收獲機(jī)振動篩的振動問題進(jìn)行研究，著重分析了激振頻率對振動篩振動幅值的影響規(guī)律，通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激振頻率近似等于振動篩固有頻率時會導(dǎo)致振動篩在垂直方向的振動幅值顯著增大，降低振動篩的使用壽命。

遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所李秀娟等[23]研究的TF-VS系列根莖作物收獲機(jī)采用左右對稱式異步振動篩，如圖8。該機(jī)不但降低了工作阻力，而且降低了動力消耗，提高了工作效率和作業(yè)效果。同時，采用飛輪式曲柄配重和曲柄、雙連桿傳動等機(jī)構(gòu)，使機(jī)具能耗降低，比普通機(jī)型節(jié)能50%左右。

圖8 TF-VS系列根莖作物收獲機(jī)

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)史增錄等[24]在對4UX-550馬鈴薯挖掘機(jī)運(yùn)動分析的基礎(chǔ)上在ADAMS軟件中對馬鈴薯挖掘機(jī)振動篩的虛擬樣機(jī)進(jìn)行了仿真分析，計算出振動篩運(yùn)動時的參數(shù)，為馬鈴薯挖掘機(jī)振動篩的工作性能和振動篩對土壤和馬鈴薯混合物的拋送和分離能力的研究提供了理論依據(jù)，也為今后振動篩的設(shè)計提供了一種有效的設(shè)計方法。

2.2.4 風(fēng)機(jī)滾筒裝置

由于振動篩不能一次性徹底清除泥土和莖稈等雜質(zhì)，為了解決這一問題添加了風(fēng)機(jī)滾筒裝置。其工作原理是利用寶塔菜和泥土等雜質(zhì)的凈重不同，風(fēng)機(jī)的風(fēng)力配合滾筒的旋轉(zhuǎn)作用對其進(jìn)行二次分離，減少摻雜率。

湖北工業(yè)大學(xué)魏夢陽[12]設(shè)計出由螺旋濾網(wǎng)和螺旋葉片組成的滾筒篩，滾筒篩直徑860 mm，長度1 200 mm，濾網(wǎng)間隙寬度50 mm，并運(yùn)用離散元分析得到最有利于避免馬鈴薯破損、降低摻雜率的滾筒篩轉(zhuǎn)速工作范圍，如圖9。

圖9 螺旋式滾筒篩

隴東學(xué)院敬志臣[17]等為了避免寶塔菜混合物料二次分選擁堵在滾筒篩前端，設(shè)計了錐形分離滾筒，筒長1 200 mm，進(jìn)料端內(nèi)直徑850 mm，出料端內(nèi)徑950 mm，內(nèi)部鋪設(shè)矩形篩網(wǎng)形成錐形導(dǎo)流面，促使物料有效分選的同時有軸向推進(jìn)力。滾筒前端軸向800 mm范圍內(nèi)鋪設(shè)12 mm×12 mm的矩形篩網(wǎng)，為了實現(xiàn)果實和土壤的分離，后端400 mm滾筒內(nèi)壁鋪設(shè)25 mm×25 mm矩形篩網(wǎng)，以便于寶塔菜順利落入集料斗，還可以起到隔離雜草和大土塊的作用。

康地等[25]根據(jù)油茶果的橫徑范圍將滾筒篩設(shè)計成若干等級，每級分布尺寸孔，孔徑不同，由于后一級孔徑比前一級大，油茶果從滾筒篩進(jìn)入到出口，小于第一級孔的油茶果從第一級掉出進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，每級以此類推，分級滾筒篩的設(shè)計大大提高了分離效率。

李海等[26]首先建立了半夏收獲機(jī)滾筒篩三維模型，利用ADAMS軟件模擬分析滾筒篩在不同轉(zhuǎn)速和不同傾斜角度的影響下，所選取的滾筒篩上觀測點(diǎn)加速度的變化曲線來研究轉(zhuǎn)速、傾斜角對半夏收獲效果的影響，為選擇滾筒篩更合理的轉(zhuǎn)速和傾斜角度提供了一定的理論依據(jù)，如圖10。

圖10 錐形分離滾筒

該分離滾筒可有效地將寶塔菜與雜物分離開來，滾筒中的網(wǎng)孔不宜過大，避免寶塔菜遺漏，也不宜過小，防止將剝離開的菜葉遺留在滾筒中并與寶塔菜一起進(jìn)入箱中。

通過查閱近年來根莖作物收獲機(jī)挖掘鏟、撥土輪、傳輸振動裝置及風(fēng)機(jī)滾筒裝置等各關(guān)鍵部件研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)，可知各關(guān)鍵部件研究方法及解決方案的改進(jìn)在一定程度上解決了根莖作物收獲機(jī)械效率低、損傷率高、成本高等一系列問題?，F(xiàn)有的寶塔菜收獲機(jī)基本上能實現(xiàn)挖掘、收獲、分離和收集聯(lián)合作業(yè)，也基本實現(xiàn)了全自動機(jī)械化，節(jié)省了人力和物力，但現(xiàn)階段的寶塔菜收獲機(jī)最關(guān)鍵的裝置依然不夠成熟，存在損傷率高、摻雜率高、效率低、成本高等難以解決的問題，因此需通過借鑒已研究和發(fā)展比較成熟的其他根莖作物收獲機(jī)機(jī)械關(guān)鍵部件裝置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、性能參數(shù)優(yōu)化思路及理論依據(jù)，以此來指導(dǎo)寶塔菜收獲機(jī)機(jī)械的研究與發(fā)展。

3 結(jié)論

（1）通過查閱近年來根莖作物寶塔菜收獲機(jī)研究文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的寶塔菜收獲機(jī)仍存在損傷率高、摻雜率高，效率低等根本問題。

（2）通過分析可以得到根莖作物收獲機(jī)的研究方向如下：

①挖掘鏟：果實的損傷率要低、果實挖離土壤率要高，所以應(yīng)在挖掘鏟的形狀，排列以及入土角度和深度等方向進(jìn)行研究。

②撥土輪：撥土輪是挖掘鏟的輔助機(jī)械，在解決碎土和處理壅土問題上起主要作用，而雙向螺旋式撥土輪有良好的效果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)效果更好。

③振動篩：首先不能損傷果實表面，還要起到分離雜質(zhì)和運(yùn)輸?shù)淖饔?，可以在振動方式（上下式、左右式、上下左右?fù)合式等）和篩網(wǎng)形狀（網(wǎng)格大小、整體體積、傾斜角度等）等方面進(jìn)行改進(jìn)。

④滾筒：滾筒的工作需要加入風(fēng)機(jī)的配合，且滾筒的形狀可以是多種多樣的，比如直筒式、錐形、兩邊大中間小、兩邊小中間大等，對此需要建立最優(yōu)化模型，選擇效率最高的滾筒形狀。