韭菜收割機(jī)扶禾裝置技術(shù)及新裝置研制

李繼偉 卞麗娜 翟歡樂 常國政

摘要 為提高韭菜種植的經(jīng)濟(jì)效益，降低人工收割勞動強(qiáng)度，韭菜收割大多采用人工推扶式收割機(jī)或進(jìn)口小型收割機(jī)。分析了國內(nèi)外蔬菜收割機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀，針對現(xiàn)階段應(yīng)用韭菜收割機(jī)作業(yè)時出現(xiàn)的收割不完整、漏割、漏拾等問題，從韭菜的植物特性和收割技術(shù)要求出發(fā)，根據(jù)扶禾裝置的工作原理，提出了解決思路。研制出一種新型韭菜收割機(jī)扶禾裝置，替換原裝置，并開展了相關(guān)試驗和測試。試驗結(jié)果表明，安裝新研制的扶禾裝置后韭菜收割機(jī)行走無障礙，無漏割、無漏拾，鋪放有序，收割效率高。

關(guān)鍵詞 蔬菜;機(jī)械化;韭菜收割機(jī);扶禾裝置

中圖分類號 S 22? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）21-0223-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.21.057

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Straightening Device Technology of Leek Harvester and Development of New Straightening Device

LI Ji-wei BIAN? Li-na ZHAI Huan-le1? et al （1.Jiangsu Aviation Technical College，Zhenjiang， Jiangsu 212134;2.Zhenjiang Extension Station of Agricultural Machinery and Technology， Zhenjiang， Jiangsu 212003）

Abstract In order to improve the economic benefits of leek cultivation and reduce the labor intensity of manual harvesting， manual push-back harvesters or imported small harvesters are widely used in the harvesting of leeks.This paper analyzed the application situation of vegetable harvesters at home and abroad.Aiming at the problems of incomplete harvesting， missed harvesting and missing picking when applying the leek harvester at present， starting from the characteristics and harvesting technical requirements of leek， a solution was proposed based on the working principle of straightening device.A new type of leek harvester straightening device was developed to replace the original one， and related experiments and tests were carried out.The results showed that the leek harvester equipped with the newly developed straightening device could walk freely， there was no missing harvesting or missed picking phenomenon， the leek was laid in order， and the harvesting efficiency was high.

Key words Vegetables;Mechanization;Leek harvester;Straightening device

基金項目

鎮(zhèn)江市科技計劃資助項目（NY2019017）;江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程項目（NJ2017-29-05）。

作者簡介 李繼偉（1975—），男，湖南岳陽人，正高級工程師，從事機(jī)械先進(jìn)制造與工藝、設(shè)施蔬菜機(jī)械化收獲技術(shù)與裝備研究。

收稿日期 2021-03-08;修回日期 2021-04-17

隨著設(shè)施蔬菜栽培技術(shù)以及蔬菜移栽、灌溉和植保技術(shù)的日趨成熟和推廣應(yīng)用，蔬菜種植面積逐年增加，現(xiàn)階段全國蔬菜種植面積在2 000萬hm2以上，總產(chǎn)量在7億t以上[1] ，基本保障了全國各地全年蔬菜市場的供應(yīng)。相比糧食生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展，蔬菜品種多，生長環(huán)境和植物特性對其有較大影響，蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)水平遠(yuǎn)低于糧食生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)水平，特別是蔬菜收割環(huán)節(jié)，不同品種蔬菜的長勢和收獲后食用部位各不相同，不同的栽培方式對收割機(jī)的性能有較大影響，蔬菜收獲環(huán)節(jié)機(jī)械化水平遠(yuǎn)低于耕整、播種、移栽、灌溉以及運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的機(jī)械化水平[2]。

根據(jù)蔬菜收割部位的不同，蔬菜收割機(jī)械分為葉菜類收獲機(jī)、根莖類收獲機(jī)和茄果類收獲機(jī)3種。據(jù)統(tǒng)計，在葉類蔬菜生產(chǎn)過程中，收獲作業(yè)用時占總作業(yè)量的40%以上[3-4]，勞動強(qiáng)度大、耗時多，影響了蔬菜種植戶的經(jīng)濟(jì)效益，制約了蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

為提高蔬菜種植的經(jīng)濟(jì)效益，降低生產(chǎn)成本，滿足對蔬菜生產(chǎn)開展高質(zhì)、高效的機(jī)械化收獲要求，筆者進(jìn)行了蔬菜機(jī)械化收割技術(shù)研究，優(yōu)化收割機(jī)性能。推廣應(yīng)用經(jīng)濟(jì)、適用的蔬菜收割機(jī)既是產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，又是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的時代要求。

1 蔬菜收割機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

蔬菜收獲機(jī)械化程度較高的國家主要有俄羅斯、美國、德國、意大利、韓國和日本等國家，這些國家開始蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)研究起步早、發(fā)展快[5]。1931年，前蘇聯(lián)根據(jù)鮑洛托夫建議，采用左、右拔取裝置研制出世界上第一臺甘藍(lán)收獲機(jī);加拿大HRDC公司應(yīng)用液壓控制系統(tǒng)控制收割高度，研制出甘藍(lán)單行收獲機(jī);意大利Hortech公司研制的葉菜收獲機(jī)配置了履帶行走，采用環(huán)形鋸齒帶刀、割臺高度自動調(diào)節(jié)技術(shù)，可以收割雞毛菜、金花菜等葉類蔬菜，收割效率高;日本、韓國以及中國臺灣地區(qū)大多采用小型自走式收獲機(jī)[5-6]。我國蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)水平相對較低，尚未形成完整體系，但發(fā)展迅速，很多地方引進(jìn)了意大利、美國、日本等國家生產(chǎn)的蔬菜收獲機(jī)，近年來國內(nèi)企業(yè)紛紛投入資金和技術(shù)力量，針對種植面積大、產(chǎn)量高的蔬菜開始機(jī)械化收獲作業(yè)機(jī)具的研發(fā)，上海、江蘇、浙江、山東以及河北等地圍繞大眾型蔬菜開展機(jī)械化生產(chǎn)示范推廣，取得了較大的成效，但其普遍推廣應(yīng)用還存在一定的困難。

韭菜莖葉鮮嫩，隨著生活水平的提高，人們對蔬菜的需求量日益增加[7]。造成我國蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化收獲水平低的因素很多，包括品種多、地域廣、種植面積分散等。一是國外從事蔬菜生產(chǎn)的合作組織從蔬菜的耕、種、管到蔬菜收割等環(huán)節(jié)，配套全程機(jī)械化作業(yè)機(jī)具，因此從國外引進(jìn)蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)機(jī)具，務(wù)必要引進(jìn)與之配套的農(nóng)機(jī)具，故而引進(jìn)機(jī)具數(shù)量多、價格貴，操作技術(shù)要求也較高;二是國外市場上蔬菜品種單一，基本都是大型農(nóng)場從事某個蔬菜品種的種植，面積大，普遍應(yīng)用的機(jī)具功率高，與我國現(xiàn)階段以6～8 m大棚種植蔬菜的現(xiàn)狀不相適應(yīng)，農(nóng)戶購買蔬菜生產(chǎn)機(jī)械裝備的投資回收期長;三是隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國蔬菜種植基本上以老年人為主，菜農(nóng)受傳統(tǒng)思維的影響，認(rèn)為蔬菜種植就是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，人工收割的蔬菜賣相好，人們對機(jī)械化收割蔬菜的迫切性不高[8-9]。

2 韭菜生產(chǎn)機(jī)械化收割

2.1 植物特性 韭菜，又名懶人草、草鐘乳、扁菜等，屬于百合科多年生草本植物，具有抗寒、耐熱、抗蟲病等優(yōu)點[10] ，我國種植范圍廣，面積大，常年種植面積占菜田總面積的5%～6%，產(chǎn)量穩(wěn)定，種植一次可以連續(xù)收獲4～6年。北方種植大多采用壟栽培，南方更多在高畦地區(qū)栽植，種植期應(yīng)盡量避開高溫雨季，高畦栽培每穴8～10株，行距200～250 mm，穴距120～150 mm;壟栽每穴20～30株，行距250～350 mm，穴距80～200 mm。韭菜根屬于弦線根的須根系，沒有主側(cè)根，主要分布在20～30 cm深的耕作層[11];韭菜葉由葉片和葉鞘兩部分組成，韭菜葉是主要的食用部分，形狀扁平窄長，葉鞘在莖盤上分層無規(guī)則排列成圓柱形，具有保護(hù)韭菜生長、貯藏養(yǎng)分的功能，通常當(dāng)年春天播種，種植條件良好的情況下在當(dāng)年7—8月50%以上的植株能夠形成分蘗，有的還可以形成2個分蘗，不宜收割，待次年開始收割，每年收割4～6次;入冬后韭菜長勢放緩，收割的間隔時間相應(yīng)增加。

近年來，新機(jī)具、新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)[12]，韭菜收割大多采用人工手扶式收割機(jī)或進(jìn)口小型化專用收割機(jī)作業(yè)，韭菜收割機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由扶禾裝置、割刀、傳送帶、驅(qū)動輪、輸送帶、機(jī)架、收集框、電源系統(tǒng)等部分組成。機(jī)械化收割提高了韭菜的收割生產(chǎn)效率，降低人工收割勞動強(qiáng)度，促進(jìn)了蔬菜產(chǎn)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展[13]。

2.2 存在問題分析

與成熟應(yīng)用的根莖類蔬菜收獲機(jī)相比，葉菜類蔬菜收獲機(jī)是短板。為示范推廣韭菜生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)，根據(jù)韭菜的生產(chǎn)流程，按照機(jī)械化收割標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)耕作、種植、灌溉、施肥、植保、收割等全程機(jī)械化生產(chǎn)，驗證韭菜收割機(jī)的作業(yè)性能。

韭菜收割一般在離地2～4 cm處進(jìn)行收割，工作過程中電源系統(tǒng)、機(jī)架、驅(qū)動輪與其他各部件相互配合，對韭菜扶禾、收割、傳送、收集等，完成韭菜的喂入、扶持、切割、輸送、收集等工序，由于各工序的工作性能和部件參數(shù)對收割質(zhì)量有一定的影響，許多專家對韭菜有序收割、仿形行走、輕量化等進(jìn)行了大量研究，并取得不少科研成果。

目前，用于韭菜收割比較有代表性的設(shè)備有正三角形扶禾裝置（圖2）和錐形筒狀扶禾裝置JT-HV收割機(jī)（圖3）。在河北等地中小企業(yè)生產(chǎn)的以正三角形為扶禾裝置的韭菜收割機(jī)，機(jī)具采用24 V蓄電池為動力，鏈輪鏈條驅(qū)動，單行收割，行間距250 mm，收集方式是利用行走帶來的助推力，切割后韭菜在輸送帶的夾持下，有序推送到輸送帶和收集框中，完成機(jī)械化收割。該機(jī)器生產(chǎn)效率較高，操作簡便，機(jī)具轉(zhuǎn)移方便，適合中小型農(nóng)場使用。

韭菜在經(jīng)過反復(fù)幾次的生長、收割、再生長后，生長密度大，韭菜冠部圓周長逐漸變大，采用收割機(jī)收割時會出現(xiàn)收攏不良、扶持作用不明顯、韭菜難以有序進(jìn)入收集帶和輸送帶，存在漏割或輸送帶卡死的現(xiàn)象，呈不完全收獲。試驗中，當(dāng)韭菜長至25 cm以上，采用錐形筒狀扶禾裝置進(jìn)行韭菜收割作業(yè)，由于其調(diào)整范圍小，其錐形筒隨機(jī)具前進(jìn)時，扶持梳理不明顯;采用正三角形狀扶禾裝置進(jìn)行韭菜收割作業(yè)，正三角形狀截面寬度固定，作業(yè)時韭菜苗被截面掩蓋，韭菜不完全或少量扶持到割刀位置，分析原因如表1所示。這就需要人工二次撿拾或收割，從而增加了種植戶的經(jīng)濟(jì)成本。

提高扶禾裝置的離地間隙，留高茬，再適當(dāng)降低行走速度，輸送帶、割刀等作業(yè)參數(shù)不變，再次開展收割試驗，收割指標(biāo)基本滿足要求。針對以上故障和產(chǎn)生原因，不改變收割機(jī)其他部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，優(yōu)化扶禾裝置十分必要。

3 新扶禾新裝置的研制

3.1 收割后苗株幾何參數(shù)

與其他葉菜相比，韭菜單株體積較小且傾倒幅度較大，輸送過程中群體間接觸多，相互影響較大，收割期韭菜苗株的幾何參數(shù)與扶禾裝置結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)緊密聯(lián)系。以待收割期韭菜為研究對象，對韭菜收割后株高、割口直徑和收割后莖高等幾何參數(shù)進(jìn)行分析，收割后韭菜株高樣本分布如圖4所示。

隨機(jī)選定的50株樣本統(tǒng)計如表2所示。收割后割口直徑最大值為6.1 mm，平均直徑為（4.09±0.94）mm;收割后莖高最大值為45 mm，平均莖高為（31.34±6.26） mm;株高最大值為350 mm，平均株高為（282.56±33.04）mm。50株標(biāo)本收割后有43株的株高超過250 mm，占比86%，如表2所示。

3.2 扶禾裝置

聯(lián)合收割機(jī)在作業(yè)時，為準(zhǔn)確將待割的作物莖稈引入切割器，扶正倒伏農(nóng)作物，推送至割刀，避免莖稈堆積在割臺上，在前端安裝撥禾輪[14]，如圖5所示。

撥禾器按結(jié)構(gòu)分為扶禾裝置和撥禾輪2種形式，主要區(qū)別在于：扶禾裝置是從根部插入作物叢中，用于小型收割機(jī);撥禾輪是從作物頂部插入，主要應(yīng)用于聯(lián)合收獲機(jī)，作業(yè)過程中利用裝在鏈條上的撥指將倒伏作物扶起，最大適應(yīng)倒伏角度達(dá)75°，起到扶起梳直的作用，保持莖稈在扶持狀態(tài)下切割。按照鏈條回轉(zhuǎn)所在平面的不同，扶禾裝置有傾斜面型和鉛垂面型2種[15]，如圖6～7所示。

3.3 新裝置結(jié)構(gòu)

新型扶禾裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示，由扶禾導(dǎo)板、下底板和連接板組成。

與前述扶禾裝置相比，新裝置減小扶禾截面，延長扶禾距離，扶禾導(dǎo)板如圖9所示，外形類似半喂入聯(lián)合收割機(jī)前端的分禾指，上部為圓弧過渡凸起，兩側(cè)面凹弧形，頂部設(shè)計一個半徑360 mm的圓弧，增加收割過程中扶持行程;扶禾導(dǎo)板前嘴寬度30 mm，后端寬度190 mm，呈前尖逐漸變寬的趨勢;整體結(jié)構(gòu)在俯視狀態(tài)下的截面形狀為前窄后寬的錐面結(jié)構(gòu)，中間形成具有錐面開口的扶正腔。圖8中下地板上部圓弧大小與扶禾導(dǎo)板一致，用M8螺栓連接，確保扶禾導(dǎo)板受力均勻;連接板螺栓和下底板鍵槽連接，螺栓穿過連接板在鍵槽固定在機(jī)架，上下可以調(diào)節(jié)，適用不同株高韭菜的收割。

3.4 試驗驗證

合理安裝可以避免收割時農(nóng)作物發(fā)生回彈，并對割倒的韭菜具有穩(wěn)定的推送作用，新裝置安裝在割刀前方，左右各1個，通過具有導(dǎo)槽的連接板固定在機(jī)架上，導(dǎo)槽可以調(diào)節(jié)其離地相對高度，整機(jī)安裝示意圖如圖10示。作業(yè)前根據(jù)韭菜種植行距和生長高度，調(diào)節(jié)離地間隙，收獲時左右扶禾導(dǎo)板在切割前伸入韭菜根部，隨著機(jī)具前進(jìn)逐漸將待割區(qū)韭菜扶正進(jìn)入扶正腔，轉(zhuǎn)入切割區(qū)進(jìn)行切割。

現(xiàn)場試驗參照GB/T 5262—1985《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》進(jìn)行。2020年8月19日，江蘇翰雅農(nóng)業(yè)有限公司對待收割韭菜的田間狀況進(jìn)行調(diào)查，試驗田塊地勢平坦，機(jī)具轉(zhuǎn)彎調(diào)頭方便。2017年夏初種植韭菜，機(jī)械穴播，平均株距226 mm，行距300 mm，長勢良好，根部圓直徑120～180 mm，直立高度260～360 mm，輕微倒伏，自然狀態(tài)下冠部最大圓周直徑330 mm。

根據(jù)GB/T 3871.4—1993《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗方法》等國家標(biāo)準(zhǔn)對收割機(jī)現(xiàn)場作業(yè)性能進(jìn)行測試，如圖11所示。選取收割韭菜時漏割、漏拾、生產(chǎn)率等指標(biāo)，同時考察整機(jī)各部件的作業(yè)性能。機(jī)具啟動后，下底板貼地收割，行走無障礙，隨著機(jī)具前進(jìn)，經(jīng)過扶禾導(dǎo)板導(dǎo)向后有序進(jìn)入切割區(qū)，扶禾導(dǎo)板上部圓弧凸起對切割韭菜扶起梳直，切割后順利進(jìn)入輸送帶，輸送帶往復(fù)輸送平穩(wěn)，無堵塞現(xiàn)象，運動輕便，測得切割后的韭菜留茬高度不足15 mm，鋪放有序，無漏割現(xiàn)象。

4 討論

在蔬菜生產(chǎn)過程中，受地域因素、科研投入以及蔬菜栽培模式的影響，現(xiàn)階段還存在農(nóng)機(jī)技術(shù)與農(nóng)藝技術(shù)、設(shè)施與農(nóng)機(jī)、農(nóng)機(jī)具與農(nóng)機(jī)具之間不配套，開展類似韭菜收割機(jī)扶禾裝置的優(yōu)化改進(jìn)工作，總結(jié)不同品種蔬菜機(jī)械化收割農(nóng)藝要求，集成傳感器技術(shù)和導(dǎo)航定位技術(shù)，開發(fā)研制出品種適用性好、操作安全性強(qiáng)、作業(yè)經(jīng)濟(jì)性高、適用作業(yè)環(huán)境的收割機(jī)械將是未來解決蔬菜機(jī)械化收割的主要途徑之一。

我國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國和消費國，蔬菜品種多，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)距離實現(xiàn)全面全程機(jī)械化還有一定的距離[16]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械化的內(nèi)涵將進(jìn)一步拓展，高質(zhì)量推進(jìn)蔬菜產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，實現(xiàn)蔬菜產(chǎn)業(yè)的高產(chǎn)高效對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率具有重要作用。

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