根莖類作物低阻低損收獲方法研究現(xiàn)狀

賈博喧，田斌，孫偉，張華，劉小龍，李輝，王虎存，鞠遠瑾

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院）

0 引言

根莖類作物是我國重要的經(jīng)濟作物，通常是指食用部分為根或莖的作物，如馬鈴薯、胡蘿卜、大蒜、甘薯等蔬菜以及黃芪、當歸等中藥材。由于根莖類作物不同于其他地上作物，其果實在成熟后埋于地下，人工收獲勞動強度大。為降低勞動強度，提升收獲效率，現(xiàn)多采用機械化收獲。但在機械化收獲過程中，常遇到工作阻力大、收獲損傷嚴重等問題，影響收獲效率，因此研究根莖類作物低阻挖掘方法，改進根莖類作物收獲機械，降低機械收獲過程中各部件對根莖的損傷，可有效促進甘肅省乃至全國根莖類作物產(chǎn)業(yè)的均衡發(fā)展，推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和鄉(xiāng)村振興，還可以提高我國農(nóng)業(yè)機械化整體水平，大幅提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率。本文介紹了目前國內(nèi)外根莖類作物低阻低損收獲方法的研究現(xiàn)狀，分析了其中存在的問題及未來發(fā)展方向，旨在為進一步研究低阻低損收獲方法提供參考。

1 根莖類作物低阻挖掘理論研究

1.1 振動減阻理論研究

1.1.1 國外現(xiàn)有振動減阻理論研究

由于固定式挖掘鏟牽引阻力很大，造成機具消耗功率增加，所以需要尋找一種能夠減小牽引阻力的挖掘方法。針對此課題，國外學者在20 世紀50年代提出了解決方法，即將振動引入到田間土壤耕作部件，在各類根莖類作物收獲機上設(shè)計安裝振動挖掘鏟，并進行田間試驗，得到了初步成效，同時開始了振動減阻機理的研究。Johnson[1]等將振動挖掘鏟應(yīng)用于馬鈴薯收獲機，認為理想的振動挖掘鏟可降低挖掘阻力、減少根莖損傷、促進物料向分離機構(gòu)輸送、提升根土分離效率等；Saqib[2]等設(shè)計了振鏟式甘薯收獲機。田間試驗表明，與傳統(tǒng)固定鏟相比，振動鏟使得土塊更為細碎，土壤容重大幅降低；Kang[3]等設(shè)計了小型振動式馬鈴薯挖掘機，對振動挖掘鏟動力學設(shè)計參數(shù)進行了評估，并研究了設(shè)計參數(shù)對作業(yè)阻力和功耗影響，給出了設(shè)計參數(shù)的參考準則。

1.1.2 國內(nèi)現(xiàn)有振動減阻理論研究

在通過振動實現(xiàn)減阻的初步效果后，國內(nèi)學者進行了更深入的研究，設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的振動挖掘機具，并針對根莖類作物振動挖掘中的阻力影響因素進行優(yōu)化設(shè)計。文學洙[4]等以馬鈴薯振動挖掘機為試驗平臺，研究了影響挖掘機作業(yè)性能的參數(shù)，根據(jù)振動鏟和振動篩上特定點的運動軌跡和土壤堆積厚度，找出最佳的試驗參數(shù)組合；吳海平[5]等進行了4S-80 馬鈴薯振動挖掘機牽引阻力的測試，結(jié)果表明鏟篩振動狀態(tài)下可顯著降低挖掘作業(yè)時的機具牽引阻力和拖拉機牽引功率；石林榕[6]等采用響應(yīng)面分析方法確定了速率、入土角、振幅、振動頻率各因素對鏟篩振動式馬鈴薯挖掘機牽引阻力的影響關(guān)系；鄧干然[7]等將組合式振動鏟應(yīng)用于木薯挖掘收獲機，顯著減少了挖掘阻力；付威[8]等利用偏心連桿式振動裝置進行松土試驗，采用二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗設(shè)計，建立數(shù)學模型，最終優(yōu)化了蘿卜收獲機振動松土鏟的作業(yè)參數(shù)；楊小平[9]等優(yōu)化了黃芪挖掘機振動挖掘鏟參數(shù)，提升了整機作業(yè)性能，滿足了黃芪挖掘農(nóng)業(yè)要求。

針對我國各地區(qū)根莖類作物生長環(huán)境與土壤條件的不同，如丘陵山地區(qū)域不適宜大型機械作業(yè)等，在設(shè)計收獲機具時考慮不同地形的作業(yè)需求，因地制宜地設(shè)計研發(fā)不同種類挖掘機，以滿足當?shù)刈魑锏耐诰蜣r(nóng)業(yè)要求。在適當條件下，通過振動式設(shè)計彌補工作條件上的缺陷。呂金慶[10]等針對丘陵山區(qū)小地塊、小動力等制約馬鈴薯機械化的問題，研究設(shè)計了4U1Z 型振動式馬鈴薯挖掘機，取得了較佳應(yīng)用效果；張瑞[11]等針對我國丘陵山地作業(yè)大型機械不適宜、小型手扶類拖拉機動力不足的問題，設(shè)計了一種鏟篩激振式馬鈴薯挖掘機。試驗表明，振動挖掘可降低牽引阻力，提高土薯分離效率。

1.2 挖掘鏟外形設(shè)計減阻理論研究

除在耕作挖掘部件中引入振動以外，改變挖掘鏟形狀、表面改性或采用仿生法也是減小工作阻力的另一種有效手段。

1.2.1 國外現(xiàn)有外形設(shè)計減阻理論研究

國外學者利用各種試驗方法，通過計算挖掘鏟的表面形狀參數(shù)與工作阻力之間的關(guān)系，確定能夠使挖掘阻力為最小的形狀參數(shù)。Spektor[12]試驗研究了挖掘鏟切削土壤過程中的前進阻力與作業(yè)參數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其與寬度呈線性關(guān)系，與挖掘深度成非線性關(guān)系。Shmulevich[13]等利用離散單元法和土槽試驗對4 種不同形狀的挖掘鏟進行了研究；Godwin[14]研究了水平阻力與耕深、耕寬比值的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)極窄齒水平阻力隨耕寬的增加呈正比例增大。窄齒水平阻力隨著耕寬的增加而增大，但增長率逐漸減小。寬齒的水平阻力隨著耕寬的增加而緩慢地線性增加；Armin[15]等設(shè)計了不同弧度的切土刀片，通過有限元法仿真試驗發(fā)現(xiàn)，切土刀片弧度越大，在土壤中移動所受阻力越小。

1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)有外形設(shè)計減阻理論研究

本世紀以來，為了進行挖掘減阻研究，國內(nèi)學者將仿生法應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程。仿生法是通過模仿生物系統(tǒng)的原理、功能、結(jié)構(gòu)等特征，建造技術(shù)系統(tǒng)并完成發(fā)明創(chuàng)造的方法。以生物原型為基礎(chǔ)，通過建立數(shù)學模型，最終轉(zhuǎn)換為所需的硬件模型。其中，非光滑形態(tài)仿生和結(jié)構(gòu)仿生在觸土部件脫附減阻中已得到大量應(yīng)用，而且利用逆向工程技術(shù)獲取生物結(jié)構(gòu)三維模型，進行結(jié)構(gòu)仿生研究較為普遍[16-17]，技術(shù)也趨于成熟。

近些年，我國一些學者應(yīng)用仿生法設(shè)計根莖類作物挖掘鏟，通過對擅于挖掘的生物進行仿生學研究，設(shè)計挖掘效率高、阻力小的挖掘部件，在改善根莖挖掘機作業(yè)性能方面取得了顯著成效。石林榕[18]等提取螻蛄前爪趾輪廓信息，將其運用于馬鈴薯挖掘鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于離散單元法進行仿生鏟片挖掘土壤數(shù)值模擬過程，結(jié)果表明較普通三角鏟前進阻力減小了11.36%，垂直方向減小了17.65%；劉世豪[19]等對木薯挖掘鏟進行了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計，采用多目標決策方法優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，提高了挖掘鏟的整體機械性能和整機作業(yè)性能；Fan[20]、趙萍[21]等基于野豬拱嘴設(shè)計了一種仿生馬鈴薯挖掘鏟。試驗表明，相對于普通平鏟，仿生挖掘鏟減阻21.8%；李長銘[22]等設(shè)計了花生仿生挖掘鏟，并進行了仿真分析，結(jié)果表明仿生挖掘鏟的減阻性與碎土性能均好于普通挖掘鏟；楊然兵、尚書旗[23]設(shè)計了一種多功能曲面挖掘鏟，對比試驗表明多功能曲面鏟去土率提高了4.8%，掉果率降低了1.03%。

2 根莖類作物低損收獲方法研究

根莖類作物收獲過程中的損傷，一般出現(xiàn)在地下挖掘和作物挖掘后集運的過程當中，因此找出使作物損傷的因素，研究其損傷機理，并通過試驗進行優(yōu)化的方法，是低損收獲方法研究的重要手段。

2.1 通過試驗評估收獲過程中的損傷因素

歐美發(fā)達國家從20 世紀初開始研究根莖類作物機械收獲中的損傷因素，取得了較好成果并得以應(yīng)用。Brook[24]等用儀器球記錄了馬鈴薯收獲機關(guān)鍵部件與塊莖間的沖擊；Bentini[25]等使用電子甜菜評估收獲機在不同前進速度下對甜菜的損傷；Ulvskov[26]對轉(zhuǎn)基因馬鈴薯進行了機械特性和應(yīng)力松弛特性的試驗，研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因馬鈴薯在進行單軸向壓縮及側(cè)鏈切斷時更易破碎，這與塊莖的物理特性相關(guān)；Bentini[27]等采用試驗儀器球記錄了馬鈴薯收獲過程中的碰撞損傷，闡明了馬鈴薯收獲機前進速度以及土壤濕度對馬鈴薯損傷程度的影響；Jozef[28]等研究了收獲機作業(yè)參數(shù)對蘿卜損傷的影響；桑永英[29]等對新鮮馬鈴薯進行不同高度下落的碰撞試驗研究，得出馬鈴薯下落高度為20～30 cm 時，馬鈴薯損傷率小于4%；吳亞麗[30]等運用INSTRON萬能電子材料試驗機和CMT6104 微機控制電子萬能材料試驗機對馬鈴薯進行力學性能試驗；洪翔[31]等通過不同高度下的跌落試驗，得到馬鈴薯的臨界損傷跌落高度；馮斌[32]等測定了收獲期馬鈴薯塊莖碰撞恢復(fù)系數(shù)，進行了不同因素下的跌落沖擊試驗，分別研究了跌落高度、碰撞材料、馬鈴薯含水率和跌落方向等因素對馬鈴薯塊莖沖擊特性和損傷綜合指數(shù)的影響，并分析了其損傷規(guī)律。

2.2 通過損傷機理研究優(yōu)化機具的工作參數(shù)

近十幾年，我國學者在低損收獲技術(shù)優(yōu)化方面的研究成果頗豐，他們對馬鈴薯、甘薯、蘿卜等一些根莖類作物的機械物理特性及損傷機理進行了研究，根據(jù)所得參數(shù)進行優(yōu)化，研發(fā)出了不同的低損收獲技術(shù)，并在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。賈晶霞[33]等對薯塊與篩面相互作用的過程進行模擬分析，從提高篩分效率、降低傷薯率角度對篩分機構(gòu)進行了參數(shù)優(yōu)化，提高了整機性能；郭文斌[34]對馬鈴薯壓縮和應(yīng)力松弛特性參數(shù)進行了分析，建立了馬鈴薯壓縮和應(yīng)力松弛過程的虛擬樣機模型；劉海超[35]等設(shè)計了馬鈴薯在擺動篩上的動力學測試試驗臺，測試2 種典型薯形在不同篩分速度下的三維加速度信號，獲得了馬鈴薯在篩面上的碰撞加速度；王冰[36]等運用力學、運動學等原理，結(jié)合試驗分析，研究鏈桿式升運器在輸送分離、拋薯過程中產(chǎn)生損傷的原因和減小損傷率的措施，使甘薯損傷率降至約1.5%；李凱鋒[37]等試驗研究了胡蘿卜物理學基本特性、拔取力及莖葉抗拉強度，研發(fā)了低損挖掘技術(shù)；金鑫[38]等設(shè)計了胡蘿卜根莖分離裝置。結(jié)果表明，肉質(zhì)根損傷率降低至1.8%；陳小冬[39]等針對中國甘薯聯(lián)合收獲機作業(yè)薯秧分離機構(gòu)分離不徹底、損傷數(shù)量多等問題，重新設(shè)計了薯秧分離機構(gòu)，并進行了參數(shù)優(yōu)化。

同時，歐美發(fā)達國家也將高新技術(shù)融入根莖類收獲機中，如采用液壓技術(shù)進行挖掘，采用傳感技術(shù)控制土壤喂入量、傳運量以及分級裝載；采用氣壓、氣流、光電技術(shù)進行碎土和分離，以及利用微機進行監(jiān)控操作等，已形成了一套完備的根莖類收獲機制造技術(shù)，收獲損傷低。

3 存在的問題

3.1 仿生學上的局限

在漫長的進化過程中，螻蛄、鼴鼠、野豬等生物掘土部位在外部形態(tài)和內(nèi)在機能上都有其自身獨特的優(yōu)勢，不僅具備對自然環(huán)境超乎尋常的適應(yīng)能力，更擁有掘土時合理的動作機理和降阻功能，這為根莖類作物挖掘部件減粘降阻的研究提供了新的思路。但在現(xiàn)今關(guān)于仿生法設(shè)計的研究中，大多數(shù)的設(shè)計都是仿形設(shè)計，即只模仿生物掘土部位外型的形狀，而對生物掘土部位表面和運動形式的仿生研究還很少，不能將其應(yīng)用于挖掘工作中，這是更深層次的仿生法研究。

3.2 深根莖作物專用收獲機設(shè)計理論的缺乏

無論是通過優(yōu)良的結(jié)構(gòu)、形態(tài)設(shè)計，還是合理的振動參數(shù)選擇，挖掘鏟都可以達到減阻效果；根據(jù)碰撞損傷等試驗研究，也能很好地做到低損收獲。但是從已有研究來看，對挖掘損傷機理、低損收獲技術(shù)以及低阻挖掘理論的研究主要集中在馬鈴薯、甘薯等塊莖類作物上，對于深根莖類作物的關(guān)注較少，鮮有研究將挖掘鏟結(jié)構(gòu)、形態(tài)和運動特征結(jié)合應(yīng)用于深根莖中藥材挖掘。實際上，作為價格更加昂貴、效用更高的深根莖類中藥材而言，挖掘過程中的低阻低損研究更為重要。而國內(nèi)現(xiàn)有大多數(shù)中藥材收獲機只是在塊莖類等作物收獲機械的基礎(chǔ)上單純疊加和拓展功能，對中藥材收獲技術(shù)的專用性和適應(yīng)性研究還有待加強，集成度高的中藥材聯(lián)合收獲機械還是空白。對關(guān)鍵部件缺乏深入的理論研究，如分離裝置易損傷根莖、篩分效率差、挖掘鏟起挖的物料不能向分離裝置輸送等成為需突破的瓶頸問題。

4 建議與展望

4.1 挖掘裝置應(yīng)針對生物挖掘部位表面和運動形式進行仿生

利用仿生法設(shè)計挖掘裝置的過程中，應(yīng)對生物挖掘部件表面紋理及其挖掘過程中的運動方式進行模仿，比如在挖掘鏟表面設(shè)計與東方螻蛄前爪表面上一樣的花紋，能夠防止土壤粘在挖掘鏟表面，起到減阻的作用；在挖掘過程中，使挖掘鏟的運動軌跡按照鼴鼠在土中挖掘時前爪的擺動路徑進行運動，也是挖掘時減阻的一個方法?？傊瑢τ诜卤砻婧头逻\動形式的研究會為挖掘減阻帶來不同角度的想法，有利于該方向研究的突破。

4.2 中藥材等深根莖作物收獲機具應(yīng)針對收獲農(nóng)藝要求進行設(shè)計

對于中藥材等深根莖作物收獲機具的設(shè)計，應(yīng)充分考慮收獲模式、品種特點以及農(nóng)藝要求，重點關(guān)注深根莖中藥材收獲挖掘機械的相關(guān)研究。針對各類中藥材的品種特點設(shè)計挖掘鏟結(jié)構(gòu)，研究挖掘過程中挖掘部件的運動特征，并將其結(jié)合應(yīng)用，達到減阻的最好效果。同時在設(shè)計低損的挖掘機械時，不能盲目使用塊莖類作物收獲機械的設(shè)計，因為塊莖類作物與深莖類作物的收獲模式和農(nóng)藝要求有著很大差別，應(yīng)該針對中藥材自身的特點進行參數(shù)分析，設(shè)計符合中藥材收獲的機械，推動中藥材生產(chǎn)收獲機械化進程，這是根莖類作物收獲挖掘機設(shè)計的未來發(fā)展方向。