蓮藕采收機械的研究進展*

李鋒霞 ， 張 佳 ， 黃 勇 ， 高國剛 ， 武玉柱 ， 王 夢

（1.新疆工程學院機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830023；2.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區(qū)工學院，新疆 克拉瑪依 834000）

蓮藕，是一種草本植物，具有很好的藥用和食用價值，深受廣大人民群眾喜愛。其因種植技術(shù)和生長管理技術(shù)簡單、經(jīng)濟效益好，在我國種植分布廣泛[1]。然而，蓮藕的采收卻較為困難，人工挖藕勞動作業(yè)繁重，生產(chǎn)效率低，制約了蓮藕產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，蓮藕機械化采收是關(guān)鍵。我國自20世紀70年代開始對蓮藕機械化采收技術(shù)進行研究，各大科研機構(gòu)、相關(guān)企業(yè)及個人等對蓮藕采挖的作業(yè)機理、關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備等進行了研究[2]，對實現(xiàn)高效率、低能耗的蓮藕機械化采收具有重要的現(xiàn)實意義。

1 蓮藕采收機理

蓮藕機械采收實際上是將藕泥分離，目前，根據(jù)采收原理不同分為三種方式：機械式、噴流式、機械與噴流結(jié)合式。

1.1 機械式

機械式是指通過挖藕機上的采挖機構(gòu)將蓮藕從泥里掘起，使泥藕分離開來，然后再清洗。

1.2 射流式

射流式是指利用水泵抽水，產(chǎn)生高壓，通過管道系統(tǒng)將水輸送至采收機上的噴頭處，然后噴頭噴出高壓水流，形成射流，將蓮藕上的泥土沖洗掉，由于蓮藕本身是中空結(jié)構(gòu)，密度比水的密度小，依靠浮力即可自動浮出水面，達到了藕泥分離的效果，完成蓮藕收獲。

1.3 機械式+射流式

機械式和射流式的結(jié)合是指利用車體前端的挖掘機構(gòu)配合高壓水槍將蓮藕與淤泥分離。挖掘機構(gòu)與水槍角度可跟隨液壓缸進行一定范圍內(nèi)的調(diào)整。輸送系統(tǒng)安裝在車體底盤搭配著沖水系統(tǒng)的二次清洗，可獲得干凈的蓮藕。

目前，在國外日本研究過蓮藕采收機，主要利用噴流式原理的采收機有3種類型[3]，噴流式I型挖藕機結(jié)構(gòu)是船體式結(jié)構(gòu)，無牽引裝置，可在藕田水深0.1 m~0.2 m的條件下進行作業(yè)；寬幅II型挖藕機比I型增加了牽引裝置、驅(qū)動裝置及集藕裝置；泵定置式小型（簡稱III型）挖藕機是浮舟式結(jié)構(gòu)，其采挖作業(yè)效率比人工挖藕提高了3~5倍。日東工業(yè)設(shè)計利用機械式和噴流式結(jié)合的采收機[4]，該挖藕機結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，但由于體積笨重、效率低、價格昂貴、田間適應度不高等原因，目前還未被廣大農(nóng)民接受和使用。

中國現(xiàn)有的挖藕設(shè)備的研究中，主要利用的原理是高壓射流技術(shù)，如陳輝等[5]、何競飛等[6]、肖科星[7]、李烈[8]研究了噴流式挖藕機，吳昊[9]研制出一種自旋射流式挖藕機。高雪峰等[10]提出了結(jié)合了鏟掘式和噴流式兩種采藕方式的大功率蓮藕采收機。

大量研究結(jié)果表明：由于藕在水下分布雜亂，易斷，機械式收獲方式采挖速度慢，損傷率高，應用不廣泛。射流式收獲方式采用高壓水流的方式，解決了機械式挖藕存在的采挖效率和采挖損傷之間的矛盾，應用廣泛[11]。機械式+射流式收獲方式結(jié)合前兩者的優(yōu)點，且能對蓮藕實行二次清洗，收獲效率高，蓮藕破損率小，效果良好。

2 蓮藕采收機械裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究

目前，我國研究的蓮藕收獲機械主要由動力裝置、高壓水泵、液壓系統(tǒng)、分水器和高壓噴嘴（噴頭）、浮栽裝置、操作裝置、行走裝置等組成。根據(jù)采收結(jié)構(gòu)和浮栽裝置不同，分為3種形式：手扶式挖藕機、船式挖藕機和浮筒式挖藕機。

2.1 手扶式挖藕機

2018年，中南大學劉向軍等[12]研制出一種新型手扶挖藕機，如圖1所示，以車架作為載體承載發(fā)動機和噴頭支架，工作時手扶車架行走底盤進入水田中后，噴頭利用高壓水射流沖刷粉碎泥土，再進行挖藕作業(yè)。試驗結(jié)果表明，該樣機作業(yè)穩(wěn)定性能優(yōu)良，工作效率比人工單噴槍挖藕提高3.5倍左右，滿足不同水深的需要。2021年黃琳等[13]設(shè)計了一種手扶水力沖刷式挖藕機，該挖藕機采用“二對二”的配置方式，即2個污水潛水泵分別配置1個噴頭，通過液壓系統(tǒng)控制污水潛水泵的工作轉(zhuǎn)速和噴頭的往復運動，設(shè)計的挖藕機沖刷性能達到最優(yōu)狀態(tài)，此時挖藕機沖刷深度為302 mm，蓮藕浮出率為90%。

圖1 手扶式挖藕機

2.2 船式挖藕機

2000年，湖北武漢市農(nóng)機管理辦研發(fā)了船式自走式水力蓮藕掘取機[14]，該機采收方式為水力式，機體與水泵分離，依靠機械傳動使整機能夠自動行走，再通過液壓控制系統(tǒng)控制噴頭的左右擺動沖刷藕泥，實現(xiàn)泥藕分離。

2002年，湖北宜城市農(nóng)機局張全壽開發(fā)的船式自動挖藕機[15]，在船體上固定的動力裝置分別與水泵和減速器連接，減速器帶動挖頭在船體尾部作往復平行移動，水泵通過高壓將水輸出噴頭。工作時排水、挖藕、洗凈等環(huán)節(jié)連續(xù)作業(yè)，可根據(jù)需要全部或部分將藕挖出。

2004—2008年期間，華中農(nóng)業(yè)大學工學院研究團隊聯(lián)合企業(yè)研發(fā)了4CWO-3.2型船式自動挖藕機[16-18]。采用“水力采挖”方法，通過雙螺旋機構(gòu)驅(qū)動噴頭往復切割、破碎、沖刷土壤，使整根干凈蓮藕自動浮現(xiàn)水面。保證采挖工作部件的可靠性和整機平衡性，有利于提高工作效率。

2009年，南京農(nóng)業(yè)大學工學院王維等設(shè)計出4SWJ-1型船式水力挖藕機[19]，利用船體上固定的柴油機為水泵提供動力，通過液壓系統(tǒng)控制噴頭實現(xiàn)左右往復移動。其工作性質(zhì)穩(wěn)定，采收效果比較理想。但機器無法自動行走，需要由鋼絲繩牽引實現(xiàn)。同年，在該挖藕機基礎(chǔ)上研制了4SWO-1.2型船式水力挖藕機[20]。

2009年，山東微山湖挖藕機械制造廠開發(fā)了4CW-2.6型船式蓮藕采收機[21]。該機是利用鏟泥板與高壓水槍結(jié)合的方式對蓮藕進行采收，機械動力帶動鏟泥板鏟除蓮藕上的泥土，再利用高壓水槍產(chǎn)生的射流沖破泥土、沖刷藕體，實現(xiàn)蓮藕采收。該機工作時仍需三人水下輔助作業(yè)，機械化程度有待進一步提高。

2.3 浮筒式挖藕機

2010年，武漢興盛農(nóng)機技術(shù)開發(fā)有限公司開發(fā)出的浮桶鴨嘴式挖藕機[22]，有3個機型相繼出廠，分別為W-FPZ-1200-A型、W-FPZ-1200-B型、W-FPZ-1200C型。以型號為W-FPZ-1200C為例。C型采收機實物圖如圖2所示。該挖藕機左右兩側(cè)安裝有密封浮桶，使其依靠浮力漂浮在水面上，在兩浮桶之間的工作倉外側(cè)、左右、前后及頂面均有過濾網(wǎng)焊接在地盤架上成為一個整體。整機結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活、運輸方便。

圖2 浮桶鴨嘴式挖藕機（W-FPZ-1200C）

2012年，山東省孟慶前設(shè)計了一種類似原理的浮筒式挖藕機[23]，該挖藕機在設(shè)計基礎(chǔ)之上對進水口、工作倉、噴頭數(shù)量進行了完善，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的作業(yè)效率低的問題。此類機械適用于深水藕池。

2017年，南京林業(yè)大學機械電子工程學院劉鵬等設(shè)計了浮筒型液力驅(qū)動蓮藕收獲機[24]，通過汽油機向水泵等輸送動力，分別由浮艙、噴射系統(tǒng)、蓄水裝置、動力系統(tǒng)和操作系統(tǒng)組成。該類型機械結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、工作平穩(wěn)，目前在市面上流通較為廣泛。

經(jīng)過調(diào)研，并對目前市面上典型的挖藕機的機構(gòu)性能參數(shù)和優(yōu)缺點進行對比，具體數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明：船式挖藕機結(jié)構(gòu)復雜，體型較大，作業(yè)可靠，操作穩(wěn)定，但在作業(yè)時需要通過鋼絲繩牽引移動，無外延長水管，因此在使用過程中有很大的局限性；浮筒式挖藕機結(jié)構(gòu)簡單，體型比較小巧，由人工拖拽移動，需下水作業(yè)，但需要一定的吃水深度，在淺水藕田無法進行正常漂浮作業(yè)等；手扶式采收機因結(jié)構(gòu)小巧、操作方便、作業(yè)效果良好，受到部分藕農(nóng)的肯定，但是需要有人下水作業(yè)，冬季采收極為不便。

表1 典型挖藕機的性能參數(shù)表

3 蓮藕采收機械裝置的行走方式的研究

從上述研究中可以看出，目前的挖藕機機械結(jié)構(gòu)可靠，操作簡易。但自動化程度不高，自主行走裝置需借助外部裝置或人工進行移動，發(fā)動機壓力有限，勞動強度依然較大。為了提高蓮藕采收機械的收獲效率、減輕勞動強度，目前，根據(jù)采藕機在作業(yè)過程中的行進方式的不同，將自走裝置分為3種：自走式、螺旋推進式和履帶式。

3.1 自走式

1999—2001年期間，華中農(nóng)業(yè)大學、武漢市農(nóng)機服務總站及南通市江華機械有限公司聯(lián)合研制了4OZ-3型自走式水壓蓮藕掘取機[25]，該采藕機由岸邊水泵機組和田間自走式水力作業(yè)機兩部分組成。該挖藕機利用機械傳動可在水田自動行走。2015年，郭洋民設(shè)計了船式水力自走式蓮藕采收機[26]。該機以機耕船為動力機，利用液壓傳動系統(tǒng)使噴頭作往復運動。該機適宜在淺水中作業(yè)，作業(yè)能力強，但是不適應藕田路太窄的情況。

3.2 螺旋推進式

2010年，山東省微山縣孟凡良等設(shè)計了一種螺旋推進式挖藕機[27]，該機通過發(fā)動機帶動艉軸螺旋推進器組成推進裝置。液壓油泵驅(qū)動挖藕機構(gòu)運動作業(yè)。2020年，華中農(nóng)業(yè)大學工學院馮闖闖設(shè)計了一種自主行走的螺旋推進式挖藕機[28]，主要結(jié)構(gòu)包括螺旋推進底盤和噴流裝置等。其工作時螺旋滾筒轉(zhuǎn)動，利用螺旋葉片對泥土的反作用力驅(qū)動整機行走。

3.3 履帶式

2021年，山東農(nóng)業(yè)大學肖化超設(shè)計了一種履帶自走式高效低損傷水力采藕機[29]。其工作時，柴油機提供動力支持；液壓系統(tǒng)驅(qū)動采藕機行走和噴嘴擺動。履帶式行走機構(gòu)的履帶底盤的車輪通過循環(huán)履帶與地面接觸，從而帶動整機運動，履帶由驅(qū)動輪驅(qū)動。履帶式行走機構(gòu)的抓地能力強，適應性好，工作穩(wěn)定，不易打滑[30]。

以上所述蓮藕采收機械裝置的行走方式中自走式挖藕機適用于淺水藕田。該類機械依靠機械傳動和液壓控制實現(xiàn)自動行走作業(yè)，機械傳動系統(tǒng)使挖藕機在水陸行走。不適合復雜惡劣的藕田作業(yè)環(huán)境，前進不穩(wěn)定。螺旋推進式適宜在灘涂、沼澤等特殊地形行走。在水中工作時，螺旋滾筒能夠起到輔助漂浮作用。螺旋推進式底盤還能應用于水田行走裝備等領(lǐng)域的研究。履帶式挖藕機能在不同水深的藕田完成蓮藕切割和高效低損傷采藕的聯(lián)合作業(yè)，可以顯著降低蓮藕采收的勞動強度，并提高作業(yè)效率。

4 蓮藕收獲機械發(fā)展方向

現(xiàn)有的機械采收技術(shù)還不成熟，存在問題較多。因此，課題組認為以下幾個方面是挖藕機未來發(fā)展方向：

1）蓮藕種植的規(guī)?；?。蓮藕在水下的分布雜亂無章，影響其生長的因素也較為復雜，因此，對于蓮藕的種植應該進行深入的研究，包括品種、土壤、氣候、入泥深度、行列化等規(guī)?；姆N植，便于挖藕機的行走和采收，更有利于機械性能的發(fā)揮，也為挖藕機的研究工作減輕負擔、提高效率。

2）噴流式采收參數(shù)標準化，關(guān)鍵部件的優(yōu)化，機構(gòu)的創(chuàng)新。國內(nèi)利用噴流式挖藕機還存在結(jié)構(gòu)復雜、工作不穩(wěn)定、加工制造工藝水平較低和生產(chǎn)成本較高等問題，今后還需對所用的水泵、噴頭參數(shù)進行標準化，對關(guān)鍵部件在結(jié)構(gòu)、配置和制造工藝方面進行不斷優(yōu)化和創(chuàng)新研究，提高采收效果。

3）采用旱田蓮藕結(jié)合泥土震動的采收方式。目前，挖藕機大多是對于水田蓮藕的采收，針對旱田蓮藕的采收研究鮮有，建議考慮旱田蓮藕，研究泥土特性、采收原理結(jié)合泥土震動的方式，為蓮藕的采收拓寬思路。

4）未來蓮藕采挖機械的性能方面也要向自動化、智能化、自動導航及無人駕駛的方向發(fā)展。目前，挖藕機的問題較多，實際應用性不理想，要想實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還需要朝著實現(xiàn)蓮藕采收的精準化、自動化、智能化、自動導航及無人駕駛的方向發(fā)展。