青毛豆機(jī)械化收獲技術(shù)概述

樓婷婷，費(fèi) 焱，王 濤，徐錦大

（浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，浙江金華 321017）

0 引言

青毛豆是指豆粒鼓盛時(shí)期至初熟期采收的菜用大豆，“青”為豆莢呈青綠色，“毛”為豆莢表面附著黃色細(xì)毛，“豆”為豆科大豆屬植物。青毛豆不僅味道鮮美、營(yíng)養(yǎng)豐富，還是公認(rèn)的無(wú)公害或少污染的綠色蔬菜，已成為人們飯桌上常見(jiàn)的美味佳肴，市場(chǎng)需求也日益增加[1-2]。然而，相比糧食作物的生產(chǎn)機(jī)械化水平，青毛豆生產(chǎn)機(jī)械化處于起步階段，整體技術(shù)水平較低。其中青毛豆收獲環(huán)節(jié)作業(yè)量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高，占整個(gè)生產(chǎn)作業(yè)量的40%以上，而目前仍以人工收獲為主，導(dǎo)致青毛豆收獲中成本高和勞動(dòng)力短缺問(wèn)題突出，因此實(shí)現(xiàn)青毛豆機(jī)械化收獲十分迫切[3-4]。

目前，浙江省青毛豆機(jī)械化收獲主要應(yīng)用的有青毛豆脫莢機(jī)和青毛豆聯(lián)合收獲機(jī)兩種，本文基于國(guó)內(nèi)青毛豆收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀，剖析了其機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，并針對(duì)浙江省復(fù)雜作業(yè)工況提出了機(jī)械化收獲的關(guān)鍵研究技術(shù)，對(duì)加快浙江省青毛豆收獲機(jī)械化發(fā)展具有重要意義。

1 青毛豆機(jī)械化脫莢技術(shù)

青毛豆脫莢機(jī)是一種將青毛豆莢從已收割的青毛豆植株上脫離的機(jī)械。在一些機(jī)器不便進(jìn)出的田塊，農(nóng)戶可先收割青毛豆連莢植株，再利用青毛豆脫莢機(jī)實(shí)現(xiàn)豆莢從莖稈脫離這一步驟，完成青毛豆收獲工作。

遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所[5]設(shè)計(jì)了5MDZJ-380-1400型青毛豆脫莢機(jī)，主要由機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、喂入機(jī)構(gòu)、脫莢滾筒和風(fēng)機(jī)等組成。運(yùn)行時(shí)，新鮮的青毛豆植株由喂入機(jī)構(gòu)進(jìn)入脫莢滾筒，脫莢滾筒上的膠指通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)擊打，使豆莢和莖葉脫離，莖葉經(jīng)風(fēng)機(jī)從莖葉排出口吹出，豆莢落入豆莢輸出帶，完成脫莢作業(yè)。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所[6]設(shè)計(jì)了5TD60型青毛豆脫莢機(jī)，主要由機(jī)架、電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、輸送夾持裝置、脫莢輥組和風(fēng)機(jī)等組成。運(yùn)行過(guò)程中，人工手動(dòng)將單株青毛豆植株放入輸送夾持裝置中，隨后植株進(jìn)入上、下兩脫莢輥之間，前后兩對(duì)脫莢輥組重復(fù)脫莢，提高脫莢率。

濰坊豐園機(jī)械有限公司[7]設(shè)計(jì)了一種青毛豆脫莢機(jī)，主要由機(jī)體、電機(jī)、風(fēng)機(jī)、植株喂入輸送帶平臺(tái)、夾持鏈條、脫莢輥筒、提升分選輸送帶、豆莢轉(zhuǎn)出輸送帶等組成。運(yùn)行時(shí)，人工將青毛豆植株放置在喂入輸送帶平臺(tái)上將其帶入機(jī)體內(nèi)部，夾持鏈條夾持植株送至上下脫莢輥筒時(shí)，板狀脫莢齒將豆莢從植株上脫下，剩余的莖稈由夾持鏈條繼續(xù)夾持排出機(jī)體外，當(dāng)豆莢落下時(shí)，風(fēng)機(jī)將葉片吹出機(jī)體，較長(zhǎng)的雜質(zhì)則由提升分選輸送帶排出機(jī)體，清洗干凈的豆莢由豆莢轉(zhuǎn)出輸送帶輸送至收集容器中，完成脫莢作業(yè)。

2 青毛豆機(jī)械化聯(lián)合收獲技術(shù)

青毛豆聯(lián)合收獲機(jī)多為自走式，能直接在地里一次性完成青毛豆豆莢采摘、輸送、清選、收集等作業(yè)，省時(shí)高效，大大節(jié)約了勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)效率，加快青毛豆大量上市時(shí)間。

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)[8]設(shè)計(jì)的自走式青毛豆收獲機(jī)，主要由行走系統(tǒng)、采摘系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、清選系統(tǒng)和儲(chǔ)運(yùn)箱等組成。工作時(shí)，行走系統(tǒng)向前行駛，撿拾裝置將青毛豆植株導(dǎo)入，采摘滾筒逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)柔性彈齒從下往上捋過(guò)青毛豆植株，采摘下豆莢和莖葉隨滾筒和彈齒的一起轉(zhuǎn)動(dòng)被拋甩至后方傳送帶上，并運(yùn)送至滾動(dòng)篩篩除較大雜質(zhì)，隨后風(fēng)機(jī)去除雜質(zhì)，得到干凈的豆莢，最后進(jìn)入儲(chǔ)運(yùn)箱，完成青毛豆收獲作業(yè)。

河北雷肯農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司[9]設(shè)計(jì)的自走式二次風(fēng)選青毛豆收獲機(jī)，主要由行走機(jī)構(gòu)、收割機(jī)構(gòu)、倉(cāng)斗、撥莖輥、鼓風(fēng)機(jī)、吹風(fēng)道和篩網(wǎng)組成。工作時(shí)，行走機(jī)構(gòu)前行，收割機(jī)構(gòu)對(duì)青毛豆植株進(jìn)行收割，將豆莢與莖稈進(jìn)行脫離，并通過(guò)絞龍裝置將青毛豆莢送往豆莢出口，鼓風(fēng)機(jī)吹出的高壓氣流通過(guò)吹風(fēng)道從出風(fēng)口向上噴射，高壓氣流經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)將雜質(zhì)吹出，豆莢落入收集箱。吹風(fēng)道中的高壓氣流可以對(duì)豆莢二次風(fēng)選，進(jìn)一步對(duì)青毛豆進(jìn)行清選除雜。

海門市萬(wàn)科保田機(jī)械制造有限公司[10]設(shè)計(jì)的青毛豆聯(lián)合收獲機(jī)，主要由割臺(tái)、犁刀、夾持器、采摘器、清選系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成。工作時(shí)，機(jī)器前進(jìn)，犁刀入土挖掘松動(dòng)植株根部土壤，限深輪隨壟面上下浮動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿形挖掘，夾持器夾住植株將其拔起往后運(yùn)輸，敲泥桿將根系處的土壤擊落。滾筒式采摘器開(kāi)始第一次采摘，然后輥刀式采摘器進(jìn)行第二次采摘，采摘完畢后，莖稈由下夾持器拋回田間，豆莢和莖葉等雜質(zhì)由振動(dòng)篩進(jìn)行分選，莖葉被風(fēng)機(jī)吹出，豆莢落入清選箱內(nèi)，隨輸送絞龍送至收集箱。

3 浙江省青毛豆機(jī)械化收獲關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 農(nóng)藝種植規(guī)范和農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合研究

青毛豆農(nóng)藝種植規(guī)范與收獲機(jī)作業(yè)性能有很大的關(guān)系，如品種、壟寬、壟高、行距、株距等，兩者相輔相成。此外，在青毛豆生產(chǎn)過(guò)程中，整地、播種、田間管理等作業(yè)環(huán)節(jié)是否配套也影響收獲機(jī)的作業(yè)性能。因此，在今后的研究中，應(yīng)規(guī)范青毛豆農(nóng)藝種植參數(shù)，選育適合機(jī)收的青毛豆品種，加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，提高各環(huán)節(jié)機(jī)具配套程度，形成浙江省青毛豆機(jī)械化作業(yè)的技術(shù)模式。

3.2 植株性狀和物理機(jī)械特性研究

以浙江省主導(dǎo)青毛豆品種為研究對(duì)象，研究其豆莢、豆葉、莖稈的基本物理特性參數(shù)，為采摘、清選等執(zhí)行部件的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，降低青毛豆在收獲過(guò)程中的漏摘率和破損率，并將其控制在農(nóng)戶可接受的范圍，主要包括：①測(cè)量豆莢形狀、豆莢大小、植株高度、豆莢高度等物理參數(shù)；②豆莢受力和變形、破裂的關(guān)系及測(cè)定豆莢與莖稈的連接力；③豆莢莖葉混合物空氣動(dòng)力學(xué)特征，建立混合物在有限氣流場(chǎng)中的懸浮速度模型。

3.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在滿足機(jī)械性能的前提下，采用模塊化、小型化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、通用性好的收獲機(jī)型，最大限度地降低制造成本，減輕農(nóng)民購(gòu)買和使用成本壓力，從而提高企業(yè)生產(chǎn)興趣和市場(chǎng)需求；同時(shí)，運(yùn)用CAD、SolidWorks、ANSYS等現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)青毛豆收獲機(jī)關(guān)鍵作業(yè)部件開(kāi)展運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真，優(yōu)化機(jī)械機(jī)構(gòu)和作業(yè)性能。

3.4 智能化水平提升

浙江省青毛豆收獲作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，單一的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式和較低的智能化程度無(wú)法滿足作業(yè)要求。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的興起，自主導(dǎo)航定位技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)都得到了快速發(fā)展，將傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制、液壓控制結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)青毛豆柔性采摘、采摘高度自動(dòng)調(diào)節(jié)、自主導(dǎo)航駕駛、作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能測(cè)產(chǎn)等智能化功能，明顯降低漏摘率和損傷率，大大提高作業(yè)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

青毛豆口感佳、營(yíng)養(yǎng)好，深受消費(fèi)者的喜愛(ài)，市場(chǎng)需求大，效益明顯。青毛豆收獲勞動(dòng)強(qiáng)度大，且季節(jié)性強(qiáng)，趕時(shí)上市特點(diǎn)明顯，隨著青毛豆產(chǎn)業(yè)規(guī)?；潭炔粩鄶U(kuò)大和勞動(dòng)力短缺問(wèn)題日益凸顯，青毛豆機(jī)械化收獲迫在眉睫。當(dāng)前，青毛豆收獲機(jī)開(kāi)展初探性研究領(lǐng)域應(yīng)用，依據(jù)浙江省青毛豆種植模式和機(jī)械化收獲現(xiàn)狀，結(jié)合農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合、植株物理特性、機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能化水平提升，研制出適應(yīng)浙江省復(fù)雜工況下的小型化、智能化青毛豆收獲機(jī)，對(duì)促進(jìn)浙江省青毛豆產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。