國內(nèi)外木薯機(jī)械化種收裝備研究現(xiàn)狀與展望

陳林濤，牟向偉，薛俊祥，彭柱菁，劉文杰

(廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

木薯也稱樹薯，呈灌木狀，莖稈直立，木質(zhì)，高2～5 m，莖稈下有塊狀根，塊根富含纖維和淀粉。木薯種植成本低、產(chǎn)量高，其塊根、莖、葉均可食用，也可加工淀粉、酒精和有機(jī)化學(xué)品等多個品種的產(chǎn)品，廣泛用于食品醫(yī)藥和輕工業(yè)[1]。木薯作為加工燃料乙醇的原料，是目前重要的可再生生物質(zhì)能源作物。木薯種植對保障糧食安全和緩解能源供求矛盾具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在《全國熱作產(chǎn)業(yè)發(fā)展第十二個五年規(guī)劃》中提出，到2015年木薯種植面積達(dá)66.7萬hm2以上，鮮薯年產(chǎn)量達(dá)到2 000萬t以上[3-4]。我國木薯主要種植在廣西、廣東和海南，云南、福建等省也有種植。目前，我國木薯生產(chǎn)不能滿足需求，已成為木薯進(jìn)口大國，僅廣西每年從東盟國家進(jìn)口的鮮薯原料約550萬t，外貿(mào)依存度達(dá)50%[5-6]。木薯種植對于促進(jìn)主產(chǎn)省區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但由于木薯種植和收獲分散、機(jī)械化程度低等導(dǎo)致生產(chǎn)效益低下，農(nóng)民種植意愿不高，全國木薯種植面積和產(chǎn)量一直徘徊不前。究其原因，木薯生產(chǎn)機(jī)械化程度低是制約我國木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。據(jù)統(tǒng)計，種植與收獲環(huán)節(jié)的勞動量分別約占整個生產(chǎn)勞動量的20%和60%，種植機(jī)械和收獲機(jī)械是木薯生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展需要解決的兩大技術(shù)難題[7]。國家各類項(xiàng)目資金支持開展了木薯收獲機(jī)械研究，取得較大進(jìn)展，但對木薯種植機(jī)械研究沒有給予足夠重視，目前處于起步階段，國內(nèi)還沒有技術(shù)成熟、可推廣的木薯種植機(jī)。

鑒于木薯生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的迫切需要，本文重點(diǎn)闡述木薯種植和收獲現(xiàn)有機(jī)械裝備及其關(guān)鍵部件研究現(xiàn)狀，并對木薯種植機(jī)與收獲機(jī)進(jìn)一步研究做出展望。

1 木薯種植與收獲的農(nóng)藝要求

1.1 種植

木薯以莖稈為種進(jìn)行繁殖，莖稈的平均直徑為30 mm左右，種莖的切段長度為150 mm左右。通常情況下開溝種植，溝深約120 mm、溝寬約150 mm，木薯種可平放、直插或斜插埋入溝中，施肥后，覆土壓實(shí)，覆土厚約120 mm。無特殊要求的情況，一般采用平放形式，對于木薯塊根的產(chǎn)量和莖稈抗倒伏性能具有較好的影響。種植株距500～1 000 mm，行距800～1 200 mm。切段的木薯種莖切口邊緣有芽，應(yīng)減少或避免種莖碰撞，提高發(fā)芽率，木薯實(shí)物如圖1所示。

圖1 木薯實(shí)物Fig.1 Physical map of cassava

1.2 收獲

處于成熟期的木薯葉色稍黃，且基部葉片大部分脫落，木薯塊根外皮呈深色，塊根粗大且入土較深。機(jī)械化收獲作業(yè)前先砍去莖稈，利用挖拔裝置松土，并將木薯塊根與泥土分離進(jìn)行收集，收獲需保持木薯塊根表皮完整性，減少木薯脆斷、粘土現(xiàn)象[8]。目前木薯收獲主要由人工挖收或用簡易挖掘機(jī)械挖掘后人工揀拾，其勞動強(qiáng)度高、效率低、收獲損失率高，采用的機(jī)械挖掘收獲工作部件阻力大、能耗高，根土分離效果差、破損率高，致使木薯品質(zhì)低，經(jīng)濟(jì)效益差，木薯發(fā)展擴(kuò)大的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)高效、可靠的收獲機(jī)械化[9]。

2 木薯種植機(jī)械化研究現(xiàn)狀

目前采用切段莖稈作為種子的種植機(jī)械主要有實(shí)時切種式和預(yù)先切種式2種機(jī)型。實(shí)時切種式機(jī)型需配備專門人工將莖稈喂入切段刀內(nèi)，切成段后自由落入種溝，勞動強(qiáng)度大且喂入不連續(xù)，易造成傷種、漏種?，F(xiàn)有木薯種植機(jī)均采用此形式，難以滿足種植要求。預(yù)先切種式機(jī)型將預(yù)先切成段的種莖放入種箱，通過排種裝置實(shí)現(xiàn)排種，降低人工勞動強(qiáng)度，提高效率，但存在一些待解決的關(guān)鍵問題，需進(jìn)行機(jī)理分析和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，降低種莖損傷率和漏種率。木薯種植機(jī)械尚未開發(fā)預(yù)先切種式自動排種機(jī)型。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

巴西、墨西哥、尼日利亞和馬來西亞等國先后研制了不同型號的單行、雙行或多行種植機(jī)，均為實(shí)時切種式，須有多名工人輔助喂入莖稈，如圖2a所示。泰國Lungkapin開發(fā)了一種木薯莖稈切割裝置，優(yōu)化了切種結(jié)構(gòu)和運(yùn)動參數(shù)，提高切種效率，降低破損率，由圓盤鋸、底板、電機(jī)構(gòu)成，如圖2b所示[10]。工作時將木薯莖稈喂入料槽，在底板被圓盤鋸切斷，凸輪機(jī)構(gòu)控制切割次數(shù)，并在該部件基礎(chǔ)上又研制木薯種植機(jī)，但同樣也需要工人輔助作業(yè)[11]。

圖2 國外木薯種植機(jī)Fig.2 Foreign cassava planter

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國木薯種植機(jī)械研究處于起步與試驗(yàn)階段，缺乏相應(yīng)的研究成果，主要采取引進(jìn)與消化吸收的研究方法。廣西農(nóng)科院等單位先后開發(fā)出了2CMS-2型木薯聯(lián)合種植機(jī)和2BMSU/2X型旋切開溝式木薯播種機(jī)，國產(chǎn)機(jī)型也是由人工輔助輸送莖稈，切斷的種莖自由落入種溝擺放[3-4]。

2.2.1 2CMS-2型木薯聯(lián)合種植機(jī)

2CMS-2型木薯聯(lián)合種植機(jī)主要包括機(jī)架、切種部件、施肥部件、開溝部件、地輪部件和培土部件，如圖3所示。切種部件(圖4)采用雙輥輸送切段的結(jié)構(gòu)，每個切段輥均裝4把刀片，輸送輥每轉(zhuǎn)一圈輸送的種莖桿被切斷成4段。2CMS-2型木薯聯(lián)合種植機(jī)傳動原理如圖5所示，拖拉機(jī)行走速度變化時，地輪轉(zhuǎn)速也隨之變化。

1.機(jī)架 2.培土部件 3.地輪部件 4.開溝部件 5.切種部件 6.施肥部件圖3 2CMS-2型木薯聯(lián)合種植機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of 2CMS-2 cassava combine planter

1.空心膠管 2.刀片圖4 切種部件Fig.4 Seed cutting part

圖5 2CMS-2型木薯聯(lián)合種植機(jī)傳動原理Fig.5 Transmission principle of 2CMS-2 cassava combine planter

2.2.2 2BMSU/2X型旋切開溝式木薯播種機(jī)

2BMSU/2X型旋切開溝式木薯播種機(jī)，是通過點(diǎn)株對應(yīng)的壟溝切削泥土被快速拋出，切段種莖能夠迅速進(jìn)入種溝，進(jìn)而提高播種效率，整機(jī)傳動如圖6所示。木薯播種裝置中排肥器的工作原理為螺旋推桿式，施肥量大小由切斷器至排肥器的傳動比設(shè)定，切換它們的塔式鏈輪組可改變施肥量。而集堆點(diǎn)播器收集從排肥器輸送下來的肥料定量，按照固定的株距節(jié)拍，間歇打開閥門，把肥料呈堆狀點(diǎn)播在種溝內(nèi)的木薯種莖之間。V形壟溝旋挖機(jī)構(gòu)，由齒輪箱變速并帶動呈V形布置的旋切刀盤反轉(zhuǎn)，切削泥土并高速拋出壟溝，開挖出平整的V形壟溝。試驗(yàn)證明，旋切刀盤與拖拉機(jī)輪胎的轉(zhuǎn)向相反時，切削效率更高且減少動力消耗。將泥土向前拋送，大大減少壟溝的回土現(xiàn)象，壟溝外形平整，不易坍塌。

1.肥料箱 2.排肥器變速鏈輪 3.集堆點(diǎn)播器 4.點(diǎn)播器鏈輪5.鏈條 6.切斷器齒輪副 7.點(diǎn)播器主動鏈輪 8.排肥器主動鏈輪 9.切斷器從動鏈輪 10.切斷器 11.鏈條 12.地輪主動鏈輪 13.浮動獨(dú)輪式播種地輪組件 14.鏈條 15.切斷器主動鏈輪 16.地輪從動鏈輪 17.鏈條圖6 地輪驅(qū)動系統(tǒng)Fig.6 Ground wheel drive system

2.3 總結(jié)

國內(nèi)外木薯種植機(jī)械研究集中在實(shí)時切種式種植機(jī)整機(jī)設(shè)計和性能優(yōu)化方面，均采用人工輔助喂種及粗放式直接排種方式。人工長時間重復(fù)勞動導(dǎo)致體力和效率下降跟不上整機(jī)節(jié)奏及直接排種不穩(wěn)定是造成排種不均勻的主要原因，實(shí)時切種直接排種方式不能達(dá)到種植技術(shù)要求，限制其推廣應(yīng)用。因此，應(yīng)改變種植機(jī)排種方式，采用預(yù)先切種自動排種式，將預(yù)先切好的種莖放入種箱，通過供種、調(diào)姿、控種和排種等機(jī)構(gòu)對種莖進(jìn)行分離、調(diào)姿、排序和種量控制，自動實(shí)現(xiàn)連續(xù)、精確、可控地排種，才能根本改善機(jī)械種植質(zhì)量，提高均勻性。種莖完全依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動實(shí)現(xiàn)自動有序排種，需要對木薯種莖的材料力學(xué)特性、運(yùn)動特性和碰撞特性等基本性質(zhì)展開研究。

3 木薯收獲機(jī)械化研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)40年代開始根莖類作物收獲機(jī)械研究，美國、日本、法國和意大利等發(fā)達(dá)國家均研制出不同功能的收獲機(jī)械?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)對淺根莖作物(如蘿卜、甜菜、馬鈴薯等)的機(jī)械化收獲。意大利的DSC-120型和日本久保田公司生產(chǎn)的DCL-130型馬鈴薯挖掘機(jī)。美國Courtesy of Lilli ston Mfg.Co.生產(chǎn)的LP-2型花生收獲機(jī)和荷蘭Michigan生產(chǎn)的PH-2型花生收獲機(jī)，2002年美國Kelley Manufacturing公司在KMC3376型和KMC3374型的基礎(chǔ)上研制出的新型花生聯(lián)合收獲機(jī)，是目前花生兩段收獲方式下的較先進(jìn)的聯(lián)合收獲機(jī)械，這些機(jī)型技術(shù)先進(jìn)、工作可靠性高，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜[12-13]。美國、加拿大、日本等國學(xué)者早期對振動耕作部件的耕作阻力進(jìn)行了系統(tǒng)研究，指出采用合適振動頻率、振幅及振動方向角可減少牽引阻力10%～30%[14-15]。關(guān)于木薯機(jī)械化收獲，歐美等國家種植較少，沒有對木薯收獲機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)研究，因而少有報道。木薯生產(chǎn)機(jī)械化程度較高的是巴西，針對木薯收獲機(jī)械，根據(jù)挖掘原理可分為挖掘式、拔式、挖拔結(jié)合式和挖掘-升運(yùn)鏈抖動分離式等。挖掘式木薯收獲機(jī)械代表機(jī)型有巴西Planti center公司生產(chǎn)的P-900型雙行木薯塊根收獲機(jī)(圖7)和IKEDA公司生產(chǎn)的SMDP 2 LM型木薯塊根收獲機(jī)(圖8)；挖掘-升運(yùn)鏈抖動分離式的代表機(jī)型有巴西HENNIPMAN公司生產(chǎn)的WH15-2L型木薯塊根收獲機(jī)(圖9)[16]。木薯聯(lián)合收獲機(jī)在國外有一定的研究，并得到應(yīng)用，代表機(jī)型有巴西MIAC公司生產(chǎn)的Maniva 2LR型木薯聯(lián)合收獲機(jī)，工作時夾持鏈直接拔起雙行木薯，設(shè)有薯莖自動分離裝置，可在夾持輸送過程中自動分切木薯，木薯塊根通過傳送帶輸送至機(jī)器后方裝袋，如圖10所示[17]。

圖7 P-900型雙行木薯塊根收獲機(jī)Fig.7 P-900 double row cassava root tuber harvester

圖8 IKEDA公司生產(chǎn)的SMDP 2 LM型木薯塊根收獲機(jī)Fig.8 SMDP 2 LM cassava root tuber harvester produced by IKEDA company

圖9 WH15-2L型木薯收獲機(jī)Fig.9 WH15-2L cassava harvester

圖10 Maniva 2LR型木薯聯(lián)合收獲機(jī)Fig.10 Maniva 2LR cassava combine harvester

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國木薯種植地塊較散亂，機(jī)具多采用3點(diǎn)懸掛式作業(yè)，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜。當(dāng)機(jī)具在土壤黏重、雜草多或斷稈覆蓋率高的地塊作業(yè)時，易產(chǎn)生雜草及斷稈纏繞或壅堵、阻力大、挖深不夠和收獲損傷大等問題，國外成熟機(jī)型多無法適用于我國木薯的實(shí)際種植情況[18]。從20世紀(jì)60年代開始，我國引進(jìn)國外根莖類挖掘機(jī)械，主要用于花生、薯類等淺根莖作物收獲。隨后開展了根莖類作物收獲機(jī)械的研究，趙運(yùn)生等[19]對馬鈴薯挖掘機(jī)的升運(yùn)鏈與擺動篩組合式機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，設(shè)計組合式挖掘鏟與鉤桿式升運(yùn)隨動抖動器，效果良好。馬寧等[20]對擺動式花生收獲裝置的原理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過建模與優(yōu)化得到了結(jié)構(gòu)與運(yùn)動參數(shù)的最優(yōu)組合。屈哲等[21]對馬鈴薯收獲機(jī)擺動篩與塊莖運(yùn)動仿真進(jìn)行分析，給出不同的擺動篩、擺動頻率、擺幅的輸送效果。針對木薯收獲，挖掘式收獲機(jī)是使用挖掘鏟破壞薯塊與土壤的連接，然后由人工進(jìn)行撿拾、分切和裝袋等作業(yè)。該類機(jī)型結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，機(jī)器適應(yīng)性好，在我國使用較為廣泛。其中，代表機(jī)型為中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研制的4UMS-390Ⅱ/4UMS-900/4UMS-1800型木薯收獲機(jī)[22]。

從20世紀(jì)80年代開始深根莖作物挖掘機(jī)械的研究，先后開發(fā)出適用于根莖收獲的機(jī)型[23]。黑龍江省水利科學(xué)研究院研制的4WZ-140型根莖收獲機(jī)，包括可產(chǎn)生振動的主機(jī)體和切割鏟，作業(yè)時主機(jī)體產(chǎn)生的振動力可使?fàn)恳枇档?0%以上[24]。吉林省白城市農(nóng)機(jī)研究院研制了4GKJ-11型根塊莖收獲機(jī)[25]。山西省長治市農(nóng)機(jī)試驗(yàn)站研制了4SD-280型振動式根莖收獲機(jī)[26]。遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的深根作物根莖挖掘機(jī)，挖掘鏟邊走邊振動，把作物根周圍土壤振動松散并托起，使扎根較深的植物根輕松而不受損傷地完整拔出[27]。陳學(xué)深等[28]進(jìn)行深根中藥材聯(lián)合收獲機(jī)研究，采用雙重振動挖掘機(jī)構(gòu)、柔性雙棘輥與柵條鏈輸送系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)彈性網(wǎng)、仿生柔性打擊錘和振動篩分離機(jī)構(gòu)等，使工作阻力明顯降低，輸送效果有效改善、分離損失明顯降低。國內(nèi)有多個企業(yè)生產(chǎn)挖掘-升運(yùn)鏈?zhǔn)侥臼硎斋@機(jī)，該機(jī)型主要由機(jī)架、挖掘部件和桿鏈?zhǔn)酵潦矸蛛x部件構(gòu)成，有升運(yùn)鏈振動式和升運(yùn)鏈不振動式兩種機(jī)型，振動升運(yùn)鏈?zhǔn)綑C(jī)型分離效果更好[29]。該類機(jī)型有河南坤達(dá)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的4U-160型木薯收獲機(jī)，廣西水力機(jī)械所研制的LW-602型雙行木薯收獲機(jī)(圖11)[30-31]。但由于我國木薯種植地塊小，地形崎嶇，大型聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)困難，目前國內(nèi)沒有木薯聯(lián)合收獲機(jī)型得到應(yīng)用。

圖11 LW-602型雙行木薯收獲機(jī)Fig.11 LW-602 double row cassava harvester

3.3 總結(jié)

目前國內(nèi)外有多家單位開展根莖類作物收獲技術(shù)與裝備的研究，并在大田作物，如蘿卜、馬鈴薯、花生等淺根莖類作物的收獲機(jī)械化取得進(jìn)展。但木薯作物形狀、性質(zhì)、抗拉扭強(qiáng)度差異較大，因此挖掘和分離的難度大，要根據(jù)其生長習(xí)性采用合適的挖掘與分離方式。現(xiàn)有的木薯挖掘收獲機(jī)械存在的主要問題：挖掘阻力大、功耗高；輸送與根土分離過程木薯損傷率高，分離效果差；大多數(shù)機(jī)具功能單一，主要由人工撿拾，生產(chǎn)率低；主要的工作部件都是由傳統(tǒng)的農(nóng)具改裝而來，缺少系統(tǒng)的工作原理、關(guān)鍵部件理論與試驗(yàn)研究[32-36]。

4 展望

目前木薯機(jī)械化種植、收獲機(jī)仍屬于研發(fā)示范階段，在種收機(jī)械化技術(shù)方面還面臨著許多問題，還需要在關(guān)鍵技術(shù)上作進(jìn)一步研究。

(1)因地制宜確立不同地區(qū)最佳木薯收獲方式和技術(shù)路線，有針對性地進(jìn)行木薯收獲機(jī)技術(shù)研發(fā)和推廣。農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合建立規(guī)范化區(qū)域木薯種植技術(shù)體系，加強(qiáng)種植標(biāo)準(zhǔn)化推廣和規(guī)?；N植，采用現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，優(yōu)化并形成區(qū)域規(guī)范的木薯生產(chǎn)技術(shù)體系，農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)相互適應(yīng)，相互融合，促進(jìn)木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展[37-38]。

(2)在種植機(jī)械化方面，重點(diǎn)針對自動排種關(guān)鍵部件進(jìn)行機(jī)理研究與機(jī)構(gòu)創(chuàng)新，采用預(yù)先切種式自動排種的技術(shù)方案，創(chuàng)新設(shè)計供種機(jī)構(gòu)、種莖姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)、種量控制機(jī)構(gòu)和排種機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，確定優(yōu)化的排種方式、作用機(jī)理和結(jié)構(gòu)形式，在排種關(guān)鍵部件作用下自動、連續(xù)完成對預(yù)先切段木薯種莖的均勻、精量和固定姿態(tài)的排種目標(biāo)，提高木薯種植效率、排種均勻性和精確性，取代人工輔助喂種，降低勞動強(qiáng)度。進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)是發(fā)展木薯種莖在機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動限制下的流動特性、運(yùn)動規(guī)律、接觸碰撞力學(xué)關(guān)系和碰撞破壞理論與分析方法；提出對木薯種莖進(jìn)行運(yùn)動軌跡干預(yù)、姿態(tài)調(diào)整、順序排列和數(shù)量控制的機(jī)理分析方法與結(jié)構(gòu)設(shè)計理論。

(3)在收獲裝備研究方面，圍繞現(xiàn)有收獲機(jī)存在斷薯現(xiàn)象嚴(yán)重、漏收率高、在黏重、干硬土壤入土困難和分離效果差等問題開展工作，采用機(jī)構(gòu)學(xué)、散粒體力學(xué)、多剛體力學(xué)和試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計等理論方法展開研究工作，結(jié)合離散元法及先進(jìn)的計算機(jī)軟件等現(xiàn)代分析與試驗(yàn)測試手段，研究木薯收獲裝備振動挖掘、柔性輸送和旋轉(zhuǎn)分離的工作過程，揭示挖掘、輸送和分離的規(guī)律，提出高效收獲機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法，最終實(shí)現(xiàn)木薯機(jī)械化高效收獲作業(yè)[39]。