馬鈴薯收獲機(jī)及其關(guān)鍵部件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

任鑠奇，孫步功，孟養(yǎng)榮，鄭小寶

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

馬鈴薯作為外來引進(jìn)產(chǎn)物，原產(chǎn)地為南美洲，后流傳至歐洲，在17世紀(jì)時(shí)荷蘭人把馬鈴薯引入中國。馬鈴薯既可以當(dāng)作主食，又可當(dāng)作菜品進(jìn)行食用，同時(shí)也是重要的工業(yè)原料作物[1]。如今全球超過160個(gè)國家引入馬鈴薯進(jìn)行種植，三分之二的人口將馬鈴薯作為主要糧食作物，因此馬鈴薯也成為了世界第四大食物之一，在實(shí)現(xiàn)全球無饑餓、可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用[2]。隨著機(jī)械化生產(chǎn)得到普及，原有生產(chǎn)方式的弊端得到解決，勞動(dòng)強(qiáng)度水平降低，為其集約化發(fā)展提供了可能[3]。馬鈴薯機(jī)械化種植、收獲普及趨勢(shì)現(xiàn)已基本明朗，以其種植、生產(chǎn)技術(shù)為依據(jù)，馬鈴薯機(jī)械主要包括播種機(jī)械類型、收獲機(jī)械類型以及中耕機(jī)械類型[4]。而馬鈴薯生產(chǎn)的核心設(shè)備為收獲機(jī)械，在開展馬鈴薯機(jī)械化種植時(shí)發(fā)揮著最重要的作用[5]。

在馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械領(lǐng)域，我國一直高度重視對(duì)其進(jìn)行研發(fā)研究。從整體來看，如今國內(nèi)馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械已經(jīng)從之前的低水平轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚健Ｔ凇笆濉币?guī)劃落實(shí)過程中，我國在馬鈴薯種植領(lǐng)域引入自動(dòng)化技術(shù)與智能化技術(shù)，有效改善了播種能力，最大限度地減少植物損傷，同時(shí)在基礎(chǔ)理論領(lǐng)域與機(jī)械研發(fā)領(lǐng)域也做出了突破。2019年，我國對(duì)收獲機(jī)械進(jìn)行改良，使得可以通過柔性輸送的形式對(duì)馬鈴薯進(jìn)行分選，提升了馬鈴薯收獲效率[6]。本文把馬鈴薯收獲機(jī)作為主要研究對(duì)象，闡述國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的發(fā)展情況，并針對(duì)其中的主要部件挖掘鏟展開了深入研究，并針對(duì)現(xiàn)有問題對(duì)未來馬鈴薯收獲機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 馬鈴薯收獲機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外馬鈴薯收獲機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

國外對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)開始進(jìn)行研發(fā)的時(shí)間較早，如今已經(jīng)形成了成熟的研發(fā)體系。例如國外研發(fā)的聯(lián)合收獲機(jī)只需要一次作業(yè)便能夠完成所有環(huán)節(jié)。聯(lián)合收獲機(jī)有著高度智能化水平，依靠配套系統(tǒng)駕駛員能夠隨時(shí)掌握收獲情況，同時(shí)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。下面將針對(duì)幾種國外馬鈴薯收獲機(jī)機(jī)型進(jìn)行介紹。

由德國格立莫公司生產(chǎn)的VARITRON 270自走式馬鈴薯收獲機(jī)，配備了2行橡膠履帶行走裝置，具有7噸不間斷運(yùn)行料斗，使用循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的料斗輸送帶確保有效容積始終都能得到利用，并且有多種外掛單元可以使用。為保證行駛的安全性、穩(wěn)定性，該機(jī)器又在右后輪設(shè)置了可伸縮的后軸，該后軸的最大伸出長度達(dá)到550 mm。

另一種GRIMME(格立莫)VARITRON 470自走履帶式馬鈴薯收獲機(jī)，為保證可靠性和高效率，將機(jī)型與多種分離單元相結(jié)合，例如多功能分離機(jī)，輥式分離機(jī)，細(xì)秧提升機(jī)。采用了橡膠履帶，在保護(hù)土壤的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了可靠的動(dòng)力傳輸。在后方的環(huán)形提升帶中加裝了可以用于輔助清潔的PU漏土網(wǎng)兜。

比利時(shí)AVR公司研發(fā)生產(chǎn)的AVR-PUMA3型自走式馬鈴薯四行收獲機(jī)，針對(duì)其機(jī)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了最新的改進(jìn)。在保證了機(jī)型較低維護(hù)度的同時(shí)保證了生產(chǎn)的高效、降低了收獲過程中馬鈴薯的破損率。[7]為簡化收獲過程，提高收獲效率，該機(jī)型在前端加裝了殺秧裝置，使得工作時(shí)殺秧收獲一體化。由細(xì)針帶和軸向滾輪組構(gòu)成的清洗模塊，可以在收獲過程中實(shí)現(xiàn)一定程度上的土薯分離，在結(jié)構(gòu)上也針對(duì)清洗設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)裝置，通過調(diào)節(jié)裝置，用戶可以根據(jù)收獲條件的不同進(jìn)行清洗級(jí)別的調(diào)整。升運(yùn)裝置采用了由桿式提升機(jī)和主動(dòng)側(cè)指式提升機(jī)結(jié)合而成的環(huán)式提升機(jī)，大大減少了在升運(yùn)過程中馬鈴薯的損傷[8]。

雖然國外馬鈴薯機(jī)型有著很多優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)閮r(jià)格昂貴，運(yùn)輸時(shí)間較長以及缺乏售后服務(wù)，導(dǎo)致國內(nèi)使用這些設(shè)備的情況很少，在國內(nèi)市場(chǎng)份額中占比不到10%。目前，我國在馬鈴薯收獲機(jī)械研發(fā)領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)展，同時(shí)國產(chǎn)品牌在性價(jià)比與售后服務(wù)方面占有優(yōu)勢(shì)，使得進(jìn)口收獲機(jī)在市場(chǎng)中所占的比例持續(xù)下降[9]。

1.2 國內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

針對(duì)國內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)的使用情況和發(fā)展情況來看，雖已從最初的簡易挖掘機(jī)發(fā)展到具有挖掘、輸送等一系列功能的聯(lián)合收獲機(jī)。但是由于收獲作區(qū)的多變性，目前還是以中小型挖掘機(jī)為主，大型收獲機(jī)為輔的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。一些平原大規(guī)模種植的用戶及農(nóng)場(chǎng)，引進(jìn)了一部分國外的大型聯(lián)合收獲使用，其意在于提高生產(chǎn)效率[10]。

作為我國自主研發(fā)設(shè)計(jì)的典型機(jī)型的代表，青島洪珠公司的4U-170B型馬鈴薯收獲機(jī)，動(dòng)力消耗少，挖掘深度穩(wěn)定，可以將壟床土表的硬物壓碎。使用范圍因S型篩選設(shè)備而有明顯拓展，具有防傷皮功能，可以對(duì)沙性土層與黏性土層進(jìn)行收獲，只有最高2%破皮率[11]。高硬度合金鏈條的設(shè)計(jì)使用，讓其具備了耐磨、強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)勢(shì)?；诘聡萍荚O(shè)計(jì)而成的被動(dòng)輪，具有迷宮式3層夾板保護(hù)機(jī)制。全懸掛雙升運(yùn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)讓這種馬鈴薯收獲機(jī)單次進(jìn)地即能將放鋪集條、分離升運(yùn)、切秧、挖掘、仿形限深作業(yè)全部完成，砂壤土、黑鈣土、粘重土壤等土壤最高含水量為25%的地區(qū)更適合選擇運(yùn)用該機(jī)型[12-13]。

2 馬鈴薯收獲機(jī)挖掘零部件研究現(xiàn)狀

傷薯率、破皮率和明薯率是衡量馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)效果的關(guān)鍵指標(biāo)。在馬鈴薯收獲機(jī)工作過程中，挖掘、輸送分離、卸料和收集等步驟會(huì)產(chǎn)生馬鈴薯碰撞、摩擦和擠壓而產(chǎn)生破皮和損傷，影響馬鈴薯收獲質(zhì)量[14]。高新技術(shù)的應(yīng)用提高了馬鈴薯收獲質(zhì)量，也更適合各種收獲作業(yè)環(huán)境。

2.1 馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟的主要類型

挖掘機(jī)收獲效率與收獲質(zhì)量直接取決于挖掘鏟，因此其屬于挖掘機(jī)核心部件[15]，故分析馬鈴薯挖掘機(jī)的核心部位挖掘鏟，會(huì)實(shí)質(zhì)性地影響到挖掘機(jī)綜合性能分析，而對(duì)挖掘鏟的要求是，在盡可能少掘泥土的同時(shí)挖掘馬鈴薯塊。目前根據(jù)結(jié)構(gòu)特征可以把挖掘鏟分成：固定式挖掘鏟、驅(qū)動(dòng)式挖掘鏟以及組合式挖掘鏟[16]。若按照挖掘鏟的鏟形進(jìn)行分類，可分為傳統(tǒng)挖掘鏟和仿生挖掘鏟兩種。

2.1.1 固定式挖掘鏟

曲面鏟、平面鏟是應(yīng)用頻率相對(duì)較高的兩類固定式挖掘鏟，通過直接或者間接的方式與馬鈴薯挖掘機(jī)械的機(jī)架剛性連接起來[17]。其中平面鏟一般直接固定在挖掘機(jī)橫梁上，結(jié)構(gòu)簡約的平面鏟生產(chǎn)、制造簡單方便，因此被廣泛應(yīng)用。三角鏟的優(yōu)勢(shì)在于其鏟刃可以自動(dòng)清潔和入土，現(xiàn)也在廣泛使用。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)式挖掘鏟

驅(qū)動(dòng)式挖掘鏟與固定式挖掘鏟最大的區(qū)別是在作業(yè)環(huán)節(jié)，此類挖掘鏟既會(huì)伴隨機(jī)器同步移動(dòng)，也會(huì)進(jìn)行往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(受自由驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng))。主要的運(yùn)動(dòng)方式分為兩種，第一種是具有兩個(gè)相向運(yùn)動(dòng)的圓盤即轉(zhuǎn)盤式，其最大的優(yōu)點(diǎn)是在挖掘過程中碎土能力強(qiáng)，但同時(shí)也比較容易纏草。第二種是振動(dòng)式挖掘鏟，此種挖掘鏟在轉(zhuǎn)盤式的基礎(chǔ)上降低了分離器的速度，延長了傳動(dòng)鏈的壽命，不足之處是其總功率無法減少。

2.1.3 組合式挖掘鏟

組合式挖掘鏟從名字可以看出是將多種挖掘鏟根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行組合配置。常見有固定式挖掘鏟和振動(dòng)式挖掘鏟的組合，另一種就是球面圓盤和桿條回轉(zhuǎn)輪進(jìn)行組合，這種組合在工作時(shí)能夠首先篩出一部分的土壤，同時(shí)莖葉等會(huì)被圓錐拖拽到輸送器上[18]。

2.2 國外挖掘鏟的創(chuàng)新發(fā)展研究現(xiàn)狀

2.2.1 國外挖掘鏟鏟形設(shè)計(jì)

為了改進(jìn)馬鈴薯收獲機(jī)在工作中馬鈴薯塊莖的分離問題，烏克蘭文尼察國立農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)的挖掘部件進(jìn)行了改進(jìn)。在這一改進(jìn)設(shè)計(jì)中，其針對(duì)與挖掘鏟的鏟形進(jìn)行了設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的新型挖掘部件如圖1所示。

挖掘過程的工藝方案包括馬鈴薯的土體1，其兩側(cè)有兩個(gè)垂直的齒形齒輪2，帶有土壤壓實(shí)機(jī)3，圓盤具有一系列開口4，其中心同心地位于齒盤的旋轉(zhuǎn)軸上[19]。

2.2.2 國外的自動(dòng)控制限深技術(shù)

德國Grimme 公司生產(chǎn)的 GT170 型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，裝備由仿形輪、位移傳感器、液壓系統(tǒng)和控制器等組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有精準(zhǔn)度和自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。[20-21]

2.3 國內(nèi)挖掘鏟的創(chuàng)新發(fā)展研究現(xiàn)狀

相對(duì)于傳統(tǒng)的馬鈴薯挖掘鏟，在后續(xù)的挖掘鏟設(shè)計(jì)研究中，出現(xiàn)了利用逆向工程技術(shù)獲取生物結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行構(gòu)形仿生，以此對(duì)挖掘鏟的類型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)挖掘效果的目標(biāo)[22]。

2.3.1 挖掘鏟仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

挖掘鏟在結(jié)構(gòu)形式與運(yùn)動(dòng)模式方面的差異，直接影響了生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)質(zhì)量，故該結(jié)構(gòu)也一直被學(xué)者們作為重點(diǎn)研究對(duì)象，不過對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，依然有著部分問題需要解決。從結(jié)構(gòu)上看現(xiàn)有的挖掘鏟鏟面以平面或下凹弧面為主，這種結(jié)構(gòu)雖可以保證挖掘起來的塊莖根系及土壤幾乎全部到達(dá)分離，但同樣也存在這無法盡早漏土，易造成壅土嚴(yán)重、能耗大等問題。

趙萍[23]等對(duì)野豬拱嘴及鼻梁部分的曲面形狀進(jìn)行了研究，針對(duì)這一形態(tài)進(jìn)行了仿生學(xué)設(shè)計(jì)，這種仿生挖掘鏟在挖掘塊莖的同時(shí)，也可以有效地向鏟片兩側(cè)分離土壤，最終實(shí)現(xiàn)減少阻力的目標(biāo)；同時(shí)，因?yàn)榉律诰蜱P的鏟面有曲率變化，使得其有更好的碎土和松土性能，降低牽引阻力。

河南科技大學(xué)的郭志軍等，對(duì)土壤耕作部件宏觀觸土曲面減阻性能進(jìn)行了研究，改變土壤耕作部件宏觀觸土曲面形態(tài)能夠達(dá)到降低阻力的目標(biāo)，同時(shí)按照田鼠爪趾的特點(diǎn)，對(duì)深松部件進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升了降阻效果[24]。

吉林大學(xué)包健倫[25]等對(duì)研究自然界中擁有自磨銳性質(zhì)的生物進(jìn)行了研究，針對(duì)家兔門齒具有自磨銳的特性，將家兔作為仿生原型，合理利用其門齒的自磨銳性質(zhì)﹐研究出具有一定自磨銳效果的仿生馬鈴薯挖掘鏟。

2.3.2 自動(dòng)控制限深技術(shù)

李濤[26-27]等針對(duì)國內(nèi)情況設(shè)計(jì)了可自動(dòng)控制深度的挖掘技術(shù)，其包含前仿形機(jī)構(gòu)、挖掘機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，運(yùn)用挖掘深度實(shí)時(shí)調(diào)整算法，建立挖掘深度調(diào)節(jié)模型，可以對(duì)挖掘深度進(jìn)行控制，減少人為失誤因素，在薯類作物收獲機(jī)械的自動(dòng)化水平發(fā)展上做出了貢獻(xiàn)。

2.4 國內(nèi)外挖掘部件對(duì)比

在馬鈴薯收獲機(jī)的挖掘部件種類上，國內(nèi)設(shè)計(jì)多為犁鏟，但是在傳統(tǒng)的造型上進(jìn)行了改進(jìn)，繼承了傳統(tǒng)平直式犁鏟結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也減少了纏草堵塞的情況。相對(duì)于國內(nèi)，國外更多地開始研究圓盤挖掘鏟，這種類型的挖掘鏟在節(jié)省牽引力的同時(shí)還可以減少馬鈴薯塊莖的損傷。在保證馬鈴薯挖掘效率的前提下，國內(nèi)外都開始了對(duì)挖掘深度控制的研究，使馬鈴薯收獲機(jī)的收獲作業(yè)效率得到了保障。[28]

3 馬鈴薯收獲機(jī)及其關(guān)鍵部件問題分析

我國在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展機(jī)械化的時(shí)間較晚，但是經(jīng)過不斷地研究，在部分領(lǐng)域已經(jīng)逐步向國際靠攏。國內(nèi)市場(chǎng)使用的馬鈴薯挖掘機(jī)主要以中小型機(jī)械為主，大多采用后輸出方式。整體式挖掘鏟增加了設(shè)備運(yùn)行阻力，難以有效適應(yīng)收獲時(shí)間、土質(zhì)和壟高；二次土薯分離機(jī)構(gòu)未能有效配置，壅土現(xiàn)象易出現(xiàn)，大大降低了收獲的明薯率。設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)落后，核心件生產(chǎn)精度低，無法精確完成核心件裝配，作業(yè)損失率大、故障率高，削弱了設(shè)備穩(wěn)定性，這導(dǎo)致農(nóng)民在收獲過程中存在較多的損失現(xiàn)象。

根據(jù)馬鈴薯收獲機(jī)的研發(fā)歷史，我認(rèn)為在未來需要依靠先進(jìn)制造業(yè)來提升機(jī)器質(zhì)量；把不同環(huán)節(jié)功能進(jìn)行結(jié)合；依靠先進(jìn)技術(shù)例如自動(dòng)控制技術(shù)、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)以及遙感技術(shù)等，提升收獲機(jī)的自動(dòng)化水平；根據(jù)不同地區(qū)的土壤情況、農(nóng)藝需求以及品種差異對(duì)機(jī)器進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)[29]。馬鈴薯收獲機(jī)經(jīng)過長時(shí)間發(fā)展之后，在馬鈴薯生產(chǎn)全程機(jī)械中開始發(fā)揮重要的作用。對(duì)生產(chǎn)效率進(jìn)行改善、控制人工成本、減少維修費(fèi)用，從而提升收獲機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益水平；提升售后服務(wù)質(zhì)量，更好地幫助用戶解決使用過程中出現(xiàn)的問題，有效提高馬鈴薯產(chǎn)量，為農(nóng)業(yè)發(fā)展打下基礎(chǔ)。

4 馬鈴薯收獲機(jī)及其關(guān)鍵部件發(fā)展展望

當(dāng)前，我國工業(yè)化進(jìn)程提速，土地流轉(zhuǎn)、城市化發(fā)展水平持續(xù)提升，工業(yè)化發(fā)展和城市建設(shè)吸納了大量鄉(xiāng)村勞動(dòng)力，減少了農(nóng)作物種植勞動(dòng)力供應(yīng)，持續(xù)增加了馬鈴薯收獲成本。從農(nóng)民收入水平提高、收獲勞動(dòng)強(qiáng)度緩解、產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力提升、馬鈴薯生產(chǎn)成本節(jié)約等角度來看，極有必要深入展開技術(shù)探索，針對(duì)于馬鈴薯生產(chǎn)地的具體情況，進(jìn)行更全面的設(shè)計(jì)，保證馬鈴薯收獲機(jī)的適用性、方便性以及智能性，以此全面促進(jìn)我國內(nèi)地馬鈴薯機(jī)械收獲能力，特別是聯(lián)合型低損馬鈴薯機(jī)械收獲能力全面提升。