蓮藕收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李維華，焦偉，李永武，岳吉祥，王寧，楊化偉

（1.250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院；2.250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院；3.257061 山東省 東營市 山東石油化工學(xué)院；4.266033 山東省 青島市 青島理工大學(xué)；5.250300 山東省 濟(jì)南市 山東交通學(xué)院）

0 引言

蓮藕是我國種植面積和產(chǎn)量最大的水生蔬菜品種，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和營養(yǎng)價(jià)值[1-2]。蓮藕種植環(huán)境和生長條件的特殊性，造成蓮藕收獲環(huán)境惡劣，以人工采收為主，從而增加了蓮藕的生產(chǎn)成本，降低了經(jīng)濟(jì)效益，導(dǎo)致農(nóng)民種植蓮藕意愿越來越低[3-4]。為了推進(jìn)蓮藕產(chǎn)業(yè)的高效規(guī)?；l(fā)展，國內(nèi)外對(duì)蓮藕收獲機(jī)械進(jìn)行了大量的研究，本文對(duì)其進(jìn)行了歸納總結(jié)，闡述了蓮藕收獲的工作原理、功能特點(diǎn)，并提出了我國蓮藕收獲機(jī)械的發(fā)展方向。

1 工作原理

現(xiàn)有蓮藕收獲機(jī)主要是依靠水射流對(duì)蓮藕所在的泥塘進(jìn)行沖刷，蓮藕失去泥土控制后浮出水面。典型的蓮藕收獲機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)及行走系統(tǒng)、水射流系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。如圖1 所示。

圖1 蓮藕收獲機(jī)工作原理圖（以液壓自走式蓮藕收獲機(jī)為例）Fig.1 Working principle diagram of lotus root harvester (taking hydraulic self-propelled lotus root harvester as an example)

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)

一般采用的動(dòng)力包括船用柴油機(jī)或者大功率電機(jī)。根據(jù)實(shí)際情況選用其中的一種或者混合使用。

1.2 傳動(dòng)及行走系統(tǒng)

動(dòng)力傳遞給底盤及行走系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)具的行走、轉(zhuǎn)彎等；動(dòng)力傳遞給水泵，為低壓水射流系統(tǒng)提供動(dòng)力；動(dòng)力傳遞給吸水裝置，為水泵提供足量的水，是工作裝置順利運(yùn)行的保障。

1.3 射流系統(tǒng)

射流系統(tǒng)是收獲機(jī)的工作部件，是整個(gè)機(jī)具的核心。根據(jù)蓮藕的特點(diǎn)，一般選用0.3～0.7 MPa 低壓水射流系統(tǒng)；同時(shí)，水射流系統(tǒng)一般具有擺動(dòng)功能，能更好實(shí)現(xiàn)蓮藕收獲的功能。

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)一般包括液壓控制系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)，為蓮藕采收服務(wù)。

2 研究現(xiàn)狀

蓮藕原產(chǎn)于印度及亞洲南部，除中國外，日本、俄羅斯、印度、斯里蘭卡、印度尼西亞、澳大利亞等國均有種植[5-6]。歐美國家對(duì)蓮藕的認(rèn)知度和認(rèn)可度不高，沒有相關(guān)的設(shè)備資料。對(duì)采/挖藕機(jī)需求量大的主要集中在亞洲，特別是東南亞地區(qū)。截至目前，國外只有日本研究了挖藕船，研制出牽引式Ⅰ型、寬幅Ⅱ型和水泵定置式型，其中Ⅰ型和Ⅱ型的作業(yè)效率為0.020～0.027 hm2/h，Ⅲ型作業(yè)效率為0.017 hm2/h，作業(yè)效率較低，并且需要較多的人力勞動(dòng)加以輔助[7-8]。

經(jīng)過30 多年的不斷探索，國內(nèi)的蓮藕收獲機(jī)研究取得了長足發(fā)展，但整體技術(shù)水平仍不高，大多數(shù)尚未完全實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，人工勞動(dòng)強(qiáng)度較大，作業(yè)效率不高，應(yīng)用范圍較小[9]。目前國內(nèi)蓮藕采收機(jī)主要有以下幾類：

2.1 自走式水壓蓮藕掘取機(jī)

2001 年南通江華機(jī)械有限公司研制的4OZ-3型自走式水壓蓮藕掘取機(jī)[10]，如圖2 所示，由田間自走式水力作業(yè)機(jī)和岸邊水泵機(jī)組2 部分組成，其間由供水軟管連結(jié)，行走輪采用密封結(jié)構(gòu)，保證作業(yè)機(jī)的低接地壓力，以適應(yīng)淤泥土壤。

圖2 4oz-3 型自走式水壓蓮藕掘取機(jī)Fig.2 4oz-3 self-propelled hydraulic lotus root excavator

水泵機(jī)組從藕田取得循環(huán)水供作業(yè)機(jī)主輔噴管噴射作用（主噴嘴規(guī)格有φ30、φ25、φ20）。噴桿在液壓電器控制下左右自行擺動(dòng)，擺幅在3 m 內(nèi)任意調(diào)節(jié)，也可手動(dòng)控制噴桿狀態(tài)控制開關(guān)，控制噴桿停留在任意位置、任意高度。當(dāng)噴桿擺動(dòng)到左右極限位置后，自動(dòng)控制作業(yè)機(jī)按作業(yè)行進(jìn)方向步進(jìn)一段距離，噴桿的擺動(dòng)速度及作業(yè)機(jī)的步進(jìn)距離可以任意調(diào)節(jié)。通過各參數(shù)的調(diào)節(jié)，可獲得滿意的組合，適應(yīng)不同蓮藕品種、不同土壤條件及不同生長狀況等。

2.2 船式挖藕機(jī)

2009 年公開的4CW-2.6 型船式挖藕機(jī)[11]由動(dòng)力機(jī)械、高壓水泵、噴射裝置、挖藕支架、行走控制系統(tǒng)、液壓操作機(jī)構(gòu)和船身等組成。工作時(shí)，船體懸浮或半懸浮于水中，在船內(nèi)完成吸水、加壓噴射、挖深控制、行走等全部工序。具體工作原理：利用機(jī)械動(dòng)力使挖藕支架底部減速機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鏟泥板鏟除蓮藕上方的泥土，同時(shí)利用高壓水槍產(chǎn)生的水柱沖擊力破泥、沖刷藕體，使藕浮上水面。作業(yè)時(shí)需要3 人作業(yè)，1 人水下控速導(dǎo)向，2 人水下輔采。該裝置可有效降低采藕作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率，采用高壓水柱與鏟泥板組合采挖技術(shù)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。但該挖藕機(jī)存在的主要問題有：（1）機(jī)械化程度有待提升；（2）制造工藝水平較低，加工精度不高，外觀設(shè)計(jì)不美觀，整體造型粗糙；（3）沒有安裝燈光設(shè)備，夜間無法進(jìn)行采挖作業(yè)。

2.3 船式自動(dòng)挖藕機(jī)

2008 年華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的4CWO-3.2 型船式挖藕機(jī)[12]由船體和安裝在船體上的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、水力裝置、傳動(dòng)裝置、挖掘裝置、行走裝置以及操縱裝置等組成（圖3）。具體工作原理：入水前，將行走導(dǎo)向輪卸除。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)分動(dòng)箱一部分傳遞給水泵，另一部分經(jīng)錐齒輪箱傳遞給變速箱。水泵從田間或池塘中吸水并泵出至噴嘴，噴嘴深入水下貼近淤泥表面，往復(fù)移動(dòng)，對(duì)泥土進(jìn)行切割、粉碎、推移，從而使凈藕挖出并浮出水面。變速箱將動(dòng)力傳遞給行走葉輪和雙螺旋器，行走葉輪回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)船體在水面上轉(zhuǎn)移；雙螺旋器回轉(zhuǎn)，通過滑道和滑桿帶動(dòng)吊桿下端的噴嘴做往復(fù)移動(dòng)。為提高工作效率，噴嘴在水下位置、移動(dòng)頻率和角度均可調(diào)整。該種機(jī)型采用的“螺旋傳動(dòng)”系統(tǒng)，采用對(duì)稱布置的雙組雙向螺旋傳動(dòng)與搖桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的雙組噴嘴，有效地實(shí)現(xiàn)了兩組噴嘴的互逆往復(fù)運(yùn)動(dòng)，保證了工作部件的運(yùn)動(dòng)精度，大大簡(jiǎn)化了相關(guān)結(jié)構(gòu)，提高了采挖工作部件的可靠性和平穩(wěn)性；此外采用的“葉輪驅(qū)動(dòng)”方式，能有效地參與作業(yè)速度的調(diào)整和提高水上作業(yè)的機(jī)動(dòng)性。

圖3 船式自動(dòng)挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagram of boat-type automatic lotus digging machine

2.4 浮桶鴨嘴式挖藕機(jī)

2010 年武漢興盛農(nóng)機(jī)公司開發(fā)的W-FPZ-1200C 型浮桶鴨嘴式挖藕機(jī)[13]（圖4）主要包括底盤架、動(dòng)力水泵室、泵機(jī)固定架、進(jìn)水管、高壓管、高壓噴嘴。挖藕機(jī)左右設(shè)置有密封浮桶，在浮桶之間設(shè)有工作倉，在工作倉外側(cè)與左右密封浮桶之間均焊接有底部、前后及頂面過濾網(wǎng)；底盤架與左右密封浮桶、工作倉、泵機(jī)固定架、操作架抬杠焊接為一個(gè)整體。該機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）全不銹鋼全封閉式，經(jīng)久耐用，包括4.75 kW（6.5 HP）泵機(jī)在內(nèi)總質(zhì)量53 kg。作業(yè)時(shí)具有自行功能，操作輕便靈活；（2）體積小，可以裝進(jìn)內(nèi)室寬度1.1 m的微型面包車，亦可一人推行，兩人抬起即可方便地越溝過坎下田上路；（3）設(shè)置多個(gè)噴嘴，適用于不同深度的挖藕要求。

圖4 W-FPZ-1200C 型浮桶鴨嘴式挖藕機(jī)Fig.4 W-FPZ-1200C floating bucket duckbill lotus root digger

2.5 自旋射流式挖藕機(jī)

2018 年華中農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的射流式挖藕機(jī)[7,14]（圖5）由4 kW 汽油機(jī)水泵驅(qū)動(dòng)，水泵規(guī)定點(diǎn)流量為35 m3/h，揚(yáng)程為17.3 m。機(jī)器底部旋轉(zhuǎn)管路兩端裝有出水噴嘴，噴嘴中心距離為1 000 mm，即噴嘴旋轉(zhuǎn)圓周直徑為1 000 mm。田間作業(yè)時(shí)，高壓水流從噴嘴噴出，沖擊泥土，旋轉(zhuǎn)管路受到反作用力繞機(jī)器中心軸線旋轉(zhuǎn)，機(jī)器前進(jìn)時(shí)，噴嘴運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋運(yùn)動(dòng)。工作過程中，從噴嘴噴射出高壓射流，覆蓋蓮藕上方的泥土受到射流沖擊破碎后被水流帶走，直至蓮藕完全裸露在水底，受自身浮力作用浮出水面，由人工打撈，完成蓮藕采挖作業(yè)。

圖5 射流式挖藕機(jī)Fig.5 Jet type lotus root digging machine

3 總結(jié)與發(fā)展展望

通過對(duì)蓮藕收獲機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的介紹和分析，可以發(fā)現(xiàn)手扶式（浮筒式）、自旋射流式等小型采收機(jī)雖然結(jié)構(gòu)小巧，行走方便，但需要大量人工作業(yè)，在冬天作業(yè)極不方便；船式采收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)器笨重、作業(yè)效率低、不適合冬季無水環(huán)境作業(yè)。因影響采收效果因素眾多，制約瓶頸沒有得到較好的解決，蓮藕收獲機(jī)所用的水泵、噴嘴等尚未標(biāo)準(zhǔn)化，目前的研究機(jī)型仍然處于半機(jī)械化的狀態(tài)。隨著蓮藕種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大、農(nóng)村勞動(dòng)力資源短缺和用工成本的快速提高，研究開發(fā)適于家庭農(nóng)場(chǎng)、專業(yè)合作社和大型種植戶等經(jīng)營主體的規(guī)?；N植的蓮藕高效智能采收裝備的需求日益迫切。建議下一步研發(fā)重點(diǎn)方向：

（1）蓮藕收獲機(jī)應(yīng)具備自行走裝置，可進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、調(diào)頭等作業(yè)。

機(jī)具前方應(yīng)具有藕稈切割裝置以減小行走阻力，切割裝置根據(jù)工作參數(shù)和蓮藕莖稈力學(xué)特性選擇合適的切割力度和切割功率；設(shè)備質(zhì)量與履帶面積應(yīng)依據(jù)蓮藕表面抗壓特性合理設(shè)計(jì)，不應(yīng)在行走過程中因壓力損傷蓮藕。

（2）沖水射流系統(tǒng)應(yīng)具有上下高度自動(dòng)調(diào)節(jié)和前后左右擺動(dòng)的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)淤泥的充分沖刷，從而使干凈的蓮藕自身浮力的作用下浮出水面。蓮藕收獲機(jī)后方帶有蓮藕收集裝置，實(shí)現(xiàn)無人下水收獲蓮藕的目的，為防止藕葉莖毛刺劃傷蓮藕影響銷售，研究具有圖像識(shí)別技術(shù)的收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓取，同時(shí)剪短連接藕莖。

（3）設(shè)計(jì)采用自主導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和無人駕駛作業(yè)，避免蓮藕采收時(shí)的重采和漏采，同時(shí)可計(jì)算采收面積，實(shí)現(xiàn)蓮藕采收的精準(zhǔn)化和智能化。整機(jī)采用液電聯(lián)控，通過對(duì)柴油機(jī)啟停、行走機(jī)構(gòu)和射流動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)控制改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)遙控；將射頻識(shí)別技術(shù)、WSN 技術(shù)和北斗導(dǎo)航技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑規(guī)劃和避障規(guī)劃。開發(fā)三維聲波立體成像系統(tǒng)，自動(dòng)識(shí)別挖藕機(jī)前方170°扇角內(nèi)的成藕分布，控制作業(yè)速度，提升作業(yè)效率和采藕凈率。

4 結(jié)語

蓮藕收獲技術(shù)對(duì)蓮藕產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，目前漂浮式和自走式挖藕機(jī)普遍存在操作復(fù)雜、工作不穩(wěn)定和采收效果不理想等問題，尚無定型理想機(jī)型可實(shí)際應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，蓮藕收獲機(jī)械必將朝著智能化、高效化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。