中美花生撿拾技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析

許 濤，劉志俠，高連興，沈永哲

（1.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110161；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，長春 130118；4.遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展中心,沈陽 110034）

花生是世界重要油料與經(jīng)濟(jì)作物，在全球油料市場中，花生產(chǎn)量僅次于大豆、菜籽、葵花籽和棉籽排在第5位。21 世紀(jì)以來，受消費(fèi)增長的驅(qū)動，全球花生種植面積及產(chǎn)量穩(wěn)步增長。據(jù)美國農(nóng)業(yè)部（USDA）數(shù)據(jù)顯示，2001-2021 年，全球花生種植面積約由2.325×107hm2增加到3.105 4×107hm2，增長33.6%；總產(chǎn)量由3.474×107t提高到5.063×107t，創(chuàng)歷史新高，增長45.7%。數(shù)據(jù)表明，隨著全球花生供需規(guī)模不斷擴(kuò)大，花生產(chǎn)量將持續(xù)增長[1]。

中國和美國均是世界重要花生生產(chǎn)和出口大國，其中，我國2021年種植面積約4.7×106hm2，約占世界18%而位居世界第2位；花生總產(chǎn)量超過1.7×107t，約占世界38%而高居世界首位；而花生及其制品出口量約5.0×105t，位于阿根廷、印度和美國之后的世界第4位。美國2021年花生種植面積僅為6.395×105hm2而位居世界第9位，但花生產(chǎn)量卻為2.85×106t，占世界花生總產(chǎn)的6%，位居世界花生產(chǎn)量第4位；花生出口量為5.36×105t，位居世界第3 位[2]。綜合分析發(fā)現(xiàn)，花生生產(chǎn)特別是收獲機(jī)械化技術(shù)差異是中國和美國之間花生生產(chǎn)與出口差異顯著的重要原因之一[3-7]。美國作為花生機(jī)械化收獲最早、最成功的國家，從20 世紀(jì)50 年代開始，經(jīng)過不斷系統(tǒng)研究與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)以大型機(jī)械為主的兩段式收獲方式，花生收獲機(jī)械及其技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平，對穩(wěn)固其花生生產(chǎn)和出口強(qiáng)國地位起到重要作用。相對于美國而言，我國對于花生收獲機(jī)械的研究起步較晚。經(jīng)過多年來不懈努力和研究，2019 年我國花生綜合機(jī)械化率達(dá)60.63%，其中耕、種、收環(huán)節(jié)分別為77.36%、52.91%、46.05%?？梢钥闯觯斋@環(huán)節(jié)是花生生產(chǎn)全程機(jī)械化主要薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重制約了我國花生整體產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[8-10]。

撿拾裝置作為花生撿拾收獲機(jī)撿拾系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其性能不僅直接影響花生撿拾率和莢果損失率，而且對于提高花生撿拾收獲機(jī)的收獲效率和作業(yè)質(zhì)量也有重要的意義。本研究深入分析美國花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)衍變過程中撿拾裝置的變化發(fā)展誘因、衍變歷程與發(fā)展趨勢，總結(jié)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。在此基礎(chǔ)上，對比國內(nèi)兩段式花生撿拾收獲機(jī)撿拾裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析國內(nèi)花生撿拾裝置存在的問題，并提出研究發(fā)展方向，為今后花生撿拾收獲機(jī)撿拾裝置的研制提供參考[11-13]。

1 美國花生收獲機(jī)撿拾裝置類型及發(fā)展歷程

從19世紀(jì)末至今，期間應(yīng)用或曾經(jīng)試驗(yàn)過的花生收獲方法有多種，如傳統(tǒng)的樁棧式人工分段收獲法、樁棧式人機(jī)分段收獲法、濕花生分段收獲法、花生聯(lián)合收獲法、分段式樁棧攤鋪撿拾收獲法和兩段式收獲法等。GARY 等將美國的花生收獲方式演變過程歸納為“樁棧式分段收獲時(shí)代”（Peanut stackploe，1913-1950）、“多種收獲方式共存的轉(zhuǎn)型時(shí)代”（Transition period of peanut harvest，1951-1968）和“兩段式機(jī)械化收獲時(shí)代”（Peanut windrow harvest，1969至今）3個典型歷史階段[14-19]。美國于20世紀(jì)50年代中期基本實(shí)現(xiàn)花生生產(chǎn)全程機(jī)械化，20世紀(jì)60年代后期全面實(shí)現(xiàn)兩段式花生收獲機(jī)械化。

如果說收獲方式及其衍變是花生收獲機(jī)械化發(fā)展的關(guān)鍵（收獲方式?jīng)Q定了花生機(jī)械化收獲的技術(shù)路線、作業(yè)環(huán)節(jié)、收獲機(jī)械功能、類型和結(jié)構(gòu)等），那么花生起收機(jī)放鋪方式的改變是撿拾裝置發(fā)生變革的根本原因，即起收機(jī)的放鋪方式?jīng)Q定花生條鋪撿拾性狀，而撿拾性狀的不同導(dǎo)致?lián)焓把b置結(jié)構(gòu)的改變。美國于20世紀(jì)50年代至今為適應(yīng)花生產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)模式，花生撿拾裝置大致可分為小型花生撿拾收獲機(jī)齒帶式撿拾裝置（1950-1970）、中型花生撿拾收獲機(jī)滑道式彈齒滾筒撿拾裝置（1970-1990）和大型花生撿拾收獲機(jī)無滑道式撿拾裝置（1990-）。

1.1 齒帶式花生撿拾裝置發(fā)展及應(yīng)用

20世紀(jì)50年代，美國Lilliston、Benthall和Roanoke等公司先后研制出牽引式花生撿拾收獲機(jī)（圖1）[20-22]，這些花生撿拾收獲機(jī)的總體結(jié)構(gòu)基本相似，即由拖拉機(jī)（側(cè)）牽引行走，配備專門的固定式內(nèi)燃機(jī)單獨(dú)驅(qū)動撿拾和摘果裝置，撿拾收獲機(jī)均采用撿拾與輸送一體化的齒帶式撿拾裝置，其結(jié)構(gòu)比較龐大，工作幅寬和速度有限，一般只能撿拾1個條鋪（2行），難以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的正牽引作業(yè)。

圖1 美國20世紀(jì)50年代典型的花生撿拾收獲機(jī)Figure 1 American typical peanut combine harvesters in the 1950s

1.2 滑道式彈齒滾筒撿拾裝置

美國20世紀(jì)70年代已經(jīng)將滑道式彈齒滾筒撿拾裝置成功應(yīng)用在中小型兩段式花生聯(lián)合收獲機(jī)上，如Lil?liston Implement Company 生產(chǎn)的小型花生聯(lián)合收獲機(jī)（圖2），正牽引式結(jié)構(gòu)，滑道式彈齒滾筒撿拾裝置和全喂入花生摘果裝置，能夠收獲放鋪方式為果朝一側(cè)的2~4行花生條鋪，可一次性完成撿拾、摘果、清選等工作。撿拾裝置采用右側(cè)單滑道布置，周向4 排撿拾彈齒。凸輪滑道為典型“腎形”凸輪盤，由多條復(fù)雜曲線構(gòu)成，通過曲柄控制彈齒進(jìn)行有規(guī)律地反復(fù)擺動，分別對應(yīng)撿拾彈齒的撿拾、升舉、推送和空回4個撿拾階段[23]。

圖2 Lilliston小型花生聯(lián)合收獲機(jī)Figure 2 Lilliston small peanut combine harvester

為了提高花生晾曬質(zhì)量，嘗試將花生植株由果朝一側(cè)改為莢果朝上的放鋪方式。莢果朝上的放鋪方式不僅有利于莢果晾曬，并從根本上改變了果朝一側(cè)花生條鋪的撿拾特性，花生植株間更加緊湊，莖稈相互交錯，連接強(qiáng)度更大，形成的毯狀條鋪厚度大且連續(xù)性好，十分有利于機(jī)械撿拾。作業(yè)時(shí)撿拾彈齒從下至上挑拾花生植株，未接觸果柄，進(jìn)而減少花生掉果損失。因此，匍匐型花生植株條鋪特點(diǎn)就決定了對撿拾裝置要求不高，成為美國花生撿拾收獲機(jī)撿拾裝置簡化衍變的先天條件。

隨著花生起收機(jī)的莢果朝上有序放鋪難題攻破，改變了花生條鋪撿拾特性，降低了花生條鋪的撿拾要求，使花生撿拾裝置結(jié)構(gòu)得到了簡化。美國20世紀(jì)80年代初，Long Manufacturing Company 生產(chǎn)的花生聯(lián)合收獲機(jī)（圖3）采用無滑道式彈齒滾筒撿拾裝置，彈齒與滾筒固定，“后背”式彈齒設(shè)計(jì)避免彈齒與護(hù)板在推送階段對植株產(chǎn)生夾持，周向采用5排彈齒，撿拾裝置上側(cè)無集果絞龍，花生植株撿拾后直接送入摘果滾筒[24]。

圖3 Long花生聯(lián)合收獲機(jī)Figure 3 Long peanut combine harvester

隨著花生產(chǎn)業(yè)對生產(chǎn)力要求不斷提高，AMADAS、KMC 等公司分別制造出大型花生聯(lián)合收獲機(jī)，生產(chǎn)效率提高的同時(shí)撿拾裝置也相應(yīng)得到了簡化。這種簡化的滑道式彈齒滾筒撿拾裝置（圖4）兩側(cè)采用圓形凸輪盤設(shè)計(jì)，中間通過起支撐作用的滾盤將左右兩段撿拾滾筒鉸接增大撿拾幅寬。將圓形的凸輪盤偏心安裝，實(shí)現(xiàn)彈齒在撿拾過程中小范圍地反復(fù)擺動。這種機(jī)構(gòu)主要有兩個優(yōu)點(diǎn)：一是凸輪盤采用圓形代替復(fù)雜的結(jié)構(gòu)曲線，曲柄更短，結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小滾筒直徑，降低撿拾高度；二是簡化的圓形凸輪滑道機(jī)構(gòu)減小撿拾彈齒相對擺動角度，減少彈齒軸在工作過程中所受的扭轉(zhuǎn)力矩，降低了對彈齒軸的剛度要求。缺點(diǎn)為彈齒擺動幅度減小，彈齒采用“后背”方式安裝，在推送階段可避免彈齒與護(hù)板對花生植株的鉗制作用，但在撿拾初始階段彈齒撿拾傾角差，不利于撿拾作業(yè)。而果柄朝上的花生植株條鋪撿拾特性恰好彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，使得這種簡化的滑道式彈齒滾筒撿拾機(jī)構(gòu)在花生聯(lián)合收獲機(jī)上得以快速推廣應(yīng)用（圖5），美國AMADAS、KMC6行自走式、牽引式花生聯(lián)合收獲機(jī)撿拾裝置均采用這種結(jié)構(gòu)[25-27]。

圖4 圓形凸輪盤彈齒滾筒撿拾機(jī)構(gòu)Figure 4 Circular cam spring-finger cylinder pickup mechanism

KMC 只生產(chǎn)牽引式花生聯(lián)合收獲機(jī)，而AMADAS 同時(shí)生產(chǎn)牽引式和自走輪式花生聯(lián)合收獲機(jī)，這些花生聯(lián)合收獲機(jī)均采用圓形滑道式彈齒滾筒撿拾裝置，周向4~5排彈齒布置，收獲行距76，91，96，101 cm 不等。牽引式花生聯(lián)合收獲機(jī)均為2～6行的系列產(chǎn)品，而AMADAS自走式花生聯(lián)合收獲機(jī)只有8行一種規(guī)格[28]。

1.3 無滑道式彈齒滾筒撿拾裝置

20世紀(jì)90年代開始，隨著美國花生產(chǎn)業(yè)不斷擴(kuò)大，機(jī)械化程度不斷提高，撿拾幅寬為6~8行大型兩段式花生聯(lián)合收獲機(jī)成為了主要研制方向。由于滑道式彈齒滾筒撿拾裝置結(jié)構(gòu)限制，撿拾幅寬過大會使彈齒軸撓度和扭轉(zhuǎn)角增大，彈齒擺動規(guī)律無法滿足撿拾作業(yè)要求。因此，滑道式彈齒滾筒撿拾裝置無法滿足大型兩段式花生聯(lián)合收獲機(jī)撿拾作業(yè)的要求。

為適應(yīng)大型兩段式花生聯(lián)合收獲機(jī)撿拾作業(yè)，美國花生機(jī)械制造公司對滑道式彈齒滾筒撿拾裝置進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)。美國Colombo 公司研制了一種無滑道式彈齒滾筒撿拾裝置（圖6），采用無滑道式設(shè)計(jì)，彈齒通過滾筒與主軸固聯(lián)，與主軸無相對擺動。通過弧形護(hù)板的曲率變化，調(diào)整弧形撿拾齒與護(hù)板在不同位置的夾角，避免在推送階段撿拾齒與護(hù)板對花生植株產(chǎn)生鉗制作用。為了實(shí)現(xiàn)撿拾裝置輕量化設(shè)計(jì)的目的，撿拾齒采用合成材料制成圓弧狀的整體片式結(jié)構(gòu)，周向均布6 個片狀圓弧形撿拾齒，不僅便于安裝，撿拾齒強(qiáng)度與耐磨性大大增加。相鄰撿拾齒沿軸向相錯20°相位角螺旋式安裝，形成周向?yàn)?2 排撿拾齒的滾筒結(jié)構(gòu)。相比于滑道式彈齒滾筒撿拾裝置，周向增加的撿拾齒排數(shù)可減小漏檢區(qū)域面積，適當(dāng)降低滾筒轉(zhuǎn)速，減少莢果損失[29-30]。

2 中國花生撿拾收獲機(jī)撿拾裝置類型及發(fā)展歷程

由于收獲農(nóng)藝的不同，我國花生機(jī)械化收獲方法主要分為分段收獲、兩段收獲和聯(lián)合收獲3 種。近年來，針對覆膜種植花生秧蔓飼料化利用需求，出現(xiàn)的一種花生秧蔓和莢果兼收的“三段式”花生收獲方式。我國早期花生生產(chǎn)機(jī)械化程度較低，1959年，我國研制出第一臺花生起收機(jī)[31]，因特殊國情而發(fā)展緩慢。直到20世紀(jì)70 年代末80 年代初，在引進(jìn)美國花生挖掘機(jī)和中國臺灣花生聯(lián)合收獲機(jī)基礎(chǔ)上，陸續(xù)研制出各種花生起收機(jī)和摘果機(jī)，花生收獲機(jī)械逐漸應(yīng)用并發(fā)展起來。2007 年以來陸續(xù)研制出4HQL-2、4HLB-2、4HLB-4、4HBL-4等型號履帶自走式花生聯(lián)合收獲機(jī)和4HJL-4、4HLJ-8 型大中型花生撿拾收獲機(jī)[32-36]，但因機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜和農(nóng)藝適應(yīng)性差等綜合原因，正處于性能完善階段，而大型花生撿拾收獲機(jī)仍處于研制階段。

我國典型的花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)分類方式有兩種：按撿拾裝置的結(jié)構(gòu)型式分為齒帶式、彈齒式、齒帶與摟齒組合式；按動力配置分為牽引式、自走式和背負(fù)式。其中，牽引式的動力配置有拖拉機(jī)動力輸出軸單獨(dú)驅(qū)動、拖拉機(jī)動力輸出軸與獨(dú)立動力聯(lián)合驅(qū)動兩種。目前，牽引式小型花生撿拾收獲機(jī)應(yīng)用最多、最廣泛，而且均采用單滾筒全喂入摘果裝置，撿拾工作幅寬為90~110 cm，1鋪2行，一般用小四輪拖拉機(jī)牽引，同時(shí)配合自身動力輸出軸驅(qū)動工作機(jī)械，拖拉機(jī)動力不能低于22.1 kW；自走式花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)多為中型機(jī)械，作業(yè)幅寬2.5~3.5 m，收獲6~8行花生，發(fā)動機(jī)功率50~60 kW[37-38]。

2.1 齒帶式花生撿拾裝置

我國早期小型花生撿拾收獲機(jī)按動力配置和結(jié)構(gòu)分為牽引式、自走式和背負(fù)式3種類型，圖7a為自走式小型花生撿拾收獲機(jī)，齒帶式撿拾裝置，內(nèi)燃機(jī)動力25~30 kW；圖7b牽引式小型花生撿拾收獲機(jī)，齒帶式撿拾裝置，拖拉機(jī)動力輸出軸驅(qū)動，動力25~30 kW；圖7c牽引式小型花生撿拾收獲機(jī)采用摟齒組合式撿拾裝置，小型四輪拖拉機(jī)牽引作業(yè)，動力14.7~18.4 kW，工作裝置由固定內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，動力8.82 kW。以上收獲機(jī)均采用單滾筒全喂入摘果裝置，氣吸風(fēng)篩式清選，提升機(jī)卸料，撿拾工作幅寬均為1鋪2行（90~110 cm或80~100 cm）。

圖7 我國早期典型齒帶式花生撿拾收獲機(jī)Figure 7 Early typical tooth-belt peanut pickup harvester in China

在此基礎(chǔ)上，我國花生收獲機(jī)生產(chǎn)廠家對齒帶式花生撿拾收獲機(jī)摘果與清選裝置進(jìn)行了優(yōu)化升級（圖8），生產(chǎn)效率和作業(yè)質(zhì)量大大提高，齒帶式撿拾裝置結(jié)構(gòu)沒有太大改變，部分撿拾裝置配有輔助撿拾機(jī)構(gòu)。唐河縣大華機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的大華4HQJ-1200花生撿拾收獲機(jī)，側(cè)牽引式結(jié)構(gòu)，齒帶式撿拾裝置，撿拾幅寬1.2 m，作業(yè)速度為1.25~2.80 km·h-1；長春福德機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)福德4HJE-1000 型牽引式花生撿拾收獲機(jī)，自走式結(jié)構(gòu)，齒帶式撿拾裝置，撿拾齒為釘齒，撿拾幅寬1.0 m；福德4HJZ-1000 型自走式花生摘果機(jī)、鑫峰龍4HJQ-2.0 型牽引式花生撿拾收獲機(jī)均采用齒帶式撿拾裝置，撿拾裝置上面加裝壓草條，使花生植株能夠更加柔順進(jìn)入摘果裝置。

圖8 國內(nèi)典型齒帶式花生撿拾收獲機(jī)Figure 8 Typical toothed belt peanut pickup harvester

2.2 伸縮扒指式花生撿拾裝置

伸縮扒指式撿拾裝置結(jié)構(gòu)簡單，撿拾齒主軸與滾筒中心偏置安裝，撿拾齒在圓柱滾筒的滑座上反復(fù)伸縮完成撿拾動作。近幾年，被廣泛應(yīng)用在中型花生撿拾收獲機(jī)上。

濰坊大眾機(jī)械有限公司研制的4HZL-6 型花生撿拾收獲機(jī)（圖9），配套動力85 kW，作業(yè)幅寬2.5 m，收獲6~8 行花生，作業(yè)效率0.004~0.009 km2·h-1，采用直齒式伸縮扒指撿拾裝置。直齒在撿拾稀疏條鋪時(shí)存在“壅堆”情況，不利于撿拾作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，又研制了5HZ-8型花生撿拾收獲機(jī)，配套動力48.7 kW，作業(yè)幅寬3.2 m，收獲6~10 行花生，作業(yè)效率0.005 3~0.006 6 km2·h-1，依然采用伸縮扒指式撿拾裝置（圖10），前端安裝彈齒式撥禾輪，作業(yè)時(shí)撥禾輪反向轉(zhuǎn)動以克服植株“壅堆”問題[39]。

圖9 4HZL-6、5HZ-8花生撿拾收獲機(jī)撿拾裝置Figure 9 Pickup device of 4HZL-6 and 5HZ-8 peanut pickup harvester

圖10 5HZ-8花生撿拾收獲機(jī)撿拾裝置Figure 10 Pickup device of 5HZ-8 peanut pickup harvester

為了提高撿拾裝置工作質(zhì)量，河南省豫長春機(jī)械制造有限責(zé)任公司生產(chǎn)的4HZJ-2500 型自走式花生撿拾收獲機(jī)（圖11），采用單排彈性壓草指設(shè)計(jì)，滑道式伸縮抓齒式撿拾裝置。撿拾裝置采用6排弧形刀齒式縱向滾筒，滾筒通過筒體幅板與主軸固定。主軸帶動弧形刀齒轉(zhuǎn)動的同時(shí)，刀齒在滾筒抓齒孔內(nèi)反復(fù)伸縮，刀齒根部限制在兩側(cè)的偏心軌道內(nèi)，偏心軌道的形狀控制刀齒的伸縮長度。機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：弧形刀齒更加有利于撿拾，滾筒與刀齒共同運(yùn)動，花生植株與滾筒無相對摩擦，凸輪滑道控制刀齒在抓齒孔內(nèi)反復(fù)伸縮，可有效避免刀齒對花生植株的鉗制作用。機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)：機(jī)構(gòu)相對復(fù)雜，滾筒直徑大，弧形刀齒撿拾長度短，適應(yīng)性差，不適合大型花生收獲機(jī)撿拾作業(yè)[40]。

圖11 4HZJ-2500花生撿拾收獲機(jī)撿拾裝置Figure 11 Pickup device of 4HZ-2500 peanut pickup harvester

2.3 滑道式彈齒滾筒撿拾裝置

滑道式彈齒滾筒撿拾裝置具有體積小，質(zhì)量輕，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在中小型花生撿拾收獲機(jī)上。我國一些農(nóng)機(jī)生產(chǎn)廠家研制的小型兩段式花生撿拾收獲機(jī)采用單滑道式彈齒滾筒撿拾裝置（圖12），偏置背負(fù)式結(jié)構(gòu)，作業(yè)寬幅為2行1鋪。隨著生產(chǎn)力不斷提高，研制的中型花生撿拾收獲機(jī)也配有彈齒滾筒撿拾裝置，相對于小型花生撿拾收獲機(jī)，撿拾幅寬增大，采用兩側(cè)雙滑道結(jié)構(gòu)，保證彈齒有穩(wěn)定的擺動規(guī)律。如山東金大豐機(jī)械有限公司研制的4HZL-2500 自走式花生撿拾收獲機(jī)（圖13a），配套動力為88 kW，作業(yè)幅寬2.5 m，雙滑道式彈齒滾筒撿拾裝置，撿拾更加順暢。河南沃德機(jī)械制造有限公司研制的4HZL-3花生撿拾收獲機(jī)（圖13b），自走式結(jié)構(gòu)，配套動力為88~96.3 kW，作業(yè)幅寬2.6 m，滑道式彈齒滾筒撿拾裝置，上方配裝壓草輥，避免在撿拾過程中植株因離心力過大發(fā)生“上拋”現(xiàn)象；中聯(lián)2018款4HZJ-2500花生撿拾收獲機(jī)（圖13c），配套動力為88 kW，作業(yè)幅寬2.5 m，配置雙滑道彈齒滾筒撿拾裝置（圖14）。撿拾裝置周向布置四排彈齒，左右兩段采用柔性連接，減小彈齒座因位置調(diào)整、零件加工誤差和裝配誤差受到的應(yīng)力影響，提高使用的穩(wěn)定性[41]。

圖12 典型彈齒滾筒式小型花生收獲機(jī)Figure 12 Typical spring-fingers cylinder minitype peanut combine harvester

圖13 我國典型大中型花生撿拾收獲機(jī)Figure 13 Typical large and middle peanut pickup combine harvester in China

圖14 中聯(lián)4HZJ-2500花生撿拾收獲機(jī)及撿拾裝置Figure 14 Zhonglian 4HZJ-2500 peanut combine harvester and pickup dervice

2.4 無滑道式彈齒滾筒撿拾裝置

無滑道式彈齒滾筒撿拾裝置具有體積小、撿拾幅寬大、結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，近年來開始逐漸應(yīng)用在我國中、大型花生撿拾收獲機(jī)上。南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的4HLJ-8型自走式花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)（圖15），輪式自走底盤，發(fā)動機(jī)功率50~60 kW，采用無滑道式彈齒滾筒撿拾裝置和多滾筒切流摘果裝置，工作幅寬為3.2 m（4 鋪8 行），能夠一次性完成撿拾、輸送、摘果、清選、集果等聯(lián)合收獲作業(yè)，生產(chǎn)效率可達(dá)0.005~0.01 km2·h-1。并針對撿拾裝置的護(hù)板與彈齒進(jìn)行了獨(dú)特設(shè)計(jì)，彈齒采用“后背”折彎式結(jié)構(gòu)，護(hù)板在推送工位末端向上“隆起”設(shè)計(jì)，克服對花生植株的鉗制作用，使花生植株可以沿著向下傾斜的護(hù)板順利進(jìn)入后面的螺旋輸送器。撿拾裝置前端采用單排彈性壓草指設(shè)計(jì)，可防止花生植株產(chǎn)生“壅堆”和“拋起”現(xiàn)象，提高撿拾效率，降低掉果損失率[42]。

圖15 4HLJ-8花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)Figure 15 4HLJ-8 peanut pickup combine harvester

在此基礎(chǔ)上，南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所針對花生割秧-挖掘-撿拾摘果三段式收獲作業(yè)模式，研制了4HZJ-3000 型自走式花生聯(lián)合收獲機(jī)（圖16），發(fā)動機(jī)功率92 kW，作業(yè)幅寬3 m，可1 次收獲4 壟8 行，生產(chǎn)效率0.6~1.8 hm2·h-1。撿拾裝置采用無滑道設(shè)計(jì)，主軸上固定6排撿拾彈齒，彈齒采用“后背”設(shè)計(jì)，避免了輸送板與撿拾彈齒對花生植株的鉗制問題，經(jīng)田間試驗(yàn)撿拾率為98.07%，落果率1.23%[43]。

圖16 4HZJ-3000花生聯(lián)合收獲機(jī)Figure 16 4HZJ-3000 peanut combine harvester

3 我國花生撿拾收獲機(jī)撿拾裝置存在的問題及研究方向

3.1 中美花生聯(lián)合收獲機(jī)撿拾裝置變化對比分析

美國從20 世紀(jì)60 年代后期全面實(shí)現(xiàn)兩段式花生收獲機(jī)械化至今，為適應(yīng)花生種植、收獲模式及規(guī)模，兩段式花生聯(lián)合收獲機(jī)完成了從小型、中型到大型的轉(zhuǎn)變。花生撿拾裝置也經(jīng)歷了由齒帶式、滑道彈齒滾筒式到無滑道彈齒滾筒式撿拾裝置的衍變過程。在此過程中，花生種植、挖掘放鋪、撿拾作業(yè)等環(huán)節(jié)間相互聯(lián)系緊密，通過晾曬試驗(yàn)確定合理的放鋪方式。近20年的努力，實(shí)現(xiàn)由果朝一側(cè)改為莢果朝上的有序放鋪方式，使花生條鋪的撿拾特性更適合機(jī)械化撿拾作業(yè)。實(shí)現(xiàn)了由滑道式到無滑道式滾筒撿拾裝置的簡化設(shè)計(jì)及應(yīng)用，為今后大型花生聯(lián)合機(jī)械化作業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

我國中小型兩段式花生撿拾收獲機(jī)相對比較成熟，大型花生撿拾收獲機(jī)還處于研制階段。區(qū)別于目前美國花生聯(lián)合收獲機(jī)普遍采用的無滑道式撿拾機(jī)構(gòu)，我國花生撿拾收獲機(jī)配置的撿拾裝置類型較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。早期研發(fā)的小型兩段式花生撿拾收獲機(jī)多采用齒帶式撿拾裝置，少部分配置單側(cè)滑道布置的滑道式彈齒滾筒撿拾裝置。近些年，科研院所與農(nóng)機(jī)企業(yè)也陸續(xù)開發(fā)出一系列中型花生撿拾收獲機(jī)，并在關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，申請了多項(xiàng)發(fā)明專利。所配置的撿拾裝置包括滑道彈齒滾筒式、無滑道彈齒滾筒式、伸縮扒指式等多種撿拾裝置，作業(yè)時(shí)需輔助裝置（撥禾輪、彈性壓草指等）配合完成撿拾作業(yè)。然而，這些機(jī)械撿拾作業(yè)時(shí)依然存在漏撿率和掉果率高的問題。分析原因，所配置的撿拾裝置不適合我國直立型花生植株撿拾特性，作業(yè)時(shí)花生植株存在壅堆與上拋問題。為了避免以上問題，設(shè)計(jì)彈性壓草指和撥禾輪等輔助裝置以限制花生植株因受力向前運(yùn)動，在一定程度上避免花生植株產(chǎn)生壅堆、拋起、斷條和打土等問題。但對花生植株形成擠壓與二次擊打，使花生莢果掉落，這也是莢果損失率高的主要原因。而美國基于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝緊密結(jié)合的原則，從研究花生條鋪撿拾特性入手，改變花生起收機(jī)放鋪方式，優(yōu)化撿拾裝置整體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低損高效機(jī)械化收獲作業(yè)。

3.2 存在的問題

對比美國花生聯(lián)合收獲機(jī)撿拾裝置衍變歷程，我國分段式花生撿拾裝置存在種類多、適應(yīng)性差、撿拾質(zhì)量不高等問題。分析原因主要為收獲作業(yè)中挖掘放鋪與撿拾作業(yè)環(huán)節(jié)間相互脫節(jié)，對花生條鋪撿拾特性缺乏深入研究。具體表現(xiàn)為：（1）花生漏檢率高，莢果損失嚴(yán)重。體現(xiàn)為農(nóng)機(jī)農(nóng)藝未深入融合，兩段式花生收獲機(jī)撿拾裝置的研究存在局限性。目前，我國花生起收機(jī)只能完成花生植株莢果朝向一側(cè)的放鋪方式，所形成的條鋪連帶性差，植株晾曬后，莖稈水分流失，與撿拾彈齒間相互作用的摩擦力降低，很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)撿拾。大多借助撥禾輪、壓草輥等輔助裝置減少“壅堆”“拋起”等問題，進(jìn)而增加了植株漏撿率與莢果損失率。（2）撿拾裝置適應(yīng)性差，標(biāo)準(zhǔn)化程度低。美國兩段式花生撿拾裝置經(jīng)歷了小型花生聯(lián)合收獲機(jī)（齒帶式撿拾裝置）、中型花生聯(lián)合收獲機(jī)（滑道式彈齒滾筒撿拾裝置）到沿用至今的大型花生聯(lián)合收獲機(jī)（無滑道式撿拾裝置），從設(shè)計(jì)到應(yīng)用均已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。我國研制的撿拾裝置對花生種植的疏密程度、放鋪方式和土壤類型都有要求，缺乏適應(yīng)性強(qiáng)的撿拾裝置。撿拾裝置類型與參數(shù)各異，小型花生聯(lián)合收獲機(jī)（齒帶式和彈齒滾筒式撿拾裝置），中型花生聯(lián)合收獲機(jī)（伸縮扒指式，滑道式和無滑道式彈齒滾筒撿拾裝置），且配有不同的輔助撿拾裝置（彈性壓草指，撥禾輪等），沒有形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，不利于維修和維護(hù)。（3）設(shè)計(jì)方法繁瑣，精度低。我國的撿拾裝置多數(shù)為仿制國外的機(jī)器或直接引用牧草、水稻、甜菜等采用兩段式收獲的農(nóng)作物收獲機(jī)撿拾裝置。由于農(nóng)產(chǎn)品品種間的差異，挖掘放鋪后撿拾特性不同，因此所設(shè)計(jì)的花生撿拾裝置并不適用于國內(nèi)花生撿拾。在設(shè)計(jì)時(shí)往往采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并未考慮不同田間環(huán)境下花生條鋪撿拾特性，即植株放鋪方式、條鋪厚度和撿拾連帶性等。在設(shè)計(jì)過程中，沒有針對花生條鋪撿拾參數(shù)建立合理機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)理念來研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)撿拾裝置。（4）加工技術(shù)含量低，使用可靠性不高。近年來，我國雖然在中型兩段式花生收獲機(jī)設(shè)計(jì)了多種撿拾裝置，并申請了多項(xiàng)發(fā)明專利，但基本上是在傳統(tǒng)撿拾裝置基礎(chǔ)上對單一關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。很多小型農(nóng)機(jī)廠家生產(chǎn)規(guī)模小，配套加工設(shè)備陳舊，加工精度低，所生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)設(shè)備可靠性不高。

3.3 研究方向

基于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合的原則，從花生成熟期內(nèi)的物理特性和條鋪撿拾特性入手，研究適用于我國直立型花生植株的撿拾裝置。具體研究方向：（1）改變現(xiàn)有花生植株放鋪方式。根據(jù)相關(guān)研究，針對于我國直立型花生植株，首尾搭接的花生植株放鋪方式不僅有利于莢果田間晾曬，而且植株間連帶性強(qiáng)，非常有利于機(jī)械撿拾作業(yè)。因此，研究新型花生起收機(jī)，實(shí)現(xiàn)首尾搭接放鋪方式是低損、高效機(jī)械化撿拾作業(yè)的前提條件。（2）大幅寬、小體積撿拾裝置的研制。目前，大幅寬的撿拾聯(lián)合收獲機(jī)依然由國外企業(yè)壟斷，我國自主研發(fā)的大幅寬、一次收獲多行花生的撿拾收獲機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)尚欠成熟。通過新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)引進(jìn)的美國KMC 大型花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)所進(jìn)行的試驗(yàn)表明，國外大型撿拾聯(lián)合收獲機(jī)并不適合我國的花生收獲。因此，研制適合我國花生收獲的大幅寬花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)是未來的研究方向，重點(diǎn)應(yīng)放在撿拾裝置整體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的方向上。（3）采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)撿拾裝置，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。為了降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本和周期，應(yīng)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)撿拾裝置。當(dāng)前我國各類撿拾機(jī)構(gòu)多為平面連桿、凸輪滑道機(jī)構(gòu)形式，應(yīng)采用解析法建立撿拾裝置的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)花生撿拾要求建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)和邊界限制條件；并結(jié)合智能優(yōu)化算法進(jìn)行求解，獲得合理的撿拾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，最終形成參數(shù)化設(shè)計(jì)；為了便于易損件的維修和更換，撿拾裝置應(yīng)以簡易實(shí)用為研究方向，并實(shí)現(xiàn)易損件（彈齒）的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，并制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)與安裝標(biāo)準(zhǔn)。（4）撿拾裝置應(yīng)與農(nóng)藝緊密結(jié)合。在撿拾裝置的研發(fā)過程中應(yīng)與農(nóng)藝專家互動交流，對花生品種和栽培制度進(jìn)行了解并提出相應(yīng)要求，同時(shí)應(yīng)以廣適性作為重要指標(biāo)之一進(jìn)行撿拾裝置的研發(fā)工作。農(nóng)藝專家應(yīng)以適合機(jī)械化作業(yè)、高產(chǎn)、高油為綜合目標(biāo)，從株型、果柄抗拉能力、結(jié)果范圍、結(jié)果深度、適收期、生產(chǎn)期等方面綜合考慮，篩選或培育適合機(jī)械化作業(yè)的花生品種；同時(shí)農(nóng)藝專家還需綜合考慮種植密度、播種時(shí)間、適收期、地區(qū)適應(yīng)性、產(chǎn)量等各方面因素，篩選先進(jìn)適用的栽培技術(shù)，研究制定適合于機(jī)械化作業(yè)和規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的花生種植農(nóng)藝規(guī)范，為機(jī)械化收獲作業(yè)創(chuàng)造條件。