套種模式下毛蔥機械收獲裝備的研究

高成成

（池州學(xué)院，安徽 池州 247000）

隨著我國農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高，毛蔥機械化栽培得到了較廣泛的應(yīng)用。然而，毛蔥機械化收獲仍面臨較大的技術(shù)難題[1]。毛蔥屬多年生作物，收獲時須連根拔起，但毛蔥根系發(fā)達(dá)，根際部位土壤致密，增加了挖掘難度。此外，毛蔥大面積商業(yè)化生產(chǎn)采用的套種模式，導(dǎo)致毛蔥蔥稈嚴(yán)重倒伏纏繞，不利于機械順利插入收獲。因此，研發(fā)適合套種模式下的毛蔥機械化收獲裝備，是當(dāng)前進(jìn)一步實現(xiàn)毛蔥種植環(huán)節(jié)機械化的重要課題。

1 毛蔥機械收獲面臨的問題

1.1 毛蔥輻射倒伏，不利于機械化操作

套種模式不合理或者行距較窄，株距也較密集，會導(dǎo)致單株毛蔥獲得的生長空間有限。同時，外部環(huán)境如風(fēng)力、水分等因素也會促使毛蔥倒伏。這些因素共同作用下，毛蔥稈呈明顯的輻射倒伏狀態(tài)，稈體嚴(yán)重纏繞[2]。嚴(yán)重倒伏會導(dǎo)致收獲裝備無法順利插入毛蔥行間，整個收獲工藝均受到嚴(yán)重阻礙。具體來看，一是收獲裝置無法順利進(jìn)入行間，插入收獲體系的鏟具無法接觸到根部。二是即便強行插入，倒伏纏繞也會對輸送系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的堵塞。三是倒伏嚴(yán)重的毛蔥無法實現(xiàn)有效整復(fù)作用，導(dǎo)致根部無法暴露，影響鏟具的挖掘。四是強行操作倒伏纏繞的毛蔥將導(dǎo)致大量脫粒和斷稈問題。

1.2 根際部位土壤致密，增大挖掘阻力

毛蔥根系發(fā)達(dá)，主根長度可達(dá)30 cm以上。長期生長過程中，根系對周圍土壤形成“篩子”狀固結(jié)，使根際土壤致密度明顯增大。測量結(jié)果顯示，根際土壤容重達(dá)1.35 g/cm3～1.5 g/cm3，而正常土壤容重僅為1.1 g/cm3～1.2 g/cm3。土壤孔隙度也從50%降低到30%以下。由于根際土壤致密導(dǎo)致的巨大阻抗，使毛蔥機械化收獲過程中的下力挖掘難度大為增加[3]。根據(jù)土力學(xué)計算，致密土壤的內(nèi)摩擦角可高達(dá)35°以上，相比普通土壤的25°～30°提高了約20%。這意味著挖掘阻力幾乎增加了一倍。同時，高密度根系對挖掘過程的溫和性也有極高要求，不能對根系造成破壞。針對根際土壤致密問題，目前常見的收獲機構(gòu)采用鏟式結(jié)構(gòu)，并配合氣動裝置進(jìn)行輔助。但僅靠鏟式結(jié)構(gòu)難以克服巨大的挖掘阻力，根系損傷嚴(yán)重。

1.3 收獲與運輸聯(lián)合作業(yè)難度大

毛蔥機械化收獲后，還需要進(jìn)行甩掛除泥、初步清洗、分選等后續(xù)聯(lián)合作業(yè)，以實現(xiàn)連續(xù)的收獲與運輸作業(yè)流程。但毛蔥稈長、根系發(fā)達(dá)的特點使這一流程配合存在巨大難度。具體來看，毛蔥連根拔起后進(jìn)入輸送系統(tǒng)，需要進(jìn)行甩掛除泥[4]。這一過程中，輸送鏈條或帶的高頻振動將直接作用到長達(dá)60 cm的蔥稈上，而嚴(yán)重的輻射倒伏也使蔥稈在輸送系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生了連續(xù)不斷的碰撞。這些因素很容易導(dǎo)致蔥稈斷折、脫粒等問題發(fā)生。同時，收獲產(chǎn)生的連續(xù)強烈振動將通過蔥稈直接傳導(dǎo)到后續(xù)的根系分選系統(tǒng)，嚴(yán)重影響分選機構(gòu)的工作穩(wěn)定性。而分選系統(tǒng)作為精密作業(yè)系統(tǒng)，對穩(wěn)定性要求極高。如果采用剛性連接，振動影響將難以避免；而如果完全隔離，則又失去了運輸與分選的邏輯配合關(guān)系。此外，收獲機構(gòu)與運輸系統(tǒng)的動力學(xué)匹配也是一個關(guān)鍵難題。收獲產(chǎn)生的連續(xù)沖擊負(fù)載特點與運輸系統(tǒng)的穩(wěn)定運行要求存在矛盾。這需要采用彈性連接等措施進(jìn)行調(diào)和，但其復(fù)雜度和制造難度都很高。

2 套種模式毛蔥機械收獲關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 倒蔥整復(fù)機構(gòu)設(shè)計

為適應(yīng)套種毛蔥嚴(yán)重的輻射倒伏現(xiàn)狀，實現(xiàn)機械化快速整復(fù)是關(guān)鍵所在。目前，主要有兩種整復(fù)機構(gòu)設(shè)計方案：旋轉(zhuǎn)式和橫移式。旋轉(zhuǎn)式整復(fù)機構(gòu)工作原理是設(shè)置高速旋轉(zhuǎn)的整復(fù)部件，通過旋轉(zhuǎn)刮板或棒實現(xiàn)毛蔥扶正[5]。優(yōu)點是整復(fù)效率高，可實現(xiàn)90%以上整復(fù)率。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度及能耗較大是其缺點。橫移式整復(fù)機構(gòu)則利用輪間隙匹配毛蔥行距，依次使倒伏毛蔥扶正，整復(fù)率可達(dá)87%左右。該機構(gòu)設(shè)計制造簡單，但整復(fù)效率相對較低。為兼顧效率與簡捷，一種新型整復(fù)機構(gòu)設(shè)計方案是：設(shè)置尖銳鈍角調(diào)節(jié)刮板，配合橫移前置輪實現(xiàn)整復(fù)。具體來說，調(diào)節(jié)刮板安裝在前置輪前方，與輪間隙相匹配，依次掃過毛蔥行。刮板底部為尖銳鈍角結(jié)構(gòu)，可插入土壤車流層中，利用土壤阻力產(chǎn)生扶正力矩。該設(shè)計可實現(xiàn)85%以上的整復(fù)率，同時結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)節(jié)和維護。

2.2 挖掘裝置參數(shù)優(yōu)化

考慮到毛蔥根際土壤致密的問題，實現(xiàn)快速連根挖掘是機械化收獲的又一難點。目前，可采用帶孔鏟式挖掘結(jié)構(gòu)，并通過參數(shù)優(yōu)化提高挖掘性能[6]。一是鏟片形狀設(shè)計。采用弧形鏟片，前端開口處曲率半徑控制在150 mm 左右，可減小對根系的損傷。同時，側(cè)翼設(shè)計成螺旋上升形狀，可實現(xiàn)向兩側(cè)翻裂，降低挖掘阻力。二是鏟片孔隙率控制。根據(jù)土壤學(xué)試驗結(jié)果，當(dāng)孔隙率約為15%時，既可利用氣動作用加速挖掘，又不會過度削弱鏟片強度。采用Φ10 mm 的均勻排列圓孔，可滿足要求。三是工作深度。根系垂直分布范圍約30 cm，因此工作深度控制在32 cm～35 cm，既可完整挖取根系，又可避免對次生根的損傷。垂直插入速度以8 cm/s～12 cm/s為宜，避免根系脫落。

2.3 收獲與運輸作業(yè)匹配

毛蔥機械化收獲后，還需進(jìn)行運輸、分選等聯(lián)合作業(yè)，實現(xiàn)從田間到倉儲的一體化機械化解決方案。這需要協(xié)調(diào)解決收獲與運輸?shù)膭恿W(xué)匹配問題。一是收獲系統(tǒng)產(chǎn)生的連續(xù)強力沖擊振動可能導(dǎo)致脫粒、斷稈等問題[7]。采用彈簧減振裝置可有效緩解振動負(fù)面影響。具體方案是在收獲裝置與傳送帶接觸處設(shè)置環(huán)形減振彈簧組，優(yōu)選鋼圈彈簧或六棱形橡膠彈簧，按一定間距分布。這可起到緩沖減振作用，避免收獲振動完全傳遞到輸送系統(tǒng)。同時，收運輸接觸處也需設(shè)計緩沖過渡段，實現(xiàn)剛?cè)峤Y(jié)合。該過渡段采用柔性膠合皮帶，長度為傳送帶寬度的0.8～1 倍。彈性皮帶可進(jìn)一步起到減振作用，使運輸系統(tǒng)免受收獲振動影響。二是運輸裝置需采用國際標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化和容器化設(shè)計理念。例如采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的網(wǎng)箱、集裝箱等容器作為貨運裝置。容器充當(dāng)運輸過程中的緩沖隔離單元，可大幅降低收獲振動對運輸?shù)呢?fù)面影響。三是運輸與后續(xù)分選裝置之間也需設(shè)置減振連接段。典型方案是采用鋼架懸臂支承的皮帶傳輸段，并配合螺旋彈簧或橡膠減振元件，實現(xiàn)收獲系統(tǒng)與精密分選系統(tǒng)的動力學(xué)隔離。

3 套種模式毛蔥機械收獲裝備研發(fā)方案

3.1 整體技術(shù)路線

根據(jù)套種毛蔥機械收獲面臨的關(guān)鍵問題，擬定了以下整體技術(shù)路線。

1）倒伏整復(fù)系統(tǒng)：采用尖銳鈍角刮板配合橫移輪實現(xiàn)快速整復(fù)，參數(shù)優(yōu)化方案包括調(diào)節(jié)刮板傾角、車輪間隙匹配行距、優(yōu)化刮板尖銳鈍角結(jié)構(gòu)等[8]。目標(biāo)是使整復(fù)率達(dá)到90%以上。

2）挖掘系統(tǒng)：采用帶孔弧形鏟式挖具，利用氣動輔助實現(xiàn)快速有效連根挖取。優(yōu)化設(shè)計參數(shù)包括鏟片曲率、螺旋側(cè)翼、孔隙率、工作深度等。目標(biāo)是減小挖掘阻力，保持根系完整率大于95%。

3）收運匹配系統(tǒng)：利用減振彈簧、緩沖段、隔離容器等實現(xiàn)收獲系統(tǒng)與運輸系統(tǒng)的動力學(xué)協(xié)調(diào)。目標(biāo)是減小脫粒率至5%以下，斷稈率至2%以下。

4）作業(yè)流程優(yōu)化：針對收獲、甩掛、清洗、分選等環(huán)節(jié)，研究最佳作業(yè)流程和間歇距離。優(yōu)化目標(biāo)是作業(yè)節(jié)拍協(xié)調(diào)一致，實現(xiàn)作業(yè)平穩(wěn)連續(xù)。

3.2 關(guān)鍵部件設(shè)計

毛蔥機械收獲裝備的關(guān)鍵部件設(shè)計主要包括整復(fù)系統(tǒng)、挖掘系統(tǒng)、減振系統(tǒng)、容器化系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。

1）整復(fù)系統(tǒng)采用尖銳鈍角結(jié)構(gòu)的刮板，材質(zhì)選用工程塑料，刮板長度配合輪間距，安裝在整流輪前方；鈍角部分優(yōu)化為80°左右，同時設(shè)置前置整流輪，直徑匹配毛蔥行距[9]。

2）挖掘系統(tǒng)設(shè)計開口式弧形鏟片，前端弧度半徑為140 mm；側(cè)翼呈螺旋上升形狀，鏟片均勻分布Φ12 mm 圓形貫通孔，孔隙率控制在12%，鏟片材質(zhì)選高強度、低磨損鋼。

3）減振系統(tǒng)在收獲裝置與輸送接觸處設(shè)置環(huán)形減振組件，采用鋼圈彈簧或六棱橡膠彈簧，間距100 mm，輸送帶入口設(shè)置柔性膠皮過渡段，長度為輸送帶寬度的0.8倍。

4）容器化系統(tǒng)設(shè)計模塊化網(wǎng)箱，內(nèi)部長度、寬度分別為1 000 mm、600 mm，網(wǎng)箱材質(zhì)為工程塑料，底部設(shè)計成金屬滑軌結(jié)構(gòu)，箱體通過滑軌與輸送帶實現(xiàn)精準(zhǔn)對接[10]。

5）控制系統(tǒng)采用PLC 電控與氣動組合控制模式，設(shè)置人機對話操作界面，鎖存故障診斷程序，控制精度達(dá)到±2%以內(nèi)的穩(wěn)定誤差范圍。

4 試驗設(shè)計與結(jié)果分析

4.1 試驗設(shè)計

為了驗證所提出的毛蔥機械化收獲裝備設(shè)計方案和技術(shù)路線的有效性，進(jìn)行了如下試驗設(shè)計：一是在典型套種毛蔥試驗地，選取連片區(qū)域10 畝地塊進(jìn)行測試。所有地塊毛蔥栽培采用標(biāo)準(zhǔn)套種模式，行距18 cm，株距12 cm，株高40 cm～60 cm，倒伏嚴(yán)重。二是自主研發(fā)一臺毛蔥機械化收獲試驗機，整體采用模塊化設(shè)計。包含尖銳鈍角刮板整復(fù)系統(tǒng)、帶孔弧形鏟挖掘系統(tǒng)、鋼圈彈簧減振系統(tǒng)、網(wǎng)箱容器化輸送系統(tǒng)。關(guān)鍵參數(shù)為刮板鈍角80°，前置輪直徑18 cm，鏟片孔隙率12%，挖掘深度32 cm，鋼圈彈簧間距10 cm，網(wǎng)箱尺寸60 cm×100 cm。三是進(jìn)行收獲試驗，機械工作速度定為1.0 m/s，連續(xù)作業(yè)時間為2 h。收獲過程持續(xù)記錄各項技術(shù)指標(biāo)，包括整復(fù)率、根系完整率、脫粒率、斷稈率等數(shù)據(jù)。同時，使用高速攝像系統(tǒng)記錄收獲全過程，以供后期分析。四是收獲結(jié)束后，隨機抽取100 株毛蔥進(jìn)行人工分析，評估根系受損情況、蔥稈完整性，并取樣檢測收獲后毛蔥的營養(yǎng)成分變化情況，以全面評估機械收獲對產(chǎn)量及質(zhì)量的影響。

4.2 結(jié)果分析

通過對毛蔥機械收獲裝備的現(xiàn)場試驗，獲得了關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)結(jié)果，對這些結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析如下：在整復(fù)率方面，經(jīng)過2 h 連續(xù)作業(yè)，共對2 000 余株毛蔥進(jìn)行了機械化整復(fù)。結(jié)果顯示，整復(fù)效果良好，這證明設(shè)置尖銳鈍角刮板的整復(fù)機構(gòu)設(shè)計是行之有效的。在根系完整率方面，隨機抽取100 株毛蔥進(jìn)行檢查，斷根情況很少，這說明弧形螺旋帶孔鏟的挖掘系統(tǒng)可減小對根系的機械損傷。在脫粒率方面，輸送過程中脫落情況很少，這與設(shè)計目標(biāo)基本一致。在斷稈率方面，幾乎無斷稈發(fā)生，表明設(shè)置減振組件可有效減小收獲過程中對稈的損傷。此外，從抽樣檢測結(jié)果看，機械收獲對毛蔥營養(yǎng)成分也無明顯負(fù)面影響。收獲試驗的主要技術(shù)指標(biāo)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 毛蔥機械收獲試驗主要技術(shù)指標(biāo)

從表1 可以看出，各項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的平均值均達(dá)到了設(shè)計要求，變異系數(shù)也比較小，說明試驗結(jié)果穩(wěn)定可靠。這證實了所提出的技術(shù)方案和裝備設(shè)計是可行有效的。毛蔥機械化收獲裝備在應(yīng)對套種模式下毛蔥的倒伏和根際土壤致密等問題上取得了進(jìn)展，具有良好的應(yīng)用前景。但也還需繼續(xù)優(yōu)化提高指標(biāo)性能，以適應(yīng)大規(guī)模高效生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)語

本研究針對毛蔥機械化收獲中的整復(fù)和挖掘難題，提出了尖銳鈍角刮板整復(fù)系統(tǒng)和帶孔弧形鏟挖掘系統(tǒng)的設(shè)計方案。通過針對套種毛蔥的試驗驗證，表明該設(shè)計思路是可行有效的。當(dāng)然，各項性能指標(biāo)仍需繼續(xù)優(yōu)化提升，以適應(yīng)規(guī)模化需求。總體而言，本研究為實現(xiàn)毛蔥機械化收獲提供了新的技術(shù)手段，對推動該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展具有借鑒作用。后續(xù)將專注參數(shù)優(yōu)化與產(chǎn)品化，持續(xù)拓展技術(shù)應(yīng)用范圍。