山藥機(jī)械化收獲技術(shù)及其發(fā)展

龍思放 劉月廣 馬斯

摘 要：中國(guó)山藥種植具有范圍廣、地域地理復(fù)雜的特點(diǎn)，機(jī)械化收獲是山藥機(jī)械化生產(chǎn)中關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。山藥收獲機(jī)械化技術(shù)包括開溝、振動(dòng)、提升、輸送等幾個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)。分析了中國(guó)山藥收獲機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、特點(diǎn)及制約因素，并對(duì)山藥收獲機(jī)械化發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：山藥;機(jī)械化收獲;現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：S225 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.03.003Open Science Identity（OSID）

0 引言

山藥屬草本植物，其塊根富含蛋白質(zhì)和淀粉，是藥食同源的名貴食材。我國(guó)有悠久的山藥栽培歷史，其主產(chǎn)地位于河南，以鐵棍山藥和懷山藥為主，產(chǎn)量占全國(guó)80%左右[1-2]。另外，河北、山西、廣西、山東、浙江、湖北等地也有栽培。在我國(guó)，山藥收獲還處于半機(jī)械化初級(jí)狀態(tài)，山藥的出土、清選、輸送和存儲(chǔ)還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。大部分收獲機(jī)械只停留在開溝、松土階段，極少數(shù)配備有提升裝置，但效果差，對(duì)山藥損傷較為嚴(yán)重[3]。目前，小面積麻山藥種植區(qū)多以人工挖掘?yàn)橹?，較大面積種植區(qū)多采用挖溝機(jī)先在麻山藥兩行間開出一條深溝，然后人工再用鐵鍬挖掘，如圖1所示。以上收獲方式機(jī)械化程度低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，易對(duì)麻山藥造成損傷，影響品相。

1 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外山藥收獲機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

山藥主產(chǎn)區(qū)位于東南亞，20世紀(jì)60年代，日本開始研究山藥、胡蘿卜、青芋等根莖類收獲機(jī)械，并在20世紀(jì)90年代末成功研制出小型根莖類收獲裝備。21世紀(jì)初，日本研發(fā)了較為成熟的山藥機(jī)械，隨后不斷改進(jìn)優(yōu)化[4-5]，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)了種植——培育——收獲的全程機(jī)械化。日本所種植山藥較中國(guó)山藥品種扎根淺且形態(tài)粗，兩者之間存在一定差異，但山藥產(chǎn)業(yè)模式值得借鑒與學(xué)習(xí)。

1.2 國(guó)內(nèi)山藥收獲機(jī)的發(fā)展及現(xiàn)狀

由于山藥本身脆性大、易折斷且扎根較深，若直接拔取或在山藥下方振動(dòng)松土是行不通的，因此我國(guó)山藥收獲機(jī)的設(shè)計(jì)多重于開溝機(jī)研究[6]。國(guó)內(nèi)對(duì)開溝機(jī)的研究起步較晚，20世紀(jì)50年代開始出現(xiàn)犁鏵式開溝機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但機(jī)體笨重、牽引阻力大[7];20世紀(jì)70年代出現(xiàn)圓盤式開溝機(jī)，其牽引阻力小、工作效率高，但能耗大、開溝深度較淺[8];20世紀(jì)90年代螺旋式、鏈?zhǔn)介_溝機(jī)開始出現(xiàn)，其開溝深度能夠滿足山藥的機(jī)械化收獲，與此同時(shí)國(guó)內(nèi)拖拉機(jī)馬力得到大幅度提升，能夠與開溝機(jī)相配套，山藥種植與收獲機(jī)械開始出現(xiàn)[9-10]。

1998年北京順義區(qū)農(nóng)機(jī)具研究所研發(fā)出第一臺(tái)雙排鏈?zhǔn)缴剿幏N植收獲機(jī)，如圖3所示[11]。其結(jié)構(gòu)包括機(jī)架、挖掘裝置和傳動(dòng)裝置。在收獲過(guò)程中，利用兩排鏈條在山藥土壟一側(cè)開溝挖掘，隨后由人工挖掘、撿拾，減輕了生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度。

2011年王茂成設(shè)計(jì)了螺旋式山藥種植收獲一體機(jī)[12]。它主要包括機(jī)架、動(dòng)力裝置、振動(dòng)裝置及開溝裝置，振動(dòng)裝置裝配在開溝裝置后端，振動(dòng)裝置的工作部件為振動(dòng)箱。工作時(shí)，開溝裝置將山藥土壟兩側(cè)的土壤掘松之后由振動(dòng)裝置松土，使山藥向上頂出，如圖4所示。該機(jī)具較上一代添加了振動(dòng)裝置，有利于土壤與山藥分離，但旋溝犁的位置固定就意味著此機(jī)具適用性降低，同時(shí)機(jī)具功耗、前進(jìn)阻力大，入土過(guò)程十分困難。

隨后山東森海公司與山東農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制了佐佐木牌4USY-1山藥收獲機(jī)，該機(jī)具采用單行收獲的方式，在山藥兩側(cè)開溝，振動(dòng)裝置在山藥下方振動(dòng)，使山藥隨土壤向上提升，此機(jī)具適合我國(guó)多種種植模式使用，如圖5所示。田間作業(yè)效果表明機(jī)械挖掘深度為90～105 cm，起土到位，山藥基本無(wú)破損，效果好;試驗(yàn)田單產(chǎn)約為1474 kg·畝-1，田間破損山藥質(zhì)量為514 kg，破損率為35%[13]。

2014年河北工業(yè)大學(xué)等模仿考古挖掘過(guò)程，將山藥根莖兩側(cè)土壤去除，取其中間部位，加之振動(dòng)松土，最終研發(fā)了一款集挖掘開溝、松土、輸送為一體的山藥收獲機(jī)，如圖6所示，但只對(duì)該裝備進(jìn)行了有限元仿真與校核，并未見到實(shí)際的田間收獲效果[14]。此機(jī)型與佐佐木山藥機(jī)較為相似，但在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上采用前置液壓機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)挖掘深度，后置輸送機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓油缸與機(jī)架相連，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)來(lái)改變輸送機(jī)構(gòu)的傾斜角度，從而有利于適應(yīng)不同深度的山藥挖掘與山藥輸送工作。

2016年蠡縣第一播種機(jī)械廠研發(fā)了一款麻山藥收獲機(jī)，如圖7所示。與前文提到的幾款后懸掛式山藥收獲機(jī)不同的是，該機(jī)具集挖溝收獲、土壤回填、平整土地等功能于一體，并設(shè)有3條開溝鏈，可同時(shí)開3條溝進(jìn)行雙行收獲，振動(dòng)裝置位于兩行山藥下方，振動(dòng)松土。折返收獲時(shí)將之前倒出到地面的土壤回填至已開溝中，有利于后期的平整地工作。田間實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明收獲機(jī)破損率在5%以內(nèi)[15]，滿足農(nóng)藝要求。

2018年初，山東菏澤市陳集鎮(zhèn)農(nóng)民栗廣臣發(fā)明了一款振動(dòng)式單行山藥收獲機(jī)，在山藥兩側(cè)開溝的同時(shí)附加機(jī)械振動(dòng)，使土壤下降，山藥上升，最后由人工拔取，如圖8所示。該機(jī)具也是集山藥收獲與土壤回填的一體化機(jī)械，通過(guò)田間試驗(yàn)表明效率約為人工的30倍，且損失率較低。

2 存在問(wèn)題與研究方向

2.1 存在問(wèn)題

目前國(guó)外根莖類作物的機(jī)械化收獲技術(shù)比較成熟，國(guó)內(nèi)山藥產(chǎn)業(yè)的實(shí)際情況和機(jī)械化收獲的研究還存在諸多問(wèn)題，制約著山藥產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的發(fā)展。

（1）種植農(nóng)藝多樣化。

山藥機(jī)械化收獲對(duì)農(nóng)藝要求高，加之我國(guó)山藥在種植、田間管理等方面機(jī)械化程度低，且各地的種植方式不同、農(nóng)藝不規(guī)范，對(duì)山藥收獲機(jī)的適應(yīng)性能力提出很高要求。此外，大部分山藥種植區(qū)域不集中、成片狀，缺乏相對(duì)成熟的合作機(jī)制，導(dǎo)致山藥不能規(guī)?；a(chǎn)，一些大型種植機(jī)械、收獲機(jī)械價(jià)格昂貴，個(gè)體戶很難承擔(dān)其費(fèi)用。

（2）收獲阻力大，山藥損傷率高。

山藥收獲作業(yè)條件差，挖掘深度較深。泥土、石頭等雜物會(huì)對(duì)機(jī)具造成很大的前進(jìn)阻力和剛性沖擊，減少機(jī)具壽命。評(píng)價(jià)收獲機(jī)性能的重要參數(shù)是農(nóng)作物的損傷率，山藥在收獲過(guò)程產(chǎn)生損傷是正常的，但應(yīng)完善相應(yīng)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將山藥的損傷降低至可接受范圍內(nèi)。

（3）傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

山藥收獲機(jī)械包括開溝、振動(dòng)、松土等幾個(gè)關(guān)鍵部分，執(zhí)行裝置形式多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成機(jī)械整體過(guò)于龐大，加之作業(yè)深度較大，極易造成壅土、黏附等問(wèn)題，阻礙收獲機(jī)進(jìn)行持續(xù)作業(yè)。

2.2 未來(lái)研究方向

（1）山藥本征特性研究。

山藥物理特性的研究是山藥收獲機(jī)械研發(fā)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)研究山藥的幾何形狀、根莖葉的物理特性（抗拉強(qiáng)度、剪切力、拉拔力等）的研究，可以為山藥收獲機(jī)械的研發(fā)、關(guān)鍵部件參數(shù)的設(shè)定提供理論依據(jù)。

（2）農(nóng)藝農(nóng)機(jī)相結(jié)合。優(yōu)化作物品種，使其有利于機(jī)械化種植、管理與收獲，同時(shí)改進(jìn)種植模式，規(guī)范種植間距，通過(guò)合理利用催熟技術(shù)，使山藥一次性機(jī)械收獲成為可能。通過(guò)相關(guān)學(xué)科專家的定期交流，協(xié)同研究，制定符合機(jī)械化收獲的栽培模式。

（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

山藥收獲機(jī)械體積大，價(jià)格高，由于農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)承受能力低，需盡可能降低制造成本。在保證機(jī)械性能的前提下，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、通用性好、智能化程度高的山藥收獲裝備，將成為未來(lái)市場(chǎng)的大趨勢(shì)。同時(shí)，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論和方法，以及CAD/CAE 軟件，對(duì)進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真提供技術(shù)支持，為優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)提供有力保障。

（4）智能化的收獲系統(tǒng)。

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，將機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)充分結(jié)合起來(lái)，可使收獲機(jī)更加輕量化、智能化、便捷化。針對(duì)山藥收獲機(jī)，可以加裝導(dǎo)航裝置，既保證了山藥收獲機(jī)的直線行駛，又實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)作業(yè)。

3 結(jié)論

隨著山藥種植面積的不斷增加，迫切需要一臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)開溝、振動(dòng)、松土、輸送、篩分的聯(lián)合收獲機(jī)械。一方面要統(tǒng)一栽培模式，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化種植;另一方面要加強(qiáng)對(duì)適合于山藥收獲的小型大馬力拖拉機(jī)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)山藥智能化收獲。同時(shí)，要結(jié)合山藥種植農(nóng)藝，加大山藥收獲關(guān)鍵性技術(shù)的研發(fā)力度，盡快實(shí)現(xiàn)山藥產(chǎn)業(yè)的機(jī)械全程化與智能化。

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