葉菜機(jī)械化收獲技術(shù)與裝備研究進(jìn)展*

鄒亮亮，劉雪美，苑進(jìn)，董小花

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安，271018； 2. 山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安，271018； 3. 濱州市引黃灌溉服務(wù)中心，山東濱州，256600)

0 引言

我國(guó)是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，蔬菜播種面積和產(chǎn)量分別約占世界總量的40%和50%以上[1]。蔬菜是城鄉(xiāng)居民生活必不可少的重要農(nóng)產(chǎn)品，保障蔬菜供給是重大的民生問(wèn)題。葉菜作為典型蔬菜，是指以植物肥嫩的葉片和葉柄作為食用部位的蔬菜，因其營(yíng)養(yǎng)豐富，深受消費(fèi)者喜愛(ài)，是我國(guó)居民不可或缺的營(yíng)養(yǎng)源。

目前我國(guó)葉菜生產(chǎn)過(guò)程隨著農(nóng)村老齡化的現(xiàn)象日益凸顯，農(nóng)村勞動(dòng)力短缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本不斷攀升，葉菜生產(chǎn)“用工難”“用工貴”等問(wèn)題日益突出，迫切需要加快葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化[2]。我國(guó)葉菜生產(chǎn)機(jī)械化起點(diǎn)低、起步晚、發(fā)展慢、水平低，已成為制約蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。為提升我國(guó)葉菜生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)水平，消除裝備技術(shù)體系薄弱對(duì)葉菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的阻礙，應(yīng)綜合分析我國(guó)葉菜生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)水平現(xiàn)狀，基于國(guó)內(nèi)葉菜生產(chǎn)狀況，葉菜收獲環(huán)節(jié)基本空白，嚴(yán)重制約了葉菜機(jī)械化作業(yè)的產(chǎn)業(yè)閉環(huán)鏈的形成，應(yīng)重點(diǎn)解決影響葉菜生產(chǎn)機(jī)械化的薄弱環(huán)節(jié)。

在葉菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中，收獲環(huán)節(jié)尤為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，作業(yè)量超過(guò)葉菜生產(chǎn)全部作業(yè)量的40%[3-4]。為確保葉菜的品質(zhì)，與其他作物相比，葉菜的適時(shí)收獲更為必要。葉菜類(lèi)蔬菜主要分為綠葉菜、香辛葉菜和結(jié)球葉菜三大類(lèi)別，不同種類(lèi)的葉菜形態(tài)各不相同，因而收獲原理也應(yīng)有所差別，為了研制可靠性高、通用性強(qiáng)的葉菜收獲機(jī)械，需要對(duì)目前國(guó)內(nèi)外葉菜收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜合分析。

1 葉菜機(jī)械化收獲裝備研究現(xiàn)狀

1.1 綠葉菜機(jī)械化收獲裝備

綠葉菜是以鮮嫩的綠葉、葉柄和嫩莖為食用部位的速生蔬菜，品類(lèi)豐富，主要包括菠菜、生菜、上海青、茼蒿等葉菜。綠葉菜莖直立，中空，脆弱多汁，在采收過(guò)程中極易造成綠葉菜莖葉的機(jī)械損傷，由于綠葉菜的物理特性，使得機(jī)械采收難度較大。目前我國(guó)綠葉菜收獲主要靠人工，機(jī)械化水平較低，費(fèi)事費(fèi)力，是導(dǎo)致蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展中成本劇增、效益下降的重要環(huán)節(jié)[5]，因此需要大力提高綠葉菜機(jī)械化收獲水平。綠葉菜收獲機(jī)械可以解放菜農(nóng)繁重的體力勞動(dòng)，降低綠葉菜在收獲環(huán)節(jié)的成本。

根據(jù)割刀的工作位置，綠葉菜收獲機(jī)械可以分為割茬收獲和鏟根收獲兩種形式。割茬收獲是指割刀在土上工作，將植株的莖部切斷，切斷后植株葉片散落。該種收獲模式雖然收獲方式容易實(shí)現(xiàn)，但是收獲后的綠葉菜割茬容易污染，使貨架期縮短[6]，而且無(wú)序收獲方式不利于綠葉菜采后的打捆銷(xiāo)售。鏟根收獲是指割刀工作在土下，切斷植株的根部，然后將整株綠葉菜進(jìn)行收集。

根據(jù)采收后綠葉菜的狀態(tài)，可以分為有序收獲和無(wú)序收獲兩種收獲方式。無(wú)序收獲在綠葉菜播種時(shí)一般采用撒播的形式，收獲過(guò)程采用鏟根收獲和割茬收獲兩種收獲形式。其中鏟根收獲對(duì)起壟有要求，一般要求起壟平整，收獲時(shí)土質(zhì)松軟。有序收獲主要采用鏟根收獲形式，一般要求播種時(shí)采用條播的形式，常采用夾持輸送的形式。國(guó)外在綠葉菜收獲機(jī)械研制方面，其中意大利某公司推出了多種型號(hào)的葉菜收獲機(jī)械[7]，可以滿(mǎn)足對(duì)菠菜、上海青等多種綠葉菜的割茬無(wú)序收獲、鏟根無(wú)序收獲、帶根有序收獲和割茬有序收獲等多種收獲形式。4種綠葉菜收獲機(jī)械中，SLIDE ECO型割茬無(wú)序收獲機(jī)收獲效率最高，收獲速度最高可以達(dá)到10 km/h；SLIDE VALERIANA型帶根無(wú)序收獲機(jī)由于割刀土下作用，收獲效率較低；TRAX SMALL型割茬有序收獲機(jī)與RAPID型帶根有序收獲機(jī)均采用夾持輸送形式，為了避免損傷，收獲效率最低。雖然該系列的收獲機(jī)械可以對(duì)不同類(lèi)型的綠葉菜進(jìn)行收獲，但是對(duì)綠葉菜的種植農(nóng)藝要求嚴(yán)格，需要相應(yīng)的耕整地、播種以及移栽機(jī)械配合。

與國(guó)外成熟的綠葉菜收獲機(jī)械相比，雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者們提出了一系列綠葉菜機(jī)械收獲方案，但只是前期的研究開(kāi)發(fā)，鮮有成熟產(chǎn)品投入市場(chǎng)。章永年等[8]設(shè)計(jì)了一款自走式綠葉菜有序收獲機(jī)，采用割茬有序收獲的形式，經(jīng)過(guò)分禾、夾持、切割、輸送、轉(zhuǎn)向、裝載幾個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)夾持輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)綠葉菜的低損傷有序采收。高龍等應(yīng)用功能樹(shù)確定葉菜收獲機(jī)的總體方案，設(shè)計(jì)了一種小型智能自動(dòng)化葉菜收獲機(jī)。通過(guò)智能調(diào)節(jié)割幅寬度和割茬高度，可以滿(mǎn)足對(duì)多種葉菜進(jìn)行無(wú)序散收。

國(guó)內(nèi)對(duì)綠葉菜收獲機(jī)械的研究起步晚，目前處于起步階段，主要采用引進(jìn)和消化吸收的技術(shù)研究策略。但由于國(guó)內(nèi)綠葉菜多為散戶(hù)種植，種植規(guī)模較小，且種植農(nóng)藝也不適合國(guó)外綠葉菜收獲機(jī)械，使得歐美國(guó)家的大型收獲機(jī)械難以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)的需要，所以迫切需要研制高效、適用性強(qiáng)的綠葉菜收獲機(jī)械。

1.2 香辛葉菜機(jī)械化收獲裝備

香辛葉菜類(lèi)主要包括大蔥、韭菜、香菜等葉菜。香辛葉菜主要有兩種收獲方式，分別為以大蔥為代表的土下收獲和以韭菜為代表的土上割茬收獲。國(guó)外辛香葉菜收獲技術(shù)及裝備相對(duì)成熟，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該類(lèi)葉菜的機(jī)械化收獲。德國(guó)某公司生產(chǎn)了多款大蔥聯(lián)合收獲機(jī)，配置上擁有開(kāi)放式主機(jī)結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)單而精確地進(jìn)行深度控制，采用柔性?shī)A拔皮帶，液壓驅(qū)動(dòng)輸送皮帶，可以完成對(duì)大蔥的打稍、挖掘、除土、夾送、堆放等作業(yè)。該公司生產(chǎn)的韭菜聯(lián)合收獲機(jī)，一次可收割單行或多行韭菜，使用負(fù)壓風(fēng)機(jī)可以使韭菜切割時(shí)保持直立，韭菜被兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的錐形刷輥導(dǎo)向入料皮帶。切盤(pán)按照設(shè)定的切割高度將韭菜切斷，切割高度可液壓調(diào)節(jié)。韭菜接著被轉(zhuǎn)向放置在輸送帶上，隨后被切成所設(shè)定的小段，然后裝入木箱或料斗。

雖然我國(guó)對(duì)大蔥、韭菜等香辛葉菜類(lèi)收獲機(jī)械的研究起步較晚，但是發(fā)展速度很快，國(guó)產(chǎn)化裝備水平較高，而且以中小型收獲機(jī)械為主，代表機(jī)型有：HX-SHJ型大蔥收獲機(jī)、JT-200型韭菜收割機(jī)、hx-200型韭菜收割機(jī)。但是以大蔥收獲為例，目前的大蔥收獲機(jī)主要以單行收獲為主，自動(dòng)化程度低，功能少，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的挖掘作業(yè)，去土、收集工作仍需人工完成。針對(duì)目前香辛葉菜收獲機(jī)械存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。王方艷等[9]研制了一種集挖掘、清土、升運(yùn)、鋪放等作業(yè)為一體的大蔥收獲機(jī)。整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)分為機(jī)械傳動(dòng)部分和液壓傳動(dòng)部分，機(jī)械傳動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)行走系統(tǒng)及挖掘收獲系統(tǒng)的動(dòng)力協(xié)調(diào)，液壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)挖掘收獲系統(tǒng)的位置調(diào)整、夾送裝置的轉(zhuǎn)速控制、扭鋪裝置的轉(zhuǎn)速控制。針對(duì)目前韭菜收割機(jī)安全性和通用性差等問(wèn)題，宮元娟等設(shè)計(jì)了一款低割茬的韭菜收割裝置，并提高了收割機(jī)的安全性，同時(shí)也可以用于收割空心菜、沙蔥等多種作物，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用。

1.3 結(jié)球葉菜機(jī)械化收獲裝備

結(jié)球葉菜類(lèi)主要包括甘藍(lán)、結(jié)球生菜、大白菜等土表切根類(lèi)葉菜。目前，結(jié)球葉菜類(lèi)收獲機(jī)械較為成熟，其中以甘藍(lán)收獲機(jī)械為代表，已經(jīng)應(yīng)用于世界各地。國(guó)外對(duì)甘藍(lán)收獲機(jī)械的研究起步較早，技術(shù)研究相對(duì)成熟，已實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)。早在20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)就研制了世界第一臺(tái)甘藍(lán)收獲機(jī)，其中設(shè)計(jì)的拔取裝置、切割裝置、輸送裝置仍然是現(xiàn)在甘藍(lán)收獲機(jī)研究的核心部件，奠定了甘藍(lán)收獲機(jī)的基本結(jié)構(gòu)[10]。現(xiàn)階段國(guó)外甘藍(lán)收獲機(jī)械較為成熟，如意大利的RAPID型甘藍(lán)收獲機(jī)，收獲行距小，最小行距為35 cm，采用前齒刀切割頭，可以通過(guò)傳感器調(diào)節(jié)切割深度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)。比利時(shí)的KOROVM DB型甘藍(lán)收獲機(jī)智能化程度高，單行收獲，采用先拔取后切根的收獲形式，需要拖拉機(jī)配套動(dòng)力不小于94 kW，最小收獲行距為55 cm。丹麥的TK-1000型甘藍(lán)收獲機(jī)配備網(wǎng)式壓緊皮帶，確保甘藍(lán)在輸送和切根時(shí)的穩(wěn)定性。網(wǎng)式壓緊皮帶上下輕壓夾持輸送，穩(wěn)定性好，可同時(shí)適用于球形和扁圓形直徑為20～50 cm葉菜，適用范圍廣。采用圓盤(pán)式切刀，能穩(wěn)定切除作物根部。配套動(dòng)力不低于104 kW，適宜行距不低于60 cm。3種收獲機(jī)械較為成熟，可以滿(mǎn)足不同行距甘藍(lán)的收獲需求。

國(guó)內(nèi)對(duì)甘藍(lán)收獲機(jī)械的研究起步較晚，采用引進(jìn)和消化吸收的模式，已有北京、成都、蘇州等多地引進(jìn)國(guó)外的甘藍(lán)收獲機(jī)，用于甘藍(lán)生產(chǎn)和技術(shù)研究[11-12]。通過(guò)對(duì)國(guó)外甘藍(lán)收獲機(jī)的推廣示范，結(jié)合我國(guó)種植農(nóng)藝特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)甘藍(lán)收獲機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一系列的改進(jìn)升級(jí)，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，基本實(shí)現(xiàn)甘藍(lán)的機(jī)械化收獲。

綜上所述，通過(guò)對(duì)3種葉菜收獲裝備的分析比較，發(fā)現(xiàn)雖然結(jié)球葉菜收獲裝備體積較大，但是由于結(jié)球葉菜最外層葉片的保護(hù)作用，且最外層葉片通常不被食用，收獲過(guò)程結(jié)球葉菜食用部位不易損傷，因而結(jié)球葉菜收獲機(jī)械收獲效果最好。香辛葉菜直立性較好，收獲過(guò)程常采用夾持輸送的方式，便于收獲后的收集打捆，收獲效果較好。綠葉菜種類(lèi)最多，導(dǎo)致綠葉菜收獲模式有所差別，使得收獲機(jī)械的收獲原理有所不同。此外，綠葉菜莖葉作為食用部位，收獲過(guò)程極易損傷，這也增大了綠葉菜收獲機(jī)械的收獲難度，收獲效果一般。因而可以看出，綠葉菜收獲裝備具有較大的提升空間。

2 葉菜收獲機(jī)械化技術(shù)研究現(xiàn)狀

考慮到葉菜的形態(tài)以及食用部位主要以柔嫩的莖葉為主，收獲過(guò)程可以總結(jié)為由“切—挖—拔(割)—送—裝”等多個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)組成，不同類(lèi)型的葉菜收獲過(guò)程可由不同的作業(yè)環(huán)節(jié)組成。各個(gè)環(huán)節(jié)之間相互聯(lián)系，相互影響,每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)最終的收獲質(zhì)量產(chǎn)生影響，如圖1所示。

圖1 葉菜收獲過(guò)程圖解

2.1 葉菜與部件互作過(guò)程研究現(xiàn)狀

切根是菠菜等葉菜收獲過(guò)程的首要環(huán)節(jié)，對(duì)收獲質(zhì)量起決定性作用。根切過(guò)程決定了鏟切阻力，影響了收獲機(jī)器的能耗[13-14]。根切過(guò)程同時(shí)也對(duì)土壤的擾動(dòng)有影響，切根質(zhì)量好壞直接決定收獲過(guò)程的后面環(huán)節(jié)，因而明晰根切過(guò)程中根切鏟與土壤和根部的互作機(jī)理變得尤為重要。綠葉菜的根部較細(xì)，莖葉多直立狀態(tài)，F(xiàn)ujisawa等[15-16]對(duì)菠菜收獲機(jī)的根土鏟進(jìn)行優(yōu)化，為了減少根土鏟工作過(guò)程中的壅土量，對(duì)鏟在土壤中的工作軌跡進(jìn)行研究，將鏟在土壤中的行進(jìn)軌跡進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并借助離散元分析的方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，通過(guò)仿真分析得到了根土鏟的最優(yōu)工作軌跡。劉雪美等[17]設(shè)計(jì)了一種適用于白蘆筍選擇性收獲機(jī)的末端執(zhí)行器，利用離散元法建立了白蘆筍—末端執(zhí)行器—土壤的互作用模型，對(duì)末端執(zhí)行器入土驅(qū)動(dòng)力、剪切力以及夾持力等控制參數(shù)進(jìn)行了定量描述，為葉菜切根過(guò)程的研究提供了理論基礎(chǔ)。

在葉菜夾持有序輸送過(guò)程中，植株極易受到夾持輸送裝置的擠壓產(chǎn)生機(jī)械損傷。為了避免采收過(guò)程中由于作用部件引起的果蔬損傷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為實(shí)現(xiàn)柔性?shī)A持而進(jìn)行了大量的研究。鄒亮亮等[18]通過(guò)研究菠菜植株的流變特性，基于Burgers粘彈性模型構(gòu)建了菠菜植株夾持輸送作用下的流變本構(gòu)方程，將菠菜塑性變形量作為衡量菠菜機(jī)械損傷程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究菠菜與夾持機(jī)構(gòu)的互作關(guān)系，實(shí)現(xiàn)低損傷夾持輸送。為了減少采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器在夾持過(guò)程中對(duì)果蔬造成的損傷，苗玉彬等[19-20]設(shè)計(jì)了一種恒力柔順夾持機(jī)構(gòu)，通過(guò)在末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和夾鉗之間設(shè)置柔順屈曲梁，采用打靶法和遺傳算法計(jì)算求解柔順機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)優(yōu)化柔順機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，使末端執(zhí)行器在一定位移輸入范圍內(nèi)具有恒力輸出特性，并可根據(jù)夾持力大小調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)果蔬的恒力夾持。

綜上所述，通過(guò)建立葉菜力學(xué)模型，分析葉菜與收獲作用機(jī)構(gòu)的互作關(guān)系，采用主動(dòng)控制、柔性?shī)A持等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉菜的低損傷收獲。

2.2 收獲過(guò)程關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 根切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

不同種類(lèi)的葉菜根的尺寸和力學(xué)特性不同，因而根切方式和根切機(jī)構(gòu)也不同。針對(duì)甘藍(lán)等葉菜根部粗壯，根菜分離過(guò)程需要消耗大量的能量，了解甘藍(lán)根部的物理和力學(xué)特性，對(duì)指導(dǎo)甘藍(lán)鏟切機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和鏟切參數(shù)的優(yōu)化具有指導(dǎo)意義[21-22]。李小強(qiáng)等[22]通過(guò)對(duì)甘藍(lán)根莖部的切割試驗(yàn)，分析了不同夾持、切割方式、切割方向和速度對(duì)切割力的影響，為甘藍(lán)收獲機(jī)切割器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

目前綠葉菜收獲主要采用的是割茬無(wú)序收獲的形式，為了解決收獲過(guò)程中機(jī)械損傷以及采后收集處理等問(wèn)題，迫切需要解決綠葉菜低損傷、有序收獲等關(guān)鍵技術(shù)。破土鏟根是菠菜等綠葉菜有序收獲的首要環(huán)節(jié)，鏟根過(guò)程關(guān)聯(lián)收獲的后續(xù)環(huán)節(jié)，影響綠葉菜的機(jī)械損傷，因而需要對(duì)鏟根過(guò)程進(jìn)行研究。

目前葉菜鏟根機(jī)構(gòu)主要可以分為回轉(zhuǎn)式、往復(fù)振動(dòng)式和平直滑切式鏟切機(jī)構(gòu)。三種鏟根機(jī)構(gòu)，平直滑切式鏟切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，采用滑切原理，適用于土質(zhì)松散種植環(huán)境下的葉菜收獲；回轉(zhuǎn)式鏟根機(jī)構(gòu)可以提供較大的切割力，主要用于結(jié)球葉菜等較粗根系的切割；往復(fù)振動(dòng)式通過(guò)振動(dòng)的方式，可以輕松實(shí)現(xiàn)根土分離。

甘藍(lán)根莖較其他葉菜根粗壯，因而需要較大的剪切力才能切斷，為了順利切斷甘藍(lán)的根，目前普遍采用回轉(zhuǎn)式鏟切機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可提高切刀受力的平衡性，有利于提升切根質(zhì)量、切根效率，便于后續(xù)夾持輸送。李天華等[23]采用并排布置的回轉(zhuǎn)式圓盤(pán)切刀，通過(guò)調(diào)節(jié)切刀轉(zhuǎn)速、切割位置、行走速度、切刀重疊量和俯仰角度等參數(shù)，使得切根反作用最小，此時(shí)切根效率高、切根效果好。

往復(fù)振動(dòng)式鏟切機(jī)構(gòu)是通過(guò)鏟刀左右或前后振動(dòng)，鏟刀跟隨收獲機(jī)械前進(jìn)而切斷葉菜根部。該形式一般適用于起壟的種植模式，通過(guò)動(dòng)力源帶動(dòng)刀片左右擺動(dòng)，刀片在土下作業(yè)，收獲機(jī)械由于前進(jìn)方向的動(dòng)力牽引將葉菜根切斷。意大利的SLIDE VALERIANA型帶根無(wú)序收獲機(jī)和日本的KOYO健人型葉菜根切機(jī)采用的是該種切割方式。該種切割方式切割效率高，但是在葉菜種植時(shí)需要起壟種植。

平直滑切式是模擬人工采收過(guò)程，利用滑切原理，當(dāng)鏟刀跟隨機(jī)器一起前進(jìn)時(shí)，將葉菜根部切斷，一般用于切割根部較細(xì)長(zhǎng)的綠葉菜。采用合理的滑切角可以降低切割阻力，降低機(jī)具作業(yè)功耗，因而需要對(duì)鏟刀的刃口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。苑進(jìn)等[24-25]設(shè)計(jì)的菠菜收獲機(jī)根切機(jī)構(gòu)采用平直滑切式，將菱形曲面鏟、三角直鏟、矩形直鏟3種鏟進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)仿真分析，證明了在3種鏟的規(guī)格基本尺寸參數(shù)一致的前提下，采用滑切形式的三角直鏟在鏟切過(guò)程中受到的鏟切阻力最小，對(duì)土壤的擾動(dòng)較小，因而鏟切效果較好。權(quán)龍哲等[26]通過(guò)建立玉米根茬切割過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型及能耗模型，揭示了最優(yōu)滑切角與物料摩擦角之間的函數(shù)關(guān)系，以根土復(fù)合體為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了具有多級(jí)滑切角的刃口，大大降低了鏟切功耗，為葉菜根部鏟切提供了理論指導(dǎo)。

2.2.2 挖掘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

挖掘過(guò)程是大蔥收獲的首要環(huán)節(jié)，大蔥挖掘鏟的工作深度較深，在設(shè)計(jì)的時(shí)候不僅需要考慮入土性能和功耗，而且要避免切斷大蔥。挖掘過(guò)程要配合抖土機(jī)構(gòu)，作業(yè)時(shí)，挖掘鏟和抖土篩聯(lián)合作業(yè)，完成大蔥挖掘和一次去土清雜。挖掘裝置作為大蔥收獲的核心部件，影響大蔥的挖掘效果及收獲質(zhì)量。常用的挖掘裝置有振動(dòng)鏟式、刀盤(pán)式及組合式等。振動(dòng)鏟式、刀盤(pán)式挖掘裝置入土效果與土壤松碎效果好，但易傷蔥且功耗大。王方艷采用組合挖掘裝置，該裝置由位于大蔥壟兩側(cè)的旋松刀組與壟底的V型挖掘鏟組成，采用分步挖掘方式，可有效減少挖掘阻力，適度增加挖掘深度，對(duì)土壤的適用性較強(qiáng)，可提高大蔥的挖掘深度，有效降低挖掘鏟的挖掘阻力及工作適應(yīng)性。工作時(shí)蔥壟兩側(cè)的土壤被旋松刀組旋松側(cè)拋，底部土壤被V型挖掘鏟切割和抬升。侯加林等[27]對(duì)挖掘鏟的鏟刃斜角、鏟寬和挖掘鏟的水平傾角進(jìn)行優(yōu)化，提高了挖掘鏟的入土性能，減低了能耗，避免在挖掘過(guò)程出現(xiàn)雍土和挖斷大蔥的現(xiàn)象。

2.2.3 拔取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏟完根后為了實(shí)現(xiàn)根菜以及根土徹底分離，需要對(duì)葉菜進(jìn)行拔取。拔取機(jī)構(gòu)主要分為夾持拔取機(jī)構(gòu)、引拔機(jī)構(gòu)和雙螺旋拔取機(jī)構(gòu)，如表1所示。

表1 典型的拔取機(jī)構(gòu)Tab. 1 Typical structure of detaching mechanism

杜冬冬[28]采用引拔鏟作為拔取裝置，收獲時(shí)引拔鏟配合撥輪的方式，利用機(jī)具的前進(jìn)速度，將甘藍(lán)連根拔起并沿引拔鏟導(dǎo)向桿向后引導(dǎo)至輸送裝置，撥輪起到輔助喂入的作用。

雙螺旋拔取機(jī)構(gòu)將結(jié)球甘藍(lán)導(dǎo)正喂入后，將甘藍(lán)拔起并輸送到切根機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，由于螺旋軸與地面呈一定的角度，隨著作業(yè)機(jī)車(chē)的前進(jìn)，甘藍(lán)根莖與螺旋軸接觸，當(dāng)螺旋軸與甘藍(lán)根部及結(jié)球外包葉充分接觸后，螺旋軸對(duì)甘藍(lán)產(chǎn)生向上的拔取力，此后隨著作業(yè)機(jī)車(chē)?yán)^續(xù)前進(jìn)，甘藍(lán)相對(duì)于地面的高度不斷增加，甘藍(lán)逐漸被拔離土壤，同時(shí)，壓頂網(wǎng)帶接觸包裹甘藍(lán)，在螺旋軸夾持及壓頂網(wǎng)帶的共同帶動(dòng)下，向切根機(jī)構(gòu)輸送[29-30]。

綠葉菜根部較細(xì)而且短，在被切斷后極易被拔取，拔取力較小，采用夾持拔取機(jī)構(gòu)容易拔取而且可以保持葉菜的直立狀態(tài)，便于后面的有序輸送。

2.2.4 割茬機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

割茬收獲是指土表切割，主要用于收獲韭菜、綠葉菜等葉菜，收獲效率高。割茬收獲過(guò)程中，切割質(zhì)量對(duì)收獲效果至關(guān)重要。施印炎等[31]采用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法，建立了切割部件的三維實(shí)體模型和莖稈的柔性簡(jiǎn)化模型，并進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析，選取切割器對(duì)莖稈切割力和重割率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)自走式蘆蒿有序收獲機(jī)中往復(fù)式切割器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

韭菜種植時(shí)采用條播的形式，收獲時(shí)可以采用單行收獲，割刀的形式采用圓盤(pán)鋸齒刀，通過(guò)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀具高速轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)收割韭菜的根不會(huì)造成傷害，最大程度保護(hù)韭菜的下一次產(chǎn)量。針對(duì)綠葉菜的割茬收獲，要求地表平整，為了提高收獲效率，采用寬幅收獲，割刀形式主要采用往復(fù)振動(dòng)切割。與根切機(jī)構(gòu)相比，雖然兩種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式相近，但是由于割茬是在土表完成，工作時(shí)工作阻力小，所以割茬過(guò)程更易實(shí)現(xiàn)。

2.2.5 輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸送環(huán)節(jié)按照收集的效果可以分為有序輸送和無(wú)序輸送。無(wú)序輸送主要采用輸送帶的形式，將葉菜由地面輸送至收集箱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸送效率高，是目前綠葉菜收獲過(guò)程中主要采用的輸送形式，但是由于無(wú)序輸送，需要后續(xù)人工分揀，為了徹底實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”作業(yè)，需要采用有序輸送形式。

有序輸送主要采用夾持輸送的方式，夾持力的大小決定了輸送的成功率和損傷率。夾持拔取力的控制要合理，夾持力過(guò)大會(huì)造成葉菜的損傷，夾持力太小會(huì)導(dǎo)致拔取失敗，因而需要對(duì)夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制夾持力，實(shí)現(xiàn)柔性?shī)A持[32-33]。杜冬冬等[11]采用橫向輸送帶式的夾持輸送方式用于甘藍(lán)收獲機(jī)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)證明了該種輸送方式有利于減少擠壓破損，提高收獲質(zhì)量。

除了夾持輸送方式，周成等[29]對(duì)雙螺旋輸送裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，探索甘藍(lán)收獲機(jī)拔取輸送機(jī)構(gòu)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和各因素對(duì)拔取輸送率和切根合格率的影響規(guī)律，但該種輸送方式只能應(yīng)用于結(jié)球類(lèi)葉菜。

2.3 葉菜機(jī)械收獲智能化技術(shù)

葉菜收獲一直是葉菜生產(chǎn)智能化管理的難點(diǎn)環(huán)節(jié)，在技術(shù)上對(duì)精準(zhǔn)識(shí)別、智能定位、柔性?shī)A持等均有很高的要求，同時(shí)農(nóng)機(jī)、農(nóng)具、農(nóng)藝、作業(yè)等的匹配度也是決定智能化收獲的關(guān)鍵因素。隨著定位與導(dǎo)航、傳感與檢測(cè)、自動(dòng)控制和信息處理等技術(shù)的發(fā)展，收獲過(guò)程的自動(dòng)化和智能化已成為葉菜收獲的必然趨勢(shì)[34-35]，是解決葉菜收獲損傷，提高葉菜收獲效率的有效途徑。

2.3.1 自動(dòng)對(duì)行技術(shù)

由于葉菜收獲作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，收獲過(guò)程需要駕駛員集中精力來(lái)人工對(duì)行，駕駛員易產(chǎn)生駕駛疲勞。在收獲過(guò)程中，收獲機(jī)對(duì)行質(zhì)量差，易造成漏割、重割、推倒及碾壓葉菜植株等現(xiàn)象，造成收獲損失大幅增加[36]。自動(dòng)對(duì)行技術(shù)在大田作物收獲過(guò)程中已得到大量應(yīng)用[37-38]，但在葉菜的田間收獲應(yīng)用較少，目前已成為國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中自動(dòng)對(duì)行技術(shù)普遍采用基于機(jī)器視覺(jué)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)兩種方法，前者利用圖像處理技術(shù)識(shí)別作物行的方法，進(jìn)而確定導(dǎo)航基準(zhǔn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與作物的相對(duì)位置與航向信息的測(cè)量；后者利用衛(wèi)星定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)位置的高精度測(cè)量，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。而面對(duì)復(fù)雜的田間環(huán)境變化，在位置測(cè)量中應(yīng)用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)通常也可以得到更好的測(cè)量結(jié)果。伍淵遠(yuǎn)等[39]利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)獲取智能葉菜收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程中所需的導(dǎo)航參數(shù)。首先對(duì)自主獲取導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行研究，將采集的葉菜田圖像進(jìn)行預(yù)處理、獲取導(dǎo)航離散點(diǎn)，利用穩(wěn)健回歸法對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合進(jìn)而獲得導(dǎo)航控制參數(shù)，以便收獲機(jī)調(diào)整作業(yè)方向。吳華瑞等通過(guò)集成農(nóng)機(jī)自主導(dǎo)航、軌跡監(jiān)測(cè)、機(jī)器視覺(jué)、柔性感應(yīng)等先進(jìn)技術(shù)，以起壟、移栽軌跡數(shù)據(jù)為作業(yè)底數(shù)，利用自主導(dǎo)航和軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)甘藍(lán)采收的精準(zhǔn)對(duì)行，通過(guò)柔性感應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)甘藍(lán)球體大小自動(dòng)識(shí)別和采收履帶寬度的動(dòng)態(tài)調(diào)整，防止由于甘藍(lán)大小不一造成的采收障礙，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)漏采甘藍(lán)的快速識(shí)別，為作業(yè)過(guò)程中農(nóng)機(jī)具性能調(diào)優(yōu)提供支撐。收獲過(guò)程由無(wú)人駕駛拖拉機(jī)帶動(dòng)甘藍(lán)自動(dòng)收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)行，一排排甘藍(lán)依次準(zhǔn)確進(jìn)入自動(dòng)收獲機(jī)的采集器中，由高速旋轉(zhuǎn)的割刀將甘藍(lán)的根部切斷，割下的甘藍(lán)由升運(yùn)裝置、傳送帶直接采收入筐。

2.3.2 割臺(tái)仿形技術(shù)

葉菜收獲過(guò)程對(duì)切割的位置要求比大田作物更為嚴(yán)格，無(wú)論是土下切根形式還是地表割茬形式，常常會(huì)因?yàn)榍懈钗恢谜{(diào)整不當(dāng)造成葉菜大量的損耗。因而葉菜割臺(tái)仿形控制是葉菜機(jī)械收獲過(guò)程中亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。為了解決拔取過(guò)程中由于地表不平導(dǎo)致的漏切、漏拔，Kanamitsu等引入了一套帶有位置伺服控制的高度自動(dòng)調(diào)節(jié)器，能根據(jù)地面高低起伏自動(dòng)調(diào)整收獲機(jī)的升降，大大提高了拔取成功率[40]。日本信州大學(xué)研制了一款菠菜自動(dòng)收獲裝置，該收獲裝置的根部切割裝置具有2個(gè)自由度，通過(guò)激光測(cè)距，在鏟根過(guò)程中調(diào)節(jié)切根裝置的角度和深度，避免了菠菜的漏切，并采用PID對(duì)鏟切調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行控制。楊術(shù)明等設(shè)計(jì)了基于超聲波傳感器的割臺(tái)高度控制系統(tǒng)，利用PID控制算法解決收割機(jī)割臺(tái)高度調(diào)整實(shí)時(shí)性較差等問(wèn)題。胡焉為等[41]設(shè)計(jì)了一種雙輸入雙輸出系統(tǒng)，使割臺(tái)能跟蹤地面起伏進(jìn)行俯仰、擺轉(zhuǎn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)割臺(tái)高度自動(dòng)控制，達(dá)到割茬高度一致的目的。

3 存在問(wèn)題

我國(guó)葉菜機(jī)械化收獲已經(jīng)成為葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化的短板，解決葉菜機(jī)械化收獲已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)葉菜全程機(jī)械化的主攻方向。雖然國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)以及科研機(jī)構(gòu)一直致力于對(duì)葉菜機(jī)械化收獲的研究，但是葉菜機(jī)械化收獲沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的突破，結(jié)合我國(guó)葉菜生產(chǎn)實(shí)際情況，具體問(wèn)題如下。

1) 葉菜品種豐富，使得收獲機(jī)械的通用性差。葉菜是品種最多的一類(lèi)蔬菜，不同類(lèi)型的葉菜形態(tài)各不相同，因而收獲原理也有所不同，收獲機(jī)械的通用性差，導(dǎo)致不同類(lèi)型的葉菜需要專(zhuān)門(mén)的收獲機(jī)器，增加了機(jī)器收獲成本。

2) 整個(gè)收獲過(guò)程機(jī)械化程度低。目前在國(guó)內(nèi)推廣示范的葉菜收獲機(jī)，往往只解決了收獲過(guò)程的某些環(huán)節(jié)，整個(gè)收獲過(guò)程仍需要人工參與完成。以綠葉菜收獲為例，目前的機(jī)型僅解決了收獲過(guò)程的切根環(huán)節(jié)，后續(xù)收集、包裝仍需要人工完成。為了實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”作業(yè)，需要整個(gè)收獲過(guò)程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。

3) 葉菜在收獲過(guò)程中與機(jī)具之間存在互作關(guān)系，易產(chǎn)生損傷。葉菜莖葉作為食用部位，柔嫩多汁，極易損傷。在收獲過(guò)程中，收獲機(jī)具的相應(yīng)部件會(huì)與葉菜產(chǎn)生相互作用，特別是在夾持拔取輸送環(huán)節(jié)，葉菜受到擠壓作用極易產(chǎn)生損傷，加速葉菜的腐爛變質(zhì)，最終影響葉菜的經(jīng)濟(jì)效益。

4) 缺少適宜機(jī)械化作業(yè)的葉菜種植農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)，增加了機(jī)械收獲的難度。葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化離不開(kāi)各環(huán)節(jié)作業(yè)機(jī)具的協(xié)調(diào)配套，任何一個(gè)環(huán)節(jié)不配套都會(huì)影響后面的收獲環(huán)節(jié)。在種植以及后續(xù)生產(chǎn)管理過(guò)程中，通常依照菜農(nóng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行種植和管理，現(xiàn)缺少與農(nóng)機(jī)作業(yè)相匹配的農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)，增加了機(jī)械收獲的難度，影響了收獲機(jī)械的工作效率和收獲效果。

4 發(fā)展趨勢(shì)

結(jié)合我國(guó)葉菜機(jī)械化收獲存在的諸多問(wèn)題，根據(jù)我國(guó)葉菜生產(chǎn)具體特點(diǎn)，現(xiàn)總結(jié)葉菜機(jī)械化發(fā)展趨勢(shì)如下。

1) 實(shí)現(xiàn)葉菜收獲機(jī)械通用化和智能化。加強(qiáng)葉菜收獲機(jī)械的通用化研究，實(shí)現(xiàn)機(jī)具的多環(huán)節(jié)、多品種作業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”，可以提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。加強(qiáng)收獲機(jī)械智能化研究，引入無(wú)人駕駛、圖像識(shí)別、柔性?shī)A持等技術(shù)，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少作業(yè)損失。

2) 堅(jiān)持自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)機(jī)具和消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合。主動(dòng)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的葉菜機(jī)械收獲技術(shù)，建立適用于我國(guó)葉菜生產(chǎn)需求的葉菜收獲機(jī)械化技術(shù)工藝模式，填補(bǔ)關(guān)鍵技術(shù)空白、提升薄弱環(huán)節(jié)，從而推動(dòng)葉菜生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)，保障葉菜產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

3) 實(shí)現(xiàn)葉菜的低損傷、高效率機(jī)械化收獲。研究葉菜與收獲機(jī)械作用部件之間的互作關(guān)系，對(duì)葉菜收獲機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用柔性?shī)A持、喂入量檢測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)葉菜的低損傷收獲。對(duì)葉菜收獲機(jī)械進(jìn)行工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高收獲效率。

4) 構(gòu)建完整的葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)體系。葉菜收獲機(jī)械化離不開(kāi)生產(chǎn)機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)化和農(nóng)藝的規(guī)范化。雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)有些省份和地區(qū)針對(duì)蔬菜生產(chǎn)相繼出臺(tái)了相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，但是由于葉菜種類(lèi)繁多、生產(chǎn)環(huán)節(jié)復(fù)雜，使得這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)存在著生產(chǎn)環(huán)節(jié)間不配套、區(qū)域間不統(tǒng)一、各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)間不銜接等問(wèn)題，因而迫切需要建立健全完善的葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)體系。葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)體系可以解決葉菜機(jī)械化生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，建立高效的專(zhuān)用葉菜機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)體系，加快機(jī)械化生產(chǎn)進(jìn)度，發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情的葉菜生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)體系。