王志成, 李雙壽, 祁忠賢, 張文強(qiáng)
(1. 清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心,北京 100084; 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系,北京 100084)
目前,我國(guó)油莎豆全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)與裝備體系均處于較低水平,無(wú)法滿足油莎豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要。開展油莎豆技術(shù)與裝備體系建設(shè),率先突破收獲環(huán)節(jié)技術(shù)與裝備瓶頸,是油莎豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)階段最緊迫和最需要解決的問(wèn)題。深入我國(guó)油莎豆產(chǎn)業(yè)主產(chǎn)區(qū),采取座談交流、野外勘測(cè)、實(shí)地參觀等方式,廣泛調(diào)研我國(guó)油莎豆產(chǎn)業(yè)裝備現(xiàn)狀,獲取我國(guó)油莎豆產(chǎn)業(yè)裝備的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料,包括油莎豆裝備體系尤其是采收設(shè)備相關(guān)品牌、裝備數(shù)量、技術(shù)參數(shù)、典型問(wèn)題等,基于現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ),提出我國(guó)油莎豆裝備體系的發(fā)展思路、實(shí)施途徑和技術(shù)路線,以推動(dòng)油莎豆裝備建設(shè)和發(fā)展,為油莎豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更好支持。
油莎豆自20 世紀(jì)五六十年代引入我國(guó),因其種植技術(shù)沒(méi)有突破性進(jìn)展,無(wú)法解決大規(guī)模機(jī)械化收獲難題,缺乏成熟的油莎豆加工技術(shù),造成種植成本高、收益低,銷路缺乏保障,產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。進(jìn)入21 世紀(jì),尤其是近幾年來(lái),因大豆進(jìn)口依存度過(guò)高,迫切需要尋求解決之道,油莎豆越來(lái)越引發(fā)關(guān)注,產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了快車道。當(dāng)前,油莎豆全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備體系落后,嚴(yán)重制約著產(chǎn)業(yè)縱深和規(guī)?;l(fā)展。
油莎豆塊莖生長(zhǎng)在地下,人工采收費(fèi)時(shí)費(fèi)力,是制約油莎豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大瓶頸。油莎豆機(jī)械化收獲設(shè)備主要依賴企業(yè)自主研發(fā),多借由其他作物如花生機(jī)械改進(jìn)而來(lái)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),油莎豆的采收成本占油莎豆銷售價(jià)格的40%以上。油莎豆種植模式的地域差異性較大,東北地區(qū)做畦平作,甘肅采用壟作,南方地區(qū)的鹽堿地采用開溝種植方式。種植模式的差異,對(duì)油莎豆機(jī)械的使用和推廣,都造成了一定的制約。
油莎豆生產(chǎn)包括播種、莖葉與塊莖收獲、清選與烘干、種子與商品塊莖倉(cāng)儲(chǔ)等環(huán)節(jié)。
1.1.1 播種
精細(xì)整地后,采用點(diǎn)播方式淺播,播后覆土。在種植后覆蓋地膜,視情追肥。目前,油莎豆播種機(jī)多由機(jī)械式花生播種機(jī)改進(jìn)而來(lái),種子的破損率較大[2]。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院研制了氣吸式油莎豆精量鋪膜播種機(jī)[3]。吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院設(shè)計(jì)了一種氣吸式油莎豆精量免耕播種機(jī),可實(shí)現(xiàn)施肥、拔草、開溝、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等一次性作業(yè)[4]。
1.1.2 植保
油莎豆生長(zhǎng)期病蟲害較少,田間管理主要是生長(zhǎng)前期和中期的除草作業(yè)。因油莎豆是淺根植物,中期除草以淺除為宜,進(jìn)入旺長(zhǎng)期封壟后,就不需除草了。人工除草耗時(shí)費(fèi)力,多采用噴除草劑方式,但影響油莎豆食品安全,有必要研制油莎豆專用淺層除草裝備。
1.1.3 收獲
油莎豆塊莖生長(zhǎng)在地下,顆粒較小,根莖較細(xì)、韌性低、易斷裂,葉、根、豆、土分離困難,收獲過(guò)程中極易發(fā)生落果現(xiàn)象。收獲時(shí),首先通過(guò)地上植株葉片及地下塊莖判斷是否成熟,即葉片大部分變黃、塊莖變得堅(jiān)硬,且大部分呈橘黃色或棕褐色則表示成熟。收獲后的油莎豆含水量一般在60%左右,不宜立即貯藏,需經(jīng)過(guò)晾曬或烘干等處理,待含水量降到13%時(shí),可入庫(kù)貯藏。油莎豆人工采收費(fèi)時(shí)費(fèi)力,研制推廣收獲機(jī)械是實(shí)現(xiàn)油莎豆產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵。
1.1.4 加工
油莎豆產(chǎn)后加工技術(shù)與工藝仍需改進(jìn)與提升。油莎豆形態(tài)不規(guī)則、種皮堅(jiān)厚粗糙,清洗去皮效率低、損失率高。高油脂、高淀粉、高糖分原料特性下的高得率油脂提煉工程化技術(shù)與裝備無(wú)直接經(jīng)驗(yàn)可借鑒,產(chǎn)業(yè)化壓榨及浸出制油關(guān)鍵技術(shù)裝備需重點(diǎn)研發(fā)。油莎豆制糖、制粉、飲料、配方食品、休閑食品等產(chǎn)業(yè)鏈延伸產(chǎn)品的深加工技術(shù)與裝備亟待研發(fā)配套[5]。
1.2.1 收獲裝備為主
早在1975 年,陜西省中國(guó)科學(xué)院西北植物研究所機(jī)械研究組,就研制了人力與電動(dòng)混合式操控、適合小片土地使用的油莎豆簡(jiǎn)易篩選機(jī)[6]。2010 年,湖南省邵陽(yáng)市農(nóng)機(jī)研究所研究了一種小型多功能油莎豆收獲機(jī)[7]。趙英琦等[8]設(shè)計(jì)了一種油莎豆收獲除雜系統(tǒng),包括偏心驅(qū)動(dòng)振動(dòng)篩和八棱柱滾筒。吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院針對(duì)油莎豆收獲時(shí)莖、豆、土高效分離困難,設(shè)計(jì)了一種可適應(yīng)油莎豆適時(shí)收獲的立式軸流油莎豆脫粒分離裝置[9]。張紅梅等[10]設(shè)計(jì)了一種油莎豆收獲篩分裝置,避免使用改進(jìn)的花生收獲機(jī)進(jìn)行油莎豆收獲時(shí)損失高、效率低等問(wèn)題。吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院設(shè)計(jì)了集脫粒、分離、清選功能于一體的油莎豆籽粒收獲機(jī)[11]。何曉寧等[12]研究了油莎豆收獲機(jī)在工作過(guò)程中旋耕刀與油莎豆團(tuán)聚體的接觸規(guī)律,建立了油莎豆根系離散元模型。針對(duì)油莎豆收獲機(jī)功能單一的特點(diǎn)及一些技術(shù)缺陷,劉學(xué)敏等[13]運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法, 研制了一種小型多功能振動(dòng)篩式收獲機(jī),解決了在黏性土壤內(nèi)土果分離不好的難題,該設(shè)備體積小、質(zhì)量小、篩選干凈、破碎率低,適于南方丘陵地區(qū)使用。
據(jù)中國(guó)油莎豆科技產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟相關(guān)數(shù)據(jù),全國(guó)從事油莎豆機(jī)械研發(fā)的單位主要包括吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)等科研院校,以及吉林好易收、山東巨明、北京鑫科創(chuàng)、湖北歐博美等公司,生產(chǎn)各種油莎豆機(jī)械300 余臺(tái)(套),獲得油莎豆收獲機(jī)相關(guān)實(shí)用新型和發(fā)明專利50 多項(xiàng),初步突破了油莎豆種植業(yè)的收獲瓶頸。此外,還有部分油莎豆商用專用豆?jié){機(jī)、食用油壓榨設(shè)備、油莎豆生物柴油設(shè)備。
油莎豆設(shè)備主要依賴企業(yè)自主研發(fā),多借鑒其他地下作物收獲設(shè)備而進(jìn)行改進(jìn),設(shè)備生產(chǎn)效率低、故障率高、可靠性低。不論自產(chǎn)自用,還是投放到市場(chǎng)上,雖然各有特色,但總體呈現(xiàn)小、散、亂、雜的局面,可以部分解決油莎豆收獲問(wèn)題,但難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要,距離全程機(jī)械化乃至智能化生產(chǎn)還有很大距離。據(jù)中國(guó)油莎豆科技產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟相關(guān)數(shù)據(jù),全國(guó)油莎豆機(jī)械研發(fā)使用情況如表1 所示,常見的油莎豆收獲機(jī)如圖1 所示,目前市場(chǎng)占有率較高的吉林好易收油莎豆收獲機(jī)如圖2 所示。
圖1 常見油莎豆收獲機(jī)Fig. 1 Cyperus esculentus harvester
圖2 吉林好易收油莎豆收獲機(jī)Fig. 2 Cyperus esculentus harvester developed by Jilin Good Havester Company
表1 2018 年全國(guó)油莎豆機(jī)械情況統(tǒng)計(jì)Tab. 1 National statistics of Cyperus esculentus machinery in 2018
1.2.2 收獲裝備突出問(wèn)題
(1)機(jī)械故障率高。主要體現(xiàn)在傳動(dòng)系統(tǒng)、鏈條、鏈輪上。軸承易損壞,原因是工作條件惡劣,雖采用泥水油封,但不能完全避免沙土進(jìn)入到軸承。
(2)傳動(dòng)網(wǎng)鏈磨損。傳送沙土造成磨損嚴(yán)重、易壞,極易發(fā)生兩端鏈條不同步及“跳齒”等現(xiàn)象。
(3)收獲破損率高。旋耕挖掘過(guò)程中,機(jī)具剪切油莎豆,造成油莎豆破損。
(4)機(jī)器質(zhì)量大,運(yùn)動(dòng)性能差。在沙漠/沙地工作,輪胎容易下陷,需要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。
1.2.3 收獲裝備關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)
(1)挖掘鏟的工作機(jī)理,解決挖掘鏟阻力過(guò)大問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)挖掘部件的減阻降耗。
(2)果、土分離和秧、果分離技術(shù),解決油莎豆收獲過(guò)程中不完全撿拾和果實(shí)破損高等難題,提高收獲質(zhì)量。
(3)油莎豆收獲機(jī)械工作環(huán)境惡劣,必須開展防塵、耐沖擊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),研究裝備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)和關(guān)鍵工程材料改性技術(shù),突破現(xiàn)有裝備可靠性低的問(wèn)題。
油莎豆全產(chǎn)業(yè)鏈裝備體系建設(shè)是確保油莎豆產(chǎn)業(yè)健康、有序、可持續(xù)發(fā)展的重要保證,需要全面協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌推進(jìn)。
從農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝融合角度出發(fā),引導(dǎo)農(nóng)民以經(jīng)濟(jì)效益為中心,規(guī)范區(qū)域范圍內(nèi)油莎豆種植農(nóng)藝,包括品種、壟作或平作、壟距和行距等,形成與農(nóng)藝配套的高產(chǎn)、高效、低耗油莎豆機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)體系,為機(jī)械化直收奠定基礎(chǔ)。
注重產(chǎn)學(xué)研協(xié)同,發(fā)揮產(chǎn)業(yè)界核心支撐作用,多維度協(xié)同推進(jìn)油莎豆生產(chǎn)機(jī)械化。依托或聯(lián)合農(nóng)機(jī)龍頭企業(yè),以及具有花生、貝母、馬鈴薯等類似機(jī)械收獲產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè),采用“以改帶產(chǎn)”的方法,快速推進(jìn)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化,提升產(chǎn)業(yè)的影響力;采用“以改帶創(chuàng)”的方法,吸引高校、科研院所、企業(yè)研發(fā)中心協(xié)同研發(fā)創(chuàng)新,有效提升創(chuàng)新的可轉(zhuǎn)化性。
在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)裝備機(jī)械化、智能化發(fā)展背景下,油莎豆產(chǎn)業(yè)裝備的機(jī)械化、智能化是必然趨勢(shì),其中裝備機(jī)械化是智能化的前提,必須針對(duì)油莎豆生產(chǎn)多環(huán)節(jié)展開機(jī)械化、智能化創(chuàng)新研究。
油莎豆生產(chǎn)機(jī)械化的關(guān)鍵是收獲機(jī)械化,高效聯(lián)合是發(fā)展方向,可以借鑒花生裝備的研發(fā)過(guò)程和相關(guān)案例。推進(jìn)油莎豆機(jī)械收獲技術(shù)研發(fā)側(cè)重在以下4 個(gè)方面開展工作。
改善種植農(nóng)藝,實(shí)現(xiàn)輪距和行壟種植參數(shù)匹配(如寬窄單行和寬窄雙行);研發(fā)自走式、牽引式裝備,并對(duì)比分析裝備的利用率、成本、信息集成采集方式等?;谟蜕股a(chǎn)環(huán)境,開發(fā)基于機(jī)器視覺(jué)、衛(wèi)星導(dǎo)航的無(wú)人自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。
油莎豆收獲工藝包括兩個(gè)階段:第1 階段為地面苗草剪切、打捆、收獲;第2 階段為油莎豆起挖、撿拾、采摘與清選環(huán)節(jié)。應(yīng)與農(nóng)藝結(jié)合,對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確定工作參數(shù)調(diào)整范圍,提高采收效率。
3.2.1 研究油莎豆高效清選裝置
針對(duì)單一清選條件下,分選效率、效果有限且設(shè)備體積功耗大的問(wèn)題,采用數(shù)字孿生技術(shù),研究油莎豆多種清選原理、方式的優(yōu)化組合方法(如采用負(fù)壓氣吸與振動(dòng)篩組合式清選),探究油莎豆清選分離新機(jī)理,建立可靠的數(shù)字模型,并結(jié)合樣機(jī)試驗(yàn)優(yōu)化其工作參數(shù)。
3.2.2 研究草苗處理和殘膜回收集成方法
為實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)、防風(fēng)固沙、可持續(xù)生產(chǎn)等目標(biāo),需要在油莎豆果實(shí)分離中增加秸稈回收功能,完成秸稈粉碎、拋撒作業(yè)。殘膜對(duì)于作物可持續(xù)生長(zhǎng)、生態(tài)都有巨大危害,在果實(shí)起土過(guò)程中,研究適應(yīng)沙地、鹽堿地的殘膜回收新原理,防止殘膜翻入土壤中?;诠麑?shí)分離清選系統(tǒng),可以進(jìn)一步探究殘膜與果實(shí)的同步分離清選,防止二次污染。
油莎豆收獲的最終發(fā)展方向是高效聯(lián)合收獲,系統(tǒng)功能銜接及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)裝備的可靠性、采收效率及智能化作業(yè)實(shí)施都會(huì)產(chǎn)生影響。因此,必須基于已有的分段式裝備平臺(tái),結(jié)合實(shí)際作業(yè)需求,采用數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)油莎豆聯(lián)合收獲機(jī);構(gòu)建多傳感融合的信息采集系統(tǒng),通過(guò)合理布設(shè)傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)獲?。唤Y(jié)合邊緣計(jì)算等信息處理手段,構(gòu)建油莎豆機(jī)械化采收智能動(dòng)態(tài)響應(yīng)和執(zhí)行控制算法,實(shí)現(xiàn)及時(shí)的故障預(yù)警,提升系統(tǒng)可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。
形成油莎豆產(chǎn)業(yè)鏈,不僅需要種植、收獲上實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,在產(chǎn)后加工方面也需要研制相關(guān)配套設(shè)備。
油莎豆高淀粉、高糖、高水分,收獲時(shí)雨熱同期,極易發(fā)生霉?fàn)€,當(dāng)前適用于油莎豆生理特性的清洗、分選、干燥、倉(cāng)儲(chǔ)的技術(shù)與設(shè)施設(shè)備效率低,亟待優(yōu)化。油莎豆形態(tài)不規(guī)則,種皮粗糙,清洗與去皮效率低、損失率高。油脂提煉工程化技術(shù)與裝備、產(chǎn)業(yè)化壓榨及浸出制油關(guān)鍵技術(shù)與裝備亟待研發(fā)[1]。油莎豆具有高淀粉、高糖分的特性,目前無(wú)螺旋壓榨經(jīng)驗(yàn)可借鑒,需要針對(duì)其低溫壓榨開發(fā)新的螺旋壓榨機(jī)[14]。
實(shí)現(xiàn)油莎豆加工全過(guò)程自動(dòng)化和連續(xù)化,可以提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量和商品性,是油莎豆未來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
根據(jù)油莎豆產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),結(jié)合油莎豆生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展路徑,構(gòu)建如圖3 所示的油莎豆生產(chǎn)機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)路線。開展農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝融合,與油莎豆生產(chǎn)方法相結(jié)合,指導(dǎo)油莎豆生產(chǎn)中的裝備升級(jí)改造和新裝備研發(fā),突破現(xiàn)有理論支撐不足的技術(shù)瓶頸,穩(wěn)步推進(jìn)生產(chǎn)智能化、無(wú)人化、精益化[15-16]。應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù),進(jìn)行信息化、智能化設(shè)計(jì)與升級(jí)改造,探索人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)與油莎豆產(chǎn)業(yè)結(jié)合的有效方式與應(yīng)用途徑[17-18]。
圖3 油莎豆生產(chǎn)機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)路線Fig. 3 Key technology road for development of Cyperus esculentus production mechanization
分析不同區(qū)域油莎豆的種植模式和農(nóng)藝要求,針對(duì)不同生產(chǎn)區(qū)域的種植模式、氣候條件和農(nóng)藝要求,制定先進(jìn)、合理、適用的技術(shù)方案,形成相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),為油莎豆生產(chǎn)機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)提升與裝備優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
整合現(xiàn)有的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)和機(jī)械裝備,在主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行大面積的田間適應(yīng)性試驗(yàn)和用戶意見調(diào)查,并對(duì)其結(jié)構(gòu)性能、生產(chǎn)效率等進(jìn)行分析、比較;篩選出適應(yīng)性較強(qiáng)、穩(wěn)定性較好、可靠性較高的機(jī)械裝備,對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
針對(duì)油莎豆機(jī)械化收獲過(guò)程中的減阻降耗、果土分離和秧果分離的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題,研究開發(fā)新型油莎豆分段收獲機(jī)械,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破。
在對(duì)現(xiàn)有機(jī)械優(yōu)化整合和對(duì)關(guān)鍵裝備研究開發(fā)的基礎(chǔ)上,結(jié)合油莎豆生產(chǎn)區(qū)域的特點(diǎn),在試驗(yàn)示范區(qū)進(jìn)行大面積的試驗(yàn)和生產(chǎn)考核,逐步完善提高,形成油莎豆機(jī)械化收獲技術(shù)系統(tǒng)體系。在此基礎(chǔ)上,廣泛開展該技術(shù)體系的推廣與應(yīng)用。
目前油莎豆播種環(huán)節(jié)效率較低,需開展多功能播種機(jī)的試驗(yàn)研究;植保環(huán)節(jié)較多采用噴除草劑方式,影響油莎豆食品安全,有必要研制針對(duì)油莎豆的專用淺層除草機(jī)械裝備;收獲環(huán)節(jié),油莎豆的收獲裝備相比國(guó)際上花生機(jī)械化收獲裝備機(jī)械水平仍有較大距離,在不同環(huán)境下的適應(yīng)性和收獲效率有待提升;產(chǎn)后加工環(huán)節(jié),缺乏針對(duì)油莎豆高油、高糖、高淀粉特點(diǎn)的專用工藝與設(shè)備。
油莎豆裝備體系建設(shè)是一項(xiàng)綜合系統(tǒng)性工程,是油莎豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保證,必須積極穩(wěn)妥推進(jìn),分步實(shí)施。實(shí)施過(guò)程中,可以通過(guò)建設(shè)跨學(xué)科研究平臺(tái),集聚不同學(xué)科領(lǐng)域?qū)<?,聚焦產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性問(wèn)題,開展跨學(xué)科研究,建立區(qū)域性油莎豆種植技術(shù)體系,多維度協(xié)同推進(jìn)油莎豆生產(chǎn)機(jī)械化;注重農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合,制定適宜機(jī)械化生產(chǎn)的農(nóng)藝規(guī)范,構(gòu)建合理高效的技術(shù)體系,優(yōu)化開發(fā)新型裝備并進(jìn)行技術(shù)集成與試驗(yàn)示范,為加快我國(guó)油莎豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有效的技術(shù)保障。