馬鈴薯收獲機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王淑紅, 高愛民, 孟養(yǎng)榮, 劉鵬霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

馬鈴薯是繼小麥、稻谷和玉米后全球最重要的糧食作物,在世界上160多個(gè)國(guó)家和地區(qū)種植,而中國(guó)是目前世界上馬鈴薯總產(chǎn)量最多的國(guó)家。截止到2021年,我國(guó)馬鈴薯年種植面積和產(chǎn)量分別在460.6萬(wàn)hm2和1 830.9萬(wàn)t,均占世界首位[1]。馬鈴薯除被用作食用作物外,還被廣泛應(yīng)用于畜牧食料和工業(yè)生產(chǎn)原材料。馬鈴薯的種植面積隨著其應(yīng)用價(jià)值的逐步挖掘而不斷增加,但大面積的種植使得馬鈴薯收獲成為了一個(gè)難題[2,3]。

本文從馬鈴薯機(jī)械化收獲技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀入手,分析了馬鈴薯機(jī)械化收獲技術(shù)的發(fā)展過程,總結(jié)了現(xiàn)有的馬鈴薯收獲技術(shù),并對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望,以期待為馬鈴薯機(jī)械化收獲的進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒。

1 馬鈴薯收獲機(jī)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外馬鈴薯收獲機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

馬鈴薯原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈,最開始的種植方式以人工鋪放為主,后由牲畜代替了部分人工作業(yè)。20世紀(jì)40年代,隨著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)逐漸成熟,第一臺(tái)拖拉機(jī)的問世更是直接推動(dòng)了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,推動(dòng)機(jī)械化代替畜牧與人力完成馬鈴薯的部分作業(yè)。20世紀(jì)50年代,歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)鏈逐漸形成,馬鈴薯作業(yè)全過程也已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。馬鈴薯收獲機(jī)由傳統(tǒng)的人力、畜力發(fā)展到牽引式再發(fā)展到自走式一體聯(lián)合收獲機(jī)[4]。

AVR公司的Spirit6200牽引式馬鈴薯收獲機(jī),不僅采用了兩級(jí)主篩網(wǎng)過濾馬鈴薯,而且通過加裝站臺(tái)、料斗底部安裝升運(yùn)鏈實(shí)現(xiàn)了人工雜物清理和邊卸料邊收獲,節(jié)省了作業(yè)時(shí)間[5]。

格立莫公司的VENTOR4150型自走式馬鈴薯收獲機(jī),作業(yè)寬度達(dá)到3 m,作業(yè)過程中,可完成任意角度靈活轉(zhuǎn)彎;設(shè)置了偏移車轍行駛功能,能夠減少對(duì)馬鈴薯的碾壓[6]。還安裝了電子智能監(jiān)控系統(tǒng),可實(shí)時(shí)反饋關(guān)鍵部件的信息,智能化程度較高。

美國(guó)多寶路公司的Double-L973型馬鈴薯回流收獲機(jī),配備了回流收獲技術(shù),大大提高了收獲過程的清潔能力,提高了收獲效率;采用最短的側(cè)提升機(jī),具有可靠、耐用和適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn),是當(dāng)今馬鈴薯磕碰損傷最低的收獲機(jī)[7]。

意大利F.LLISPEDO公司的F.LLI SPEDO Modello CPP-BD系列馬鈴薯收獲機(jī),采用三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)與拖拉機(jī)連接,寬度可調(diào)節(jié),能一次性完成馬鈴薯挖掘、薯秧分離、挑揀、裝箱等作業(yè),適用于平坦地塊和丘陵山區(qū)[8]。

國(guó)外研發(fā)的馬鈴薯收獲機(jī)在生產(chǎn)效率、技術(shù)水平、機(jī)械化程度方面有了很大的提高,但是由于技術(shù)成本過高、運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、時(shí)間長(zhǎng)且售后服務(wù)效率低,導(dǎo)致其價(jià)格高昂、使用率低下。

1.2 國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)早期的馬鈴薯收獲主要以人工或半機(jī)械化收獲為主,隨著馬鈴薯種植面積與人工成本的不斷增加,對(duì)馬鈴薯機(jī)械設(shè)備的需求量也在逐步提高,推動(dòng)了馬鈴薯機(jī)械產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。

國(guó)內(nèi)在馬鈴薯收獲的機(jī)械化發(fā)展起步于20世紀(jì)60年代,國(guó)內(nèi)各大高校及研究機(jī)構(gòu)開始了對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)的研制。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)[9]研制的4U-1400型牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī),采用圓盤切刀,在作業(yè)中切開雜草和土塊,減輕了土薯分離裝置的負(fù)擔(dān);通過二級(jí)升運(yùn)裝置,對(duì)土薯混合物進(jìn)一步分離,降低了含雜率。該機(jī)具操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠,一次進(jìn)地可以完成挖掘、土薯分離、裝袋等多道工序,極大程度地提高了收獲效率。

甘肅省洮河拖拉機(jī)制造有限公司制造的馬鈴薯挖掘收獲機(jī),可一次性完成挖掘、土薯分離和邊收獲邊裝車等作業(yè)環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了復(fù)式薯塊土壤雜物分離;在集薯卸載裝置末端加用雙層柔性聚乙烯緩沖帶,極大程度減少了傷薯率。

希森天成制造的 4ULZ-170 型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī),屬于牽引式的一種,作業(yè)時(shí)通過分離裝置輸送和抖動(dòng),將大部分的土壤抖落到地面,從而完成土薯分離;其升運(yùn)裝置具有伸展功能,高度可根據(jù)運(yùn)輸車的高度以及運(yùn)輸車中物料的狀態(tài)進(jìn)行靈活調(diào)整[10]。

中機(jī)美諾公司制造的1710B馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī),采用了兩級(jí)輸送分離裝置的強(qiáng)制振動(dòng),提高了薯塊與雜物的分離率;采用了浮動(dòng)圓盤,更有效地切斷雜草,避免了因雜草過多導(dǎo)致挖掘阻力增大而降低挖掘鏟的壽命[11]。

青島洪珠4U-170B型馬鈴薯收獲機(jī)采用S型篩選裝置,明薯率高、破皮率低;采用全懸掛雙升運(yùn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),可一次性完成仿形限深、挖掘、切秧、分離升運(yùn)和放鋪集條作業(yè)[12]。該機(jī)既適用于黏性土層的收獲,也適用于沙性土層的收獲。

國(guó)內(nèi)馬鈴薯生產(chǎn)全過程機(jī)械化技術(shù)逐漸趨于成熟,形成了較為完整的體系,但在智能化、多功能集成化、多級(jí)輸送和升運(yùn)裝置可折疊方面還存在一些可優(yōu)化發(fā)展的地方,仍需加大科研投入和支持力度。

2 馬鈴薯機(jī)械收獲的重要性及基本條件

2.1 機(jī)械收獲的重要性

隨著馬鈴薯的價(jià)值被越來(lái)越多的人認(rèn)可,種植面積也在不斷增加,無(wú)論是在用工量上還是在勞動(dòng)強(qiáng)度上,傳統(tǒng)的馬鈴薯收獲方式都不能滿足。同時(shí)對(duì)于馬鈴薯來(lái)說(shuō),其本身的收獲期短,需要大量人工參與,但隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的不斷流失,人工成本逐漸增加,因此馬鈴薯機(jī)械收獲的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。馬鈴薯機(jī)械收獲的實(shí)現(xiàn)既能提高收獲效率,又可以解決勞動(dòng)強(qiáng)度高的問題。

2.2 機(jī)械收獲的基本條件

2.2.1 土壤濕度

馬鈴薯收獲時(shí)環(huán)境中土壤的濕度會(huì)影響作業(yè)效率,土壤濕度過低會(huì)導(dǎo)致土壤過硬,從而增大挖掘鏟作業(yè)的阻力,降低挖掘鏟的壽命。土壤的濕度過高時(shí)土壤較為粘稠,既不利于土薯分離,又會(huì)附著在收獲機(jī)的工作部件上,降低收獲效率[13]。

2.2.2 地塊平整度

地塊平整是保證馬鈴薯收獲效率高、工作質(zhì)量好的基本條件之一[14]。地面有凹坑、石塊等障礙物時(shí),不僅會(huì)影響馬鈴薯收獲機(jī)的行駛速度,降低收獲效率,還會(huì)導(dǎo)致挖掘深度不一致,出現(xiàn)漏薯和損傷馬鈴薯塊莖等問題。

2.2.3 種植深度

馬鈴薯的理論種植深度在15～20 cm。種植深度過淺,馬鈴薯難以吸收成長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),不利用馬鈴薯的生長(zhǎng);種植深度過深,又會(huì)影響馬鈴薯收獲機(jī)的作業(yè)效率[15]。

2.2.4 種植間距

馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)時(shí),如果相鄰馬鈴薯的種植間距過小,就會(huì)影響收獲機(jī)在田間行走,也會(huì)對(duì)馬鈴薯的塊莖造成機(jī)械損傷;種植間距過大,會(huì)導(dǎo)致土地利用率過低,降低馬鈴薯的總產(chǎn)量[16-17]。綜合以上情況,最適合馬鈴薯種植的方式是寬窄行密植,既能保證馬鈴薯的產(chǎn)量,又能便于馬鈴薯收獲機(jī)的作業(yè)。

3 馬鈴薯收獲機(jī)關(guān)鍵部件的研究現(xiàn)狀

3.1 馬鈴薯挖掘部件

挖掘部件是馬鈴薯收獲過程中的核心部件,作業(yè)時(shí),需要避免裝置纏草的情況,以保證能夠最大程度地挖掘出土壤中的馬鈴薯;還需要減少土薯分離裝置的負(fù)擔(dān),以進(jìn)一步保證馬鈴薯有較低的含雜率[18]。為便于將馬鈴薯從土壤中挖出,在整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)挖掘鏟常被置于收獲機(jī)的最前端。目前根據(jù)鏟面形狀不同可將挖掘鏟分為三角平面鏟、條形平面鏟、凹形曲面鏟和凸型曲面鏟等類型[19-20]。

3.1.1 三角平面鏟

三角平面鏟的鏟面設(shè)置為三角形,能有效減少鏟尖與土壤的接觸面積,從而減少挖掘鏟的阻力,提高挖掘鏟的壽命[21]。常用螺栓與挖掘鏟架連接,這種連接方式能精確固定被連接件的相對(duì)位置,對(duì)加工要求較低且裝拆方便。三角平面鏟具有作業(yè)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),但因其鏟面比較鋒利,在挖掘過程中容易損傷馬鈴薯[22],常被用于重效率輕品質(zhì)的場(chǎng)合。

3.1.2 條形平面鏟

條形平面鏟由于其鏟面形狀設(shè)計(jì)獨(dú)特,能夠保證在完成收獲作業(yè)的前提下盡量減少鏟面與土壤的接觸面積,以此來(lái)減輕挖掘鏟承受的阻力影響。常用螺栓與鏟架相連接。條形平面鏟具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工、更換方便等特點(diǎn)。

3.1.3 凹形曲面鏟

凹形曲面鏟一般由上鏟面和下鏟面組成,兩鏟面均為弧形曲面,能夠保證在不損傷馬鈴薯的前提下最大程度地減少鏟面與土壤接觸的面積。凹形曲面鏟的設(shè)計(jì)增大了鏟入深度,從而增加了馬鈴薯挖掘量[23]。凹形曲面鏟設(shè)計(jì)通用性強(qiáng),但制作工藝較為復(fù)雜、成本較高且不易于更換,主要應(yīng)用于大面積種植的地區(qū)。

3.1.4 凸型曲面鏟

凸型曲面鏟的鏟面采用圓弧狀,作業(yè)時(shí),被挖掘鏟挖出的土薯混合物沿著鏟面向后移動(dòng)并不斷輸送到下一級(jí)裝置,雜草和少量的土壤可沿鏟面滑落,減少了土薯分離裝置的負(fù)擔(dān)[24]。凸型曲面鏟設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便且容易更換,比凹形曲面鏟的應(yīng)用更廣。

3.2 土薯分離裝置

土薯分離裝置是馬鈴薯收獲機(jī)的關(guān)鍵部件,直接影響馬鈴薯的品質(zhì)。收獲機(jī)挖掘時(shí)將土壤與馬鈴薯同時(shí)挖出,并輸送至分離裝置上,分離裝置在振動(dòng)輪的作用下使土薯混合物上下振動(dòng),然后將大部分的土壤通過升運(yùn)鏈間隙篩落至地面,最終實(shí)現(xiàn)土薯分離作業(yè)。土薯分離裝置要盡量按照減少與馬鈴薯的摩擦或掉落時(shí)降低對(duì)馬鈴薯的破壞來(lái)設(shè)計(jì),以最大程度保證薯塊完整性。馬鈴薯收獲機(jī)的土薯分離裝置主要分為柵條分離篩式、拋擲輪式、 振動(dòng)鏟式三種類型[25-26]。

3.2.1 柵條分離篩式

柵條分離篩式主要適用于大、中型面積的地形作業(yè),工作原理是:分離裝置通過桿條式升運(yùn)鏈將剛挖出的土薯混合物運(yùn)送至振動(dòng)位置,后用強(qiáng)制振動(dòng)的方式帶動(dòng)桿條式分離篩運(yùn)動(dòng)使土薯混合物上下振動(dòng),當(dāng)雜塊尺寸小于桿條間隙時(shí),就會(huì)通過間隙掉落,達(dá)到分離雜物的效果[27]。通過此裝置可清除土塊等雜物,裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

3.2.2 拋擲輪式

拋擲輪式分離裝置主要適用于黏性土壤或者雜草較多的情況,工作原理是:用凹面挖掘鏟將馬鈴薯從土壤中挖出后將土薯混合物運(yùn)至一定高度,凹面挖掘鏟上方的旋轉(zhuǎn)拋擲輪指桿將土薯混合物打散,并將處理完畢的馬鈴薯塊拋向一側(cè),形成條堆來(lái)防止薯塊過于分散[28-29]。作業(yè)過程中為了防止馬鈴薯的掉落,可在拋擲輪側(cè)面安裝擋簾。拋擲輪式分離裝置因設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且制作成本低,在實(shí)際收獲作業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

3.2.3 振動(dòng)鏟式

振動(dòng)鏟式主要應(yīng)用于小面積種植馬鈴薯的地區(qū),此裝置主要由振動(dòng)架、調(diào)節(jié)手柄、分離篩、鉸接臂等部件構(gòu)成[30]。工作原理是:分離裝置通過空間連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)振動(dòng)架沿鉸接點(diǎn)做前后、上下往復(fù)擺動(dòng),振動(dòng)架擺動(dòng)時(shí)將土壤破碎并使土壤沿分離篩間隙落下,而馬鈴薯塊莖在分離后被推向裝置后方,最后鋪放在田間。振動(dòng)鏟式分離裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、動(dòng)力需求小等特點(diǎn)。

4 存在的主要問題及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 主要問題

4.1.1 聯(lián)合收獲發(fā)展慢,自動(dòng)化程度低

馬鈴薯收獲機(jī)整個(gè)生產(chǎn)全過程的實(shí)現(xiàn)需要依靠不同裝置,但每種裝置僅能實(shí)現(xiàn)殺秧、挖掘或鋪放等單一功能。在收獲薯塊進(jìn)行撿拾、分級(jí)和裝車等作業(yè)時(shí)機(jī)械化程度低,仍然需大量人工參與,導(dǎo)致作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低。

4.1.2 整體尺寸大,靈活性低

設(shè)計(jì)馬鈴薯收獲機(jī)時(shí),常將挖掘裝置設(shè)計(jì)成大寬度以滿足多行收獲來(lái)減少裝置往返行程。在丘陵山區(qū)小面積區(qū)域種植時(shí),種植區(qū)域形狀接近正方形,如果收獲機(jī)尺寸較大,就會(huì)導(dǎo)致裝置作業(yè)靈活性低,使收獲效率降低,作業(yè)面積受限。對(duì)于裝置不能收獲到的區(qū)域,需要人工收獲,不利于實(shí)現(xiàn)馬鈴薯全程機(jī)械化。

4.1.3 裝置適應(yīng)性低

隨著馬鈴薯在國(guó)內(nèi)的廣泛種植,不同區(qū)域的種植環(huán)境也不盡相同,設(shè)計(jì)裝置時(shí)需要考慮到區(qū)域特殊性,所以設(shè)計(jì)出的裝置也具有區(qū)域針對(duì)性,難以得到大面積推廣。如進(jìn)行平原地區(qū)馬鈴薯收獲全過程作業(yè)的裝置難以在丘陵地區(qū)得到應(yīng)用,還需要對(duì)裝置進(jìn)行深入研究,或者盡量改變種植區(qū)域的性質(zhì),以保證設(shè)計(jì)出的裝置具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

4.1.4 土薯分離效率低,破損率高

馬鈴薯收獲機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心指標(biāo)是破損率,當(dāng)收獲裝置進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí),挖掘鏟鏟動(dòng)的速度和鏟面面積會(huì)對(duì)馬鈴薯的完整性產(chǎn)生影響;當(dāng)進(jìn)行土薯分離時(shí),分離裝置的長(zhǎng)度以及所用的材質(zhì)也會(huì)對(duì)馬鈴薯造成一定的損傷,所以一直很難通過提高機(jī)械技術(shù)達(dá)到滿意程度。同時(shí),分離過程中土壤的性質(zhì)和含水量會(huì)影響分離效果,收獲時(shí)無(wú)法不受外界影響。所以提升土薯分離效率、降低薯塊破損率仍然是收獲裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)難題。

4.2 發(fā)展趨勢(shì)

4.2.1 裝置智能化、多功能化發(fā)展

馬鈴薯收獲期短且工序較為復(fù)雜,單個(gè)機(jī)具難以實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程作業(yè)的要求,收獲馬鈴薯時(shí)需要不同的裝置協(xié)同作業(yè)。機(jī)具工作過程中需要人工對(duì)馬鈴薯進(jìn)行預(yù)處理,后期的馬鈴薯?yè)焓耙残枰罅咳斯⑴c,這就導(dǎo)致了人力成本和作業(yè)時(shí)間的增加。所以多功能一體化的智能化作業(yè)機(jī)具研發(fā)成為一個(gè)亟需解決的問題,該機(jī)具應(yīng)具備挖掘、土薯分離、秧薯分離和最終裝袋等多個(gè)功能。

4.2.2 升運(yùn)卸載裝置可折疊化

馬鈴薯種植間距小,機(jī)械裝置進(jìn)行多行播種作業(yè),裝置前進(jìn)或轉(zhuǎn)彎時(shí)要具有靈活性,不能碾壓播種坑和薯塊,這就要求裝置體積盡可能減小以增大裝置的靈活運(yùn)行及轉(zhuǎn)向。馬鈴薯收獲機(jī)中的升運(yùn)卸載裝置主要完成薯塊的輸送裝車作業(yè),但此裝置的體積較大,致使整個(gè)收獲機(jī)的體積變大,影響作業(yè)效果,降低收獲效率。可折疊升運(yùn)卸載裝置一般位于集薯箱側(cè)邊位置,可將集薯箱的薯塊直接運(yùn)送至輸送車中,設(shè)置成折疊裝置后可大大減小整機(jī)體積,也能使裝置在作業(yè)時(shí)靈活度更高。

4.2.3 多級(jí)輸送分離

馬鈴薯收獲機(jī)挖掘出薯塊后,需要利用輸送裝置將其運(yùn)送至收集箱,現(xiàn)有的輸送裝置多為單級(jí)輸送,效率較低且具有較高的含雜率,仍需花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行后期處理。而采用多級(jí)輸送分離則能夠消除此弊端,多級(jí)輸送能夠?qū)⑹韷K與土塊有效分離,達(dá)到作業(yè)效率高且含雜率低的效果。設(shè)計(jì)時(shí)裝置利用橡膠-桿條式升運(yùn)鏈與振動(dòng)輪協(xié)同作業(yè)進(jìn)行土薯分離,將振動(dòng)輪的振幅和頻率設(shè)置為可調(diào)來(lái)提高篩分的效果。