南方冬种马铃薯收获机的应用现状与研究展望

江立凯，马　旭,b，武　涛，陈学深，孙国栋，谭永炘，鹿芳媛，陈桂生

(华南农业大学 a.工程学院；b.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州　510642)



南方冬种马铃薯收获机的应用现状与研究展望

江立凯a，马旭a,b，武涛a，陈学深a，孙国栋a，谭永炘a，鹿芳媛a，陈桂生a

(华南农业大学 a.工程学院；b.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州510642)

摘要：实现南方冬种马铃薯机械化收获对推进马铃薯主粮化进程、扩大南方冬种马铃薯种植面积具有重要意义。现有马铃薯收获机在应用过程中存在挖掘阻力大、易壅堵、明薯率低、伤薯率高等问题，导致目前南方冬种马铃薯收获以人工或畜力为主，机械化应用水平低。为此，从南方冬种马铃薯种植模式和种植环境出发，在分析现有马铃薯收获装置挖掘部件和分离部件的基础上，对南方冬种马铃薯收获机的进一步研究做出了展望，提出一种双重振动减阻挖掘部件、一种可分离薯、土、膜的振动杆条升运链分离部件，以及一种可分离薯、土、草的拨杆抖动筛分部件，旨在为南方冬种马铃薯地膜覆盖栽培模式及稻草覆盖栽培模式下机械化收获装置的研制提供参考。

关键词：冬种马铃薯；收获装置；挖掘部件；分离部件

0引言

2015年农业部把马铃薯主粮化工作列入重要议程，拟在不挤占三大主粮的前提下，因地制宜扩大马铃薯种植面积，由目前的533.3万hm2多扩大到1 000万hm2。南方利用冬季闲置水稻田种植冬种马铃薯，具有提高土地利用率、不与其他作物争地等优势，且南方冬闲田达0.07亿hm2之多，扩种马铃薯潜力大。因此，扩大南方冬种马铃薯种植面积成为马铃薯主粮化战略实施的一大着力点[1-2]。

马铃薯生产过程中，劳动力成本约占总成本的40%[3]。采用机械化收获可减轻农民的劳动强度，提高生产效率，降低生产成本，对促进马铃薯产业的发展具有重要意义。南方冬种马铃薯采用高畦双行稻草覆盖或地膜覆盖栽培，且收获时正值雨季，土壤含水率高，要求马铃薯收获机既能在黏湿土壤条件下做到减阻脱附，又能有效分离薯、土、草/膜。然而，市场上现有马铃薯收获机大多针对北方垄作或平作的种植工艺研制，在南方冬种马铃薯收获应用中存在挖掘阻力大、易壅堵、明薯率低及伤薯率高等问题。虽有少量针对南方冬种马铃薯收获机械的研制[4]，但这些机具主要依靠经验设计，工作性能还有待提高，无法满足南方冬种马铃薯机械化收获机具的强大市场需求。南方劳动力成本高，马铃薯机械化收获水平低，市场现有机型在冬种马铃薯收获过程中的不足，已成为严重制约马铃薯主粮化战略实施的瓶颈，因此亟需开展冬种马铃薯机械化收获技术与装备的研究。本文将阐述南方冬种马铃薯收获机的应用现状，并分析现有马铃薯收获机具在南方冬种马铃薯收获中存在问题的原因，最后对南方马铃薯收获机的进一步研究进行展望。

1栽培工艺

为了抗旱防涝、增加田间通风透光，南方冬种马铃薯多采用高畦双行栽培：畦高25～30cm，沟宽30cm，畦宽存在大畦110～120cm和小畦80～90cm两种；根据畦宽确定行距，进行“品”字形双行播种。北方马铃薯为平作或垄作栽培，多数地区采用单行或双行高垄种植的模式，单行垄作行距60cm左右，株距20～25cm；双行垄作采用宽窄行，宽行70～80cm、窄行30～40cm，株距20～25cm[5]。此外，为了提高土温，促进种薯发芽出苗，防止薯苗晚霜冻坏和土壤板结，南方冬种马铃薯多采用覆盖栽培方式，主要有地膜覆盖栽培(播种后紧贴畦面覆盖地膜，膜上相隔几米压土块)和稻草覆盖栽培(播种后垂直畦面覆盖稻草3～10cm，再盖土)[6-8]。南方冬种马铃薯所形成的种植模式及农艺参数具有一定的特色，与北方垄作或平作马铃薯种植工艺存在一定的差别。

2应用现状与存在问题

2.1应用现状

市场上现有马铃薯收获机根据其收获过程完成的程度可分为两种基本类型：一是联合收获机，可一次完成杀秧、收获、分离和装车等多项作业；二是中小型单项挖掘作业机，机具进行薯块挖掘和薯土分离后，需人工进行拾薯与装袋[9]。

南方冬种马铃薯由于种植规模较小、配备拖拉机动力小等原因，仅适合推广应用中小型挖掘作业机。引进应用的中型挖掘机：如中机美诺科技股份有限公司研制开发的1520型双行马铃薯挖掘机，配套动力40kW以上，作业行数2行，作业行距80～90cm，挖掘深度可达25cm，收获效率0.2～0.4hm2/h[10]。该机为中型挖掘机的代表，采用独立小铲，碎土较好，避免了土壤堆积和杂草缠绕，尾部设计有前后运动的摆动筛，对土壤和茎块进行二次分离[11]。推广应用的同种机型还有山东富邦农业机械装备有限公司生产的4U-2型马铃薯收获机、天成工程机械有限公司生产的4UQ-165型马铃薯收获机等。而在南方推广应用的小型马铃薯挖掘机有青岛洪珠农业机械有限公司生产的4U-83型马铃薯收获机，如图1所示。该机适合垄宽60～85cm的马铃薯收获作业，配套动力18～30kW，能够直接提取土壤中残存的农膜，不影响下一季作物的生长[12]。小型马铃薯挖掘机一般由固定挖掘铲和简单的输送分离机构构成，因配套动力小、结构轻便简单而较受青睐，推广应用的同种机型还有光明农机制造有限公司生产的4UM-1型马铃薯挖掘机、天成工程机械有限公司生产的4UX-80型马铃薯收获机，以及山东富邦农业机械装备有限公司生产的4UG-1和4UD-1型马铃薯收获机等。

1.悬挂装置　2.挖掘装置　3.防缠绕装置　4.机架

2.2存在的问题

现有马铃薯收获机多数针对北方马铃薯垄作或平作种植工艺及种植环境研制，而南方冬种马铃薯采用高畦双行稻草覆盖或地膜覆盖栽培。尤其冬种马铃薯收获时恰为雨季，土壤含水率较大，以致现有马铃薯收获机具在南方冬种马铃薯收获应用中存在以下问题：

1)对畦难，伤薯率高。南方冬种马铃薯多采用高畦双行栽培，其畦高、畦宽及马铃薯定植上的行距、株距与北方存在一定的差异，致使相关收获机具在使用中存在机组进地行走难和对畦作业难等问题，从而造成压碎薯块、挤伤薯块和铲切薯块的现象。

2)挖掘阻力大。冬种马铃薯收获时节为3-5月[13],正值南方雨季，土壤黏湿，导致挖掘阻力增大；而在稻草覆盖栽培模式下，未腐烂的稻草秸秆更是与黏湿土壤交织在一起，形成复杂多相的“秸秆-黏湿土壤”复合结构，类似一种纤维增强型的复合材料。同时，稻草秸秆起到了“加筋”作用，增强了土壤结合力，使得挖掘阻力显著增大。

3)分离部件易壅堵，薯土分离率低。现有机具多采用杆条升运链和摆动筛输送分离，黏湿土壤易粘附于分离部件表面，堵塞升运链杆条间隙和摆动筛筛杆间隙，使得土壤难以筛落，进一步导致薯土分离率下降。此外，地膜覆盖栽培方式收获时土壤中可能残存一些地膜，也给薯土的分离带来不便。而在稻草覆盖栽培模式下：一方面稻草秸秆的韧性和弹性降低了杆条升运链和摆动筛的抖动效果；另一方面秸秆的交织作用使得土壤不易破碎，且秸秆使得分离部件缠草、堵塞，严重阻碍分离部件正常工作，导致薯块分离效果极不理想。

由于上述冬种马铃薯机械化收获存在的问题，市场现有收获机具在南方没能得到大范围的推广应用。目前，南方冬种马铃薯种植主要以人工或畜力收获为主，劳动强度大、生产效率低、成本高。因此，亟需开展适应南方冬种马铃薯栽培工艺及种植环境的机械化收获技术与装备研究。

3研究展望

由于南方冬种马铃薯种植规模较小、配备拖拉机动力小等原因，南方冬种马铃薯收获机的研制应朝着中小型机具的方向发展，且应解决上述挖掘阻力大、分离部件堵塞、薯土分离率低、伤薯率高等问题。其中，伤薯率高主要是由于现有收获装置挖掘部件的作业幅宽与深度不适用于冬种马铃薯种植工艺所引起的，可通过改变挖掘部件的结构尺寸来解决该问题。所以，南方冬种马铃薯收获机的研究重点有以下两点：一是黏湿土壤及“秸秆-黏湿土壤”复合体条件下减阻挖掘部件的研究；二是“残膜-黏湿土壤”及“秸秆-黏湿土壤”复合体条件下减粘脱附防堵、马铃薯高效分离的分离部件的研究。

3.1挖掘部件

3.1.1现有挖掘部件的分析

现有马铃薯收获机挖掘部件根据机具工作时挖掘部件的运动形式，主要分为固定式和驱动式两种。

大多数中小型马铃薯挖掘机都采用固定式挖掘部件，主要有三角形平铲、条形平铲、带延伸栅条的组合式平铲和槽形铲等[14]。其中，三角形平铲的应用最为广泛，其结构简单，但易造成机前壅土；而条形平铲多用于带有摆动筛的马铃薯收获机上，可使挖掘混合物沿着整个筛宽均匀进入摆动筛；组合式挖掘铲因制造和作业性能上的优势得到广泛应用，但其多以整体横梁为支撑，铲片间隙处横梁所造成的迎土面会阻断土壤顺畅流动，从而诱发土壤壅积[15]。总之，固定式挖掘部件的作业方式容易产生壅土现象，使得机具牵引阻力和牵引功耗较大,所以中小型收获机作业时通常表现出拖拉机牵引力和牵引功率不足的问题。

驱动式挖掘部件的主要应用形式为振动式挖掘。相比固定式挖掘部件，振动式挖掘部件具有较高的碎土性能和筛分性能，不易壅土。当设置合适的振动频率时，最大可使牵引阻力减少50%[14]。

韩杰等人[16]研制了一种振动挖掘部件，如图2所示。

1.挖掘铲　2.键式振动筛　3.连杆　4、5.吊杆　6、7.横向键

装置的横向键分别与筛条偶数组和奇数组相连，并由曲柄连杆机构通过连杆和吊杆带动，使得偶数组和奇数组筛条产生相反方向的往复运动，对土层产生强烈的作用力，使挖掘铲碎土能力大大增强，壅土现象明显减少，牵引阻力也有所减少。

贾素梅等[17]研制的4GJ-880根茎收获机，采用振动推进式直板挖掘铲结构，挖掘铲两侧焊有切草分离铲，刀体尾部焊接喂入导向板。工作时，由连杆机构驱动挖掘铲做往复运动，对铲面土壤有向后抛送的作用，以消减牵引阻力。

为了更有效地减少挖掘阻力和功率消耗，杨传华等人[18]设计了一种双重振动土壤挖掘机构(见图3)，采用两个驱动马达，通过两组杠杆机构分别带动犁刀和挖掘铲产生近似垂直方向上的上下振动，从而形成犁刀和挖掘铲双振动的土壤挖掘机构。经田间试验表明，采用双重振动可使挖掘阻力减少10%～20%，减阻效果明显。

1.犁刀驱动马达　2.犁刀振动架　3.挖掘铲驱动马达

3.1.2减阻挖掘部件的研究展望

诸多试验研究表明，采用振动挖掘部件可减少挖掘阻力，为南方冬种马铃薯收获机减阻挖掘部件的研究提供了思路。为此，本文提出一种双重振动马铃薯挖掘部件，如图4所示。其中，偏心轮机构I转动，通过连杆I带动挖掘铲，使挖掘铲铲尖产生一定频率与振幅的上下振动；同时，连杆II由偏心轮机构II带动，使挖掘铲产生前后方向的振动，从而组成双重振动的挖掘效果。初步试验表明：因采用两套省力、可靠的曲柄连杆机构，较小的动力输出就会使挖掘铲的铲尖产生近似垂直与水平方向上的振动力，从而达到了省功减阻挖掘的目的。

1.挖掘铲振动吊杆　2.挖掘铲　3.连杆I

3.2分离部件

3.2.1现有分离部件的分析

目前，市场上马铃薯收获机广泛采用的是按几何尺寸进行分离的分离部件，如升运链、分离筛、滚筒筛及圆盘筛等[9]，最常见的为升运链和分离筛两种。

升运链的应用最为广泛，通常使用带有振动机构的升运链，其技术已相当成熟。升运链具有较强的分离性能，在倾斜角达30°时仍有良好的输送能力，但在粘性土壤中工作状况不理想[19]。分离筛的主要应用形式为摆动筛，由于摆动筛不仅能筛分薯土，而且能把筛面上的混合物向上输送，许多中小型马铃薯挖掘机采用该机构进行薯土分离，如中机美诺1520型马铃薯挖掘机等；摆动筛能有效地破碎土块并分离薯土，但不能有效分离稻草秸秆或残膜。少量马铃薯收获机使用滚筒筛或圆盘筛作为分离机构，滚筒筛具有坚固耐用、能量消耗少、没有不平衡惯性力等优点，但分离性能差，金属用量大，土壤过分潮湿时容易黏结。而圆盘筛与滚筒筛相似，同样使用离心力分离薯土，相比滚筒筛分离性能较好，但同样不适合在潮湿土壤条件下工作。

此外，还有一些新型马铃薯分离部件。例如，赵硕等[19]设计了一种弧形拨齿式薯土分离部件，挖掘铲输送上来的薯块和土壤混合物在弧形齿的破碎、拨动和抛掷作用下，能够使土块更好地破碎，薯土分离效率和效果得到提高；且拨齿在拨动、抛掷薯块的过程中薯块与土壤产生摩擦，使附着在薯块表面的土壤得到清理。弧形拨齿式分离部件结构简单，分离效果好，克服了其他几种分离部件在中粘性土壤中使用的限制[20]；但其结构及其运动方式容易发生绕草，也不能有效分离残膜。吴建民等人[21]设计的一种拨指轮式马铃薯挖掘机，采用一种拨指轮式分离部件，如图5所示。栅条铲铲起的薯块和土块混合物向后运输滑落到拨指轮上，通过拨指轮上弹性弹指的柔性撞击，使得薯土分离效率大大提高，且拨指轮工作时为旋转运动，没有往复惯性力，机组工作平稳；但该分离部件同样不能有效分离稻草秸秆或残膜。

1.机架　2.挖掘装置　3.传动装置　4.中护栏　5.分离调整装置

现有分离部件不能完全适用于“残膜-黏湿土壤”复合体或“秸秆-黏湿土壤”复合体条件下的薯块有效分离。因此，要解决冬种马铃薯机械化收获薯块分离难的问题，必须对现有分离部件进行改进或研究新型分离部件。

3.2.2薯、土、膜分离部件的研究展望

上文提到山东青岛洪珠农业机械有限公司生产的4U-83型马铃薯收获机能够从土壤中提取残留农膜，为地膜覆盖栽培模式下分离部件的研究提供了思路。4U-83型马铃薯收获机的分离部件如图1所示，采用的是一种抖动杆条升运链，南方冬种马铃薯地膜覆盖栽培模式下的收获机分离部件可参考该部件进行设计，以达到提取残膜的目的。而黏湿土壤易粘附升运链杆条造成壅土堵塞的问题，可通过适当增大升运链杆条之间的间隙，以及在杆条升运链中间安装刷子(见图6)对杆条上粘附的土壤进行清理的办法加以解决。

3.2.3薯、土、草分离部件的研究展望

在升运链和摆动筛分离部件的基础上，提出一种采用拨杆对筛板上筛杆间隙进行清理并分离稻草秸秆的拨杆抖动筛分部件，如图7所示。工作时，挖掘铲铲起的薯块-秸秆黏湿土壤复合体传送到升运链上，经过链条的振动和拨动作用，使复合体破裂，完成初步的土壤分离并继续输送到后方的筛板上；位于筛板上方的拨杆固定于左右两链条上，随链条向筛板后方循环运动，拨杆上的拨指对筛板上筛杆间隙粘附的黏湿土壤进行清理，并挑出稻草秸秆；秸秆被拨杆带起后随拨杆运动角度的变化，在自身重力的作用下掉落到下方的落草板上，少量仍附着在拨指上的秸秆随拨杆运动，当经过后方落草杆的位置时，也会被落草杆上与拨杆拨指交错排列的拨指打落到落草板上。落草板为中间凸起两侧向下倾斜的导向板，与前后挡板结合形成两条朝向机具两侧的落草道。落草板上的秸秆将在机具的振动及自身重力的作用下沿斜板滑落到机具两侧，而马铃薯和土块在拨杆拨指的拨动下从筛板落到下方的摆动筛上；摆动筛绕摆臂摆动进一步抖动分离薯土，再把马铃薯抖落到机具后方并排列成条，从而可达到土、薯、草分离的目的。

图6　刷子安装示意图

1.挖掘铲　2.升运链　3.拨指　4.筛板　5.拨杆　6.链轮

4结论

1)南方冬种马铃薯种植工艺与北方不同，现有收获机不适合其收获作业，推广应用受阻，目前主要采用人工或畜力收获。随着马铃薯种植面积的逐年增长，劳动强度大、效率低、成本高等问题越来越凸显，因此亟需开展冬种马铃薯机械化收获技术与装备的研究。

2)在分析现有挖掘和分离部件研究的基础上，对南方冬种马铃薯的研究进行了展望，提出了一种双重振动减阻挖掘部件，以及适用于南方冬种马铃薯地膜和稻草覆盖栽培模式的抖动杆条链式与拨杆抖动分离部件。

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Application Status and Research Prospect of Southern Winter Planting Potato Harvesting Machine

Jiang Likaia, Ma Xua,b, Wu Taoa, Chen Xueshena, Sun Guodonga, Tan Yongxina,Lu Fangyuana, Chen Guishenga

(a.College of Engineering; b.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：It has important implication for promoting the process of potato as staple food and expanding the area of southern winter planting potato to realize the mechanized harvesting of southern winter planting potato. However, there are many problems of the existing potato harvesters in the application of southern winter planting potato harvesting,such as big digging resistance, easy blocking, low excavation rate and high injury rate of potato.Currently, southern winter planting potato harvest mainly by person or animal, the mechanical application level is low. According to the planting mode and growing environment of southern winter planting potato, a kind of double vibration anti-drag digging component,a kinds of vibration chain-lever elevator that can separate potatoes from soil and plastic film and a kinds of lever sway separating component that can separate potatoes from soil and straws were proposed based on reviewing the present status of potato harvest equipment and technology, which is considered as a prospect of the research of southern potato harvesting machine and provide a reference for the manufacture of mechanized harvesting devices of southern winter planting potato that under film mulching or straw mulching cultivation mode.

Key words：winter planting potato; harvesting devices; digging components; separating components

文章编号：1003-188X(2016)07-0263-06

中图分类号：S225.7+1

文献标识码：A

作者简介：江立凯(1990-),男，广东揭阳人，硕士研究生，(E-mail)18819474879@163.com。通讯作者：马旭(1959-)，男，沈阳人，教授，博士生导师，(E-mail)maxu1959@scau.edu.cn。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B03)；国家自然科学基金项目(51405164)

收稿日期：2015-07-03