山药收获机械化研究的现状分析

闫帅华 刘文君 刘忆 陆洪光 于涛 蔡海晨

摘要：文章针对我国山药种植面积和产量日益增长，而其机械化收获水平相对较低的现状，对国内外山药收获机械研究的现状及其典型收获机械的设计结构特点进行了分析，指出了其存在的主要问题和影响我国山药收获机械化发展的主要因素，并提出了中国发展山药机械化收获技术的途径和研究重点。

关键词：山药收获；机械化；收获机械；山药种植；现代机械设计 文献标识码：A

中图分类号：S225 文章编号：1009-2374（2016）18-0190-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.095

山药又称薯蓣、土薯、山薯蓣、怀山药、淮山、白山药，是人类食用最早的植物之一，也是在《中华本草》中收载的草药。山药有很大的药用价值和食用加工价值。山药所含的多糖、尿囊素、皂苷、黏液蛋白、植酸和止杈素等多种药用物质，可有效地调节或者增强免疫功能、调节和促进肠胃功能、抵抗衰老、调节和降低血脂、预防肿瘤等，有巨大的药用价值和开发潜力。

作为既可食用又可入药的山药，受到区域的地质、气候、生长习性等综合因素的影响，不同地区出产的山药也具有不同的特征，因而具有不同产地的特征。山药的全国种植面积在8.11万公顷以上。由于山药特殊的生长环境和自身生长特点，山药的机械化收获发展始终处于瓶颈。传统的人工采收方法效率低、成本高，不能满足市场的大批量需求。尽管近几年国内有很多的企业在山药机械化收获方面已小有发展，但是方式仅仅限于开沟槽之后再进行人工挖取，未实现真正的机械化，且由于目前市面上生产的山药收获机的机械设备体积过大、运输不便，还只能适用于北方的平原地区，而山药种植面积甚广的南方丘陵与山地地区，机械化收获形势却依然非常严峻。目前山药市场都迫切需要一种体型小巧灵活、收获效率高的山药收获机械。

1 国内外山药收获机械研究现状

1.1 国内山药收获机械的研究现状

虽然我国山药种植面积较大，但仍以人工收获为主，机械化收获水平较低。国内的山药收获机械从20世纪60年代开始从国外引进，70年代开始正式研制，通过对国外已有机械的借鉴和自身研究，如今已取得初步成效。但我国在山药收获机械方面发展并不迅速。目前，北方部分地区已经开始采用机械化收获山药，但仅仅实现了挖掘功能，并未达到完全机械化。我国的山药收获机械化还只是在山药侧面进行开沟松土，然后人工挖取，最后进行去土收集工作。这种半机械化收获方式仍然存在劳动量大、工序繁琐、山药破损率高等问题，无法适应大规模种植的要求。目前，山药的机械收获方式是开沟。在中国成型的开沟机械产品中，有两种适于山药收获的机械：螺旋式开沟机和链式开沟机，螺旋式开沟机主要是利用螺旋切削提升的原理挖掘土壤，链式开沟机则主要利用切削原理来将土壤分离开，国内仍有许多设计者提供了山药收获机的理论设计，设计新颖，为山药收获机械化开辟了新的思路。

1.1.1 螺旋开沟式的多功能山药收获。第一种山药收获机的发明者是李垒和李善文。这个发明设计了一种螺旋开沟式的多功能山药收获机。

多功能山药收获机包括履带底盘，设在履带底盘上的操作台、电机、竖直机架以及向上提升机构。齿轮箱的总成安装在机架上并且能够沿固定的机架上下移动。用于开沟的螺旋钻轴和提土板安装在齿轮箱结构下面，电机结构与齿轮箱结构由传动轴实现传动连接；提升机构与齿轮箱结构连接，实现对齿轮箱结构的升降操作。这种山药收获机的结构比较灵活，而且功能多样化，能够同时实现开沟收获山药和沟内填土的两项功能。

1.1.2 链式开沟的一种山药收获机。第二种山药收获机发明者倪凡喜。他设计的山药收获机是典型的链式开沟实例。这个设计克服现阶段生产技术的不足之处，提供一种山药收获机的理论设计，在不损伤山药块茎的前提下，可以很大地提高生产效率，降低采收山药时的成本。这种山药收获机，包括振动破土机构、破土机构的固定架、旋转型轴承座、液压油缸、可以左右移动的轴承固定支架、悬挂型四轴固定支架、手轮、挡土板、开沟刀片、开沟链条、链条固定支架和从动轮。破土机构固定架是主体支撑架，整体呈现方形的框架结构，破土机构固定支架的后端，连接着设置的振动破土机构，破土机构固定支架的前端，连接着旋转式轴承座，旋转轴承座的前面连接着液压油缸，液压油缸的前端连接到左右移动轴承座固定架，左右移动轴承座固定架设置在悬挂式四轴连接在固定架上，在悬挂型四轴固定支架的一边，设计有手轮，在悬挂型四轴固定支架的两端后侧，设计有挡泥板。在旋转型轴承座的下端，连接设计有链条固定支架，链条固定支架的前端設计有主动轮，链条固定支架的后端设计有从动轮，绕过主动轮与从动轮，设计有开沟链条，开沟链条的外表面上设置有开沟刀片。连接到链条固定架上，设置有涨紧固定架，涨紧固定架的下端设置有涨紧轮，涨紧轮与开沟链条的内表面相接触。

1.1.3 圆锥螺旋钻管式山药收获机。荐世春、马继春、孔凡祝设计出一款圆锥螺旋钻管式山药收获机。这种新型收获机利用圆锥螺旋钻管旋转入土将山药挖出，真正实现了山药作业的机械化。圆锥螺旋钻管式山药收获机由拖拉机、万向节传动轴总成、悬挂架、变速箱和圆锥螺旋钻管等组成。圆锥螺旋钻管的圆锥管外表面上有螺旋叶片，圆锥管上有均匀分布的长槽，圆锥管的下端为锯齿状。变速箱安装在悬挂架上，拖拉机的动力输出轴通过万向节传动轴总成与变速箱的动力输出轴相联。在此之后，荐世春等六人又对其进行了改进，采用液压驱动的方法使圆锥管上下移动，从而提高了机械收获效率。

1.1.4 液压叉铲式山药收获机。王福胜、王杰和由振香发明的一种液压叉铲式山药收获机也在理论上实现了山药挖掘机械化。

液压叉铲式山药收获机包括主框架、可升降移动的活动框架、活动框架上设置挖掘铲导向架、挖掘铲导向架安装可以上下移动的挖掘铲。主框架由矩形上、下框架和上下框架间的导向支柱构成，导向支柱设置于主框架的左右两侧，每侧设置2个，既是上下框架的支撑，又是活动框架上下移动的导向柱。活动框架平行于上下框架，与固定其上的“V”字形的挖掘铲导向架处于主框架内。上框架顶部中心设有立柱，立柱顶端拐臂与活动框架之间安装第一油缸。活动框架的框壁与导向支柱上的滑套相固接，在第一油缸作用下，活动框架及固定其上的挖掘铲导向架在主框架内可以上下移动。挖掘铲导向架的上纵梁与挖掘铲上纵梁之间安装第二油缸，用于挖掘铲的上下移动进行挖掘收获作业。挖掘铲上纵梁两端具有导向杆，导向杆在挖掘铲导向架立臂导向槽板中，挖掘铲在第二油缸作用下沿导向槽板上下移动。挖掘铲是由4～10块平板铲相间隔的并排构成的一组排铲，两对挖掘铲导向架之间中心设置纵向分土板，分土板主视图形状为箭头状，分土板与其上第三油缸相连接，分土板用于挖掘山药后的破土填沟。

1.1.5 水冲式山药收获机。信登榜、刘桂芳设计的山药收获机利用高压水泵冲洗的方式获得山药，有效地降低了劳动强度，保证了山药的完整性。这种山药收获机收集山药的筒内设有喷水管，喷水管下端的喷嘴倾斜向下，与筒体的中心线夹角为30°～60°，水流经喷嘴沿筒体内壁切线方向斜向下喷出，所有喷嘴喷出的高压水流在山药的周围形成环形的水流，既可冲刷山药周围的土壤又不损伤山药。筒内还设有回水管，回水管下端的吸嘴与喷水管下端的喷嘴相向，且与筒体的中心线夹角为30°～60°，吸嘴将冲刷后的泥水吸出，经沉淀过滤后再经喷水管由喷嘴喷出；在筒内的下端设置外径大于筒内外径的延长部，使得在土壤中冲刷出来的空间大于筒体，收获山药结束更容易将筒体取出。

1.1.6 山药挖掘机拨土装置。陈玉军设计的山药挖掘机拨土装置其中的拨土叉将山药挖掘机铲起的土层的上部拨开，免除了人工拨土的繁琐劳累。

山药挖掘机拨土装置包括机架，机架上安装拨土动力装置，曲柄滑块运动装置和拨土叉。曲柄滑块运动装置与拨土动力输出端固定连接的曲柄轴，曲柄轴的另一端固定安装着曲柄，曲柄上安装连杆，连杆上安装一个滑块，机架上设置和滑块相配的导槽，连杆与拨土叉固定相连。为便于调节拨土叉的杆长，连杆上设有拨土叉调节套，叉套装在拨土叉调节套内，拨土叉调节套上安装拨土叉紧固螺钉。拨土叉包括叉身，叉身上设有叉齿套，叉齿套上安装有叉齿紧固螺母。

1.2 国外山药收获机械的研究现状

20世纪40年代初，前苏联、美国、荷兰、加拿大等国就开始设计与推广农用机械，用于收获花生、马铃薯等农作物，70年代主要研制自走式大功率块茎类作物联合收获机械。在亚洲，20世纪60年代日本开始对山药、胡萝卜等根茎类收获机械的研究，并在90年代末生产了小型根茎类收获机。

2 现役山药收获机存在的问题

目前，山药收获机主要存在的问题是农机与种植环境脱节、收获功能不完善等方面。

2.1 农机与种植环境脱节

山药的收获方式受到山药种植的地理环境直接影响，因此山药种植的地理环境也是山药收获机设计的重要依据。目前满足北方平原大面积种植的山药收获机不能在南方部分地区灵活行走，无法满足南方丘陵、山地等复杂地形的收获工作。南方的山药种植区域大部分在山地、丘陵地区，这些特殊的种植环境，使得山药收获机适应较多的地理区域，所以农机与种植环境脱节问题在山药收获机的研发中显得尤为重要。

2.2 收获功能不完善

山药需要经过挖土、拾取、去土等一系列步骤，目前的山药收获机只能实现开沟的功能以方便农民捡拾，无法机械化地实现挖取山药和山药去土的复杂工序。在这种半机械化的情况下，仍然会出现误伤、漏收以及工作效率低下的状况。

3 山药机械化收获的主要影响因素

我国的山药产业仍处于起步阶段，与大豆、玉米、马铃薯等早期大力发展的作物相比，其机械化收获水平还比较低。究其原因，其主要影响因素有以下三方面：

3.1 对山药收获机械化缺乏信心

山药收获时容易损伤，所以人们长久以来都仅采用人工收获的方法收获山药。人们主观认为，山药的生产是一种只能耗费大量人工的产业，如果采用机械化收获会影响山药的质量，手工生产能够达到机械化作业无法达到的水平。

3.2 我国的国情较为特殊

目前中国的农村人口仍然较多，劳动力投入的成本就相对较低，这导致人们对山药收获机械化不够重视，农机研发的人员更愿意将精力集中在大田谷物的收获机械上。

3.3 我国几大山药主产区南北方的种植环境存在较大差异

南方山药的种植区域以山地丘陵为主，地理环境较复杂，农机与种植环境严重脱节。

4 结语

推进我国山药收获机械化的发展可以从以下四个方面开展工作：

4.1 山药收获机械化的宣传

从限制山药收获机械化的主观因素入手，摒弃山药采用手工生产观念，加大对机械化生产的宣传力度，提高对山药生产机械化的认识，增强对机械化收获的信心。

4.2 山药物理特性的研究

山药收获机械产品研发的首要环节就是对山药物理特性的研究，通过对山药的几何形状特征（长短、粗细等）、物理特性（抗拉强度、拔取力等）、种植生长（深度、间距等）等的研究，可以在山药收获机械的设计研发时，对关键机构参数的选取设定提供有力的理论数据。

4.3 农艺结合农机的研究

（1）要针对我国山药收获方面存在的问题，吸取国外已有的机械设备和研发经验，研制满足我国各地区农艺要求的山藥收获机械；（2）要鼓励山药机械化收获的研发工作，最好能够针对山药收获机械的研究开发专题立项，并加大对其资金投入，推进农机农艺技术融合，培养出适宜于机械化收获的山药品种，因地制宜地选择优良品种和种植技术，同时改变栽培模式以适应机械化收获，研发与农艺相融合的收获机械。

4.4 机械结构的优化设计

目前市场山药收获机械的体积结构庞大复杂、耗费材料大、价格高昂，经济收入较低的农民普遍不具有购买力，因此需要将制造成本最大程度地降低。在满足山药收获机基本功能的前提下，设计出简单实用的机型，以满足广大的市场需求。同时，现代机械设计先进的理论与方法为山药收获机械的结构改进创新提供了途径，CAD/ANSYS等软件功能的完善以及优化理论的研究，为机械的设计仿真提供了技术平台，让山药收获机械的优化有基础。

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作者简介：闫帅华（1994-），男，徐州工程学院本科学生，研究方向：机械设计制造及自动化。

（责任编辑：周 琼）