作物机械收获技术研究进展

张萌璐 孙志锋 孙志栋 陈权辉

摘要随着现代农业技术的发展，蔬菜机械化收获技术在我国越来越受到重视。从我国蔬菜生产的实际情况出发，根据田间作物食用部位不同，对甜菜收获机、甘蔗收获机、大蒜收获机、甘蓝收获机等我国亟需重点解决的蔬菜收获机的国内外研究进展进行详细介绍。参考国外收获机技术，我国也有越来越多的自主研发和改良机型投入使用。同时结合收获机械的发展与推广，指出了该领域的研究方向。

关键词作物；收获机；技术

中图分类号S225文献标识码A文章编号0517-6611（2017）14-0199-05

AbstractWith the development of modern agricultural technology， vegetable mechanized harvesting technology has attracted much more attention in recent years in China. Based on the actual situation of vegetable production in China， according to the different edible parts of field crops， research progress of sugarbeet harvester， sugarcane harvester and garlic harvester in domestic and overseas were introduced in detail. By referring to technology of developed countries， more and more independent research and improved harvesters were put into use in China. In consideration of the development and extension， the research direction about harvesting machinery was pointed out.

Key wordsCrop；Harvesters；Technology

农业机械是指在作物种植业和畜牧业生产及加工处理过程中所使用的各种机械。例如常见的谷物收获机是由塞勒斯·麦考密克发明的，用其一次性完成收割、脱粒、集中，然后再通过传送带将粮食输送到运输车上。也可用人工收割，将稻、麦等作物的禾秆铺放在田间，然后再用谷物收获机械进行捡拾脱粒。在当前我国农村劳动力资源结构性短缺的情况下，必须加快发展农业机械化，尤其是针对季节性强、人工作业劳动强度高、作业效率低、收获损失大和占用农时多等问题，实现田间作物收获机械化意义重大。

目前，国内进行机械收获的主要是根茎类蔬菜、瓜果类蔬菜、球茎类蔬菜，果粒类蔬菜、叶类蔬菜收获机械没有得到推广。以胡萝卜为代表的根茎类蔬菜近年来技术已基本成熟，机械化作业程度高。球茎类蔬菜收获机具虽有突破，但机具实用性不大，仍以手工收获为主。而近年已逐步展开叶类蔬菜、果粒类蔬菜等收获问题的研究。田间作物的生长具有随机性，受土壤、天气、肥料等的影响很大，同品种的蔬菜长成之后形态不一，生长发育程度不齐，而果实、叶片等相对脆弱，这就要求在研发时要考虑到蔬菜的几何与物理特性等，设计具有一定柔性、智能化的蔬菜收获机械[1]。采用联合收获机械收获蔬菜，若把损失率和损伤率控制在一定范围，可大大提高收获效率。田间作物种类繁多，供食用的器官不同，因此设计的收获机械大多专用性很强。如能开发通过更换部分零部件或调整工作参数就能收获多种蔬菜的收获设备，提高收获机械设备的通用性，可降低使用成本，扩大推广范围。

1甜菜收获机械

甜菜机械化收获方法有联合收获、两段法、三段法3类。联合收获是用1台机器或机组一次作业完成甜菜收获的各主要作业工序，具有生产效率高、劳动强度低、机械化程度高和收获损失小的特点，适用于大面积收获，其缺点是价格昂贵、使用维护成本高、机器结构复杂。分段收获设备与联合收获设备相比结构简单、制造成本低、生产效率高、适用范围广，能适应田间较恶劣的地形条件，闲置时不占用动力[2]。

欧美等发达国家对甜菜收获装备的研究比较早，整体技术水平高，并有联合收获机和分段式收获机组等多个系列产品。他们的联合收获机械以牵引式和自走式为主，机电一体化程度高，普遍采用了液压、电子和计算机等高新技术，配套动力大，操作方便，可一次性完成打樱、切顶、挖掘、清理、输送和装运等作业[3]。日本、韩国等地区联合收获机多为错行作业机型，即打叶切顶部件与挖掘收获部件并列，一般与中小型拖拉机配套使用，多采用铧式挖掘铲和转轮式清选装置，整机体积小且结构紧凑，适用于小面积单行收获。我国甜菜机械收获设备发展较慢，联合收获机基本是从国外进口，自主研制的机型以牵引式和悬挂式的中小型分段作业机械为主。茎叶切削设备大多数采用了主动圆盘式仿形机构和平直切刀切削装置；块茎挖掘器以铧式、组合式和叉式为主；清理输送装置较简单，性能差[4]。

1.1分段式甜菜收获机械我国对甜菜收获机械的研究始于20 世纪70 年代末，自主研制的收获机如4TQ-2 型切缨机、4TW-312 型圆盘式挖掘集条机、4TW-3 （2）B 型挖掘机、4TWZ-4 型甜菜收获机，农甜4TQ-2 型甜菜切缨机、农甜4TW-2 甜菜挖掘机，均为分段收获机械。

甜菜茎叶较为繁茂时，打叶切顶机很难将甜菜叶彻底打烂，掉落在壟间的甜菜叶会影响下一步甜菜挖掘机的工作，使得收集起来的甜菜块根杂质含量增加且对刀具造成难以修復的磨损。对切叶装置进行改进，在行驶方向上在切叶机的切碎元件后面设置至少1个以剪顶器或类似构件组的形式为参考的第二工具，2个元件形成输送路径，使切除物按照桥接的方式被排出。

由于甜菜收集料仓的翻转速度和翻转角度，料仓装满物料后倾倒装车时会因重心偏移而发生危险，通过改进卸料机构，料仓后部两侧面对称开有左右滑槽，滑槽内装有旋转轴，旋转轴两端上分别安装有左拉簧和右拉簧连接安装架，用帆布绕过旋转轴固定在料仓底面上和料仓前部翻盖上，减缓了甜菜整体倒在帆布上，防止甜菜漏到料仓底部。

1.2联合式甜菜收获机械与轮式拖拉机配套使用的圆盘挖掘式甜菜联合收获机是新型收获设备，该机由机架、对行装置、挖掘装置、抛送装置、输送清理装置、升运装置、收集箱、液压系统、传动系统等组成，一次性完成甜菜的挖掘、除土、输送、提升、收集作业[5]。自动对行控制系统能降低甜菜联合收获机漏挖损失率和根体折断率，是甜菜收获的关键环节。对行装置主要由对行机架、对行导板、手动换向阀等组成。当对行机构随地起伏时，对行导板受到甜菜块根轮廓的推力，带动机构联动，牵动手动换向阀的手柄通过液压油路，使转向油缸进行相应的动作，调整收获机的前进方向。类似的对行装置还有利用四连杆机构工作原理：探测杆感知甜菜根块的左右偏移，并带动挂杆随动偏移，转换为角度传感器旋转轴角度的变化，转换成数字信号并传输至控制器对行探测机构感知垄顶甜菜根块的位置，控制器输出电磁阀的控制信号打开液压缸驱动油路，带动挖掘位置的调整[6]。挖掘装置主要由挖掘圆盘、堵漏盘、圆盘轴臂架、轴承套等组成。工作时，挖掘圆盘依靠其与土壤的摩擦力产生滚动，在前进过程中将含有甜菜块根的土垡切割、松碎，甜菜块根随着圆盘的滚动被拔出。抛送装置通过抛送轮轴带动抛送轮转动，将挖起的甜菜送到后输送分离装置。输送清理装置借助杆式输送链的抖动和螺旋辊筒上设有的螺旋圆钢实现甜菜与土壤、杂草的分离，并完成甜菜块根的定向输送，然后借助甜菜的惯性和重力抛落到收集箱内，压紧轮可根据甜菜大小不同做出调节。对圆盘式挖掘部件进行参数的优化设计，能提高收獲甜菜的质量。

另外还有可自动对行作业的错行挖掘型甜菜联合收获机，一次作业2行，即单行收获和邻行打叶切顶同时进行，具有自动对行纠偏系统，创新设计仿形切顶机构、挖破土一体化挖掘输送系统，融入液压和智能控制等先进技术，采用三点悬挂方式与拖拉机实现挂接[7]。

2甘蔗收获机械

在国外， 大型切段式甘蔗联合收割机是甘蔗收获机械技术发展的主要方向。目前，巴西、澳大利亚、古巴等产糖发达国家广泛使用大型切段式甘蔗联合收割机，其能够一次性完成扶倒、切梢、收割、切段、清选、装载、蔗叶切还田等工序[8]。在日本、菲律宾、印度尼西亚等国应用整秆式收割机，只实现甘蔗的割倒、铺放等工序。该类机型轻便灵活，以手扶拖拉机底盘为动力和行走装置，安装有地面仿型装置，割台可以调节[9]。我国大多数收割机是仿照国外大型收割机并沿用传统的设计方法进行开发。

切段式甘蔗联合收割机通过改造中马力轮式拖拉机，抬高拖拉机离地间隙，在拖拉机尾部挂上切割台，以拖拉机后退方向为收割前进方向，例如4GZ-140 型自走切段式甘蔗收割机，由于糖厂接收原料限制，该类机型没有得到推广应用。整秆式甘蔗收割机从割台形式看，主要有卧式整秆和立式整秆2种；从悬挂形式看主要有侧挂式、腹挂式和肩背式3种；从收获方式看分为联合式和分段式整秆收获2种[10]。联合式整秆甘蔗收割机有以中马力轮式拖拉机作底盘的KALTOR-80 型。分段式整秆收割机有自走底盘式、侧挂大中马力轮式拖拉机式和利用手扶拖拉机底盘式等型式，例如4GZ-35型侧挂式甘蔗收割机、4GZ-12 型甘蔗收割机[11]。

2.1甘蔗剥叶断尾装置甘蔗收获有扶蔗、砍蔗、碎叶、剥叶和断尾等步骤，部件之间的关系复杂，结构的协调性要求高，有很多内在因素影响甘蔗收获质量[12]。甘蔗剥叶装置是将收割后的甘蔗传输进入剥叶装置并对其去除蔗叶和杂质，关系着后续部件的工作。国外蔗叶的剥离实现方法是通过焚烧或采用大功率的吹风系统。国内的剥叶机大多采取离心式剥叶，国内一些高校和科研院所从装置结构、剥叶辊转速、剥叶元件材质和形式及元件安装排列方式等方面研究剥叶性能的改进[13]。

在整秆式甘蔗收获机中采用三角形排列方式，将起主要作用的耙叶辊、上剥叶辊和下剥叶辊三者进行布局安装，耙叶辊依靠其上的耙叶齿完成先期撕开蔗叶的工作。第2级断梢装置主要是对甘蔗尾梢起支撑作用。剥叶辊上的剥叶刷依靠高速旋转过程中其侧面与甘蔗的摩擦来剥离蔗叶，尾稍受到剥叶刷的高速冲击从而实现断尾[14]。

甘蔗植物的叶子以机械的方式与甘蔗植物的茎部分离，只有在分离叶子以后才使茎部与根部分开。在去除叶子过程中甘蔗植物的茎部由至少1个茎部保持单元确保基本竖直站立，由此使叶子从茎部上除去，而不必担心茎部的损坏、弯曲或弯折，也不必担心在收获方向上布置在待去除葉子的茎部区域之前或之下的装置的粘接。

将甘蔗在径向行进的过程采用横向剥叶的方式，所采用的甘蔗剥叶装置包括剥叶元件和传动部件，传动部件由发动机带动，由主动轮和从动轮构成，主动轮和从动轮之间以链条或传动带连接，当每一组传动部件传动的时候，与之配合的另一组传动部件的运动方向互为相反，1个或若干个剥叶部件设置在剥叶元件主体上，连接件将剥叶元件主体连接在链条或传动带上[15]。

在原有收获机的基础上，增加1对反向旋转的除杂辊，通过除杂刷片将蔗叶刷下，令缠绕在甘蔗上的蔗叶在反向旋转的除杂辊的作用下与甘蔗分离，从通道下方落下[16]。在甘蔗通道的两边分别有1对互为反向旋转呈幅射齿状的剥叶轮，在甘蔗通道的出口端两边有1对互为反向旋转的限速轮，转速小于剥叶轮的转速。剥叶轮上、下错位设置，两轮外轮缘之间有间隙，在剥叶轮之间的甘蔗通道上设置折梢横杆，降低能耗，自动准确地完成断梢作业。

由叶梢聚拢判别部件、切割器、固定支架和传动机构组成的甘蔗切削机构，可安装在甘蔗收获机前端，固定支架上由前往后依次安装聚拢杆、耙轮、波形分流判别带和链锯，耙轮安装在圆柱滚筒上，圆柱滚筒上安装有排刷状耙齿[17]。当叶梢从波形分流判别带的波峰处大间隙进入波谷位置的小间隙后，被链锯切断。该机构可同时切割多根甘蔗蔗梢，准确辨别尾梢切断部位，且在一定范围内判别倒伏甘蔗蔗梢并切除。

2.2整杆式甘蔗收获机整秆式甘蔗收获机断梢剥叶碎叶一体化机构，输入辊、耙叶辊、三级断梢装置、剥叶辊、碎叶辊和输出辊由前至后依次安装在机架上，采用齿轮、带轮和链轮结合的传动机构。第1级断梢装置安装在耙叶辊的前下方，位于甘蔗物流通道的下部；第2级断梢装置安装在耙叶辊与剥叶辊之间，位于甘蔗物流通道的上部；第3级断梢装置安装在两对剥叶辊之间，位于甘蔗物流通道的下部，同时完成断梢、剥叶、碎叶的工作流程，且能对多根并行的甘蔗同时作业[18]。

整秆甘蔗收获的另一种方式是将甘蔗推倒。侧悬挂推倒式整秆甘蔗收获机主要由分蔗装置、压蔗推倒装置、切割装置、一级输送装置、二级输送装置和集堆装置等组成[19]。工作时，拖拉机及其液压动力系统将动力传给各执行元件，压蔗推倒装置将甘蔗推扶成一定角度，螺旋轨道式双刀盘切割装置进行切割，切割后的甘蔗喂入到一级输送装置，经二级输送装置输送至集堆装置进行收集。收集后的甘蔗进行集中剥叶，完成收获。

在我国甘蔗收获机虚拟设计研究方面，在整机虚拟设计、扶蔗机构、切割机构、剥叶机构和作业过程动态仿真几个方面，其他还有部分机构和系统，如断尾机构、行走系统、地面系统等[20]。甘蔗收获机虚拟设计还存在一些问题，但作为新兴的产品开发设计改进优化方法，能缩短新产品的开发周期，在农业装备设计优化中会扮演重要的角色。

3大蒜收获机械

欧美国家大蒜的种植面积相对我国较小，只有少量的大蒜收獲专用机械，多数设备可以兼收大蒜、胡萝卜、洋葱等根茎类作物。美国、加拿大等国以大型全程分段式收获模式为主，主要机型有GW4400型4行大蒜挖掘铺条机和GL2400型2行大蒜捡拾机[21]。日、韩和西欧一些国家以小型牵引式联合收获模式为主，较典型的产品有法国、西班牙的打捆式和切秧式大蒜联合收获机，丹麦及比利时的切秧式大蒜联合收获机[22]。我国大蒜收获机械包括科研院所和企业研发的仅有15种左右，且多为分段式收获设备，仅完成挖掘出土工序，适应性、作业质量、经济性和可靠性等方面还需提升。

3.1分段式大蒜收获機分段式收获设备主要有：4DS-1000型大蒜挖掘机，通过圆盘刀具在地下不断旋转，切断大蒜根系，使土松动，并将蒜头拱起，达到大蒜与土分离的目的。同时，由前后拨禾器将蒜头拨出，解决了拖拉机轮胎压蒜的问题[23]。4S-85型大蒜收获机能一次完成破土、碎土、切根、筛选和集条等项作业，尤其适合在沙壤作业。工作时，挖掘铲入土至限深轮限定深度并进行破土切根，碎土轮对土块进行破碎，泥土分离器将碎石与大蒜分离，经过左右拨齿聚拢和传送分离后呈带状摆放[24]。4S-6型大蒜收获机与手扶拖拉机配套使用，可一次完成挖掘、蒜土分离、铺放等工序。该机采用前置旋转犁刀破土切根，可将挖起的大蒜旋至拖拉机两轮之间从而避免驱动轮对蒜头的碾压，采用后置犁刀与振动筛相结合，破土切根的同时对两轮之间的大蒜进行筛动[25]。另外，4DS-2型大蒜收获机与拖拉机配套使用，三点式悬挂，一次收获2行。工作时驱动轮带动附加其上的大链轮转动，设有张紧轮的链条带动机具的小链轮转动，结合同轴离合器并通过锥齿轮箱驱动抛掷轮转动，机组前进的同时挖掘铲入土达到预定工作深度时挖掘起土，抛掷轮拨齿杆将土块打碎使蒜土分离，抛在铲右侧[26]。在4DLB_2型大蒜联合收获机果秧分离功能部件的基础上开发基于随蒜体下茎面浮动、仿形对齐切割的蒜须分离装置，机收过程中即可代替手工完成切须作业，有效提高大蒜收获效率，形成完整的大蒜机械化收获模式[27]。其他收获机工作原理类似，基本上都是功能单一的挖掘收获机械，普遍存在适应性差、可靠性低、效率低、伤蒜率高等问题[28]。

45卷14期张萌璐等作物机械收获技术研究进展3.2联合式大蒜收获机大蒜联合收获机可一次性完成挖掘、清土、果秧分离、集果等工序，具有作业集成度高、人工劳动强度低、收获损失小、生产效率高等优势。当前国内大蒜联合收获机械的研究非常少，例如：半喂入自走式大蒜联合收获机，采用半喂入稻麦联合收获机底盘，并配有液压无级变速系统[29]。该机采用挖拔组合式工作原理，保证大蒜收获的挖掘效果，提高整机的稳定性和作业质量。另外，一种小型双行大蒜联合收获机，由机架、发动机、减速器和行走轮组成，在行走轮的前端依次设置栅格筛床犁头、拨禾轮、限深轮、旋转刀片和圆盘缺口梨刀。工作时，圆盘缺口梨刀倾斜入土旋转将大蒜向上拱起使土壤疏松，旋转刀片将蒜苗贴地面切断，拨禾齿将蒜苗拨倒，栅格筛床犁头将大蒜犁出地面，并沿筛床曲面向上推，实现收集并清理大蒜上沙土的功能，有着功率小、结构紧凑、操作灵活的特点。

一种多功能大蒜联合收获机由行走操控系统、动力及传动系统、骨架主梁组成。骨架主梁上设有仿生铲拔系统、削剪系统和蒜头运装系统。发动机输出轴上的主动轮通过主三角带与离合轮连接，离合轮与转向轮连接，转向轮通过传动杆与变速箱连接，变速箱与仿生铲系统连接，运装主动轮与运装从动轮连接，离合轮与行走及操控系统的驱动后轮连接，发电机与发动机输出轴相连。该装置根据人体仿生原理，利用拔蒜三角带、削剪系统、作业铲、集蒜槽及蒜头传送带等自动化部件一次完成全部收蒜工序，作业铲的作业深度可通过深浅调节轮调整，能降低大蒜受损率。

一种大蒜联合收获机能完成大蒜的松土、夹持、清土、齐高和切割工作，并可运输清洁后的大蒜，便于进一步捡拾晾晒[30]。该机作业时，分苗装置把蒜苗扶起，扶苗装置把收获宽度范围内的蒜苗与外侧蒜苗分离，挖掘铲进行松土和切除蒜根。在输送装置前段下方设有清土装置，进行蒜土分离。夹持机构将蒜按顺序排列并输送到切秧装置，由果茎分离段的切割刀切掉蒜根和蒜茎，蒜根落入地面平铺，大蒜由传送带提升运送至振动筛上二次清土，且下方配有风选机吹走少量蒜根和杂草，蒜头经过软面盖板落入集蒜箱中，蒜茎从茎蔓传送带到机器后端洒落。

4叶菜收获机械

在蔬菜分类中，叶菜类是生食类蔬菜品种最多的一类。目前，进行机械收获的主要是结球叶菜中的结球甘蓝和大白菜[31]。国外的甘蓝收获机械研究水平以欧美国家和亚洲的日本为代表，其产品以牵引式和悬挂式为主，有的机型带有结球输送装置，可与运输车联合作业[32]。瑞士的TK-2000型甘蓝收获机可一次收获2行，带有升降输送装置，可将收获后的甘蓝输送到联合作业的运输车内，甘蓝拔取机构能通过液压缸调节高低，以适应不同的垄高[33]。丹麦的甘蓝收获机械是单行的，采用三点悬挂、电液系统，该机压顶机构采用由张紧轮控制的弹性橡胶绳编织成的网带，可以拾取不同尺寸及偏离垄中心的甘蓝并输送到收获机后部，进行切根、分离、存储。日本研制的智能甘蓝收获机，可以自动辨别甘蓝的成熟度，实现多次收获。该机主要由液压驱动摘取手、影像采集系统、并行控制系统以及发动机和履带式自走底盘等部分组成。我国关于结球叶菜收获机的研究仅有20 世纪 80 年代末研制成功了一台履带式 10 kW 甘蓝收获机，一次采收1行，有拔取、根茎切断、外叶切除及装箱等作业功能。

近年来，甘肃农业大学分析了甘蓝切根力影响因素，并对4YB-I型甘蓝收获机进行了三维设计[34]。东北农业大学设计并制造了一台甘蓝收获机，采用双圆盘结构拔取甘蓝，由双螺旋拔取输送装置输送甘蓝至圆盘割刀切除根部，经过后续的剥叶、输送，完成装箱[35]。但上述样机没得到应用推广。目前的甘蓝收获机械存在的问题主要表现在以下3方面：一是损伤问题。在拔取和切根的过程中会导致甘蓝球的损伤。二是堵塞问题。切掉的根和外包叶拥堵在螺旋输送机构中间，影响收获机正常作业。三是现有成熟机型均为一次性收获机，选择性收获机还处在样机研制阶段，并且漏收率高、作业效率低。一种适合南方田间作业的自走式甘蓝联合收获机，配置有专用动力底盘，收获台架主体包括引拔装置、输送提升装置、切根装置、剥叶装置、收集装置等，动力由液压系统驱動，可一次完成甘蓝的拔取、输送、切根、剥叶、装箱等作业[36]。该结球类蔬菜收获机的拔取装置，在行进过程中锥形引拔器将结球类蔬菜连根拔起；并通过拨轮的旋转，将结球类蔬菜顺利送入到输送机构向上输送，从而减少拔取过程中的蔬菜破损。该收获机导向机构能根据结球类蔬菜的状态自动导正左右从动输送轮的位置；刷土机构通过刷土马达来驱动滚筒毛刷旋转实现对结球类蔬菜根部的刷土清洁；输送机构利用带有矩形凹坑的输送带稳定的夹持结球类蔬菜；支撑机构输送过程中自适应调节输送带对结球类蔬菜的夹持并支撑输送带；切割机构通过切割刀与输送带最下端的定位距离保证切割整齐。该输送系统保证了输送平稳、根部清洁和有效的切根，提高了收获效率和质量。

5结论

从国内外收获机械的研究现状看，我国生产的实际情况和收获机械的研究还存在许多问题。机械化收获本身对农艺的要求较高，我国蔬菜的播种、移栽、浇灌等机械化程度不高，种植粗放，农艺不规范，这对收获机械的适应能力提出了更高的要求[37]。传统的收获机械结构复杂，较多地采用机械传动的方式增加了其复杂性，也易造成堵塞问题。农田地势高低起伏、环境变化复杂、作业对象的差异性使得机械收获质量下降，电气传动、液压传动等智能化技术成为收获机械设计的主流。收获机械的发展趋势是：用新型材料以进一步减轻重量；采用低振动发动机和先进的减振隔振装置并合理配置机件，以减少振动对人体的危害；提高机械的加工和装配精度、改进吸排气系统，以减低噪声；增设各种安全保护装置，以提高作业安全性。

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