豌豆机械化收获技术研究现状与研究趋势

赵继云,王晓燕,王 杰,侯秀宁,宋昌博,张学敏

(1.中国农业大学 工学院,北京 100083;2.现代农业装备优化设计北京市重点实验室,北京 100083)

0 引言

豌豆(Pisum sativum L.)属于豆科(Leguminosae),蝶形花亚科(Papilionoideae),豌豆属(Pisum),别名荷兰豆、麦豆、青豆、胡豆、淮豆、金豆、毕豆、寒豆等[1]。豌豆富含营养成分,可作为粮食、蔬菜和饲料。此外,豌豆根瘤可以进行生物固氮,每公顷豌豆田可固定空气中的氮素 75～90 kg,有利于改良土壤和促进下茬非豆科作物增产[2]。据 FAO统计,截止至2007年,全世界有93个国家生产干豌豆,栽培面积689.6万m2,总产量1 012.8万t;80个国家生产青豌豆,栽培面积108.8万m2,总产量 826.5万t。中国干豌豆栽培面积和总产量分别占全世界的 15.2%和13.8%,青豌豆栽培面积和总产量分别占全世界的23.1%和 30.4%,在世界豌豆生产中占比很高[3]。我国的豌豆几乎在各个省份都有种植,随着城市化进程的推进,农村劳动力不断减少,为保证农作物生产效率,不得不使用机器代替人工劳动力,且农村地区的农机服务站越来越多[4],加速了中国农业向机械化、自动化转变。我国豌豆种植产业庞大,近年来已有相关学者针对青豌豆和干豌豆的豌豆荚和豌豆秧的特点设计了专用的剥壳机构[5-9],但由于各种因素的限制,其机械化程度极低,这也是制约我国豌豆种植产业进一步发展的主要原因之一。

1 豌豆收获机械的特点

1)收获环境的复杂性。由于豌豆在我国的种植范围非常广泛,无论是平原还是山区都有种植,这限制了豌豆的收获无法像小麦一样采用大型联合收割机收获。如果豌豆收获机械的体积像山区所用的小型农用机械(如手扶拖拉机、小型旋耕机等)一样,就不能保证其在平原大田里的收割效率。所以,既要保证豌豆收获机械的灵活性和可调性,还要保证收割效率。

2)收获机械的专用性。由于豌豆成熟后植株相互纠缠且倒伏在地上,几乎没有农作物与其相似,所以豌豆收获机械的专用性非常强,而通用性不高。因此,在设计时应尽量选用通用零件,以提高其调试和维护工作的方便性。

3)收获机械的经济性。农业机械设计的初衷就是利用机械代替人工进行农业劳动以提高经济效益,所以设计豌豆收获机械时,在保证功能性的前提下,应尽量减少成本,切实提高其使用者的收益。

4)收获机械的质量保证。对于种植在山地、丘陵地区的豌豆,在设计时还需注重收获机械的生产质量。由于山地、丘陵地区地况复杂,土地里还混有树枝、石块等杂物,如果将这些杂物卷进收获机械中有可能会破坏收获机械。所以,在设计豌豆收获机械时应将切割刀齿刀刃硬度、机械结构强度等因素考虑进去,避免在收获机械进行收割作业过程中发生机器损坏等现象[10]。

2 国内外研究现状

2.1 国外豌豆收获机械研究现状

在豌豆收获机械的研究上,欧美国家已有成熟的豌豆收获机械进行收割工作,且已经高度自动化。图1为荷兰PLOEGER机械公司生产的EPD540型收割机,该机长11.65m,宽3.9m,高4m,空载质量24.24t。此大型收割机被设计专门用于农场中的农作物收割,可收割豌豆、蚕豆、芸豆等豆类作物,且具有作物去皮、秸秆粉碎等功能。EPD540型收割机在作业时的行走速度最高可达7km/h,收割效率非常高,油箱可盛装920L燃料,可持续工作较长时间。除了上面所说的这种收割机械的功能性,还配备了触摸控制屏和先进的全车信息诊断系统,可以准确、快速收集作业过程中的信息,并自行处理或传递给驾驶人员,以保证作业过程的高效率和稳定性。EPD540型收割机对驾驶室进行深度人机工程学设计,可保证驾驶人员在工作过程中的舒适性和开阔的视野范围。图2为EPD540型收割机正在进行收割作业。

图1 荷兰PLOEGER机械公司生产的EPD540型收割机

图2 EP540进行收割作业

由于EPD540型收割机自身并没设有储物仓,所以在进行收割作业时,旁边需伴随一辆卡车用于收集收割下来的农作物。EPD540型收割机整车由PLOEGER机械公司拥有自主知识产权,高度集成了先进的自动化和信息化技术,在欧洲、美国、加拿大等地区的豆类种植农场中使用最为广泛,是PLOEGER机械公司的主打产品[11]。

美国的豌豆种植也十分广泛,且在20世纪七八十年代就开始对豌豆收获机械进行研究[12]。图3为美国早期的豌豆收割机。这个时期豌豆收割机械的研制还处于起步阶段,机器体积十分庞大,且功能比较单一。这种豌豆收割机靠拖拉机牵引进行工作,并装有一个柴油机用来驱动其上的各工作部件。它采用圆盘刀收割,豌豆秧被割下后经传送装置在机器的收集装置内团成一团,然后被丢到地上,便于后续人工收集。这种豌豆收割机的工作稳定性很差,在工作过程中传送装置和收集装置常发生缠绕和堵塞现象。在美国的大农场中,低效率的人工收割已经不能再满足大面积豌豆的收割需求,迫使豌豆的收割作业向机械化转变,即使是并不完善的收割机械也要比传统的人工收割工作效率高很多。在经过几十年的发展后,美国的豌豆收割机械已经趋于成熟。美国十方国际公司是美国规模较大的农业机械制造商, 2005年在我国黑龙江省哈尔滨市设立中国办事处,专门推广特种农业机械。图4为美国OXBO公司生产的2430多功能收获机,这种收获机在更换相应的收获头架后,可用于玉米(鲜食玉米、种子玉米、甜玉米)、辣椒、豆类(青豆角、毛豆、鲜豌豆)、叶类蔬菜(菠菜、青菜等)等不同作物的收获,在进行收割作业时具有较高的自动化,在收割豌豆时可以一次性完成收割及去皮脱粒[13]作业。这种豌豆收获机工作效率很高,可达1.2～1.3hm2/h;该机有自己的储料仓,堆存高度在2.8～4m内可变,容积11m3、容量3 632kg,作业过程中无需跟随运载卡车,这就增加了其作业的独立性和灵活性。

图3 美国早期的豌豆收获机械

图4 美国OXBO公司生产的2430多功能收获机

俄罗斯雅罗斯拉夫尔州的农作物种植业和机械制造行业比较发达,农业机械化程度较高。图5为雅罗斯拉夫尔州的豌豆收割机。这种豌豆收割机也有一个小型的捡拾器用来梳理长势不整齐的豌豆秧,减少了豌豆秧对切割装置的缠绕。其切割装置为一种往复刀,豌豆秧被切割后输送到后方进行去皮和脱粒,经粉碎装置粉碎后还田,豌豆粒经出料筒吹出到旁边跟随的载货卡车上。这种豌豆收割机也是一种自动化程度较高的大型豌豆收割设备,尤其适合在像雅罗斯拉夫尔州那样广袤平旷的土地上进行收割作业。这种豌豆收割机专门针对该州的豌豆收割设计,结构简单且收割效率高,俄罗斯大部分的豌豆收割作业都已经采用该设备收割。

图5 雅罗斯拉夫尔州的豌豆收割机

近年来,电子信息产业快速发展并被国外的农业机械制造商应用于农机的生产与使用中[14],使得农机的智能化水平有了较大提高,如荷兰PLOEGER机械公司生产的EPD540型收割机[15]。这种高效率、智能化的豌豆收获机械在收割豌豆时极大地减轻了劳动力负担,提高了收获质量,对促进农业发展和农民增收起到了重要作用。但是,这种大型收割机械只适合于国外的农场环境收割,对我国山区、丘陵等种植环境极不适合,且这种大型收割机械制造成本和服务费用高,个体农户很难负担得起。所以,研制出专门适合我国豌豆种植环境的收割机械尤其必要。

2.2 国内豌豆收获机械研究现状

由于我国豌豆的种植环境较为复杂,大多为山区和丘陵地区个体种植,想要像小麦那样联合收割无法实现。所以,国内的农业机械生产厂家专门针对我国特殊的豌豆种植环境研发了一些豌豆收获机械。

图6为内蒙古自治区乌兰浩特市顺源农牧机械制造厂生产的顺源牌2zsgj-4型收割机,是同中型拖拉机配套使用的前置全悬挂式收割机具。其切割装置分为两组,每组有两个成角度安装的长直刀,每组割刀的刀刃都向外,在拖拉机前进的过程中割刀给豌豆秧一个斜向切割力,类似镰刀一样将豌豆秧割下。这种豌豆收割机对豌豆秧较为平直的豌豆品种收割效果较好,相比人工收割工作效率有很大提高。但是,这种收割机只能应用在地形较为平缓的地区,而且损失率较大。这些机具只能完成收割工作,收割后还需对地上作物进行整理,自动化程度较低,比较耗费人力,对种在山地上的豌豆收割也比较困难。

图6 顺源牌2zsgj-4型收割机

图7为山东省曲阜市富强机械厂生产的富强牌豌豆割晒机。这种机器分为切割部分和疏导部分:切割部分在机架的下方,用来切割豌豆秧,主要装置为往复割刀机构,往复割刀相比圆盘刀和直刀来说损失率小,工作稳定性好;疏导机构主要由主动拨禾链条和大从动轮组成,用来将切割下的豌豆疏导到机器一侧,既便于晾晒又减少了机器的堵塞和缠绕。但是,这种割晒机只适用茎秆较为平直的豌豆品种或未发生倒伏和倒伏不严重的豌豆田,对倒伏豌豆的收割效果很差,作业质量很低,会有较多收割损失。

我国对于倒伏品种的豌豆的收割方式依然采用传统的人工收割,虽然已经有可实现收割功能的豌豆收割机械,但依然存在一些结构和功能方面的问题。由于豌豆成熟后植株相互纠缠且倒伏在地上,所以机器收割时很容易造成堵塞和纠缠,且很难保证收割质量,有时会破坏豌豆造成损失。一些研发机构针对豌豆秧收割困难的问题,研发出了一些特殊机构来解决这个问题。

图7 富强牌豌豆割晒机

图8为中国农业大学研制出的一种侧置圆盘式豌豆割晒机。

1.拨禾单元 2.机架单元 3.侧刀单元

这种侧置圆盘式豌豆割晒机的整机安装在拖拉机一侧,工作动力来自拖拉机,随着拖拉机前进进行收割作业。这种豌豆割晒机为了便于切割倒伏的豌豆秧,专门设计了一个“拨禾单元”。拨禾单元主要由滚筒和拨齿组成,作用与联合收割机上的拨禾器或扶禾器作用相同[16-17],滚筒滚动时拨齿可以有效地将倒伏的豌豆秧在切割之前扶起[18],大大提高了对倒伏豌豆秧的收割效率。其机架单元主要起承重作用,在经过轻量化和紧凑化设计后,既可以保证传动机构的功能性,又使整体体积减小。该机侧刀单元主要是一把往复刀,在收割工作进行时来剪断这一侧的豌豆秧,可以防止机械行走过程中豌豆秧对装置缠绕,提高工作稳定性。切割单元中的割刀采用圆盘刀,圆盘刀可以有效减少豌豆秧对切割装置的缠绕,具有良好的抗干扰能力,且不易磨损,有更长的使用寿命;还有一个整理装置,是由钢板弯制而成,在整个机构行进的过程中可以将割下来的豌豆秧聚成一行,便于豌豆后期的脱粒和收集工作[19]。

这种侧置圆盘式豌豆割晒机相较于上文提到过的豌豆收割机械,加强了对倒伏豌豆的收割效果,增强了豌豆收割机械的通用性,为倒伏豌豆收割机械的设计与研制提供了思路。但是,这种豌豆割晒机安装在拖拉机的侧方后增加了整体的横向尺寸,会影响整体平衡性,也会影响在一些狭窄地况的通过性。

近年来,我国的豌豆产业迅速发展,亟需有配套的收割机械在我国推广开来。虽然已有公司和研发单位对豌豆的收割设备进行了研究和生产,基本功能已经实现,但相关技术还不够成熟,设计和制造方面的问题依然突出,并没有将豌豆收割设备形成产业化和标准化[20]。所以,我国对豌豆收割机械的研发还要有更多的投入,在依托大量的田间试验的基础上,填补该领域的研究空白。

3 我国豌豆机械化收获存在的问题

从国内外豌豆收获机械的研究现状看,国内的研究进度和国外还有较大差距,我国豌豆生产的实际情况和豌豆收割机械的研究还存在一些问题,制约着其在我国的发展与推广。

1)农艺粗放,重视程度低。豌豆的机械化收割本身对农艺的要求较高,我国豌豆的耕作、播种等机械化程度不高,种植粗放,农艺不规范,这对收割机械的适应能力提出了更高的要求[20]。此外,我国豌豆生产的手工作业由来已久,广大农民对豌豆的机械化收割不了解,因此对豌豆收割机械的重视程度不够。

2)体型大,结构复杂,制造成本高。由于国外豌豆多种植在大型农场内,尤其是欧美国家,设计的豌豆收割机械体型庞大,自动化程度高,多功能一体化程度高,导致制造成本高、价格昂贵[21]。而我国豌豆多为小农户种植,分布广泛而分散,一般农民负担不起投资成本,因此小型号、实用性强的机型更适合我国豌豆的种植现状。

3)豌豆秧切割困难,易造成收割损失。由于土地不平整,豌豆收获机械的切割豌豆秧的装置离地距离难以控制,豌豆秧倒伏在地上时如果切割装置离地距离过高就会发生豌豆秧漏割,降低收割质量;如果切割装置离地距离过低,可能发生割刀铲土的现象,对豌豆收获机械造成损坏[22]。

4)易堵塞,易造成较大损失率。由于豌豆植株的蔓状茎的特殊结构,收割作业进行时,茎秆、叶梗、泥土等容易堆积在机械的死角,堵塞作业机械,影响收割效率,而还会增大豌豆的损失率[23-25]。豌豆的损失率是评价豌豆收割机械工作性能的重要指标,收割时造成损失不可避免,但应将损失率降低至可接受范围之内。

4 我国豌豆收获机械的研究趋势

为解决我国豌豆收割机械研制存在的问题,结合我国豌豆种植的实际情况和农业机械的发展现状,在考虑可行性的前提下提出以下发展方向。

1)规范豌豆种植农艺,以便于豌豆种植和收获的全程机械化工作。豌豆的种植情况直接影响豌豆的收割条件,平整的土地改善了农业机械的工作条件,不但对豌豆的种植机械在工作时提供帮助,也对收获机械的进行提供了便利条件,所以在豌豆种植前利用激光平地技术对田地进行平整处理有利于豌豆种植和收获的全程机械化工作。在豌豆种植时也要有合理的农艺方法,根据豌豆品种合理密植,根据收割效率选择合适的收获期,提高豌豆产量。

2)针对豌豆秧的特殊结构形状重点研究特殊结构及专用结构。由于豌豆品种和种植条件在短时间内不可改变,所以应针对其研究专用的收割机构,如切割机构、防缠绕机构、防堵机构、地形仿形机构及倒伏植株扶起机构等。这些专用机构的研发是整个豌豆收割机械研发的基础,也是技术核心,只有对核心技术有所突破,才能在整个收割机械的研制上有所突破。

3)针对广大农村地区研制小型豌豆收获机械,设立农机服务机构。由于我国豌豆种植大多在农村地区的实际情况,在保证功能性和实用型的前提下降低制造成本、提高广大农民的可接受度,才是农村用豌豆收获机械的研究重点。配合当地政策设立豌豆收获机械农机租赁站和农机服务站也可以更好地满足农民对收获机械的使用要求,消除了农民对购买收获机械的顾虑,进一步推进了农村豌豆产业向机械化的转变。

5 结论

根据我国农业发展的实际情况来看,农业机械整体的现代化水平与发达国家之间仍存有较大的差距,为了满足现代社会农业生产生活所需,需要全社会重视提高农业的机械化的发展水平,以此来提高农业产业的机械化水平。豌豆的机械化收获是我国科技发展与农业发展相结合的必然趋势,农业机械化的发展对我国农业经济有着巨大影响。农业机械化的推广和快速发展对农村经济发展有着重要的推动作用,大大提高了农业生产率和农业经济增长速度,有效降低劳动成本,促进了经济转型和农业可持续发展。农村劳动力的减少与豌豆需求的日益增长,要求我国豌豆收割必须向机械化的方向发展。虽然有些地区农户和农民专业合作社购买力有限,但可以组建农机服务队来租赁农机或者进行农机服务来推广农业机械的使用。以农机融资租赁豌豆收割机械应具有较高的可靠性和经济性并适合规模化收获,使其成为实现我国农业机械化的关键技术之一。借鉴国外相关机型的成功经验,有重点地开展相关机构和机械的研制,研究豌豆的植株特性和收割条件,优化设计机械结构,提高收割机械通用性,开发符合我国种植模式的豌豆收割机械,对实现我国豌豆机械化收割具有重要意义。