叶类蔬菜收获机械研发关键技术及发展趋势

缪磊 王建军

0 引言

收获是叶类蔬菜生产的重要环节，传统蔬菜收获方式主要依赖人工作业，劳动强度大、效率低，收获质量不稳定，已不适应叶菜生产规模化发展的需求。江苏省蔬菜种植面积和消费量位居全国前列。2018年全省蔬菜种植总面积达1 407.63 khm2，其中叶菜种植面积350 khm2[1]，约占25%。但从生产现状看，蔬菜生产仍属于劳动密集型产业，蔬菜收获机械化水平远低于耕整地、播种、移栽等环节的机械化水平。为此，2017 年起江苏省启动设施农业“机器换人”工程建设；2019 年出台了《关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的实施意见》，将“特色农业机械化率”列入2020 年省委乡村振兴实绩考核指标。提升叶类蔬菜收获机械化水平已成为推进农业高质量发展的重要举措和紧迫任务。

1 叶菜收获机的结构设计

叶类蔬菜机械化收获包括分禾、扶禾、切割、输送、收集等环节，收获装备主要有切割装置、传送装置、收集装置、行走装置、动力部件及辅助装置等。

1.1 切割装置

切割作业通常指将田间非对行叶菜扶正，用刀具对叶菜固定位置进行切割的过程，主要包括分禾、扶禾及切割三个环节。根据刀具运动形式不同，切割装置可分为往复直线切割、圆盘旋转切割、齿形链式切割及带式回转切割等类型。直线切割包括单刀往复切割和双刀往复切割两种方式[2]，在谷物联合收割机上广泛使用，技术成熟。带式回转切割、齿形链式切割器结构基本相同，是将动刀固定在钢带（链条）上，绕两个带（链）轮运动[3]。圆盘旋转切割装置的切割部件就是圆盘上的突出齿。各类切割器的特点及适用条件见表1。

1.2 传送、收集装置

传动收集是指将切割下来的叶菜输送到收集装置的过程。传送装置以带传动应用最为广泛（如图1 所示）。为避免叶菜品相受损、提高作业效率，不同类型的叶菜需选用不同的传送收集装置，比如：韭菜、芹菜等茎秆高、外形规律的叶菜需要有序收集，宜采用夹持型传送装置；金花菜等单体小、质量轻的叶菜，需选用风送型传送装置，将蔬菜吹送到收集袋中；鸡毛菜、苋菜等叶菜多采用无序收集方式，需选用推送式或推送振动复合型传送装置，将菜装入收集箱[4]。

1.3 行走装置

行走装置能够实现机器在田间行走、转移、转向和制动，一般由行走轮、仿形轮、机架及变速箱等部件组成。行走装置主要有履带式和车轮式两种：履带式行走装置具有行走平稳、打滑率低、田面碾压轻等特点；车轮式行走装置具有地形适应性强、作业效率高、操作灵活等特点。收获机既有手扶式也有乘坐式，可根据动力配置状况、作业环境等，选择合理的机具配置。

1.4 动力系统

动力源通常有电动机、汽油机、柴油机等。对于露天田块的作业机械，动力源的选择性较广，但要充分考虑作物的生长特性、品质要求；对于单季多茬收割的蔬菜，为避免根系受碾压，应尽量简化装备，减轻自重；对于温室大棚作业机械，选配锂电池为动力，既能简化结构，又能减少尾气排放对蔬菜品质的影响。为提升机具的操控灵活性及精确度，各工作部件可分别安装电机作为驱动器。

表1 各类切割器的特点及适用条件

图1 电动手扶式叶菜收获机

2 设计注意事项

2.1 叶菜自身特性

机具设计需考虑叶类蔬菜的生长环境、生长特性及品质要求。一要考虑温室大棚狭小的空间和丘陵、山地等特殊的作业环境；二要考虑蔬菜种植农艺；三要考虑不同种类的叶菜生长的几何形态和物理特性的差异。

2.2 机械的通用性

不同品种的叶类蔬菜切割位置、茎秆粗细、植株高度都不同，这就对收获机械的适用性提出较高的要求。现有蔬菜收获机械普遍存在专用性强、通用性差的问题，推广应用难度较大。因此，通用性也是机具设计的重要考量因素。

2.3 叶菜品质要求

叶菜收获包括土上贴地切割、土下切割，作业过程难免会有泥土、残菜等杂物堵塞割台或传送入收集箱，而作为主要食用部位的蔬菜叶片极易受损，现有蔬菜收获机械的收获效率和作业质量达不到用户要求，从而影响了用户购机积极性。

3 技术发展趋势

近年来，我国设施蔬菜生产机械化发展较快，但要提高装备的实用性，还需从自动化、通用性、适应性等方面开展更深层次的研究。

3.1 开展装备模块化设计

模块化设计即采用先进设计技术，按照叶菜收获作业要求研发通用动力底盘、切割部件、传送部件、无序输送和有序输送等模块，通过各功能模块之间自由组合，实现切割和输送工作部件的快速挂接和有机互换，使收获机能够完成土下、贴土、土上切割和有序、无序输送收集，实现多功能收获作业，进而提高产品的通用性。

3.2 促进农机农艺融合

一方面，要让农艺与农机配套，选用适合机械化收获的种植品种（几何形态、物理特性）、种植规范（株距、行距、垄宽、播种深度等），保障收获机械的工作效率、作业质量；另一方面，要让收获机更好地适应种植环境，通过集成应用可变轨距、双驱电机控制等技术，提高不同垄距田间作业的通用性；通过设计平行四边型侧向激振式通用仿形切割装置，实现切割刀具高度和姿态的调节，提高机具切割作业性能。

3.3 加强蔬菜物理特性研究

研究蔬菜的物理特性对于控制叶菜损失率和损伤率意义重大。要重点研究不同种类叶菜的几何形态( 株高、株径、根长、叶片开合程度等) 和切割特性( 土壤环境、切入深度和角度、剪切力、抗拉强度、拔取力等)，建立专家数据库，为收获机械研发、作业中关键部件参数确定提供理论支撑。

3.4 提升作业自动化程度

自动化控制能够大幅减少作业中人工干涉，提高机械化收获效率和可靠性。一要开发以PLC为核心的集中控制器，实时采集机具前进速度、切割高度、姿态、输送速度等作业参数；二要建立直线行走速度的控制与差速调控模型；三要根据收获性能试验结果，建立不同叶菜收获作业的优化控制模型，确定叶菜收获的机械作业标准、规范操作规程，减小漏割、重割面积。

4 结语

针对叶菜种植现状，江苏省叶菜收获机的研发类型应以中小型、多功能、轻量化机具为主，要注重模块化设计，以提升产品的通用性、利用率。应提升整机自动化水平，优化控制单元，提高机具作业可靠性和稳定性，为叶菜种植规模化和产业化发展奠定基础。