花生收获机挖掘装置的研究进展

蒋延金，陈立东*，李国昉，王逸飞，杜凤永

(1 河北科技师范学院机电工程学院，河北 秦皇岛，066600；2 河北永发鸿田农机制造有限公司)

花生机械化收获作业主要包括起挖、去土、晾晒、捡拾、摘果和清选等多个工艺流程[1]。其中，挖掘装置铲断花生根部，将花生的秧和土壤一同挖起，然后将夹杂土壤的花生秧和花生蔓传输到分离装置。挖掘装置进行的“起挖”环节是花生收获的第一步，其性能决定收获的质量和效率。为此，笔者分析了国内外花生收获机中挖掘装置的主要类型及国内现阶段花生收获机挖掘装置存在的问题，提出花生挖掘装置的发展建议，以期为今后我国花生收获机挖掘装置的进一步研发提供参考。

1 花生挖掘装置的分类

花生挖掘装置通过“挖”或“拔”的形式将土下花生和秧蔓掘出土壤，铺放在田间或进入中间输送装置。目前，我国花生收获机械中应用的挖掘装置按不同的分类标准分为以下4类[2]。

1.1 按挖掘分离装置组合方式归类

按照挖掘装置和分离装置的组合方式分为挖分一体式、铲链组合式、铲筛组合式、铲夹组合式等4种[3]。

挖分一体式挖掘装置中挖掘部件和分离部件合为一体，可同时进行起挖、输送和分离等作业，结构紧凑、动力消耗较小、生产率高。4H-2型花生收获机与4HQL-2型花生联合收获机的挖掘装置采用了挖分一体式结构[4，5]。

铲链组合式挖掘装置通过挖掘铲和分离链的配合完成收获作业，挖掘铲铲断花生根部，将花生秧蔓和土壤一同挖起，分离链将花生秧蔓和土壤分离并向后输送。4H-1500型和4HW-800型花生收获机、4HFS-150型花生联合收获机都采用了铲链组合式挖掘装置[6，7]，具有适应性强、损失率低的优点。但当花生种植密度较大时，铲链组合式挖掘装置容易雍土。

铲筛组合式挖掘装置的作业特点与铲链组合式相似，区别在于由分离筛完成分离作业[8]。HS-73型和4H-800型花生收获机上使用了铲筛组合式挖掘装置[9]。

铲夹组合式挖掘装置通过挖掘铲与夹持带或夹持链的配合完成收获作业。挖掘铲铲断花生主根，花生植株以直立状态进入入秧口，通过夹持带或者夹持链夹持花生植株的秧部向后输送，作业顺畅，不雍土。铲夹组合式挖掘装置对垄距和花生植株的高度等因素要求较高，适应性差，目前在我国应用较少。2H-1型花生收获机采用了该挖掘装置[2]。

1.2 按作业行数与挖掘铲数量归类

花生种植经常采用垄作模式，最常见的有单行垄作和双行垄作[10]。花生收获机根据不同的花生种植垄数，配置不同数量的挖掘铲。挖掘铲越多，挖掘装置入土性能及碎土能力越强，工作效率越高。双铲挖掘装置结构简单，但工作效率低于多铲挖掘装置。多铲挖掘装置的挖掘阻力较小，但制造工艺复杂。4H-2型、4HS-2型花生收获机均为双挖掘铲，一垄双行作业。4HBL-4型联合收获机配置了4个挖掘铲，可进行两垄四行花生收获[11]；4HFS-150型和4HL-150型花生收获机分别采用了菱形多铲与三角平面多铲[12]。

1.3 按挖掘铲运动状态归类

挖掘铲的运动状态分为固定式和活动式。活动式挖掘装置能减少挖掘阻力，提升挖掘的顺畅性。4HS-2型花生收获机通过偏心轮实现挖掘装置的摆动挖掘[13]；HS-73型花生收获机通过平行连杆机构实现振动挖掘[14]。固定式挖掘铲挖掘阻力大，导致机具负荷高。4LH-2型花生联合收获机中，挖掘装置的铲柄与管座采用螺钉连接，铲柄可在管座内活动[15]；4HW-800型花生收获机的挖掘铲直接固定在机具的横梁上[6]。

1.4 按挖掘铲铲面形状归类

挖掘铲铲面的形状分为平面铲、曲面铲和槽形铲等3类[16]。花生挖掘装置的挖掘铲以平面铲为主，铲面呈流线型，以保证顺畅挖掘。4HB-2A型、4HLB-2型、4HBL-2C型花生收获机均采用了双梯形铲[17]；4HL-150型花生收获机采用的是三角平面多铲[12]。平面铲结构简单，但易出现缠秧和雍土现象。李长铭[18]仿照蝼蛄前足第一趾爪的结构，研制了减阻、碎土效果较好的花生挖掘铲。

2 国内外花生收获机挖掘装置的研究现状

2.1 国外研究现状

花生收获机械化程度高达90%以上的有美国、阿根廷、巴西、澳大利亚等国家。美国基于两段式花生收获模式，将挖掘装置与分离装置组合设计，常采用铲链组合式和铲夹组合式。Pearman公司生产了PEARMAN-606(6垄)铲夹组合式花生起收机，Armadas公司生产了ADI-6(6垄悬挂)铲链组合式花生起收机[19]。铲链组合式挖掘适应性较强，但花生种植密度较大时容易雍土。铲夹组合式作业顺畅，但对农艺要求较高。连续多年对花生收获机的研究和改进，使美国的花生挖掘装置性能更优越。Kelly公司的花生收获机配备柔性挖掘翻秧装置，可适应复杂的田间地势。Armadas公司设计生产的软盘式挖掘装置，在挖掘过程中可有效去除杂物[20]。Kelly公司的KMC2002型花生收获机上采用CV挖掘铲控制机构，使挖掘铲作业顺畅[21]。

2.2 国内研究现状

我国花生种植规模大，模式多，产区分布在山东、河北、河南等地。自20世纪80年代以来，我国开始研究多种花生收获机械以适应不同产区作业需求[22]。目前对于花生挖掘装置的研究主要集中在挖掘铲的性能、限深装置、分禾扶禾装置等方面。

2.2.1挖掘铲结构参数研究 花生挖掘铲主要包括挖掘铲面、铲柄和连接部分。挖掘铲的结构参数包括入土深度、入土角度、铲翼张角、铲体宽度、铲面形状、铲柄性能等[23]。入土深度是影响挖掘阻力的主要因素，挖掘阻力随入土深度的增加而增大。在保证挖净率的前提下，挖掘深度越浅越好。入土角度影响入土性能，入土角较小时不易入土，入土角较大时挖掘阻力大。铲翼张角是铲翼单侧外缘线与机组前进方向的夹角，决定了铲断花生主根的顺畅程度[18]。挖掘铲常呈倒八字型配置，便于形成滑切，更省力地切断花生主根[2]。常见的铲柄类型有弯弧式、直立式和倾斜式。挖掘作业工作阻力较大，要求铲柄具有足够的强度。

为减小挖掘阻力，增强破土能力，挖掘铲一般采用流线形。李长铭[18]以挖掘能力较强的蝼蛄的爪作为仿生对象，运用反向工程学原理设计出减阻、碎土效果较好的新型仿生挖掘铲。杨然兵[24]设计了流线型挖掘铲，应用于4HQL-2型花生收获机。陈书法等[12]在4HL-150型花生收获机的挖掘装置中采用了带斜刃的三角形铲，入土性能良好，铲刃具备自动清理效果。杨然兵[25]设计了动力圆盘式挖掘装置，减少机组前进阻力，解决了平作花生联合收获过程中挖掘铲前壅土的问题。

挖掘铲的摆动或振动也可以达到减阻脱土效果。挖掘铲入土时处于振动状态，增加土壤流动性，降低其剪切强度，加速碎土、抖土，起到减阻脱土效果。HS-73型花生收获机采用平行连杆机构实现振动挖掘[14]。

2.2.2限深装置的研究 花生收获机上的限深装置有机械式限深装置、液压式限深装置和自动控制式限深装置。机械式限深装置结构简单、技术要求低、成本造价低，目前被广泛采用。限深轮和限深板等类机械式限深装置存在稳定性差、挖掘铲调整速度慢的缺点。4H-2型、4HZ-2型和 4HLB-4型花生收获机分别采用行走轮、铲侧限深器、机械悬浮式限深机构进行机械限深[26，27]。液压式限深装置可有效提高挖掘铲的调整速度，但需要人工观察田间起伏变化，手动操纵液压系统，控制误差较大。4HBL-2型和4HB- 2A型花生收获机都采用液压驱动的限深轮[28]。自动控制式限深装置的自动化程度高，反应灵敏，随地面起伏自动仿形，是目前最先进的限深技术。4HLB-4型和4HBLZ-2型花生联合收获机设有限深轮仿形机构，通过地面仿形系统控制挖掘铲的升降，保证挖掘铲与地面的随动[29，30]。

2.2.3分禾扶禾装置的研究 分禾扶禾装置配置在花生挖掘装置的前侧，将当前作业范围内的花生植株与待收花生植株隔开，并将需起挖的花生植株扶起，提高挖掘效率，方便后续作业[19]。4HB-2A型花生联合收获机采用尖锥扶禾器，将需起挖的花生植株扶起并向后引导[28]；4HQL-2型花生收获机采用棱锥型扶禾装置[31]；4HLB-2型和4LH2型花生联合收获机配置拨指式扶禾装置[32，33]。

3 我国花生收获机挖掘装置存在的问题

3.1 地域差异明显，花生挖掘效果不理想

我国花生种植面积广阔，种植模式多样，有垄作、平作和畦作[10]；花生收获方式有分段收获、两段收获和联合收获。地域种植方式和收获方式的差异使收获机挖掘装置的种类繁多。花生收获作业时，机组行驶在地形复杂的松软土壤上，机组质心的波动将不断改变挖掘铲的初始入土位置，很难保证行驶稳定性，影响挖掘作业效果。挖掘装置中普遍存在挖掘铲铲前壅土、挖不净和挖掘铲硬度高等问题，导致挖掘效果不理想[35]。

3.2 限深装置落后，挖掘深度控制效果差

研究者对花生收获机挖掘作业进行运动学和动力学分析时常作理想化处理，假设机组匀速平稳作业。但实际花生种植地形复杂，机组很难实现平稳作业。为减少挖掘阻力，实现机组平稳作业，花生收获机经常配置限深装置辅助挖掘[35]，通过限深装置控制挖掘深度来解决挖不净和机组适应性差的问题。现阶段我国普遍采用的限深装置和挖掘装置配合效果差、限深精度低、前行阻力大、地面仿形效果差、响应慢[37]。

3.3 结构设计相似，花生挖掘装置创新不足

花生收获机型越来越多，但挖掘装置的结构设计和作业原理等出现高度相似，普遍存在着收获过程中振动较大、功耗较高的问题。平面挖掘铲虽结构简单，但常出现缠秧和雍土现象。活动式挖掘装置脱土性较好，但挖掘铲的振动或摆动增大了机组功耗。4H-2型花生收获机中栅条摆动挖掘、4H-1500型花生收获机挖掘铲振动挖掘，导致功耗较大[4，6]。

4 花生收获机挖掘装置发展建议

4.1 结合地域条件，合理选择挖掘装置

现有挖掘装置种类繁多，根据不同地域，选择适合的挖掘装置十分重要。保水性较弱的沙地选择铲夹组合式挖掘装置，保水性适中的中壤土选择铲链组合式挖掘装置[19]。现阶段仍需有针对性的继续研究适用于中小型花生收获机作业的挖掘装置。国外的大型花生收获机采用圆盘刀和带栅条的起土铲，一次作业可挖掘6垄、8垄或12垄花生。目前，大型花生收获机在我国应用受限，但随着花生土地流转和种植面积的增加，6垄以上的大型花生联合收获机将会有广泛应用。

4.2 农机农艺结合，规范区域种植

当代农业生产的重要环节之一是农机农艺的健康结合。在花生收获机挖掘装置的发展过程中，多通过挖掘装置的改进来满足农艺的要求，未做到农艺与农机的结合与促进。挖掘装置的研发人员与农艺工作者需积极开展技术交流，创新工作机制。农机与农艺的健康结合和标准化区域种植体系的形成，将有利于挖掘装置的进一步研发。花生种植规模较大的地区，需先规范区域种植，形成标准化的区域种植体系，研究适用于大型花生收获机的挖掘装置。

4.3 拓宽研究视野，进行优化创新

针对花生收获作业过程中限深不稳定的问题，着力研发与挖掘装置相结合的自动限深装置，延长挖掘装置使用寿命，提高挖掘效率并减少功耗。借鉴其它地下作物收获机械中挖掘效果好的挖掘铲，并将其应用于花生挖掘。利用反向工程的原理，从自然界挖掘能力较强的生物身上获得灵感，设计出仿生挖掘铲。运用计算机软件对挖掘铲进行三维建模，建立有限元模型并进行仿真分析。