我国油莎豆产业机械化发展现状及全产业链装备体系建设

王志成， 李双寿， 祁忠贤， 张文强

（1. 清华大学基础工业训练中心，北京 100084； 2. 中国农业大学机械工程系，北京 100084）

0 引言

目前，我国油莎豆全产业链技术与装备体系均处于较低水平，无法满足油莎豆产业发展需要。开展油莎豆技术与装备体系建设，率先突破收获环节技术与装备瓶颈，是油莎豆产业发展现阶段最紧迫和最需要解决的问题。深入我国油莎豆产业主产区，采取座谈交流、野外勘测、实地参观等方式，广泛调研我国油莎豆产业装备现状，获取我国油莎豆产业装备的一手数据资料，包括油莎豆装备体系尤其是采收设备相关品牌、装备数量、技术参数、典型问题等，基于现有技术基础，提出我国油莎豆装备体系的发展思路、实施途径和技术路线，以推动油莎豆装备建设和发展，为油莎豆产业发展提供更好支持。

1 产业机械化现状

油莎豆自20 世纪五六十年代引入我国，因其种植技术没有突破性进展，无法解决大规模机械化收获难题，缺乏成熟的油莎豆加工技术，造成种植成本高、收益低，销路缺乏保障，产业发展缓慢。进入21 世纪，尤其是近几年来，因大豆进口依存度过高，迫切需要寻求解决之道，油莎豆越来越引发关注，产业发展进入了快车道。当前，油莎豆全产业链技术装备体系落后，严重制约着产业纵深和规模化发展。

油莎豆块茎生长在地下，人工采收费时费力，是制约油莎豆产业发展的一大瓶颈。油莎豆机械化收获设备主要依赖企业自主研发，多借由其他作物如花生机械改进而来[1]。据统计，油莎豆的采收成本占油莎豆销售价格的40%以上。油莎豆种植模式的地域差异性较大，东北地区做畦平作，甘肃采用垄作，南方地区的盐碱地采用开沟种植方式。种植模式的差异，对油莎豆机械的使用和推广，都造成了一定的制约。

1.1 全产业链装备现状

油莎豆生产包括播种、茎叶与块茎收获、清选与烘干、种子与商品块茎仓储等环节。

1.1.1 播种

精细整地后，采用点播方式浅播，播后覆土。在种植后覆盖地膜，视情追肥。目前，油莎豆播种机多由机械式花生播种机改进而来，种子的破损率较大[2]。河北农业大学机电工程学院研制了气吸式油莎豆精量铺膜播种机[3]。吉林省农业机械研究院设计了一种气吸式油莎豆精量免耕播种机，可实现施肥、拔草、开沟、播种、覆土、镇压等一次性作业[4]。

1.1.2 植保

油莎豆生长期病虫害较少，田间管理主要是生长前期和中期的除草作业。因油莎豆是浅根植物，中期除草以浅除为宜，进入旺长期封垄后，就不需除草了。人工除草耗时费力，多采用喷除草剂方式，但影响油莎豆食品安全，有必要研制油莎豆专用浅层除草装备。

1.1.3 收获

油莎豆块茎生长在地下，颗粒较小，根茎较细、韧性低、易断裂，叶、根、豆、土分离困难，收获过程中极易发生落果现象。收获时，首先通过地上植株叶片及地下块茎判断是否成熟，即叶片大部分变黄、块茎变得坚硬，且大部分呈橘黄色或棕褐色则表示成熟。收获后的油莎豆含水量一般在60%左右，不宜立即贮藏，需经过晾晒或烘干等处理，待含水量降到13%时，可入库贮藏。油莎豆人工采收费时费力，研制推广收获机械是实现油莎豆产业规模化发展的关键。

1.1.4 加工

油莎豆产后加工技术与工艺仍需改进与提升。油莎豆形态不规则、种皮坚厚粗糙，清洗去皮效率低、损失率高。高油脂、高淀粉、高糖分原料特性下的高得率油脂提炼工程化技术与装备无直接经验可借鉴，产业化压榨及浸出制油关键技术装备需重点研发。油莎豆制糖、制粉、饮料、配方食品、休闲食品等产业链延伸产品的深加工技术与装备亟待研发配套[5]。

1.2 生产机械研究现状

1.2.1 收获装备为主

早在1975 年，陕西省中国科学院西北植物研究所机械研究组，就研制了人力与电动混合式操控、适合小片土地使用的油莎豆简易筛选机[6]。2010 年，湖南省邵阳市农机研究所研究了一种小型多功能油莎豆收获机[7]。赵英琦等[8]设计了一种油莎豆收获除杂系统，包括偏心驱动振动筛和八棱柱滚筒。吉林省农业机械研究院针对油莎豆收获时茎、豆、土高效分离困难，设计了一种可适应油莎豆适时收获的立式轴流油莎豆脱粒分离装置[9]。张红梅等[10]设计了一种油莎豆收获筛分装置，避免使用改进的花生收获机进行油莎豆收获时损失高、效率低等问题。吉林省农业机械研究院设计了集脱粒、分离、清选功能于一体的油莎豆籽粒收获机[11]。何晓宁等[12]研究了油莎豆收获机在工作过程中旋耕刀与油莎豆团聚体的接触规律，建立了油莎豆根系离散元模型。针对油莎豆收获机功能单一的特点及一些技术缺陷，刘学敏等[13]运用模块化设计方法， 研制了一种小型多功能振动筛式收获机，解决了在黏性土壤内土果分离不好的难题，该设备体积小、质量小、筛选干净、破碎率低，适于南方丘陵地区使用。

据中国油莎豆科技产业联盟相关数据，全国从事油莎豆机械研发的单位主要包括吉林省农业机械研究院、河北农业大学等科研院校，以及吉林好易收、山东巨明、北京鑫科创、湖北欧博美等公司，生产各种油莎豆机械300 余台（套），获得油莎豆收获机相关实用新型和发明专利50 多项，初步突破了油莎豆种植业的收获瓶颈。此外，还有部分油莎豆商用专用豆浆机、食用油压榨设备、油莎豆生物柴油设备。

油莎豆设备主要依赖企业自主研发，多借鉴其他地下作物收获设备而进行改进，设备生产效率低、故障率高、可靠性低。不论自产自用，还是投放到市场上，虽然各有特色，但总体呈现小、散、乱、杂的局面，可以部分解决油莎豆收获问题，但难以适应产业发展需要，距离全程机械化乃至智能化生产还有很大距离。据中国油莎豆科技产业联盟相关数据，全国油莎豆机械研发使用情况如表1 所示，常见的油莎豆收获机如图1 所示，目前市场占有率较高的吉林好易收油莎豆收获机如图2 所示。

图1 常见油莎豆收获机Fig. 1 Cyperus esculentus harvester

图2 吉林好易收油莎豆收获机Fig. 2 Cyperus esculentus harvester developed by Jilin Good Havester Company

表1 2018 年全国油莎豆机械情况统计Tab. 1 National statistics of Cyperus esculentus machinery in 2018

1.2.2 收获装备突出问题

（1）机械故障率高。主要体现在传动系统、链条、链轮上。轴承易损坏，原因是工作条件恶劣，虽采用泥水油封，但不能完全避免沙土进入到轴承。

（2）传动网链磨损。传送沙土造成磨损严重、易坏，极易发生两端链条不同步及“跳齿”等现象。

（3）收获破损率高。旋耕挖掘过程中，机具剪切油莎豆，造成油莎豆破损。

（4）机器质量大，运动性能差。在沙漠/沙地工作，轮胎容易下陷，需要进行轻量化设计。

1.2.3 收获装备关键技术难点

（1）挖掘铲的工作机理，解决挖掘铲阻力过大问题，实现挖掘部件的减阻降耗。

（2）果、土分离和秧、果分离技术，解决油莎豆收获过程中不完全捡拾和果实破损高等难题，提高收获质量。

（3）油莎豆收获机械工作环境恶劣，必须开展防尘、耐冲击的结构设计，研究装备结构可靠性设计技术和关键工程材料改性技术，突破现有装备可靠性低的问题。

2 发展思路

油莎豆全产业链装备体系建设是确保油莎豆产业健康、有序、可持续发展的重要保证，需要全面协调、统筹推进。

2.1 建立区域性油莎豆种植技术体系

从农机、农艺融合角度出发，引导农民以经济效益为中心，规范区域范围内油莎豆种植农艺，包括品种、垄作或平作、垄距和行距等，形成与农艺配套的高产、高效、低耗油莎豆机械化生产技术体系，为机械化直收奠定基础。

2.2 多维度协同推进油莎豆生产机械化

注重产学研协同，发挥产业界核心支撑作用，多维度协同推进油莎豆生产机械化。依托或联合农机龙头企业，以及具有花生、贝母、马铃薯等类似机械收获产品的生产企业，采用“以改带产”的方法，快速推进产业的规模化，提升产业的影响力；采用“以改带创”的方法，吸引高校、科研院所、企业研发中心协同研发创新，有效提升创新的可转化性。

2.3 收获装备机械化、智能化研发

在农业产业装备机械化、智能化发展背景下，油莎豆产业装备的机械化、智能化是必然趋势，其中装备机械化是智能化的前提，必须针对油莎豆生产多环节展开机械化、智能化创新研究。

3 实施途径

油莎豆生产机械化的关键是收获机械化，高效联合是发展方向，可以借鉴花生装备的研发过程和相关案例。推进油莎豆机械收获技术研发侧重在以下4 个方面开展工作。

3.1 收获动力行走系统

改善种植农艺，实现轮距和行垄种植参数匹配（如宽窄单行和宽窄双行）；研发自走式、牵引式装备，并对比分析装备的利用率、成本、信息集成采集方式等。基于油莎豆生产环境，开发基于机器视觉、卫星导航的无人自动驾驶系统。

3.2 分段式收获技术

油莎豆收获工艺包括两个阶段：第1 阶段为地面苗草剪切、打捆、收获；第2 阶段为油莎豆起挖、捡拾、采摘与清选环节。应与农艺结合，对机械结构进行优化设计，确定工作参数调整范围，提高采收效率。

3.2.1 研究油莎豆高效清选装置

针对单一清选条件下，分选效率、效果有限且设备体积功耗大的问题，采用数字孪生技术，研究油莎豆多种清选原理、方式的优化组合方法（如采用负压气吸与振动筛组合式清选），探究油莎豆清选分离新机理，建立可靠的数字模型，并结合样机试验优化其工作参数。

3.2.2 研究草苗处理和残膜回收集成方法

为实现生态保护、防风固沙、可持续生产等目标，需要在油莎豆果实分离中增加秸秆回收功能，完成秸秆粉碎、抛撒作业。残膜对于作物可持续生长、生态都有巨大危害，在果实起土过程中，研究适应沙地、盐碱地的残膜回收新原理，防止残膜翻入土壤中。基于果实分离清选系统，可以进一步探究残膜与果实的同步分离清选，防止二次污染。

3.3 高效一体化集成收获与装备智能化技术

油莎豆收获的最终发展方向是高效联合收获，系统功能衔接及结构设计对装备的可靠性、采收效率及智能化作业实施都会产生影响。因此，必须基于已有的分段式装备平台，结合实际作业需求，采用数字孪生技术开发油莎豆联合收获机；构建多传感融合的信息采集系统，通过合理布设传感器，实现对联合收获机作业参数的动态获取；结合边缘计算等信息处理手段，构建油莎豆机械化采收智能动态响应和执行控制算法，实现及时的故障预警，提升系统可靠性和环境适应性。

3.4 产后加工技术与装备

形成油莎豆产业链，不仅需要种植、收获上实现机械化，在产后加工方面也需要研制相关配套设备。

油莎豆高淀粉、高糖、高水分，收获时雨热同期，极易发生霉烂，当前适用于油莎豆生理特性的清洗、分选、干燥、仓储的技术与设施设备效率低，亟待优化。油莎豆形态不规则，种皮粗糙，清洗与去皮效率低、损失率高。油脂提炼工程化技术与装备、产业化压榨及浸出制油关键技术与装备亟待研发[1]。油莎豆具有高淀粉、高糖分的特性，目前无螺旋压榨经验可借鉴，需要针对其低温压榨开发新的螺旋压榨机[14]。

实现油莎豆加工全过程自动化和连续化，可以提高生产效率、提高产品质量和商品性，是油莎豆未来长远发展的必然趋势。

4 技术路线

根据油莎豆产业现状和发展趋势，结合油莎豆生产机械化发展路径，构建如图3 所示的油莎豆生产机械化关键技术路线。开展农机、农艺融合，与油莎豆生产方法相结合，指导油莎豆生产中的装备升级改造和新装备研发，突破现有理论支撑不足的技术瓶颈，稳步推进生产智能化、无人化、精益化[15-16]。应用大数据、人工智能等技术，进行信息化、智能化设计与升级改造，探索人工智能、大数据等新技术与油莎豆产业结合的有效方式与应用途径[17-18]。

图3 油莎豆生产机械化关键技术路线Fig. 3 Key technology road for development of Cyperus esculentus production mechanization

4.1 制定机械化分段收获工艺规程

分析不同区域油莎豆的种植模式和农艺要求，针对不同生产区域的种植模式、气候条件和农艺要求，制定先进、合理、适用的技术方案，形成相关的技术规范和行业标准，为油莎豆生产机械化关键技术提升与装备优化奠定基础。

4.2 技术及装备的筛选与优化

整合现有的机械化生产技术和机械装备，在主产区进行大面积的田间适应性试验和用户意见调查，并对其结构性能、生产效率等进行分析、比较；筛选出适应性较强、稳定性较好、可靠性较高的机械装备，对其关键部件进行进一步的优化设计。

4.3 关键技术装备的研究与开发

针对油莎豆机械化收获过程中的减阻降耗、果土分离和秧果分离的技术难点问题，研究开发新型油莎豆分段收获机械，实现关键技术的突破。

4.4 技术集成与试验示范

在对现有机械优化整合和对关键装备研究开发的基础上，结合油莎豆生产区域的特点，在试验示范区进行大面积的试验和生产考核，逐步完善提高，形成油莎豆机械化收获技术系统体系。在此基础上，广泛开展该技术体系的推广与应用。

5 结束语

目前油莎豆播种环节效率较低，需开展多功能播种机的试验研究；植保环节较多采用喷除草剂方式，影响油莎豆食品安全，有必要研制针对油莎豆的专用浅层除草机械装备；收获环节，油莎豆的收获装备相比国际上花生机械化收获装备机械水平仍有较大距离，在不同环境下的适应性和收获效率有待提升；产后加工环节，缺乏针对油莎豆高油、高糖、高淀粉特点的专用工艺与设备。

油莎豆装备体系建设是一项综合系统性工程，是油莎豆产业发展的重要保证，必须积极稳妥推进，分步实施。实施过程中，可以通过建设跨学科研究平台，集聚不同学科领域专家，聚焦产业关键共性问题，开展跨学科研究，建立区域性油莎豆种植技术体系，多维度协同推进油莎豆生产机械化；注重农机与农艺结合，制定适宜机械化生产的农艺规范，构建合理高效的技术体系，优化开发新型装备并进行技术集成与试验示范，为加快我国油莎豆产业发展提供有效的技术保障。