叶菜收获机械的研究现状及发展展望*

陈文明 ， 王公仆 ， 胡良龙 ， 袁建宁 ， 王 冰 ， 杜元杰

（1.农业农村部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014；2.南京工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

我国是世界上蔬菜种植种类最多、范围最广的国家，产量约占世界总产量的50%。2021年全国蔬菜播种面积约2 174.43万hm2，总产量达7.82亿t，人均占有量超500 kg，均居世界首位[1-3]。叶菜是一类通常以鲜嫩叶片、叶柄和茎秆为食用部分的蔬菜，具有生长周期短、采收劳动强度大等特点[4]。由于我国叶菜种植品种繁多，且不同叶菜的种植密度、种植模式和生长特性等差异明显，因此叶菜采收基本依靠人工完成[5]。随着农村劳动力不断减少，叶菜采收产业又属劳动密集型产业，加快叶菜收获机械发展，实现叶菜机械化、智能化收获，对降低叶菜生产成本、减轻人工劳动强度、推动叶菜采收行业发展具有重要意义[6]。

1 叶菜收获机械作业方式分类

我国叶菜种植种类众多，生长特性差异较大[7]，使得叶菜收获机械作业方式不尽相同，目前主要分为以下几种方式。

1）根据切割后叶菜的存放方式，可分为有序收获和无序收获。其中，有序收获的叶菜堆放整齐、品相较好，但相应收获机械研发复杂，一般需装备夹持输送机构；无序收获的叶菜虽堆放无规律、品相较次，但相应收获机具研发简单，收获效率较高[8]。

2）根据切割后叶菜留茬的根部情况，可分为切根收获和不切根收获。其中，切根采收在上海青、菠菜、茼蒿和芹菜等叶菜中比较常见，不切根采收通常用于鸡毛菜、小青菜和红薯茎尖等的采收[9]。

3）根据切割后叶菜的输送方式，可分为风送式、推送式和夹持输送式。其中，风送式输送适用于小型叶菜，推送式输送机构结构简单，夹持输送式可以保证叶菜有序收获[10]。

4）根据叶菜切割刀类型，可分为环带切割刀、往复式双动切割刀和圆盘切割刀。其中，环带割刀加工精度低，应用范围广；往复式双动割刀切割效率高，但刀具制造较复杂，高速切割时上下刀片易堵塞；圆盘割刀切割范围有限，一般用于对行收获，适用于上海青等根系较强的叶菜[11]。

2 国内外叶菜收获机械研究现状

2.1 国外叶菜收获机械研究现状

发达国家较早对叶菜收获机械开展研究，并结合传感器检测、液压控制和电动控制等技术，叶菜收获机械化程度大幅提高，智能化技术相对成熟[6-7]，从依靠人工采收迅速发展为分段收获机、联合收获机收获[12]。目前，部分国家已基本实现叶菜机械化及智能化收获，如美国、意大利、日本等[13-15]。

美国十方公司研发了一款叶菜收获机，适用于收获茎叶类叶菜，如茼蒿、苋菜等。该机的优点是切割后的叶菜可被输送带上的钉齿主动拨送到输送带上，极大地降低割台损失率；缺点是输送带制造复杂，同时叶菜根部的黏土也会被捡拾到输送带上[16]。

意大利HORTECH公司研制的SLIDE TW型叶菜收获机，如图1所示。该机装配一种波纹夹持输送带，可夹持输送切割后的叶菜到后端进行二次有序人工捆扎，适用于需有序收获的叶菜，缺点是机具研制复杂，难以推广，无法满足小农户的生产需求[17]；SLIDE FW型叶菜收获机有液压辅助转向和电动临时停止装置，如图2所示，该机临时停止恢复后能够以相同速度行走，切割高度由传感器检测，可通过液压控制装置自动调节[18]；SLIDE VALERIANA型叶菜收获机配有除土振动器，可有效去除黏附在叶菜上的黏土，使后端收集到的叶菜更干净，该机适用于收获幼叶叶菜，如图3所示[19]。

图1 意大利HORTECH公司SLIDE TW型叶菜收获机

图2 SLIDE FW型叶菜收获机

图3 SLIDE VALERIANA型叶菜收获机

日本川崎公司研发了一款风送式小型叶菜收获机，其通过高压气流将切割后的叶菜输送至后端收集袋中，风送式输送的优点在于切割后的叶菜与输送带之间无接触、无摩擦，可在一定程度上减少叶菜损伤，降低叶菜收获损伤率，该机适用于收获小叶类叶菜，如三叶草、菊花脑、马兰头等[20]。日本第二产业株式会社研制的TC110E型自走式叶菜收获机，如图4所示，该机主要由自走式底盘、往复式双动割刀、气流输送机构和收集袋等组成；切割作业时，由于割刀与叶菜无刚性接触，可确保叶菜留茬切口基本一致，收获质量较高，其优点是割刀高度调节范围大，通用性高，能够采收包括甘薯茎尖在内的多种茎叶类叶菜[21]。

图4 日本第二产业株式会社TC110E型自走式叶菜收获机

2.2 国内叶菜收获机械研究现状

我国虽是叶菜生产消费大国，但大部分叶菜种植户属中小农户，存在温室大棚建造不合格、叶菜幼苗种植布局过于分散等问题，叶菜种植质量较低，农机与农艺无法有效融合，叶菜收获很难实现机械化、智能化。近年来，我国政府大力支持叶菜收获机械的研发，每年都投入大量资金，研究虽起步较晚，但发展较为迅速[22-23]。

农业农村部南京农业机械化研究所王公仆等研发的4UM-100型叶菜收获机，如图5所示。该机适用于采收甘薯茎尖、小青菜和鸡毛菜等茎叶类叶菜，其优点在于电机驱动，无污染；往复式双动割刀切割，切口平整；切割、拨禾、输送和行走均由独立电机控制，操作方便；缺点是整个收获过程的有序性较差[24]。4UM-120D型电动叶菜收获机装配1.2 m帆布式输送带及48 V直流电机行走驱动系统，其割刀离地高度可调，直立生长及倒伏类茎叶类叶菜均可收获。

图5 4UM-100型叶菜收获机

江苏省农业装备工程技术创新中心丁馨明等研制了一款小型手扶式叶菜收获机，如图6所示。该机采用往复式双动割刀和带式输送装置，可完成叶菜切割及输送[25]。浙江大学杜冬冬等研发了一款自走式甘蓝收获机，该机主要由引拨机构、切根机构、剥叶机构和输送机构等组成，采用单行收获，可一次完成整个甘蓝的切根、剥叶和收获作业[26-27]。

图6 小型手扶式叶菜收获机结构示意图

卢建强等研制了一款手扶式有序叶菜收获机，如图7所示。该机采用往复式双动割刀切割叶菜，利用切割后叶菜之间形成的推挤力将叶菜推送至两根振动杆上，两振动杆上下交替振动，既可清除叶菜表面杂质，又能保证叶菜输送的有序性[28]。

图7 手扶式有序叶菜收获机

南京农业大学施印炎等研发了一款自走式芦蒿收获机，如图8所示。该机通过夹持输送机构将切割后的芦蒿有序输送到转向机构，通过转向机构将芦蒿由垂直输送转为水平输送，经二级输送带作用将芦蒿有序输送到后端收集筐中，实现芦蒿整个切割、输送和收获过程的有序性[29]。

图8 自走式芦蒿收获机

近年来，我国叶菜收获机械化发展较快[30]，智能化技术水平也有一定程度提高。如吴惠昌等研发了一种牵引式甜菜联合收获机自动对行系统，包括对行

探测机构、偏移执行机构、液压装置、主控制器等[31]。李新成等采用光电编码器测量小型电动叶菜收获机作业行走速度，研制出一种行走速度检测与自动调节控制系统[32]。

3 叶菜收获机械发展展望

目前，我国大部分叶菜收获机械仍处于理论研究和样机试验阶段，虽不断对国外叶菜收获机械开展研究，在此基础上研发出一些机型，但其只能在一定程度上满足我国叶菜收获作业的需求，笔者认为要研发出符合我国叶菜生产国情的收获机械，应着重从以下几方面入手。

3.1 开展叶菜物理特性研究

对叶菜物理特性进行研究是叶菜收获机械研发的首要环节，通过对叶菜叶片、叶柄和茎秆的物理特性展开研究，为叶菜收获机械研发及关键部件参数设定提供有效理论依据[16]。

3.2 提高农艺与农机相匹配程度

在现代农业发展中，农业机械化的实现与农艺紧密相关。农机与农艺相辅相成，共同服务于农业生产的整体效率。通过相关学科专家定期交流和合作研究，培育适合机械化收获的叶菜品种，制定符合机械化收获的叶菜栽培模式，研发与农艺相匹配的叶菜收获机械[18]。

3.3 优化机械结构

叶菜收获机械最大的市场在农民。对他们来说，有必要最大限度地降低制造成本。在满足机械性能的前提下，结构简单紧凑、通用性好的机型往往能更好地满足广大市场需求。同时，优化理论的完善和CAD/CAE软件的应用为机械运动仿真提供了理论支持和技术平台，从而达到优化机械结构的目的[19]。

3.4 提高机械通用性

在目前叶菜种植模式下，通用性较差的收获机械会增加叶菜生产成本，限制叶菜收获机械的普及。应寻找不同叶菜之间的共性，设计合理的结构，实现一机多用，从而提高叶菜收获机械的通用性[20]。

3.5 提升智能化技术水平

随着自动控制技术的快速发展，机械系统和控制系统结合将进一步提高收获机械的可操作性、便捷性和智能化技术水平。我国叶菜收获机控制部件和系统的研究主要集中在割刀高度自动调节控制系统上，该系统可以根据地面条件和叶菜生长情况自动调节割刀高度，从而实现叶菜收获一致性的上市要求[21-22]。

4 结语

随着农村劳动力的日益紧缺及人们对叶菜需求量的不断增多，我国叶菜收获必须朝着机械化、智能化的方向发展。我国叶菜品种繁多，种植面积小且不规范，需借鉴国外相关机型的成功经验，有重点地开展中小型叶菜收获机械的研发。此外，还应对叶菜物理特性开展研究，有效结合农艺与农机，优化机械结构，提高收获机械的通用性，研发割刀高度自动升降等控制系统，提升收获机械的智能化技术水平，这对降低叶菜生产成本、减轻人工劳动强度、实现我国叶菜机械化收获具有重要意义。