马铃薯收获机现状及发展趋势

王淑红, 高爱民, 孟养荣, 刘鹏霞

(甘肃农业大学机电工程学院,甘肃 兰州 730070)

马铃薯是继小麦、稻谷和玉米后全球最重要的粮食作物,在世界上160多个国家和地区种植,而中国是目前世界上马铃薯总产量最多的国家。截止到2021年,我国马铃薯年种植面积和产量分别在460.6万hm2和1 830.9万t,均占世界首位[1]。马铃薯除被用作食用作物外,还被广泛应用于畜牧食料和工业生产原材料。马铃薯的种植面积随着其应用价值的逐步挖掘而不断增加,但大面积的种植使得马铃薯收获成为了一个难题[2,3]。

本文从马铃薯机械化收获技术的国内外发展现状入手,分析了马铃薯机械化收获技术的发展过程,总结了现有的马铃薯收获技术,并对马铃薯收获机的未来发展方向进行展望,以期待为马铃薯机械化收获的进一步发展提供借鉴。

1 马铃薯收获机国内外的发展现状

1.1 国外马铃薯收获机发展现状

马铃薯原产于南美洲安第斯山脉,最开始的种植方式以人工铺放为主,后由牲畜代替了部分人工作业。20世纪40年代,随着马铃薯产业的不断发展,马铃薯机械化生产逐渐成熟,第一台拖拉机的问世更是直接推动了马铃薯产业的飞速发展,推动机械化代替畜牧与人力完成马铃薯的部分作业。20世纪50年代,欧美等发达国家马铃薯产业链逐渐形成,马铃薯作业全过程也已基本实现机械化。马铃薯收获机由传统的人力、畜力发展到牵引式再发展到自走式一体联合收获机[4]。

AVR公司的Spirit6200牵引式马铃薯收获机,不仅采用了两级主筛网过滤马铃薯,而且通过加装站台、料斗底部安装升运链实现了人工杂物清理和边卸料边收获,节省了作业时间[5]。

格立莫公司的VENTOR4150型自走式马铃薯收获机,作业宽度达到3 m,作业过程中,可完成任意角度灵活转弯;设置了偏移车辙行驶功能,能够减少对马铃薯的碾压[6]。还安装了电子智能监控系统,可实时反馈关键部件的信息,智能化程度较高。

美国多宝路公司的Double-L973型马铃薯回流收获机,配备了回流收获技术,大大提高了收获过程的清洁能力,提高了收获效率;采用最短的侧提升机,具有可靠、耐用和适应能力强等特点,是当今马铃薯磕碰损伤最低的收获机[7]。

意大利F.LLISPEDO公司的F.LLI SPEDO Modello CPP-BD系列马铃薯收获机,采用三点悬挂系统与拖拉机连接,宽度可调节,能一次性完成马铃薯挖掘、薯秧分离、挑拣、装箱等作业,适用于平坦地块和丘陵山区[8]。

国外研发的马铃薯收获机在生产效率、技术水平、机械化程度方面有了很大的提高,但是由于技术成本过高、运输距离远、时间长且售后服务效率低,导致其价格高昂、使用率低下。

1.2 国内马铃薯收获机发展现状

我国早期的马铃薯收获主要以人工或半机械化收获为主,随着马铃薯种植面积与人工成本的不断增加,对马铃薯机械设备的需求量也在逐步提高,推动了马铃薯机械产业飞速发展。

国内在马铃薯收获的机械化发展起步于20世纪60年代,国内各大高校及研究机构开始了对马铃薯收获机的研制。甘肃农业大学[9]研制的4U-1400型牵引式马铃薯联合收获机,采用圆盘切刀,在作业中切开杂草和土块,减轻了土薯分离装置的负担;通过二级升运装置,对土薯混合物进一步分离,降低了含杂率。该机具操作简单、稳定可靠,一次进地可以完成挖掘、土薯分离、装袋等多道工序,极大程度地提高了收获效率。

甘肃省洮河拖拉机制造有限公司制造的马铃薯挖掘收获机,可一次性完成挖掘、土薯分离和边收获边装车等作业环节,实现了复式薯块土壤杂物分离;在集薯卸载装置末端加用双层柔性聚乙烯缓冲带,极大程度减少了伤薯率。

希森天成制造的 4ULZ-170 型马铃薯联合收获机,属于牵引式的一种,作业时通过分离装置输送和抖动,将大部分的土壤抖落到地面,从而完成土薯分离;其升运装置具有伸展功能,高度可根据运输车的高度以及运输车中物料的状态进行灵活调整[10]。

中机美诺公司制造的1710B马铃薯联合收获机,采用了两级输送分离装置的强制振动,提高了薯块与杂物的分离率;采用了浮动圆盘,更有效地切断杂草,避免了因杂草过多导致挖掘阻力增大而降低挖掘铲的寿命[11]。

青岛洪珠4U-170B型马铃薯收获机采用S型筛选装置,明薯率高、破皮率低;采用全悬挂双升运链式结构,可一次性完成仿形限深、挖掘、切秧、分离升运和放铺集条作业[12]。该机既适用于黏性土层的收获,也适用于沙性土层的收获。

国内马铃薯生产全过程机械化技术逐渐趋于成熟,形成了较为完整的体系,但在智能化、多功能集成化、多级输送和升运装置可折叠方面还存在一些可优化发展的地方,仍需加大科研投入和支持力度。

2 马铃薯机械收获的重要性及基本条件

2.1 机械收获的重要性

随着马铃薯的价值被越来越多的人认可,种植面积也在不断增加,无论是在用工量上还是在劳动强度上,传统的马铃薯收获方式都不能满足。同时对于马铃薯来说,其本身的收获期短,需要大量人工参与,但随着农村劳动力的不断流失,人工成本逐渐增加,因此马铃薯机械收获的需求越来越强烈。马铃薯机械收获的实现既能提高收获效率,又可以解决劳动强度高的问题。

2.2 机械收获的基本条件

2.2.1 土壤湿度

马铃薯收获时环境中土壤的湿度会影响作业效率,土壤湿度过低会导致土壤过硬,从而增大挖掘铲作业的阻力,降低挖掘铲的寿命。土壤的湿度过高时土壤较为粘稠,既不利于土薯分离,又会附着在收获机的工作部件上,降低收获效率[13]。

2.2.2 地块平整度

地块平整是保证马铃薯收获效率高、工作质量好的基本条件之一[14]。地面有凹坑、石块等障碍物时,不仅会影响马铃薯收获机的行驶速度,降低收获效率,还会导致挖掘深度不一致,出现漏薯和损伤马铃薯块茎等问题。

2.2.3 种植深度

马铃薯的理论种植深度在15～20 cm。种植深度过浅,马铃薯难以吸收成长所需要的营养物质,不利用马铃薯的生长;种植深度过深,又会影响马铃薯收获机的作业效率[15]。

2.2.4 种植间距

马铃薯收获机作业时,如果相邻马铃薯的种植间距过小,就会影响收获机在田间行走,也会对马铃薯的块茎造成机械损伤;种植间距过大,会导致土地利用率过低,降低马铃薯的总产量[16-17]。综合以上情况,最适合马铃薯种植的方式是宽窄行密植,既能保证马铃薯的产量,又能便于马铃薯收获机的作业。

3 马铃薯收获机关键部件的研究现状

3.1 马铃薯挖掘部件

挖掘部件是马铃薯收获过程中的核心部件,作业时,需要避免装置缠草的情况,以保证能够最大程度地挖掘出土壤中的马铃薯;还需要减少土薯分离装置的负担,以进一步保证马铃薯有较低的含杂率[18]。为便于将马铃薯从土壤中挖出,在整机设计时挖掘铲常被置于收获机的最前端。目前根据铲面形状不同可将挖掘铲分为三角平面铲、条形平面铲、凹形曲面铲和凸型曲面铲等类型[19-20]。

3.1.1 三角平面铲

三角平面铲的铲面设置为三角形,能有效减少铲尖与土壤的接触面积,从而减少挖掘铲的阻力,提高挖掘铲的寿命[21]。常用螺栓与挖掘铲架连接,这种连接方式能精确固定被连接件的相对位置,对加工要求较低且装拆方便。三角平面铲具有作业效率高、结构简单、成本低廉等优点,但因其铲面比较锋利,在挖掘过程中容易损伤马铃薯[22],常被用于重效率轻品质的场合。

3.1.2 条形平面铲

条形平面铲由于其铲面形状设计独特,能够保证在完成收获作业的前提下尽量减少铲面与土壤的接触面积,以此来减轻挖掘铲承受的阻力影响。常用螺栓与铲架相连接。条形平面铲具有结构简单、便于加工、更换方便等特点。

3.1.3 凹形曲面铲

凹形曲面铲一般由上铲面和下铲面组成,两铲面均为弧形曲面,能够保证在不损伤马铃薯的前提下最大程度地减少铲面与土壤接触的面积。凹形曲面铲的设计增大了铲入深度,从而增加了马铃薯挖掘量[23]。凹形曲面铲设计通用性强,但制作工艺较为复杂、成本较高且不易于更换,主要应用于大面积种植的地区。

3.1.4 凸型曲面铲

凸型曲面铲的铲面采用圆弧状,作业时,被挖掘铲挖出的土薯混合物沿着铲面向后移动并不断输送到下一级装置,杂草和少量的土壤可沿铲面滑落,减少了土薯分离装置的负担[24]。凸型曲面铲设计结构简单、制作方便且容易更换,比凹形曲面铲的应用更广。

3.2 土薯分离装置

土薯分离装置是马铃薯收获机的关键部件,直接影响马铃薯的品质。收获机挖掘时将土壤与马铃薯同时挖出,并输送至分离装置上,分离装置在振动轮的作用下使土薯混合物上下振动,然后将大部分的土壤通过升运链间隙筛落至地面,最终实现土薯分离作业。土薯分离装置要尽量按照减少与马铃薯的摩擦或掉落时降低对马铃薯的破坏来设计,以最大程度保证薯块完整性。马铃薯收获机的土薯分离装置主要分为栅条分离筛式、抛掷轮式、 振动铲式三种类型[25-26]。

3.2.1 栅条分离筛式

栅条分离筛式主要适用于大、中型面积的地形作业,工作原理是:分离装置通过杆条式升运链将刚挖出的土薯混合物运送至振动位置,后用强制振动的方式带动杆条式分离筛运动使土薯混合物上下振动,当杂块尺寸小于杆条间隙时,就会通过间隙掉落,达到分离杂物的效果[27]。通过此装置可清除土块等杂物,装置具有结构简单、稳定性高等特点。

3.2.2 抛掷轮式

抛掷轮式分离装置主要适用于黏性土壤或者杂草较多的情况,工作原理是:用凹面挖掘铲将马铃薯从土壤中挖出后将土薯混合物运至一定高度,凹面挖掘铲上方的旋转抛掷轮指杆将土薯混合物打散,并将处理完毕的马铃薯块抛向一侧,形成条堆来防止薯块过于分散[28-29]。作业过程中为了防止马铃薯的掉落,可在抛掷轮侧面安装挡帘。抛掷轮式分离装置因设计结构简单且制作成本低,在实际收获作业中被广泛应用。

3.2.3 振动铲式

振动铲式主要应用于小面积种植马铃薯的地区,此装置主要由振动架、调节手柄、分离筛、铰接臂等部件构成[30]。工作原理是:分离装置通过空间连杆机构带动振动架沿铰接点做前后、上下往复摆动,振动架摆动时将土壤破碎并使土壤沿分离筛间隙落下,而马铃薯块茎在分离后被推向装置后方,最后铺放在田间。振动铲式分离装置具有结构紧凑、稳定性高、动力需求小等特点。

4 存在的主要问题及发展趋势

4.1 主要问题

4.1.1 联合收获发展慢,自动化程度低

马铃薯收获机整个生产全过程的实现需要依靠不同装置,但每种装置仅能实现杀秧、挖掘或铺放等单一功能。在收获薯块进行捡拾、分级和装车等作业时机械化程度低,仍然需大量人工参与,导致作业时间长、成本高、劳动强度大且效率低。

4.1.2 整体尺寸大,灵活性低

设计马铃薯收获机时,常将挖掘装置设计成大宽度以满足多行收获来减少装置往返行程。在丘陵山区小面积区域种植时,种植区域形状接近正方形,如果收获机尺寸较大,就会导致装置作业灵活性低,使收获效率降低,作业面积受限。对于装置不能收获到的区域,需要人工收获,不利于实现马铃薯全程机械化。

4.1.3 装置适应性低

随着马铃薯在国内的广泛种植,不同区域的种植环境也不尽相同,设计装置时需要考虑到区域特殊性,所以设计出的装置也具有区域针对性,难以得到大面积推广。如进行平原地区马铃薯收获全过程作业的装置难以在丘陵地区得到应用,还需要对装置进行深入研究,或者尽量改变种植区域的性质,以保证设计出的装置具有较强的适应性。

4.1.4 土薯分离效率低,破损率高

马铃薯收获机设计的一个核心指标是破损率,当收获装置进行挖掘作业时,挖掘铲铲动的速度和铲面面积会对马铃薯的完整性产生影响;当进行土薯分离时,分离装置的长度以及所用的材质也会对马铃薯造成一定的损伤,所以一直很难通过提高机械技术达到满意程度。同时,分离过程中土壤的性质和含水量会影响分离效果,收获时无法不受外界影响。所以提升土薯分离效率、降低薯块破损率仍然是收获装置设计的一个难题。

4.2 发展趋势

4.2.1 装置智能化、多功能化发展

马铃薯收获期短且工序较为复杂,单个机具难以实现整个流程作业的要求,收获马铃薯时需要不同的装置协同作业。机具工作过程中需要人工对马铃薯进行预处理,后期的马铃薯捡拾也需要大量人工参与,这就导致了人力成本和作业时间的增加。所以多功能一体化的智能化作业机具研发成为一个亟需解决的问题,该机具应具备挖掘、土薯分离、秧薯分离和最终装袋等多个功能。

4.2.2 升运卸载装置可折叠化

马铃薯种植间距小,机械装置进行多行播种作业,装置前进或转弯时要具有灵活性,不能碾压播种坑和薯块,这就要求装置体积尽可能减小以增大装置的灵活运行及转向。马铃薯收获机中的升运卸载装置主要完成薯块的输送装车作业,但此装置的体积较大,致使整个收获机的体积变大,影响作业效果,降低收获效率。可折叠升运卸载装置一般位于集薯箱侧边位置,可将集薯箱的薯块直接运送至输送车中,设置成折叠装置后可大大减小整机体积,也能使装置在作业时灵活度更高。

4.2.3 多级输送分离

马铃薯收获机挖掘出薯块后,需要利用输送装置将其运送至收集箱,现有的输送装置多为单级输送,效率较低且具有较高的含杂率,仍需花费大量时间进行后期处理。而采用多级输送分离则能够消除此弊端,多级输送能够将薯块与土块有效分离,达到作业效率高且含杂率低的效果。设计时装置利用橡胶-杆条式升运链与振动轮协同作业进行土薯分离,将振动轮的振幅和频率设置为可调来提高筛分的效果。