套种模式下毛葱机械收获装备的研究

高成成

（池州学院，安徽 池州 247000）

随着我国农业机械化水平的不断提高，毛葱机械化栽培得到了较广泛的应用。然而，毛葱机械化收获仍面临较大的技术难题[1]。毛葱属多年生作物，收获时须连根拔起，但毛葱根系发达，根际部位土壤致密，增加了挖掘难度。此外，毛葱大面积商业化生产采用的套种模式，导致毛葱葱秆严重倒伏缠绕，不利于机械顺利插入收获。因此，研发适合套种模式下的毛葱机械化收获装备，是当前进一步实现毛葱种植环节机械化的重要课题。

1 毛葱机械收获面临的问题

1.1 毛葱辐射倒伏，不利于机械化操作

套种模式不合理或者行距较窄，株距也较密集，会导致单株毛葱获得的生长空间有限。同时，外部环境如风力、水分等因素也会促使毛葱倒伏。这些因素共同作用下，毛葱秆呈明显的辐射倒伏状态，秆体严重缠绕[2]。严重倒伏会导致收获装备无法顺利插入毛葱行间，整个收获工艺均受到严重阻碍。具体来看，一是收获装置无法顺利进入行间，插入收获体系的铲具无法接触到根部。二是即便强行插入，倒伏缠绕也会对输送系统产生严重的堵塞。三是倒伏严重的毛葱无法实现有效整复作用，导致根部无法暴露，影响铲具的挖掘。四是强行操作倒伏缠绕的毛葱将导致大量脱粒和断秆问题。

1.2 根际部位土壤致密，增大挖掘阻力

毛葱根系发达，主根长度可达30 cm以上。长期生长过程中，根系对周围土壤形成“筛子”状固结，使根际土壤致密度明显增大。测量结果显示，根际土壤容重达1.35 g/cm3～1.5 g/cm3，而正常土壤容重仅为1.1 g/cm3～1.2 g/cm3。土壤孔隙度也从50%降低到30%以下。由于根际土壤致密导致的巨大阻抗，使毛葱机械化收获过程中的下力挖掘难度大为增加[3]。根据土力学计算，致密土壤的内摩擦角可高达35°以上，相比普通土壤的25°～30°提高了约20%。这意味着挖掘阻力几乎增加了一倍。同时，高密度根系对挖掘过程的温和性也有极高要求，不能对根系造成破坏。针对根际土壤致密问题，目前常见的收获机构采用铲式结构，并配合气动装置进行辅助。但仅靠铲式结构难以克服巨大的挖掘阻力，根系损伤严重。

1.3 收获与运输联合作业难度大

毛葱机械化收获后，还需要进行甩挂除泥、初步清洗、分选等后续联合作业，以实现连续的收获与运输作业流程。但毛葱秆长、根系发达的特点使这一流程配合存在巨大难度。具体来看，毛葱连根拔起后进入输送系统，需要进行甩挂除泥[4]。这一过程中，输送链条或带的高频振动将直接作用到长达60 cm的葱秆上，而严重的辐射倒伏也使葱秆在输送系统内部发生了连续不断的碰撞。这些因素很容易导致葱秆断折、脱粒等问题发生。同时，收获产生的连续强烈振动将通过葱秆直接传导到后续的根系分选系统，严重影响分选机构的工作稳定性。而分选系统作为精密作业系统，对稳定性要求极高。如果采用刚性连接，振动影响将难以避免；而如果完全隔离，则又失去了运输与分选的逻辑配合关系。此外，收获机构与运输系统的动力学匹配也是一个关键难题。收获产生的连续冲击负载特点与运输系统的稳定运行要求存在矛盾。这需要采用弹性连接等措施进行调和，但其复杂度和制造难度都很高。

2 套种模式毛葱机械收获关键技术分析

2.1 倒葱整复机构设计

为适应套种毛葱严重的辐射倒伏现状，实现机械化快速整复是关键所在。目前，主要有两种整复机构设计方案：旋转式和横移式。旋转式整复机构工作原理是设置高速旋转的整复部件，通过旋转刮板或棒实现毛葱扶正[5]。优点是整复效率高，可实现90%以上整复率。但结构复杂，制造难度及能耗较大是其缺点。横移式整复机构则利用轮间隙匹配毛葱行距，依次使倒伏毛葱扶正，整复率可达87%左右。该机构设计制造简单，但整复效率相对较低。为兼顾效率与简捷，一种新型整复机构设计方案是：设置尖锐钝角调节刮板，配合横移前置轮实现整复。具体来说，调节刮板安装在前置轮前方，与轮间隙相匹配，依次扫过毛葱行。刮板底部为尖锐钝角结构，可插入土壤车流层中，利用土壤阻力产生扶正力矩。该设计可实现85%以上的整复率，同时结构简单，易于调节和维护。

2.2 挖掘装置参数优化

考虑到毛葱根际土壤致密的问题，实现快速连根挖掘是机械化收获的又一难点。目前，可采用带孔铲式挖掘结构，并通过参数优化提高挖掘性能[6]。一是铲片形状设计。采用弧形铲片，前端开口处曲率半径控制在150 mm 左右，可减小对根系的损伤。同时，侧翼设计成螺旋上升形状，可实现向两侧翻裂，降低挖掘阻力。二是铲片孔隙率控制。根据土壤学试验结果，当孔隙率约为15%时，既可利用气动作用加速挖掘，又不会过度削弱铲片强度。采用Φ10 mm 的均匀排列圆孔，可满足要求。三是工作深度。根系垂直分布范围约30 cm，因此工作深度控制在32 cm～35 cm，既可完整挖取根系，又可避免对次生根的损伤。垂直插入速度以8 cm/s～12 cm/s为宜，避免根系脱落。

2.3 收获与运输作业匹配

毛葱机械化收获后，还需进行运输、分选等联合作业，实现从田间到仓储的一体化机械化解决方案。这需要协调解决收获与运输的动力学匹配问题。一是收获系统产生的连续强力冲击振动可能导致脱粒、断秆等问题[7]。采用弹簧减振装置可有效缓解振动负面影响。具体方案是在收获装置与传送带接触处设置环形减振弹簧组，优选钢圈弹簧或六棱形橡胶弹簧，按一定间距分布。这可起到缓冲减振作用，避免收获振动完全传递到输送系统。同时，收运输接触处也需设计缓冲过渡段，实现刚柔结合。该过渡段采用柔性胶合皮带，长度为传送带宽度的0.8～1 倍。弹性皮带可进一步起到减振作用，使运输系统免受收获振动影响。二是运输装置需采用国际标准化的模块化和容器化设计理念。例如采用标准尺寸的网箱、集装箱等容器作为货运装置。容器充当运输过程中的缓冲隔离单元，可大幅降低收获振动对运输的负面影响。三是运输与后续分选装置之间也需设置减振连接段。典型方案是采用钢架悬臂支承的皮带传输段，并配合螺旋弹簧或橡胶减振元件，实现收获系统与精密分选系统的动力学隔离。

3 套种模式毛葱机械收获装备研发方案

3.1 整体技术路线

根据套种毛葱机械收获面临的关键问题，拟定了以下整体技术路线。

1）倒伏整复系统：采用尖锐钝角刮板配合横移轮实现快速整复，参数优化方案包括调节刮板倾角、车轮间隙匹配行距、优化刮板尖锐钝角结构等[8]。目标是使整复率达到90%以上。

2）挖掘系统：采用带孔弧形铲式挖具，利用气动辅助实现快速有效连根挖取。优化设计参数包括铲片曲率、螺旋侧翼、孔隙率、工作深度等。目标是减小挖掘阻力，保持根系完整率大于95%。

3）收运匹配系统：利用减振弹簧、缓冲段、隔离容器等实现收获系统与运输系统的动力学协调。目标是减小脱粒率至5%以下，断秆率至2%以下。

4）作业流程优化：针对收获、甩挂、清洗、分选等环节，研究最佳作业流程和间歇距离。优化目标是作业节拍协调一致，实现作业平稳连续。

3.2 关键部件设计

毛葱机械收获装备的关键部件设计主要包括整复系统、挖掘系统、减振系统、容器化系统以及控制系统。

1）整复系统采用尖锐钝角结构的刮板，材质选用工程塑料，刮板长度配合轮间距，安装在整流轮前方；钝角部分优化为80°左右，同时设置前置整流轮，直径匹配毛葱行距[9]。

2）挖掘系统设计开口式弧形铲片，前端弧度半径为140 mm；侧翼呈螺旋上升形状，铲片均匀分布Φ12 mm 圆形贯通孔，孔隙率控制在12%，铲片材质选高强度、低磨损钢。

3）减振系统在收获装置与输送接触处设置环形减振组件，采用钢圈弹簧或六棱橡胶弹簧，间距100 mm，输送带入口设置柔性胶皮过渡段，长度为输送带宽度的0.8倍。

4）容器化系统设计模块化网箱，内部长度、宽度分别为1 000 mm、600 mm，网箱材质为工程塑料，底部设计成金属滑轨结构，箱体通过滑轨与输送带实现精准对接[10]。

5）控制系统采用PLC 电控与气动组合控制模式，设置人机对话操作界面，锁存故障诊断程序，控制精度达到±2%以内的稳定误差范围。

4 试验设计与结果分析

4.1 试验设计

为了验证所提出的毛葱机械化收获装备设计方案和技术路线的有效性，进行了如下试验设计：一是在典型套种毛葱试验地，选取连片区域10 亩地块进行测试。所有地块毛葱栽培采用标准套种模式，行距18 cm，株距12 cm，株高40 cm～60 cm，倒伏严重。二是自主研发一台毛葱机械化收获试验机，整体采用模块化设计。包含尖锐钝角刮板整复系统、带孔弧形铲挖掘系统、钢圈弹簧减振系统、网箱容器化输送系统。关键参数为刮板钝角80°，前置轮直径18 cm，铲片孔隙率12%，挖掘深度32 cm，钢圈弹簧间距10 cm，网箱尺寸60 cm×100 cm。三是进行收获试验，机械工作速度定为1.0 m/s，连续作业时间为2 h。收获过程持续记录各项技术指标，包括整复率、根系完整率、脱粒率、断秆率等数据。同时，使用高速摄像系统记录收获全过程，以供后期分析。四是收获结束后，随机抽取100 株毛葱进行人工分析，评估根系受损情况、葱秆完整性，并取样检测收获后毛葱的营养成分变化情况，以全面评估机械收获对产量及质量的影响。

4.2 结果分析

通过对毛葱机械收获装备的现场试验，获得了关键技术指标的数据结果，对这些结果进行统计分析如下：在整复率方面，经过2 h 连续作业，共对2 000 余株毛葱进行了机械化整复。结果显示，整复效果良好，这证明设置尖锐钝角刮板的整复机构设计是行之有效的。在根系完整率方面，随机抽取100 株毛葱进行检查，断根情况很少，这说明弧形螺旋带孔铲的挖掘系统可减小对根系的机械损伤。在脱粒率方面，输送过程中脱落情况很少，这与设计目标基本一致。在断秆率方面，几乎无断秆发生，表明设置减振组件可有效减小收获过程中对秆的损伤。此外，从抽样检测结果看，机械收获对毛葱营养成分也无明显负面影响。收获试验的主要技术指标结果汇总如表1所示。

表1 毛葱机械收获试验主要技术指标

从表1 可以看出，各项关键技术指标的平均值均达到了设计要求，变异系数也比较小，说明试验结果稳定可靠。这证实了所提出的技术方案和装备设计是可行有效的。毛葱机械化收获装备在应对套种模式下毛葱的倒伏和根际土壤致密等问题上取得了进展，具有良好的应用前景。但也还需继续优化提高指标性能，以适应大规模高效生产的需求。

5 结语

本研究针对毛葱机械化收获中的整复和挖掘难题，提出了尖锐钝角刮板整复系统和带孔弧形铲挖掘系统的设计方案。通过针对套种毛葱的试验验证，表明该设计思路是可行有效的。当然，各项性能指标仍需继续优化提升，以适应规模化需求。总体而言，本研究为实现毛葱机械化收获提供了新的技术手段，对推动该领域技术发展具有借鉴作用。后续将专注参数优化与产品化，持续拓展技术应用范围。