第1期歐陽蕾等 我國山藥機械化收獲技術(shù)研究進展9 3 D O I 1 0 1 3 7 3 3 j j c a m i s s n 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 1 0 1 4 我國山藥機械化收獲技術(shù)研究進展 歐陽蕾1 2 李維華2 3 焦偉2 吳東輝2 侯加林1 2 1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院 山東泰安 2 7 1 0 1 8 2 山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院 濟南市 2 5 0 1 0 0 3 青島理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院 山東青島 2 6 6 5 2 0 摘要 我國山藥種植歷史悠久 種植范圍廣泛 因受其自身生長特點 地理環(huán)境和種植模式的影響 山藥收獲機械化程度較 低 大多采用人工收獲 隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 山藥收獲機械化的發(fā)展程度直接影響農(nóng)戶的經(jīng)濟效益 分析我國幾種山 藥的種植特點 概述我國山藥收獲的主要方式 闡述行走系統(tǒng) 傳動系統(tǒng) 開溝系統(tǒng) 土壤翻振機構(gòu) 定位系統(tǒng)等山藥主要 收獲裝備和技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進展 簡單論述國外山藥收獲機的研究 在此基礎(chǔ)上指出我國山藥收獲機械化面臨農(nóng)機與 種植環(huán)境融合不夠 種植模式不統(tǒng)一 收獲機具質(zhì)量差 缺乏核心技術(shù)創(chuàng)新 收獲功能不完善等問題 并對山藥機械化收獲 裝備面臨的問題提出相關(guān)建議 因地制宜研制山藥機械化收獲設(shè)備 推進種植規(guī)程建設(shè) 學(xué)習(xí)借鑒發(fā)達的國家發(fā)展經(jīng)驗 提高核心部件的創(chuàng)新能力 研制聯(lián)合收獲機 關(guān)鍵詞 山藥 收獲機械 傳動系統(tǒng) 開溝系統(tǒng) 土壤翻振機構(gòu) 中圖分類號 S 6 3 2 1 文獻標識碼 A 文章編號 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 1 0 0 9 3 0 7 歐陽蕾 李維華 焦偉 吳東輝 侯加林 我國山藥機械化收獲技術(shù)研究進展 J 中國農(nóng)機化學(xué)報 2 0 2 3 4 4 1 9 3 9 9 O u y a n g L e i L i W e i h u a J i a o W e i W u D o n g h u i H o u J i a l i n R e s e a r c h p r o g r e s s o f m e c h a n i z e d y a m h a r v e s t i n g t e c h n o l o g y i n C h i n a J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 3 4 4 1 9 3 9 9 收稿日期 2 0 2 1年8月2 3日 修回日期 2 0 2 2年1月1 7日 基金項目 山東省農(nóng)機裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目 2 0 1 8 Y F 0 1 4 第一作者 歐陽蕾 男 1 9 9 7年生 湖南沅江人 碩士研究生 研究方向為智能農(nóng)業(yè)機械裝備 E m a i l o u y a n g l e i 1 9 9 7 1 6 3 c o m 通訊作者 侯加林 男 1 9 6 3年生 山東高密人 博士 教授 研究方向為智能農(nóng)業(yè)機械裝備 E m a i l j l h o u s d a u d e u c n ResearchprogressofmechanizedyamharvestingtechnologyinChina OuyangLei1 2 LiWeihua2 3 JiaoWei2 WuDonghui2 HouJialin1 2 1 CollegeofMechanicalandElectronicEngineering ShandongAgriculturalUniversity Tai an 2 7 1 0 1 8 China 2 ShandongAcademyofAgriculturalMachineryScience Jinan 2 5 0 1 0 0 China 3 CollegeofMechanicalandAutomotiveEngineering QingdaoTechnologicalUniversity Qingdao 2 6 6 5 2 0 China Abstract Y a m p l a n t i n g i n C h i n a h a s a l o n g h i s t o r y a n d a w i d e r a n g e D u e t o i t s o w n g r o w t h c h a r a c t e r i s t i c s g e o g r a p h i c a l e n v i r o n m e n t a n d p l a n t i n g m o d e t h e m e c h a n i z a t i o n d e g r e e o f y a m h a r v e s t i n g i s r e l a t i v e l y l o w a n d m a n u a l h a r v e s t i n g i s m o s t l y u s e d W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f i n d u s t r i a l s t r u c t u r e t h e d e v e l o p m e n t d e g r e e o f y a m h a r v e s t i n g m e c h a n i z a t i o n d i r e c t l y a f f e c t s t h e e c o n o m i c b e n e f i t s o f f a r m e r s T h i s p a p e r a n a l y z e s t h e p l a n t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f s e v e r a l y a m s i n C h i n a s u m m a r i z e s t h e m a i n h a r v e s t i n g m e t h o d s o f s e v e r a l y a m s i n C h i n a e x p o u n d s t h e r e s e a r c h s t a t u s a n d p r o g r e s s o f m a i n h a r v e s t i n g e q u i p m e n t a n d t e c h n o l o g y o f y a m s s u c h a s w a l k i n g s y s t e m t r a n s m i s s i o n s y s t e m t r e n c h i n g s y s t e m s o i l t u r n i n g v i b r a t i o n m e c h a n i s m a n d p o s i t i o n i n g s y s t e m a n d b r i e f l y d i s c u s s e s t h e r e s e a r c h o n y a m h a r v e s t e r i n f o r e i g n c o u n t r i e s O n t h i s b a s i s i t i s p o i n t e d o u t t h a t t h e m e c h a n i z a t i o n o f y a m h a r v e s t i n g i n C h i n a f a c e s p r o b l e m s s u c h a s i n s u f f i c i e n t i n t e g r a t i o n o f a g r i c u l t u r a l m a c h i n e r y a n d p l a n t i n g e n v i r o n m e n t i n c o n s i s t e n t p l a n t i n g m o d e p o o r q u a l i t y o f h a r v e s t i n g m a c h i n e s a n d t o o l s l a c k o f i n n o v a t i o n a n d i m p e r f e c t h a r v e s t i n g f u n c t i o n a n d r e l e v a n t s u g g e s t i o n s a r e p u t f o r w a r d f o r t h e p r o b l e m s f a c e d b y t h e m e c h a n i z e d h a r v e s t i n g e q u i p m e n t o f Y a m a s f o l l o w s d e v e l o p i n g t h e m e c h a n i z e d h a r v e s t i n g e q u i p m e n t o f y a m a c c o r d i n g t o l o c a l c o n d i t i o n s P r o m o t i n g t h e c o n s t r u c t i o n o f p l a n t i n g r e g u l a t i o n s l e a r n i n g f r o m t h e d e v e l o p m e n t e x p e r i e n c e o f d e v e l o p e d c o u n t r i e s i m p r o v i n g t h e i n n o v a t i o n a b i l i t y o f c o r e c o m p o n e n t s a n d d e v e l o p i n g c o m b i n e h a r v e s t e r s Keywords y a m h a r v e s t i n g m a c h i n e r y d r i v e s y s t e m t r e n c h i n g s y s t e m s o i l s h a k i n g m e c h a n i s m 第4 4卷 第1期 2 0 2 3年1月 中國農(nóng)機化學(xué)報 J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 4 N o 1 J a n 2 0 2 3 9 4 中國農(nóng)機化學(xué)報2 0 2 3年 0 引言 山藥又名山薯 山芋 長芋等 含有豐富的營養(yǎng)物 質(zhì) 有利于人體的健康 1 2 我國山藥的種植有4 0 0 0 多年的歷史 發(fā)展山藥產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)條件好 勞動力資源豐 富 大部分土地適合種植 山藥種植范圍很廣 主要產(chǎn) 于河南 河北 山東 江蘇等省份 3 5 我國收獲的山藥 不僅滿足了國內(nèi)市場需求 而且遠銷日本 美國 加拿 大 馬來西亞等國家 國際市場廣闊 山藥屬于根莖類作物 山藥收獲的挖掘可達 0 7 1 6 m 一般收獲動土量達1 8 0 0 2 1 0 0 m 3 h m 2 山藥直徑在2 5 5 c m 人工收獲效率大概為 0 0 1 3 h m 2 h 而且山藥脆 容易斷裂 所以人工傳統(tǒng)的 人工收獲方法勞動強度高 收獲效率低 而且容易損傷 山藥 影響農(nóng)戶的收入 從而抑制種植山藥的積極 性 6 7 因此 山藥收獲機械化是未來山藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的 趨勢 受到區(qū)域地質(zhì) 氣候 品種等因素的影響 再加上 我國地域遼闊 南北地理特點差異較大 所以不同地區(qū) 生長的山藥也具有不同的特征 由于山藥自身的多樣 性和地域的差異性 山藥的機械化收獲發(fā)展始終存在 瓶頸 因此 我國種植山藥的農(nóng)戶迫切需要山藥的機 械化收獲 8 9 本文首先論述了我國一些品種的山藥生長特性 分析我國山藥的幾種收獲方式及其經(jīng)濟效益對比 然 后闡述我國山藥機械化收獲核心裝備的研究進展 指 出我國山藥收獲機械化發(fā)展面臨的問題 并提出發(fā)展 建議 1 山藥的生長特性 我國種植山藥的歷史悠久 全國各地分別種植有 不同種類的山藥 從外形上來劃分 可以分為長山藥 扁山藥和圓山藥 而長山藥是比較常見的 比如大和 長芋 鐵棍山藥 麻山藥 水山藥 細毛山藥等圓柱形品 種 扁山藥和圓山藥生長位置淺 可以直接用馬鈴薯 花生等淺層根莖類作物收獲機進行收獲 而長山藥長 得細且較長 生長在較深的土壤中 收獲比較困難 1 0 因為山藥的特性 所以研究山藥的形狀尺寸 種植 農(nóng)藝 物理特性等山藥的特點 能對研究山藥收獲的機 械化提供理論依據(jù) 表1是我國幾種長山藥品種的形 態(tài)尺寸 種植農(nóng)藝的數(shù)據(jù) 8 9 表1 我國主要山藥品種 T a b 1 M a i n y a m v a r i e t i e s i n C h i n a 山藥品種直徑 c m長度 c m種植密度 株 h m 2 單株質(zhì)量 k g產(chǎn)量 株 h m 2 河南懷山藥 3 8 0 1 0 0 6 0 0 0 0 6 7 5 0 0 0 5 1 2 2 5 0 0 3 7 5 0 0 梧桐山藥4 6 5 0 8 0 3 0 0 0 0 細毛長山藥3 4 1 0 0 1 4 0 4 5 0 0 0 6 0 0 0 0 1 0 3 0 0 0 0 3 7 5 0 0 麻山藥7 8 6 0 7 0 0 2 8 3 3 0 0 0 太谷山藥3 4 5 0 6 0 2 2 5 0 0 3 0 0 0 0 長毛山藥3 5 8 0 1 1 0 5 2 5 0 0 6 0 0 0 0 1 0 2 2 5 0 0 3 7 5 0 0 水山藥3 7 1 4 0 1 5 0 4 5 0 0 0 1 5 2 0 4 5 0 0 0 濟寧米山藥2 4 8 0 9 0 0 0 0 1 0 5 0 0 0 0 5 1 0 淮山藥3 4 8 0 1 0 0 2 5 0 0 5 3 0 0 0 0 我國山藥品種雖多 山藥根莖力學(xué)特性的研究更 是研發(fā)山藥收獲機的理論來源 但是對于各種山藥根 莖力學(xué)特性的研究不多 兩種不同山藥的力學(xué)特性如 表2所示 表2 兩種不同山藥的力學(xué)特性 T a b 2 M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t w o d i f f e r e n t y a m s 山藥 品種 抗拉強度 M P a 抗壓強度 M P a 抗彎曲強度 M P a 麻山藥0 6 4 7 0 2 2 6 3 6 6 7 細毛山藥0 4 1 5 2 3 2 8 4 7 2 3 根據(jù)研究者對山藥力學(xué)的分析 可以看到這兩種 山藥抗彎曲強度高 抗拉壓能力弱 易被拉斷或者壓 斷 在設(shè)計山藥收獲機械的時候 應(yīng)該重點考慮山藥收 獲的時候軸向拉壓力的作用 以減少山藥機械化收獲 給山藥造成的損傷 2 我國山藥收獲方式 由于我國為山藥主產(chǎn)區(qū) 所以山藥機械化收獲技 術(shù)以國內(nèi)研究為主 1 1 目前我國沒有一種很好的山 藥聯(lián)合收獲裝備 山藥多為人工收獲 勞動強度大 收 獲效率低 只有部分農(nóng)戶對山藥進行機械化收獲 1 2 2 1 人工收獲 一般來說 山藥在秋天采收 等到它地上的莖葉枯 萎以后 然后才開始采挖 也可以將山藥留在地里 等 到第二年春天再來進行采挖 有一部分大棚種植的山 藥 可以在夏天七月份進行采挖 1 3 第1期歐陽蕾等 我國山藥機械化收獲技術(shù)研究進展9 5 在人工收獲的時候 農(nóng)戶從溝的一段開始先挖出 一定深度的深溝 農(nóng)戶一般使用特制鐵鍬把地下兩邊 側(cè)根沿著山藥向下鏟斷 清除根側(cè)泥土 直到山藥露出 泥土 然后嘗試提起山藥 當山藥松動的時候 提起山 藥上端 鏟斷它的側(cè)根 最后整個山藥提出土壤 完成 山藥的收獲 7 2 2 機械收獲 我國的機械化程度要普遍低于歐美日等發(fā)達國家 水平 山藥收獲機械化程度也相對較低 山藥機械化 收獲就是利用機器挖掘出山藥 最后收獲山藥 目前在 我國機械收獲山藥主要有兩種方式 一種是鏈式開溝 收獲 另一種是螺旋式松土收獲 這兩種收獲方式都是 先進行山藥兩邊開溝 破壞山藥所在的中間土閥 然后 人工撿拾山藥 一般來說 機械收獲工作效率高 成本 低 鏈式開溝收獲主要是利用設(shè)置的鏈條帶動刀具在 山藥土埂旁邊進行開溝 通過改變刀具的結(jié)構(gòu)尺寸來 確定溝寬 一般采用液壓油缸的形式控制開溝的深度 而螺旋式松土的收獲主要采用立式螺旋開溝刀具開 溝 開溝部件為直接安裝在軸管上的螺旋刀片 在開溝 作業(yè)的時候 能將泥土輸送至上方 3 我國山藥機械收獲裝備與技術(shù)研究進展 因為山藥生長的特殊性 所以我國山藥收獲機械 化存在一些問題 我國研究者對山藥機械收獲技術(shù)進 行了一定的研究 取得一定的成果 就目前來說 山藥 機械化收獲裝備主要工作部件包括行走系統(tǒng) 傳動系 統(tǒng) 開溝系統(tǒng) 土壤翻振機構(gòu)和定位系統(tǒng)等裝置 所以 本文重點論述這幾種主要工作部件 3 1 行走系統(tǒng) 行走系統(tǒng)是山藥收獲機械化的基礎(chǔ) 目前山藥收 獲機械行走系統(tǒng)主要是輪式行走機和履帶式行走 機 1 4 輪式行走機主要動力源是農(nóng)業(yè)拖拉機 拖拉機 通用性好 速度快 但是對于爬坡 越障 地面適應(yīng)等能 力比履帶式行走機差 履帶式行走機地面接觸面積 大 接地比壓小 能夠緩和在山藥收獲過程中的地面凹 凸不平 抗打滑能力強 具有良好的穩(wěn)定性 適合在各 種土壤環(huán)境在行駛 履帶式行走機結(jié)構(gòu)形式又可以分 為兩種 一種用手扶拖拉機變速箱作為傳動部件 利用 皮帶變速 適用于小規(guī)模種植 另一種采用液壓驅(qū)動履 帶 它能通過液壓系統(tǒng)的作用實現(xiàn)無級調(diào)速 一般用于 大規(guī)模種植山藥 操作性大大提高 輪式行走機主要是通過懸掛機構(gòu)連接農(nóng)用拖拉機 拖拉機后輸出軸與減速箱通過萬向節(jié)連接 工作時減速 箱輸出軸將動力傳遞給開溝 振動松土等工作機構(gòu) 1 5 而對于履帶式行走機 李紅偉 1 6 發(fā)明了一種手推式山藥 收獲機 主要包括動力系統(tǒng)和收獲系統(tǒng) 動力系統(tǒng)采用 手扶拖拉機作為動力源 利用皮帶傳動驅(qū)動履帶 其收 獲系統(tǒng)的開溝裝置進行開溝作業(yè) 單人可以一邊推車一 邊完成收獲作業(yè) 體積小 重量輕 相較于人工開溝收獲 可以節(jié)省人力 陳晨特 1 7 發(fā)明了一種履帶式長山藥采 收機器人 這是一種液壓驅(qū)動履帶式的山藥收獲機械 機架下部外側(cè)分別設(shè)有履帶行走系統(tǒng) 履帶前端有引導(dǎo) 輪 履帶后設(shè)有驅(qū)動輪 驅(qū)動輪同軸設(shè)置有驅(qū)動馬達 履 帶中間有多個支重輪 這種液壓驅(qū)動履帶基本可以在 不同種類的土壤中工作 如黏土 沙土等地 適用性強 3 2 傳動系統(tǒng) 山藥生長在地下 每個種類的山藥生長位置都有 所不同 所以山藥收獲機工作機構(gòu)的深度調(diào)節(jié) 角度調(diào) 節(jié)結(jié)構(gòu)尤為重要 可以增加山藥收獲機的適用性 更好 地完成不同種類山藥的機械化收獲 2 0 1 4年于萬 勝 1 5 模仿考古挖掘過程 在山藥左右兩側(cè)進行開溝 中間振動松土機構(gòu)將山藥和土壤分離 最后由輸送機 構(gòu)將山藥和土壤輸送地面 人工撿拾 該機器采用一 對液壓油缸來調(diào)節(jié)挖掘深度 油缸一端與機架連接 油 缸另一端與開溝裝置鉸接 當油缸回縮時 開溝裝置提 到地面 當油缸伸出時 開溝裝置降到山藥收獲所需要 的深度 輸送機構(gòu)通過液壓油缸與機架相接 可以調(diào)節(jié) 輸送機構(gòu)角度 這種機器通過液壓機構(gòu)的調(diào)節(jié)來實現(xiàn) 山藥收獲機重要工作部件深度 角度的改變 有利于收 獲不同深度的山藥 有些山藥收獲機功能完善 但是卻顯得笨重 不能 在山藥田地邊完美的作業(yè) 現(xiàn)有的機器開溝機構(gòu)和翻 振機構(gòu)通過滑動裝置連接在機架上 滑動裝置的動力 由液壓缸控制 然而滑動裝置在機架上穩(wěn)定性差 它們 之間的間隙大 會出現(xiàn)晃動現(xiàn)象 而且油缸作用力可能 會作用在滑動裝置下 產(chǎn)生的力矩會使滑動裝置卡在 機架上 潘昭 1 8 發(fā)明一種滑動裝置 滑動機架通過導(dǎo) 輪組和T形導(dǎo)軌在機架上穩(wěn)定地移動 導(dǎo)輪組的3個 導(dǎo)輪能在T形導(dǎo)軌的3個軌面上穩(wěn)定的夾緊 設(shè)置的 3個導(dǎo)輪的輪臂由彈簧頂住 從而保證整個滑動支架 即使在田地中顛簸也能緊緊地夾在T形導(dǎo)軌之間 提 升了整個裝置的穩(wěn)定性 降低山藥收獲的損傷率 提高 工作效率 增加機器的工作壽命 3 3 開溝系統(tǒng) 3 3 1 開溝裝置 因為深埋類作物山藥的特殊性 我國山藥收獲機 的設(shè)計多重于開溝機的研究 國內(nèi)對于山藥收獲機的 研究起步較晚 之前我國收獲山藥都是借鑒國外根莖 類作物的收獲技術(shù) 在2 0世紀5 0 7 0年代分別出現(xiàn) 了犁鏵式開溝機 圓盤式開溝機 1 9 等機械裝備 2 0世 9 6 中國農(nóng)機化學(xué)報2 0 2 3年 紀9 0年代 螺旋式 鏈式開溝機開始出現(xiàn) 同時國內(nèi)拖 拉機發(fā)展迅速 山藥收獲機械化開始出現(xiàn) 2 0 2 1 但是 國內(nèi)農(nóng)戶收獲山藥采用螺旋式開溝的不多 螺旋式開 溝消耗的功率大 現(xiàn)有山藥收獲開溝方式多采用鏈式 開溝 2 2 眾多學(xué)者對于山藥鏈式開溝技術(shù)做出了一定 的研究 所以本文主要論述鏈式開溝的山藥收獲機 3 3 2 螺旋式開溝 2 0 1 1年薦世春等 2 3 發(fā)明了一種圓錐螺旋鉆管式 山藥收獲機 拖拉機將動力通過萬向節(jié)等裝置傳遞給 圓錐螺旋管 圓錐螺旋管旋轉(zhuǎn)入土將山藥挖出 螺旋 鉆管的圓錐外表上有螺旋葉片 圓錐管上有均勻分布 的長槽 下端為鋸齒形 另外 市面上螺旋式山藥收獲機大多為大型機器 體積的龐大往往伴隨著巨大的重量 適合大規(guī)模山藥 的收獲 但是對于小面積的山藥種植戶來說 小 靈活 操作簡單等特點的機器才是最適合的 2 0 1 6年何玉 靜等 2 4 發(fā)明了一種便攜式山藥收獲機 這種機器適用 于山藥壟上工作 外套筒上的螺旋絞龍排土器可以入 土排出山藥周圍的土壤 最后人工拾取 這種小型山藥 收獲機在收獲的時候不會破壞山藥的生長土壤環(huán)境 符合山藥的農(nóng)藝特點 對于小面積山藥種植戶來說 它 經(jīng)濟實用 工作效率高于人工 3 3 3 鏈式開溝 現(xiàn)有山藥收獲機鏈式開溝主要有兩種 單行山藥 收獲與雙行山藥收獲 單行山藥收獲主要是采用雙排 開溝鏈的形式開溝 雙面開溝 最后收獲山藥 如山東 某公司生產(chǎn)的4 U S Y 1山藥收獲機 2 5 這種山藥收 獲機可以在開溝之后通過輸送帶將中間土閥里面的山 藥送到地面 人工最后只需要撿拾山藥 而雙行山藥 收獲利用多根開溝鏈工作 開出三條深溝 兩行山藥 蠡縣某廠研制的4 F 2型山藥收獲機采用履帶式行 走 液壓轉(zhuǎn)向 三根鏈開溝等機構(gòu) 一次可以開溝3條 挖出兩行山藥 能實現(xiàn)山藥收獲的開溝 松土等功能 最后人工可以輕松拔出山藥 破損率在5 以下 滿足 農(nóng)藝要求 宋濤 2 6 發(fā)明了一種雙行山藥收獲機 設(shè)有 3 4排開溝鏈 2組土壤輸送裝置 而且開溝鏈與土壤 輸送裝置的橫向位置可以調(diào)節(jié) 在換行收獲的時候 方 便調(diào)節(jié)開溝的位置 山藥收獲機在開溝作業(yè)的時候 因其土壤切削的 復(fù)雜性 機器的功率消耗很大一部分都在阻力 切削 阻力不僅與土壤含水量 孔隙比 粘結(jié)性和刀具的摩擦 系數(shù)有關(guān) 而且受到切削深度 切削角度有關(guān) 2 7 肖 艷軍等研發(fā)了一種鏈式開溝山藥收獲機 根據(jù)山藥農(nóng) 藝特點 開溝深度為1 5 m 作業(yè)效率為3 0 0 m h 取砂 質(zhì)土壤作為參考 鏈刀相對切削速度為3 m s 參照國 內(nèi)外的鏈式開溝機相關(guān)參數(shù) 隔四節(jié)鏈節(jié)裝一把U型 鏈刀 切土厚度為2 8 m m 通過土壤切削阻力相關(guān)公 式與原理 確定了鏈刀總切削阻力為1 1 5 8 3 N 同時 提出了一種山藥收獲機確定切削阻力和功率消耗的辦 法 為山藥收獲機械化裝備的開溝減阻和優(yōu)化設(shè)計提 供了重要的理論依據(jù) 3 4 土壤翻振裝置 要完成山藥機械化收獲 僅實現(xiàn)開溝是遠遠不夠 的 還需要挖掘工作 而山藥與土壤的分離是山藥挖掘 的關(guān)鍵 所以挖掘是整個山藥機械化收獲的重要功能 若只采用靜止的挖掘刀 會給機器造成巨大的阻力 消 耗功率更大 對機械結(jié)構(gòu)強度要求更高 同時會有部分 土壤粘結(jié)在上面 而采用土壤翻振的方式可以降低阻 力 疏松土壤 最后露出山藥 方便人工撿拾收獲 甚至 可以直接降低山藥的損傷率 2 8 3 0 孫建興 3 1 發(fā)明了 一種強力破碎土壤的翻振機構(gòu) 當開溝裝置開溝以 后 山藥會留在中間土閥內(nèi) 為了能將山藥及時從土壤 中露出 在兩根連接臂上安裝有水平破土器 在其兩個 連接臂的內(nèi)側(cè)安裝有垂直破土器 水平破土器在軸筒 上可以旋轉(zhuǎn) 在中間軸筒上有發(fā)射狀金屬桿 水平破土 器接觸土閥上端通過旋轉(zhuǎn)能將之破碎 山藥將露出泥 土 與此同時 垂直破土器有矩形鋼絲框旋轉(zhuǎn) 對中間 土閥起到一個破碎翻撥的作用 使得山藥更好地露出 泥土 對于該裝置 孫建興 3 2 還發(fā)明了一種翻土機 構(gòu) 山藥收獲機開完溝之后 該翻土機構(gòu)在土閥下方 兩個翻土板上下交替轉(zhuǎn)動 上托板可以剖挖土閥并翻 動 土壤會經(jīng)過翻動變得疏松 同時山藥會被托起露出 土壤 最后人工撿拾 這種裝置能降低山藥的損傷率 減輕勞動強度 郝建軍等 3 3 對于這種強力破土碎土 裝置也有研究 他們發(fā)明的土壤翻振機構(gòu)主要分為抖 動驅(qū)動機構(gòu)和剝土機構(gòu)兩個部分 抖動機構(gòu)主要采用 偏心輪的原理 通過它的旋轉(zhuǎn)帶動擺動桿工作 而剝土 機構(gòu)主要是一對對稱設(shè)置的條形振動板 條形振動板 后端沿均布向內(nèi)側(cè)傾斜的剝土片 在工作的時候通過 抖動機構(gòu)產(chǎn)生振動 從而使得土壤與山藥分離 去除山 藥兩側(cè)的土壤 刑旭等設(shè)計了4 F 2型麻山藥的振動 松土裝置 運用A D A M S軟件對整機前進速度 偏心 輪旋轉(zhuǎn)速度和偏心距進行運動仿真分析 結(jié)果表明整 機前進速度為3 m m i n 偏心輪轉(zhuǎn)速為5 4 0 r m i n 偏心 距為5 0 m m時性能最優(yōu) 輕松收獲山藥的同時 損傷率 只有3 5 楊發(fā)展等 3 4 設(shè)計了一種帶有格柵振動式挖 掘鏟的土壤翻振機構(gòu) 綜合運用S o l i d W o r k s里的 M o t i o n和S i m u l a t i o n插件 結(jié)合山藥農(nóng)藝特點 對該部 件進行了動力學(xué)仿真分析與計算 研究其振動頻率 振 動幅度等相關(guān)機械結(jié)構(gòu)參數(shù) 并得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù) 第1期歐陽蕾等 我國山藥機械化收獲技術(shù)研究進展9 7 最后進行了強度分析 計算和校核 最后通過試驗發(fā)現(xiàn) 整體土壤破碎效果良好 完好率達到了8 9 2 3 5 定位系統(tǒng) 機械收獲山藥的時候 因為種植山藥行壟彎曲 山 藥收獲裝置一般在機架后方 所以人在操作的時候難 免會出現(xiàn)非直線行駛等問題 開出的溝偏離山藥行 會 導(dǎo)致山藥漏收 損傷率大等問題 張自成 3 5 發(fā)明了一 種用于根莖作物的收獲裝置 其挖土裝置靠近操縱臺 操作工人可以近距離直觀地看到山藥種植行與挖土機 構(gòu)的位置關(guān)系并可以及時調(diào)整 操作者可以準確操作 減少山藥的漏收率和損傷率 當然 對于山藥收獲機 行駛偏移等問題 李善文等 3 6 發(fā)明了一種羅盤激光定 位多功能山藥收獲機 利用羅盤激光可以對山藥收獲 機的行走方向進行定位 結(jié)構(gòu)簡單 可以滿足果蔬種植 及工程機械管道開溝需要 目前來說 國內(nèi)研究者對于山藥機械化收獲并不 是特別多 幾種山藥機械化收獲裝備典型成果及其關(guān) 鍵技術(shù)對比如表3所示 表3 我國山藥收獲機典型成果及其技術(shù)特點 T a b 3 T y p i c a l a c h i e v e m e n t s a n d t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f C h i n e s e y a m h a r v e s t e r 機具名稱技術(shù)特點性能對比 懸掛式山藥收獲機采用三點懸掛與拖拉機連接 雙排鏈開溝 液壓系統(tǒng)控制開溝角度 深度和振動破土機構(gòu)一次性收獲一行山藥 液壓系統(tǒng)控制方便 人工撿拾不便 損傷率較大 履帶式山藥收獲機履帶自走式山藥收獲 雙排鏈開溝 絲桿螺母裝置調(diào)節(jié)開溝角度 液壓系統(tǒng)控制回填土裝置 一次性收獲一行山藥并且將開溝后的土壤回填 整 機太長且笨重 人工撿拾費力 造價昂貴 不宜大面 積推廣 輸送式山藥收獲機 采用三點懸掛與拖拉機連接 雙排鏈開溝 液壓 缸控制開溝深度和角度 螺旋刀切土 輸送裝置 輸送土壤與山藥至地面 一次性收獲一行山藥 人工撿拾方便 整機較長笨 重 黏性土壤效果不佳 便攜式山藥收獲機動力機架可調(diào) 螺旋絞龍機構(gòu)排土且 內(nèi)外套筒靈活布置 套筒設(shè)置有鋸齒機構(gòu)整機體積小 使用靈活 操作簡單 直接在山藥壟上工作 效率較低且勞動強度較高 4 U S Y 1山藥收獲機采用三點懸掛與拖拉機連接 雙排開溝 輸送裝置可以將中間土閥提升至地面一次性收獲一行山藥 人工撿拾山藥方便 挖掘深度在1 m左右 黏性土壤工作效果差 不宜大面積推廣 4 F 2型麻山藥收獲機 采用履帶式行走 液壓轉(zhuǎn)向 三排鏈開溝 設(shè)計有 一種強力破土裝置 同時履帶車前端設(shè)計回填土 裝置 一次性收獲兩行山藥 開溝作業(yè)之后可以回填土 土 壤破碎效果好 山藥拾取相對簡單 整機機構(gòu)相對復(fù) 雜 不適合小規(guī)模作業(yè) 4 國外山藥機械收獲裝備與技術(shù)研究進展 在2 0世紀4 0年代 歐美國家就開始了對根莖類 作物收獲機的研究與推廣 實現(xiàn)了多種根莖類作物的 機械化收獲 3 7 尼日利亞是全球最大的山藥生產(chǎn)國 產(chǎn)量為全球市場的6 7 2 1世紀初 尼日利亞學(xué)者 I t o d o等 3 8 對一種牽引式山藥收獲機的前進速度 提 升角度 切削深度等進行了性能研究 通過山藥損壞的 數(shù)量 收獲山藥的數(shù)量等指標對山藥收獲機進行評估 得出結(jié)論收獲機的行駛速度在3 2 k m h 深度為 4 6 c m 提升角為2 0 時 山藥損傷率小 且提升角度對 山藥的分離和損傷存在影響 日本對山藥收獲的機械化也有一定研究 在2 1世 紀初 日本山藥的機械化收獲也開始成熟 日本所種 植的山藥同中國山藥不同 日本的山藥生長位置較淺 相對較粗 而且日本多為火山灰質(zhì)土壤 兩者之間存在 一定差異性 因此日本可以采用深埋根莖類作物的收 獲機來收獲山藥 拖拉機帶著收獲機前進 土壤輸送 裝置將山藥與土壤輸送到地面 人工只需要簡單的撿 拾 損傷率低 日本有一家歷史悠久小型農(nóng)機生產(chǎn)商生 產(chǎn)的Y C D 6 0型根莖類多功能收獲機可以收獲大蒜 牛蒡和山藥 其外形尺寸為2 3 5 0 m m 1 3 5 0 m m 1 5 9 0 m m 功率為5 0 k W 總損失率為5 該機對山藥 的損傷率小 勞動強度低 作業(yè)效率也相對較高 5 存在問題 我國山藥種植歷史悠久 品種眾多 不同品種農(nóng)藝 特點 生長特點基本不一致 山藥本身脆性低 易斷 所 以現(xiàn)在我國山藥機械化收獲面臨的主要問題 農(nóng)機與 種植環(huán)境融合不夠 種植模式不統(tǒng)一 收獲機具質(zhì)量 差 缺乏核心技術(shù)創(chuàng)新 收獲功能不完善 5 1 機器與種植環(huán)境融合不夠 山藥生長在土壤以下 它的收獲方式受到其種植環(huán) 境的影響非常大 因此機械化收獲也會受到種植環(huán)境的 影響 我國幅員遼闊 但是山區(qū)占總面積的三分之二 地理環(huán)境 土壤特征尤為復(fù)雜 機器不能在部分地區(qū)靈 活的行走 國內(nèi)一些平原大面積種植的山藥收獲機基本 不能用于丘陵 山地等復(fù)雜地形的收獲 同樣的機器在 9 8 中國農(nóng)機化學(xué)報2 0 2 3年 不同的土壤中收獲可能會出現(xiàn)不同的情況 因為我國 這些特殊的種植環(huán)境 在山藥收獲裝備研發(fā)過程中 收 獲機具能否適應(yīng)多種地形的問題顯得尤為重要 5 2 種植模式不統(tǒng)一 我國的山藥種植分散 種植規(guī)模也沒有糧食作物 種植規(guī)模大 山藥品種多 再加上我國的農(nóng)戶種植習(xí)慣 不一 所以現(xiàn)在我國山藥的種植模式存在多樣性 比 如種植山藥的時候 不同山藥品種的株距 行距 密度 不同 沒有全國統(tǒng)一的種植體系 況且生長深度也存在 差異 在收獲山藥的時候 同種機器收獲不同品種的 山藥 會存在損傷率 漏收率高等諸多問題 對收獲的 山藥質(zhì)量造成很大影響 最后降低農(nóng)戶的收入 5 3 收獲機具質(zhì)量差 山藥生長的深度差異很大 最多能達到1 5 m以 上 機器的挖掘阻力較大 另外泥土里的雜物會對機具 造成很大的沖擊 嚴重降低機具壽命 然而我國工藝 制造水平相對于歐美等發(fā)達國家來說 存在著起步晚 基礎(chǔ)差 工藝制造水平較低等情況 因此我國的根莖 類作物收獲機在復(fù)雜的土壤中工作會存在著質(zhì)量差 可靠性低 能耗高等問題 5 4 缺乏核心技術(shù)創(chuàng)新 我國在2 0世紀6 0年代開始引進根莖類作物收獲 機械 對于山藥收獲機一直以來都是借鑒國內(nèi)外其他 根莖類作物等機具進行研發(fā)制造 國外的山藥收獲機 一般都不能在我國得到廣泛的推廣應(yīng)用 我國的山藥 收獲機目前大部分還處于樣機試制階段 并不能真正 大規(guī)模投入市場 現(xiàn)有山藥收獲設(shè)備存在機械化水平 低 自主創(chuàng)新能力不夠等問題 5 5 收獲功能不完善 就目前來說 我國現(xiàn)有的根莖類作物收獲機正處 于發(fā)展時期 聯(lián)合收獲技術(shù)不夠成熟 我國山藥種植 分散 小規(guī)模種植為主 研制的山藥收獲機一般都是中 小型機器 國產(chǎn)的中小型機器結(jié)構(gòu)簡單 不能完成所 有收獲作業(yè)要求 山藥的收集存在一定的難度 6 發(fā)展趨勢 6 1 因地制宜研制山藥機械化收獲設(shè)備 我國復(fù)雜的地理環(huán)境導(dǎo)致了山藥收獲的多樣化 這是未來發(fā)展山藥收獲機特點之一 在現(xiàn)有機型的基 礎(chǔ)上 根據(jù)不同的地理環(huán)境 不斷完善改進 農(nóng)機與地 理環(huán)境能融合 做出真正讓農(nóng)戶好用的收獲機 另外 不同地理環(huán)境一般需要不同的收獲機具 機具之間原 理 結(jié)構(gòu)也有可能存在差異性 要做到因地制宜研制各 種機型的收獲機械 還需要適當增加此行業(yè)的農(nóng)機專 家 為山藥機械化收獲設(shè)備的多樣性提供技術(shù)支撐 6 2 推進種植規(guī)程建設(shè) 根據(jù)不同品種山藥的種植要求 通過相關(guān)專家協(xié) 同合作 優(yōu)化作物品種 研究制定規(guī)范化 標準化的山 藥種植模式 加大資金投入提高所研發(fā)的收獲機具與 農(nóng)藝的適配性 與此同時積極引導(dǎo)農(nóng)戶學(xué)習(xí)科學(xué)的種 植模式 收獲技術(shù) 使用利于機械化收獲的種植模式 6 3 學(xué)習(xí)借鑒發(fā)達國家的發(fā)展經(jīng)驗 發(fā)達國家制造業(yè)起步早 基礎(chǔ)好 水平高 需要結(jié) 合我國實際情況來提高機具質(zhì)量 結(jié)合我國農(nóng)業(yè)機械 產(chǎn)業(yè)集群布局實際 將我國的高校 研究所和企業(yè)聯(lián)合 起來 優(yōu)化資源配置 逐步建設(shè)成區(qū)域性研究中心 提 高工藝制造水平 提升收獲機械的零部件 元器件和整 機制造的能力 增加產(chǎn)品的可靠性 安全性 讓山藥機 械化收獲相關(guān)產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)質(zhì)量水平共同提高 6 4 提高核心部件的創(chuàng)新能力 我國農(nóng)機多借鑒國外技術(shù) 缺乏核心部件的自主 創(chuàng)新能力 山藥機械化收獲核心部件主要在于開溝 土 壤翻振 傳動等裝置 山藥收獲機功率消耗主要在于 開溝 土壤翻振裝置 進一步對山藥收獲機開溝 土壤 翻振裝置的工作機理進行分析研究 對于影響工作性 能的運動和機構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化 有利于減少功率的消 耗 對于傳動裝置的傳動軸 箱體 齒輪 鏈條等關(guān)鍵部 件進一步研發(fā) 采用新的工藝 技術(shù) 不斷提高機器的 可靠性 穩(wěn)定性 深入加強產(chǎn) 學(xué) 研的結(jié)合 根據(jù)各方 的優(yōu)勢 將機械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng) 電氣系統(tǒng)充分結(jié)合起 來 使山藥收獲機更加智能化 輕便化 提高我國山藥 收獲機械化程度 增加裝備制造的創(chuàng)新能力 6 5 研制聯(lián)合收獲機 我國的山藥機械化收獲還是存在一些薄弱環(huán)節(jié) 現(xiàn)有的機器不能滿足實際生產(chǎn)需求 需要不少的人工 輔助收獲 勞動強度依然很大 所以 研制一種集挖 掘 莖土分離 分類 收集等功能的山藥聯(lián)合收獲機是 非常有必要的 能大幅度降低勞動強度 解放我國勞動 力 我國勞動力資源較為豐富 部分農(nóng)戶對于山藥機 械化收獲存在顧慮 研制可靠的聯(lián)合收獲技術(shù)增加農(nóng) 戶山藥機械化收獲的信心 讓我國真正成為農(nóng)業(yè)強國 參 考 文 獻 1 李鑫 淺析山藥的食用價值和藥用功能 J 食品安全導(dǎo) 刊 2 0 2 1 6 4 1 4 2 2 許念芳 岳林旭 劉少軍 等 不同山藥品種特性研究 J 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報 2 0 1 7 2 9 7 5 3 5 5 6 1 X u N i a n f a n g Y u e L i n x u L i u S h a o j u n e t a l S t u d y o n