張亞萍，胡志超，游兆延，喬白羽，周德歡，吳 騰

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014)

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農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機研究現(xiàn)狀及展望

張亞萍，胡志超，游兆延，喬白羽，周德歡，吳 騰

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014)

農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機是農(nóng)業(yè)機械的重要組成部分，被廣泛應用于各類農(nóng)業(yè)物料的收獲作業(yè)中。為此，在大量查閱相關文獻的基礎上，綜述了國內外農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機的研究現(xiàn)狀，主要介紹了鏟柵一體式、鏟鏈組合式、鏟篩組合式3種常見挖掘收獲機的結構與工作原理，分析了存在的問題并給出了建議，旨在為農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機的優(yōu)化與改進提供參考

農(nóng)業(yè)物料；挖掘收獲機；研究現(xiàn)狀；展望

0 引言

農(nóng)業(yè)物料種類豐富，土下作物就有20種多[1-2]，較為典型的花生、甜菜、薯類等土下作物是世界范圍內廣泛種植的經(jīng)濟作物，也是主要的出口創(chuàng)匯農(nóng)產(chǎn)品。國家統(tǒng)計局相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國花生、甜菜及薯類的播種面積和產(chǎn)量多年來高居不下，2010-2014年，我國薯類年播種面積在870～900萬hm2之間波動，花生年播種面積大概穩(wěn)定在460萬 hm2，甜菜年播種面積為20萬hm2左右，三者總播種面積在1 300萬～1 400萬hm2之間波動，表明我國土下作物年種植面積相當大，其挖掘收獲任務較為艱巨。另一方面，從2010-2014年，我國農(nóng)用塑料薄膜的使用量凈增加了約41萬t，殘留在田間地頭的塑料薄膜成為主要的農(nóng)業(yè)污染源之一，殘膜的高效回收與再利用是許多科研人員面臨的新挑戰(zhàn)[3-5]。這些典型農(nóng)業(yè)物料的收獲，傳統(tǒng)的作業(yè)方式為人工和畜力相結合，存在勞動強度大及效率低等缺點。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結構的調整，收獲要求越來越高，作業(yè)量也越來越大，傳統(tǒng)的人工收獲和畜力收獲已經(jīng)無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，因而收獲過程全面機械化是未來農(nóng)業(yè)物料收獲的必由之路。

目前，國內對于農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機的研究主要是針對某種收獲對象的專用收獲作業(yè)，現(xiàn)有的收獲機普遍存在功能單一、利用率低的特點，這也是阻礙我國農(nóng)業(yè)機械化進程的絆腳石之一[6-7]。分析農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機的研發(fā)近況，及時把握其發(fā)展動態(tài)，可以促進我國農(nóng)機事業(yè)的發(fā)展，有利于我國全面農(nóng)業(yè)機械化目標的實現(xiàn)。

1 農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機研究現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)物料的挖掘收獲從開始的人工鍬掘，經(jīng)過畜力犁耕，一直發(fā)展到了今天的機械化收獲[8-9]。目前，大多數(shù)發(fā)達國家已經(jīng)基本實現(xiàn)機械化收獲，部分經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)由于生產(chǎn)條件的限制，其收獲作業(yè)方式仍然以人工收獲為主。挖掘收獲作業(yè)一般包括挖掘、分離、撿拾(或收集)等工序[8]，而挖掘和分離部件是決定收獲效果的關鍵部分，也是國內外科研人員研究的熱門方向。國內外針對農(nóng)業(yè)物料所研制的挖掘收獲機多為專用收獲機，一般只用來收獲某一種物料，功能較為單一。常見的農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機有馬鈴薯挖掘收獲機、甜菜挖掘收獲機及殘膜回收機等。農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機以中小型機器居多，其結構簡單、操作方便、穩(wěn)定性好，因此深受農(nóng)民的喜愛。

1.1 國外農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機研究現(xiàn)狀

國外對農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機的研究時間長，發(fā)展速度快，技術手段先進，目前正在朝著大型化、智能化、人性化、光機電液一體化方向發(fā)展[9-10]。19世紀初，美國就開始了花生收獲機械的研制，目前美國掌握著該領域最先進的技術。AMADAS和KMC公司是美國最著名的農(nóng)機企業(yè)，他們對花生收獲機械的研究與生產(chǎn)均長達40年左右，有著豐富的經(jīng)驗和成熟的技術，典型的產(chǎn)品有ADI系列花生挖掘機及2100型花生聯(lián)合收獲機[11-13]。20世紀初至中后期，西方國家已經(jīng)基本實現(xiàn)了馬鈴薯的機械化收獲,以聯(lián)合收獲、挖掘-撿拾分段收獲為主，典型的機型有波蘭Akpil公司生產(chǎn)的BULWA2系列挖掘收獲機及德國GRIMME公司生產(chǎn)的聯(lián)合收獲機等[14-16]。20世紀末，隨著覆膜技術的推廣與使用，國外開始了殘膜回收機的研制，以解決殘膜污染的問題[17-18]。

1.2 內農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機研究現(xiàn)狀

與發(fā)達國家相比，我國農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機發(fā)展緩慢，技術手段較為落后。20世紀中期，我國關于農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機的研究基本空白，相關收獲作業(yè)基本靠人力和畜力完成。20世紀后期，部分地區(qū)開始使用中小型收獲機，以小型居多。20世紀末至21世紀初，國內開始引進國外大型聯(lián)合收獲機。目前，國內農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機大多數(shù)是在對國外機器消化吸收的基礎上研制的，一些研究是借鑒國外的先進經(jīng)驗、結合我國基本國情所展開的[10]。

中機美諾生產(chǎn)的1710B型挖掘收獲機，適用于沙性或中性土壤中馬鈴薯和甜菜的收獲作業(yè)，通用性強，單次作業(yè)可完成收獲過程中的全部工序，作業(yè)效率高[19]。青島萬農(nóng)達生產(chǎn)的4H-2型花生收獲機，采用鏟柵一體式設計，結構簡單，性能可靠，主要用于覆膜種植花生的收獲[20-21]。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的1MWL-165型和1MCDS-100A型殘膜回收機，通過挖掘鏟與升運機構相結合的方式進行地膜回收，殘膜回收率較高，很好地解決了殘膜回收難的問題。

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結構不斷調整及農(nóng)村勞動力減少，逐步實現(xiàn)農(nóng)業(yè)全面機械化成為解決“三農(nóng)”問題的必由之路。近年來，隨著科研實力的增強以及政府扶持力度的加大，我國農(nóng)業(yè)機械行業(yè)發(fā)展勢頭良好，對于農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機的研究也越來越成熟，許多高校、科研院所和企業(yè)相互協(xié)作，共同研發(fā)符合我國基本國情及解決我國切實困難的農(nóng)業(yè)設備，研究方向也從原來對國外農(nóng)用機具的盲目模仿轉向消化吸收與自主創(chuàng)新并舉。

2 農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機的主要類型與特點

農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機具有結構簡單、操作方便、可靠性高、易實現(xiàn)一機多用等優(yōu)點，被廣泛應用于各種土下作業(yè)對象的挖掘收獲，如花生、甜菜、馬鈴薯的收獲及農(nóng)用塑料薄膜的回收等。國內挖掘收獲機以中小型為主，一般自身不帶動力，主要靠拖拉機的動力輸出軸提供工作動力，并通過拖拉機后懸掛(一般采用三點懸掛)進行牽引作業(yè)。挖掘裝置和分離裝置是農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機的主要組成部分，與整機作業(yè)效果息息相關。目前，市場上的農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機種類繁多，形式多種多樣，按照分離輸送裝置結構的不同，一般分為鏟柵一體式挖掘收獲機、鏟鏈組合挖掘收獲機及鏟篩組合挖掘收獲機，3種收獲機各有其優(yōu)缺點[22]。

2.1 鏟柵一體式挖掘收獲機

鏟柵一體式挖掘收獲機是結構最簡單的挖掘收獲機之一，通常不自帶動力。這種機器的主要結構特點是挖掘部件與分離部件設計成一個整體式收獲部件，工作時可由一個部件依次完成農(nóng)業(yè)物料土下的挖掘、土雜的輸送分離及物料的鋪放等工序。青島萬農(nóng)達研制的4H-2型花生收獲機(見圖1)，就是鏟柵一體式挖掘收獲機的典型代表。該收獲機主要針對覆膜花生的收獲，與花生覆膜種植農(nóng)藝相結合，工作幅寬為750mm，一次可收獲兩行花生，生產(chǎn)效率高、損失率、破碎率小，各項指標均高于國家標準。該機采用擺動式挖掘原理，增強了機具的碎土能力，減小了挖掘阻力，避免壅土現(xiàn)象的產(chǎn)生。其兩側配置兩個挖掘鏟，工作時反向抖動，起到了振動平衡的作用，保證了機器工作的平穩(wěn)性[20-25]。

1.擋板 2.限深輪 3.收獲部件 4.傳動裝置 5.機架

2.2 鏟鏈組合挖掘收獲機

鏟鏈組合挖掘收獲機主要通過挖掘鏟和升運鏈的組合完成收獲作業(yè)。作業(yè)過程中，收獲機在拖拉機的牽引下前行，挖掘鏟將土下收獲對象連同部分土雜掘起后一同往后方升運鏈上輸送，利用升運鏈的摩擦力繼續(xù)向后輸送掘起物。輸送過程中，由于擊振裝置的作用，升運鏈按照設定的頻率和振幅抖動，對土壤進行一定程度的破碎和分離，最后將收獲對象鋪放到田間由人工撿拾，或者在后方配置集料箱直接進行收集。由于鏈輪帶動升運鏈做回轉運動，因此分離輸送部分可通過自身的運動達到振動平衡，工作平穩(wěn)可靠。通過調整升運鏈的振幅、抖動頻率和升運角，可以使收獲機獲得較好的作業(yè)效果[26-27]。

按照分離輸送升運鏈的結構形式，可將鏟鏈組合挖掘收獲機分為網(wǎng)鏈式(見圖2)及桿鏈式(見圖3)兩種主要類型。網(wǎng)鏈式收獲機的升運鏈由鏈條和篩網(wǎng)組成，其質量較輕，整體結構類似于柔性體，可以在一定范圍內浮動，對收獲對象造成的損傷較小，作業(yè)性能穩(wěn)定、故障率低。篩網(wǎng)上網(wǎng)孔的存在減少了土壤與網(wǎng)鏈的接觸面積，分離效果好。網(wǎng)鏈式挖掘收獲機的主要缺點是網(wǎng)面易纏草，容易導致網(wǎng)孔的壅堵，影響作業(yè)效果。桿鏈式挖掘收獲機的升運鏈由鏈條和桿條組成，其質量較網(wǎng)鏈式大，但強度較高，可以用來收獲質量較大的作物，如紅薯及馬鈴薯等。桿鏈式與輸送對象的接觸面積較網(wǎng)鏈式大，因此分離能力較后者弱，對收獲對象的損傷較后者小[28-29]。

1.懸掛裝置 2.傳動裝置 3.挖掘裝置 4.分離輸送裝置

1.懸掛裝置 2.傳動裝置 3.挖掘裝置 4.分離輸送裝置

鏟鏈組合挖掘收獲機中較典型的有Akpil公司生產(chǎn)的BULWA2-2小型馬鈴薯收獲機(見圖4)，需配套25kW動力，收獲后將馬鈴薯條鋪于地表。該機總長2m，機身寬1.66m，高度約1.2m，分離裝置采用桿鏈式升運鏈。其與BULWA2-1相比，由原來的一級升運增加到了二級升運，且一級升運鏈振幅可調。薯土分離裝置采用兩級升運鏈，增大了篩選行程，可使薯土分離更加充分。針對不同的土壤條件，可以調節(jié)振幅，以獲得最好的分離效果。該機適用于行距6.25～7.5m馬鈴薯的收獲作業(yè)，作業(yè)效果良好[14-16]。

圖4 BULWA2-2馬鈴薯收獲機

2.3 鏟篩組合挖掘收獲機

鏟篩組合挖掘收獲機主要通過挖掘鏟和振動分離篩的組合完成收獲作業(yè)，工作過程與鏟鏈組合挖掘收獲機類似，均是以拖拉機為動力源，通過挖掘鏟將收獲對象掘起，然后由分離輸送裝置進行篩分并輸送到后方。兩種收獲機的不同之處在于分離輸送動作的完成有所差異，前者由升運鏈完成收獲物的分離輸送，后者則由振動分離篩完成。鏟篩組合挖掘收獲機最大的優(yōu)點是可以將振動分離篩做成可更換的形式，因此容易實現(xiàn)一機多用，從而延長機具的工作時間,提高機器的利用率,有利于改善機具短時工作、長時閑置的現(xiàn)狀，適應了目前我國農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品向多用途多功能方向發(fā)展的趨勢[30-32]。該類機具的缺點是由于振動分離篩的周期性抖動，產(chǎn)生的慣性力難以抵消，從而引起整機的劇烈振動，產(chǎn)生噪聲，加速了零部件的疲勞磨損和老化，縮短了機具的使用壽命，降低了駕駛的舒適性和工作性能的穩(wěn)定性。因此，對于鏟篩組合挖掘收獲機，在保證生產(chǎn)效率的同時，還要減小機具的振動，提高機器的舒適性和穩(wěn)定性[33-34]。

為了實現(xiàn)鏟篩組合挖掘收獲機的多功能化，振動分離篩常做成可更換的形式，可以根據(jù)工作環(huán)境和作業(yè)對象的實際需要更換不同結構形式的振動篩。振動分離篩的種類較多，常見的有桿條篩、鋸齒篩、編織篩3種篩型，以及由這3種篩所構成的組合式振動分離篩，如圖5所示。桿條篩由若干圓鋼組成，是最為常見的篩型之一，輸送性能較好，對作物損傷小，一般用來收獲馬鈴薯、花生等需要考慮機械損傷的作業(yè)對象。鋸齒篩由鋸齒條均勻排組成，齒條之間留有一定間隙用于分離土壤，鋸齒對收獲對象有向后的作用力，同時對土壤有破碎的效果，因此輸送性能好，碎土效果佳，但鋸齒也會造成收獲對象表面的損傷，因此一般不用來收獲馬鈴薯等表皮易損傷的作物，常用來收獲農(nóng)用塑料薄膜。配置鋸齒篩的殘膜回收機殘膜回收率達90%以上，但容易纏膜，需要通過控制工作參數(shù)(前進速度、振動頻率等)來獲得較好的收膜效果。編織篩是用鋼絲編織而成的方孔篩，結構簡單，質量較小，輸送性能一般，易纏膜、纏草。因此，可以將不同篩型組合制作成組合式振動分離篩，如桿條-鋸齒組合篩、編織-鋸齒組合篩等，組合篩結合了不同篩型的特點，可以獲得不同的分離輸送效果。在實際的收獲作業(yè)中，可以根據(jù)具體的作業(yè)對象和工作環(huán)境選擇更換合適篩型，以獲得最佳作業(yè)效果。

圖5 振動分離篩

農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的1MCDS-100A型鏟篩式殘膜回收機(見圖6)是典型的鏟篩組合挖掘收獲機，主要用來回收農(nóng)業(yè)塑料薄膜，作業(yè)幅寬為1m，機身全長約2.43m，高約1m。該機在傳統(tǒng)鏟篩式挖掘收獲機的基礎上有所創(chuàng)新，解決了機具振動大的問題。驅振軸左右兩側各配置了一個平衡塊，用來平衡回轉部件產(chǎn)生的離心力與力矩。振動分離篩采用了雙篩結構，兩個篩子質量相近，運動方向相反，用來平衡篩子抖動時產(chǎn)生的慣性力。兩個方面的改進均有效降低了整機的振動，提高了機具作業(yè)的穩(wěn)定性[35]。另一方面，雙篩的使用相當于延長了篩面長度，增大了篩分行程，使土壤分離更加充分。振動分離篩使用的是鋸齒篩，能夠有效碎土，輸膜性能較好。篩床與機架固定，篩面可更換，換成桿條篩后可用來收獲馬鈴薯、花生及山藥等，實現(xiàn)了一機多用。此外，該機通過安裝電動推桿實現(xiàn)了自動卸膜，降低了勞動強度，提高了作業(yè)效率。

1.懸掛裝置 2.擊振機構 3.驅振軸 4.平衡塊 5.機架 6.集膜框

3 我國農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機發(fā)展展望

近年來，我國農(nóng)業(yè)機械化程度直線攀升，2014年農(nóng)機化水平已經(jīng)突破60%，標志著我國全面實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化的目標已經(jīng)完成了一大半。但是，同發(fā)達國家相比，我國農(nóng)用挖掘收獲機的整體水平還有較大的提升空間[36]。挖掘收獲機作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的一部分，具有良好的發(fā)展前景。要實現(xiàn)我國挖掘收獲機健康、穩(wěn)定發(fā)展，未來需要從以下幾個方面努力。

3.1 促進農(nóng)機與農(nóng)藝的相互融合

農(nóng)機與農(nóng)藝息息相關，均是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，它們之間健康的關系應該是相輔相成、相互促進;然而,現(xiàn)實中我國農(nóng)機與農(nóng)藝在許多方面是相互割裂的，未能有效地融合，阻礙了我國農(nóng)業(yè)機械化進程的推進，限制了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提高。因此，促進兩者的有效融合是解決我國農(nóng)機發(fā)展遲滯不前的當務之急[10,37]。要解決農(nóng)機與農(nóng)藝的相互割裂的矛盾，需要從科研人員入手，從事農(nóng)機與農(nóng)藝相關研究的人員需要熟悉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中每一個重要環(huán)節(jié)，掌握相關的專業(yè)知識，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整個過程有全面的認識，并把這種宏觀的認識應用到相關的研究工作中去。同時，需要加強相關領域研究人員之間的交流和溝通，及時了解對方行業(yè)的最新動態(tài)。在此基礎上，相關部門共同制定合適的技術方案，實現(xiàn)農(nóng)作物規(guī)范化種植和農(nóng)機的標準化生產(chǎn)。此外，相關部門與機構需要加大宣傳力度，加強對農(nóng)戶的培訓。需要注意的是，農(nóng)機與農(nóng)藝的融合過程中需要因地制宜，兩個方面需要互相協(xié)調。

3.2 提高設計制造水平

設計制造水平是制約我國農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的關鍵因素，三次工業(yè)革命奠定了發(fā)達國家現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基礎。我國工業(yè)水平在改革開放后才逐漸開始提高，目前我國整體的工業(yè)水平已經(jīng)有了質的飛躍，但仍落后于發(fā)達國家。因此，我國挖掘收獲機的發(fā)展與發(fā)達國家相比也相對滯后，大型聯(lián)合收獲機基本靠國外引進，部分農(nóng)機具是在引進國外產(chǎn)品的基礎上仿制的，由于國內外作業(yè)環(huán)境不同，機具不能很好地適應國內的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。相關科研單位應該在對國外先進機具消化吸收的基礎上積極進行自主創(chuàng)新，努力提高自身設計能力，研制出符合我國基本國情的高水平挖掘收獲機。各大企業(yè)、高校、科研院所應當相互協(xié)作，實現(xiàn)產(chǎn)學研一體化，提高我國農(nóng)機行業(yè)的整體科研實力。在挖掘收獲機的生產(chǎn)制造方面，應該引進高新技術，使用新材料，提高加工工藝水平，達到質量與產(chǎn)量并舉[10,38-39]。

3.3 加大市場管理力度

目前，國內農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)較多，由于監(jiān)管機制的不完善，市場上挖掘收獲機粗制濫造的現(xiàn)象較為嚴重，一些廠家只是進行簡單的復制和模仿，打擊了正規(guī)企業(yè)自主創(chuàng)新的積極性。相關監(jiān)管機構應該提高企業(yè)的準入條件，加大農(nóng)機產(chǎn)品質量的抽查力度，加強對農(nóng)機企業(yè)自主知識產(chǎn)權的保護。此外，為了提高挖掘收獲機的質量，維護農(nóng)民的切實利益，農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)應該建立有效的反饋機制和完善的售后服務體系，及時解決用戶在機具使用中遇到的問題[10,40-41]。

3.4 把握國內外發(fā)展動態(tài)

在全球一體化的今天，我國農(nóng)機行業(yè)面臨挑戰(zhàn)與機遇并存的局面，只有及時把握農(nóng)業(yè)機械的全球發(fā)展動態(tài)，才能夠抓住機遇大力發(fā)展我國的挖掘收獲機。目前，國內外農(nóng)業(yè)物料挖掘收獲機的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾點：①廣泛應用高新技術，大型化、智能化、光機電液一體化趨勢明顯；②高度重視農(nóng)機具的產(chǎn)品質量與通用化、系列化、標準化；③向安全、舒適、易操作方向發(fā)展，更加人性化；④向多功能化方向發(fā)展，實現(xiàn)一機多用[42-45]。

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Research Status and Prospect of Digging Harvester for Agricultural Materials

Zhang Yaping， Hu Zhichao， You Zhaoyan， Qiao Baiyu， Zhou Dehuan，Wu Teng

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

The digging harvester of agricultural materials is an important part of agricultural machinery, which is widely used in the harvest of various types of agricultural materials. Based on much relevant literature review, this paper summarized the research status of domestic and foreign digging harvester, mainly introduced the structure and working principle of shovel-grid type, shovel-chain type，and shovel-screen type digging harvester ，analyzed the existing problems and put forward suggestions, which can provide reference for the optimization and improvement of the digging harvester for agricultural materials.

agricultural materials ；digging harvester； research status；prospects

2016-08-25

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科技專項(201503105_08)；中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程項目(2016)；國家花生產(chǎn)業(yè)技術體系項目(CARS-16-機械化裝備)

張亞萍(1991-),男，安徽安慶人，碩士研究生，(E-mail)1194599380@qq.com。

胡志超(1963-)，男，陜西藍田人，研究員，博士生導師，(E-mail)zchu369@163.com。

S233.4

A

1003-188X(2017)10-0263-06