繆磊 王建軍

0 引言

收獲是葉類蔬菜生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)蔬菜收獲方式主要依賴人工作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，收獲質(zhì)量不穩(wěn)定，已不適應(yīng)葉菜生產(chǎn)規(guī)?；l(fā)展的需求。江蘇省蔬菜種植面積和消費(fèi)量位居全國(guó)前列。2018年全省蔬菜種植總面積達(dá)1 407.63 khm2，其中葉菜種植面積350 khm2[1]，約占25%。但從生產(chǎn)現(xiàn)狀看，蔬菜生產(chǎn)仍屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，蔬菜收獲機(jī)械化水平遠(yuǎn)低于耕整地、播種、移栽等環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平。為此，2017 年起江蘇省啟動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)“機(jī)器換人”工程建設(shè)；2019 年出臺(tái)了《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的實(shí)施意見(jiàn)》，將“特色農(nóng)業(yè)機(jī)械化率”列入2020 年省委鄉(xiāng)村振興實(shí)績(jī)考核指標(biāo)。提升葉類蔬菜收獲機(jī)械化水平已成為推進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措和緊迫任務(wù)。

1 葉菜收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉類蔬菜機(jī)械化收獲包括分禾、扶禾、切割、輸送、收集等環(huán)節(jié)，收獲裝備主要有切割裝置、傳送裝置、收集裝置、行走裝置、動(dòng)力部件及輔助裝置等。

1.1 切割裝置

切割作業(yè)通常指將田間非對(duì)行葉菜扶正，用刀具對(duì)葉菜固定位置進(jìn)行切割的過(guò)程，主要包括分禾、扶禾及切割三個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)形式不同，切割裝置可分為往復(fù)直線切割、圓盤旋轉(zhuǎn)切割、齒形鏈?zhǔn)角懈罴皫交剞D(zhuǎn)切割等類型。直線切割包括單刀往復(fù)切割和雙刀往復(fù)切割兩種方式[2]，在谷物聯(lián)合收割機(jī)上廣泛使用，技術(shù)成熟。帶式回轉(zhuǎn)切割、齒形鏈?zhǔn)角懈钇鹘Y(jié)構(gòu)基本相同，是將動(dòng)刀固定在鋼帶（鏈條）上，繞兩個(gè)帶（鏈）輪運(yùn)動(dòng)[3]。圓盤旋轉(zhuǎn)切割裝置的切割部件就是圓盤上的突出齒。各類切割器的特點(diǎn)及適用條件見(jiàn)表1。

1.2 傳送、收集裝置

傳動(dòng)收集是指將切割下來(lái)的葉菜輸送到收集裝置的過(guò)程。傳送裝置以帶傳動(dòng)應(yīng)用最為廣泛（如圖1 所示）。為避免葉菜品相受損、提高作業(yè)效率，不同類型的葉菜需選用不同的傳送收集裝置，比如：韭菜、芹菜等莖稈高、外形規(guī)律的葉菜需要有序收集，宜采用夾持型傳送裝置；金花菜等單體小、質(zhì)量輕的葉菜，需選用風(fēng)送型傳送裝置，將蔬菜吹送到收集袋中；雞毛菜、莧菜等葉菜多采用無(wú)序收集方式，需選用推送式或推送振動(dòng)復(fù)合型傳送裝置，將菜裝入收集箱[4]。

1.3 行走裝置

行走裝置能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器在田間行走、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)，一般由行走輪、仿形輪、機(jī)架及變速箱等部件組成。行走裝置主要有履帶式和車輪式兩種：履帶式行走裝置具有行走平穩(wěn)、打滑率低、田面碾壓輕等特點(diǎn)；車輪式行走裝置具有地形適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高、操作靈活等特點(diǎn)。收獲機(jī)既有手扶式也有乘坐式，可根據(jù)動(dòng)力配置狀況、作業(yè)環(huán)境等，選擇合理的機(jī)具配置。

1.4 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力源通常有電動(dòng)機(jī)、汽油機(jī)、柴油機(jī)等。對(duì)于露天田塊的作業(yè)機(jī)械，動(dòng)力源的選擇性較廣，但要充分考慮作物的生長(zhǎng)特性、品質(zhì)要求；對(duì)于單季多茬收割的蔬菜，為避免根系受碾壓，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化裝備，減輕自重；對(duì)于溫室大棚作業(yè)機(jī)械，選配鋰電池為動(dòng)力，既能簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，又能減少尾氣排放對(duì)蔬菜品質(zhì)的影響。為提升機(jī)具的操控靈活性及精確度，各工作部件可分別安裝電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。

表1 各類切割器的特點(diǎn)及適用條件

圖1 電動(dòng)手扶式葉菜收獲機(jī)

2 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.1 葉菜自身特性

機(jī)具設(shè)計(jì)需考慮葉類蔬菜的生長(zhǎng)環(huán)境、生長(zhǎng)特性及品質(zhì)要求。一要考慮溫室大棚狹小的空間和丘陵、山地等特殊的作業(yè)環(huán)境；二要考慮蔬菜種植農(nóng)藝；三要考慮不同種類的葉菜生長(zhǎng)的幾何形態(tài)和物理特性的差異。

2.2 機(jī)械的通用性

不同品種的葉類蔬菜切割位置、莖稈粗細(xì)、植株高度都不同，這就對(duì)收獲機(jī)械的適用性提出較高的要求?，F(xiàn)有蔬菜收獲機(jī)械普遍存在專用性強(qiáng)、通用性差的問(wèn)題，推廣應(yīng)用難度較大。因此，通用性也是機(jī)具設(shè)計(jì)的重要考量因素。

2.3 葉菜品質(zhì)要求

葉菜收獲包括土上貼地切割、土下切割，作業(yè)過(guò)程難免會(huì)有泥土、殘菜等雜物堵塞割臺(tái)或傳送入收集箱，而作為主要食用部位的蔬菜葉片極易受損，現(xiàn)有蔬菜收獲機(jī)械的收獲效率和作業(yè)質(zhì)量達(dá)不到用戶要求，從而影響了用戶購(gòu)機(jī)積極性。

3 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展較快，但要提高裝備的實(shí)用性，還需從自動(dòng)化、通用性、適應(yīng)性等方面開(kāi)展更深層次的研究。

3.1 開(kāi)展裝備模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)即采用先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，按照葉菜收獲作業(yè)要求研發(fā)通用動(dòng)力底盤、切割部件、傳送部件、無(wú)序輸送和有序輸送等模塊，通過(guò)各功能模塊之間自由組合，實(shí)現(xiàn)切割和輸送工作部件的快速掛接和有機(jī)互換，使收獲機(jī)能夠完成土下、貼土、土上切割和有序、無(wú)序輸送收集，實(shí)現(xiàn)多功能收獲作業(yè)，進(jìn)而提高產(chǎn)品的通用性。

3.2 促進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合

一方面，要讓農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)配套，選用適合機(jī)械化收獲的種植品種（幾何形態(tài)、物理特性）、種植規(guī)范（株距、行距、壟寬、播種深度等），保障收獲機(jī)械的工作效率、作業(yè)質(zhì)量；另一方面，要讓收獲機(jī)更好地適應(yīng)種植環(huán)境，通過(guò)集成應(yīng)用可變軌距、雙驅(qū)電機(jī)控制等技術(shù)，提高不同壟距田間作業(yè)的通用性；通過(guò)設(shè)計(jì)平行四邊型側(cè)向激振式通用仿形切割裝置，實(shí)現(xiàn)切割刀具高度和姿態(tài)的調(diào)節(jié)，提高機(jī)具切割作業(yè)性能。

3.3 加強(qiáng)蔬菜物理特性研究

研究蔬菜的物理特性對(duì)于控制葉菜損失率和損傷率意義重大。要重點(diǎn)研究不同種類葉菜的幾何形態(tài)( 株高、株徑、根長(zhǎng)、葉片開(kāi)合程度等) 和切割特性( 土壤環(huán)境、切入深度和角度、剪切力、抗拉強(qiáng)度、拔取力等)，建立專家數(shù)據(jù)庫(kù)，為收獲機(jī)械研發(fā)、作業(yè)中關(guān)鍵部件參數(shù)確定提供理論支撐。

3.4 提升作業(yè)自動(dòng)化程度

自動(dòng)化控制能夠大幅減少作業(yè)中人工干涉，提高機(jī)械化收獲效率和可靠性。一要開(kāi)發(fā)以PLC為核心的集中控制器，實(shí)時(shí)采集機(jī)具前進(jìn)速度、切割高度、姿態(tài)、輸送速度等作業(yè)參數(shù)；二要建立直線行走速度的控制與差速調(diào)控模型；三要根據(jù)收獲性能試驗(yàn)結(jié)果，建立不同葉菜收獲作業(yè)的優(yōu)化控制模型，確定葉菜收獲的機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范操作規(guī)程，減小漏割、重割面積。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)葉菜種植現(xiàn)狀，江蘇省葉菜收獲機(jī)的研發(fā)類型應(yīng)以中小型、多功能、輕量化機(jī)具為主，要注重模塊化設(shè)計(jì)，以提升產(chǎn)品的通用性、利用率。應(yīng)提升整機(jī)自動(dòng)化水平，優(yōu)化控制單元，提高機(jī)具作業(yè)可靠性和穩(wěn)定性，為葉菜種植規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。