任鑠奇，孫步功，孟養(yǎng)榮，鄭小寶

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

馬鈴薯作為外來引進產(chǎn)物，原產(chǎn)地為南美洲，后流傳至歐洲，在17世紀時荷蘭人把馬鈴薯引入中國。馬鈴薯既可以當(dāng)作主食，又可當(dāng)作菜品進行食用，同時也是重要的工業(yè)原料作物[1]。如今全球超過160個國家引入馬鈴薯進行種植，三分之二的人口將馬鈴薯作為主要糧食作物，因此馬鈴薯也成為了世界第四大食物之一，在實現(xiàn)全球無饑餓、可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用[2]。隨著機械化生產(chǎn)得到普及，原有生產(chǎn)方式的弊端得到解決，勞動強度水平降低，為其集約化發(fā)展提供了可能[3]。馬鈴薯機械化種植、收獲普及趨勢現(xiàn)已基本明朗，以其種植、生產(chǎn)技術(shù)為依據(jù)，馬鈴薯機械主要包括播種機械類型、收獲機械類型以及中耕機械類型[4]。而馬鈴薯生產(chǎn)的核心設(shè)備為收獲機械，在開展馬鈴薯機械化種植時發(fā)揮著最重要的作用[5]。

在馬鈴薯生產(chǎn)機械領(lǐng)域，我國一直高度重視對其進行研發(fā)研究。從整體來看，如今國內(nèi)馬鈴薯生產(chǎn)機械已經(jīng)從之前的低水平轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚健Ｔ凇笆濉币?guī)劃落實過程中，我國在馬鈴薯種植領(lǐng)域引入自動化技術(shù)與智能化技術(shù)，有效改善了播種能力，最大限度地減少植物損傷，同時在基礎(chǔ)理論領(lǐng)域與機械研發(fā)領(lǐng)域也做出了突破。2019年，我國對收獲機械進行改良，使得可以通過柔性輸送的形式對馬鈴薯進行分選，提升了馬鈴薯收獲效率[6]。本文把馬鈴薯收獲機作為主要研究對象，闡述國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的發(fā)展情況，并針對其中的主要部件挖掘鏟展開了深入研究，并針對現(xiàn)有問題對未來馬鈴薯收獲機的發(fā)展進行了展望。

1 馬鈴薯收獲機械發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外馬鈴薯收獲機發(fā)展現(xiàn)狀

國外對馬鈴薯收獲機開始進行研發(fā)的時間較早，如今已經(jīng)形成了成熟的研發(fā)體系。例如國外研發(fā)的聯(lián)合收獲機只需要一次作業(yè)便能夠完成所有環(huán)節(jié)。聯(lián)合收獲機有著高度智能化水平，依靠配套系統(tǒng)駕駛員能夠隨時掌握收獲情況，同時及時進行調(diào)整。下面將針對幾種國外馬鈴薯收獲機機型進行介紹。

由德國格立莫公司生產(chǎn)的VARITRON 270自走式馬鈴薯收獲機，配備了2行橡膠履帶行走裝置，具有7噸不間斷運行料斗，使用循環(huán)運轉(zhuǎn)的料斗輸送帶確保有效容積始終都能得到利用，并且有多種外掛單元可以使用。為保證行駛的安全性、穩(wěn)定性，該機器又在右后輪設(shè)置了可伸縮的后軸，該后軸的最大伸出長度達到550 mm。

另一種GRIMME(格立莫)VARITRON 470自走履帶式馬鈴薯收獲機，為保證可靠性和高效率，將機型與多種分離單元相結(jié)合，例如多功能分離機，輥式分離機，細秧提升機。采用了橡膠履帶，在保護土壤的同時也實現(xiàn)了可靠的動力傳輸。在后方的環(huán)形提升帶中加裝了可以用于輔助清潔的PU漏土網(wǎng)兜。

比利時AVR公司研發(fā)生產(chǎn)的AVR-PUMA3型自走式馬鈴薯四行收獲機，針對其機型結(jié)構(gòu)進行了最新的改進。在保證了機型較低維護度的同時保證了生產(chǎn)的高效、降低了收獲過程中馬鈴薯的破損率。[7]為簡化收獲過程，提高收獲效率，該機型在前端加裝了殺秧裝置，使得工作時殺秧收獲一體化。由細針帶和軸向滾輪組構(gòu)成的清洗模塊，可以在收獲過程中實現(xiàn)一定程度上的土薯分離，在結(jié)構(gòu)上也針對清洗設(shè)計了調(diào)節(jié)裝置，通過調(diào)節(jié)裝置，用戶可以根據(jù)收獲條件的不同進行清洗級別的調(diào)整。升運裝置采用了由桿式提升機和主動側(cè)指式提升機結(jié)合而成的環(huán)式提升機，大大減少了在升運過程中馬鈴薯的損傷[8]。

雖然國外馬鈴薯機型有著很多優(yōu)點，但是因為價格昂貴，運輸時間較長以及缺乏售后服務(wù)，導(dǎo)致國內(nèi)使用這些設(shè)備的情況很少，在國內(nèi)市場份額中占比不到10%。目前，我國在馬鈴薯收獲機械研發(fā)領(lǐng)域取得了較大的進展，同時國產(chǎn)品牌在性價比與售后服務(wù)方面占有優(yōu)勢，使得進口收獲機在市場中所占的比例持續(xù)下降[9]。

1.2 國內(nèi)馬鈴薯收獲機發(fā)展現(xiàn)狀

針對國內(nèi)馬鈴薯收獲機的使用情況和發(fā)展情況來看，雖已從最初的簡易挖掘機發(fā)展到具有挖掘、輸送等一系列功能的聯(lián)合收獲機。但是由于收獲作區(qū)的多變性，目前還是以中小型挖掘機為主，大型收獲機為輔的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。一些平原大規(guī)模種植的用戶及農(nóng)場，引進了一部分國外的大型聯(lián)合收獲使用，其意在于提高生產(chǎn)效率[10]。

作為我國自主研發(fā)設(shè)計的典型機型的代表，青島洪珠公司的4U-170B型馬鈴薯收獲機，動力消耗少，挖掘深度穩(wěn)定，可以將壟床土表的硬物壓碎。使用范圍因S型篩選設(shè)備而有明顯拓展，具有防傷皮功能，可以對沙性土層與黏性土層進行收獲，只有最高2%破皮率[11]。高硬度合金鏈條的設(shè)計使用，讓其具備了耐磨、強度高、韌性好等優(yōu)勢?；诘聡萍荚O(shè)計而成的被動輪，具有迷宮式3層夾板保護機制。全懸掛雙升運鏈式結(jié)構(gòu)讓這種馬鈴薯收獲機單次進地即能將放鋪集條、分離升運、切秧、挖掘、仿形限深作業(yè)全部完成，砂壤土、黑鈣土、粘重土壤等土壤最高含水量為25%的地區(qū)更適合選擇運用該機型[12-13]。

2 馬鈴薯收獲機挖掘零部件研究現(xiàn)狀

傷薯率、破皮率和明薯率是衡量馬鈴薯收獲機作業(yè)效果的關(guān)鍵指標。在馬鈴薯收獲機工作過程中，挖掘、輸送分離、卸料和收集等步驟會產(chǎn)生馬鈴薯碰撞、摩擦和擠壓而產(chǎn)生破皮和損傷，影響馬鈴薯收獲質(zhì)量[14]。高新技術(shù)的應(yīng)用提高了馬鈴薯收獲質(zhì)量，也更適合各種收獲作業(yè)環(huán)境。

2.1 馬鈴薯收獲機挖掘鏟的主要類型

挖掘機收獲效率與收獲質(zhì)量直接取決于挖掘鏟，因此其屬于挖掘機核心部件[15]，故分析馬鈴薯挖掘機的核心部位挖掘鏟，會實質(zhì)性地影響到挖掘機綜合性能分析，而對挖掘鏟的要求是，在盡可能少掘泥土的同時挖掘馬鈴薯塊。目前根據(jù)結(jié)構(gòu)特征可以把挖掘鏟分成：固定式挖掘鏟、驅(qū)動式挖掘鏟以及組合式挖掘鏟[16]。若按照挖掘鏟的鏟形進行分類，可分為傳統(tǒng)挖掘鏟和仿生挖掘鏟兩種。

2.1.1 固定式挖掘鏟

曲面鏟、平面鏟是應(yīng)用頻率相對較高的兩類固定式挖掘鏟，通過直接或者間接的方式與馬鈴薯挖掘機械的機架剛性連接起來[17]。其中平面鏟一般直接固定在挖掘機橫梁上，結(jié)構(gòu)簡約的平面鏟生產(chǎn)、制造簡單方便，因此被廣泛應(yīng)用。三角鏟的優(yōu)勢在于其鏟刃可以自動清潔和入土，現(xiàn)也在廣泛使用。

2.1.2 驅(qū)動式挖掘鏟

驅(qū)動式挖掘鏟與固定式挖掘鏟最大的區(qū)別是在作業(yè)環(huán)節(jié)，此類挖掘鏟既會伴隨機器同步移動，也會進行往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運動(受自由驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動)。主要的運動方式分為兩種，第一種是具有兩個相向運動的圓盤即轉(zhuǎn)盤式，其最大的優(yōu)點是在挖掘過程中碎土能力強，但同時也比較容易纏草。第二種是振動式挖掘鏟，此種挖掘鏟在轉(zhuǎn)盤式的基礎(chǔ)上降低了分離器的速度，延長了傳動鏈的壽命，不足之處是其總功率無法減少。

2.1.3 組合式挖掘鏟

組合式挖掘鏟從名字可以看出是將多種挖掘鏟根據(jù)實際要求進行組合配置。常見有固定式挖掘鏟和振動式挖掘鏟的組合，另一種就是球面圓盤和桿條回轉(zhuǎn)輪進行組合，這種組合在工作時能夠首先篩出一部分的土壤，同時莖葉等會被圓錐拖拽到輸送器上[18]。

2.2 國外挖掘鏟的創(chuàng)新發(fā)展研究現(xiàn)狀

2.2.1 國外挖掘鏟鏟形設(shè)計

為了改進馬鈴薯收獲機在工作中馬鈴薯塊莖的分離問題，烏克蘭文尼察國立農(nóng)業(yè)大學(xué)針對馬鈴薯收獲機的挖掘部件進行了改進。在這一改進設(shè)計中，其針對與挖掘鏟的鏟形進行了設(shè)計。所設(shè)計的新型挖掘部件如圖1所示。

挖掘過程的工藝方案包括馬鈴薯的土體1，其兩側(cè)有兩個垂直的齒形齒輪2，帶有土壤壓實機3，圓盤具有一系列開口4，其中心同心地位于齒盤的旋轉(zhuǎn)軸上[19]。

2.2.2 國外的自動控制限深技術(shù)

德國Grimme 公司生產(chǎn)的 GT170 型馬鈴薯聯(lián)合收獲機，裝備由仿形輪、位移傳感器、液壓系統(tǒng)和控制器等組成的自動控制系統(tǒng)，具有精準度和自動化程度高、穩(wěn)定性好等特點。[20-21]

2.3 國內(nèi)挖掘鏟的創(chuàng)新發(fā)展研究現(xiàn)狀

相對于傳統(tǒng)的馬鈴薯挖掘鏟，在后續(xù)的挖掘鏟設(shè)計研究中，出現(xiàn)了利用逆向工程技術(shù)獲取生物結(jié)構(gòu)三維模型進行構(gòu)形仿生，以此對挖掘鏟的類型進行創(chuàng)新設(shè)計，從而實現(xiàn)增強挖掘效果的目標[22]。

2.3.1 挖掘鏟仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計

挖掘鏟在結(jié)構(gòu)形式與運動模式方面的差異，直接影響了生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)質(zhì)量，故該結(jié)構(gòu)也一直被學(xué)者們作為重點研究對象，不過對其發(fā)展現(xiàn)狀進行分析發(fā)現(xiàn)，依然有著部分問題需要解決。從結(jié)構(gòu)上看現(xiàn)有的挖掘鏟鏟面以平面或下凹弧面為主，這種結(jié)構(gòu)雖可以保證挖掘起來的塊莖根系及土壤幾乎全部到達分離，但同樣也存在這無法盡早漏土，易造成壅土嚴重、能耗大等問題。

趙萍[23]等對野豬拱嘴及鼻梁部分的曲面形狀進行了研究，針對這一形態(tài)進行了仿生學(xué)設(shè)計，這種仿生挖掘鏟在挖掘塊莖的同時，也可以有效地向鏟片兩側(cè)分離土壤，最終實現(xiàn)減少阻力的目標；同時，因為仿生挖掘鏟的鏟面有曲率變化，使得其有更好的碎土和松土性能，降低牽引阻力。

河南科技大學(xué)的郭志軍等，對土壤耕作部件宏觀觸土曲面減阻性能進行了研究，改變土壤耕作部件宏觀觸土曲面形態(tài)能夠達到降低阻力的目標，同時按照田鼠爪趾的特點，對深松部件進行優(yōu)化，進一步提升了降阻效果[24]。

吉林大學(xué)包健倫[25]等對研究自然界中擁有自磨銳性質(zhì)的生物進行了研究，針對家兔門齒具有自磨銳的特性，將家兔作為仿生原型，合理利用其門齒的自磨銳性質(zhì)﹐研究出具有一定自磨銳效果的仿生馬鈴薯挖掘鏟。

2.3.2 自動控制限深技術(shù)

李濤[26-27]等針對國內(nèi)情況設(shè)計了可自動控制深度的挖掘技術(shù)，其包含前仿形機構(gòu)、挖掘機構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，運用挖掘深度實時調(diào)整算法，建立挖掘深度調(diào)節(jié)模型，可以對挖掘深度進行控制，減少人為失誤因素，在薯類作物收獲機械的自動化水平發(fā)展上做出了貢獻。

2.4 國內(nèi)外挖掘部件對比

在馬鈴薯收獲機的挖掘部件種類上，國內(nèi)設(shè)計多為犁鏟，但是在傳統(tǒng)的造型上進行了改進，繼承了傳統(tǒng)平直式犁鏟結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點的同時，也減少了纏草堵塞的情況。相對于國內(nèi)，國外更多地開始研究圓盤挖掘鏟，這種類型的挖掘鏟在節(jié)省牽引力的同時還可以減少馬鈴薯塊莖的損傷。在保證馬鈴薯挖掘效率的前提下，國內(nèi)外都開始了對挖掘深度控制的研究，使馬鈴薯收獲機的收獲作業(yè)效率得到了保障。[28]

3 馬鈴薯收獲機及其關(guān)鍵部件問題分析

我國在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展機械化的時間較晚，但是經(jīng)過不斷地研究，在部分領(lǐng)域已經(jīng)逐步向國際靠攏。國內(nèi)市場使用的馬鈴薯挖掘機主要以中小型機械為主，大多采用后輸出方式。整體式挖掘鏟增加了設(shè)備運行阻力，難以有效適應(yīng)收獲時間、土質(zhì)和壟高；二次土薯分離機構(gòu)未能有效配置，壅土現(xiàn)象易出現(xiàn)，大大降低了收獲的明薯率。設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)落后，核心件生產(chǎn)精度低，無法精確完成核心件裝配，作業(yè)損失率大、故障率高，削弱了設(shè)備穩(wěn)定性，這導(dǎo)致農(nóng)民在收獲過程中存在較多的損失現(xiàn)象。

根據(jù)馬鈴薯收獲機的研發(fā)歷史，我認為在未來需要依靠先進制造業(yè)來提升機器質(zhì)量；把不同環(huán)節(jié)功能進行結(jié)合；依靠先進技術(shù)例如自動控制技術(shù)、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)以及遙感技術(shù)等，提升收獲機的自動化水平；根據(jù)不同地區(qū)的土壤情況、農(nóng)藝需求以及品種差異對機器進行差異化設(shè)計[29]。馬鈴薯收獲機經(jīng)過長時間發(fā)展之后，在馬鈴薯生產(chǎn)全程機械中開始發(fā)揮重要的作用。對生產(chǎn)效率進行改善、控制人工成本、減少維修費用，從而提升收獲機的經(jīng)濟效益水平；提升售后服務(wù)質(zhì)量，更好地幫助用戶解決使用過程中出現(xiàn)的問題，有效提高馬鈴薯產(chǎn)量，為農(nóng)業(yè)發(fā)展打下基礎(chǔ)。

4 馬鈴薯收獲機及其關(guān)鍵部件發(fā)展展望

當(dāng)前，我國工業(yè)化進程提速，土地流轉(zhuǎn)、城市化發(fā)展水平持續(xù)提升，工業(yè)化發(fā)展和城市建設(shè)吸納了大量鄉(xiāng)村勞動力，減少了農(nóng)作物種植勞動力供應(yīng)，持續(xù)增加了馬鈴薯收獲成本。從農(nóng)民收入水平提高、收獲勞動強度緩解、產(chǎn)業(yè)市場核心競爭力提升、馬鈴薯生產(chǎn)成本節(jié)約等角度來看，極有必要深入展開技術(shù)探索，針對于馬鈴薯生產(chǎn)地的具體情況，進行更全面的設(shè)計，保證馬鈴薯收獲機的適用性、方便性以及智能性，以此全面促進我國內(nèi)地馬鈴薯機械收獲能力，特別是聯(lián)合型低損馬鈴薯機械收獲能力全面提升。