歐陽(yáng)蕾，李維華，焦偉，吳東輝，侯加林

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安，271018； 2. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南市，250100；3. 青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東青島，266520)

0 引言

山藥又名山薯、山芋、長(zhǎng)芋等，含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于人體的健康[1-2]。我國(guó)山藥的種植有4 000多年的歷史，發(fā)展山藥產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)條件好，勞動(dòng)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(guó)收獲的山藥不僅滿足了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，而且遠(yuǎn)銷日本、美國(guó)、加拿大、馬來(lái)西亞等國(guó)家，國(guó)際市場(chǎng)廣闊。

山藥屬于根莖類作物，山藥收獲的挖掘可達(dá) 0.7～1.6 m，一般收獲動(dòng)土量達(dá)1 800～2 100 m3/hm2，山藥直徑在2～5.5 cm，人工收獲效率大概為0.013 hm2/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(dòng)強(qiáng)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(jī)械化是未來(lái)山藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，受到區(qū)域地質(zhì)、氣候、品種等因素的影響，再加上我國(guó)地域遼闊，南北地理特點(diǎn)差異較大，所以不同地區(qū)生長(zhǎng)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(jī)械化收獲發(fā)展始終存在瓶頸。因此，我國(guó)種植山藥的農(nóng)戶迫切需要山藥的機(jī)械化收獲[8-9]。

本文首先論述了我國(guó)一些品種的山藥生長(zhǎng)特性，分析我國(guó)山藥的幾種收獲方式及其經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比，然后闡述我國(guó)山藥機(jī)械化收獲核心裝備的研究進(jìn)展，指出我國(guó)山藥收獲機(jī)械化發(fā)展面臨的問(wèn)題，并提出發(fā)展建議。

1 山藥的生長(zhǎng)特性

我國(guó)種植山藥的歷史悠久，全國(guó)各地分別種植有不同種類的山藥，從外形上來(lái)劃分，可以分為長(zhǎng)山藥、扁山藥和圓山藥。而長(zhǎng)山藥是比較常見(jiàn)的，比如大和長(zhǎng)芋、鐵棍山藥、麻山藥、水山藥、細(xì)毛山藥等圓柱形品種。扁山藥和圓山藥生長(zhǎng)位置淺，可以直接用馬鈴薯、花生等淺層根莖類作物收獲機(jī)進(jìn)行收獲。而長(zhǎng)山藥長(zhǎng)得細(xì)且較長(zhǎng)，生長(zhǎng)在較深的土壤中，收獲比較困難[10]。

因?yàn)樯剿幍奶匦裕匝芯可剿幍男螤畛叽?、種植農(nóng)藝、物理特性等山藥的特點(diǎn)，能對(duì)研究山藥收獲的機(jī)械化提供理論依據(jù)。表1是我國(guó)幾種長(zhǎng)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(guó)主要山藥品種Tab. 1 Main yam varieties in China

我國(guó)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(jī)的理論來(lái)源，但是對(duì)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Tab. 2 Mechanical properties of two different yams

根據(jù)研究者對(duì)山藥力學(xué)的分析，可以看到這兩種山藥抗彎曲強(qiáng)度高，抗拉壓能力弱，易被拉斷或者壓斷，在設(shè)計(jì)山藥收獲機(jī)械的時(shí)候，應(yīng)該重點(diǎn)考慮山藥收獲的時(shí)候軸向拉壓力的作用，以減少山藥機(jī)械化收獲給山藥造成的損傷。

2 我國(guó)山藥收獲方式

由于我國(guó)為山藥主產(chǎn)區(qū)，所以山藥機(jī)械化收獲技術(shù)以國(guó)內(nèi)研究為主[11]。目前我國(guó)沒(méi)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(dòng)強(qiáng)度大，收獲效率低，只有部分農(nóng)戶對(duì)山藥進(jìn)行機(jī)械化收獲[12]。

2.1 人工收獲

一般來(lái)說(shuō)，山藥在秋天采收，等到它地上的莖葉枯萎以后，然后才開(kāi)始采挖；也可以將山藥留在地里，等到第二年春天再來(lái)進(jìn)行采挖；有一部分大棚種植的山藥，可以在夏天七月份進(jìn)行采挖[13]。

在人工收獲的時(shí)候，農(nóng)戶從溝的一段開(kāi)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(dāng)山藥松動(dòng)的時(shí)候，提起山藥上端，鏟斷它的側(cè)根，最后整個(gè)山藥提出土壤，完成山藥的收獲[7]。

2.2 機(jī)械收獲

我國(guó)的機(jī)械化程度要普遍低于歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家水平，山藥收獲機(jī)械化程度也相對(duì)較低。山藥機(jī)械化收獲就是利用機(jī)器挖掘出山藥，最后收獲山藥，目前在我國(guó)機(jī)械收獲山藥主要有兩種方式，一種是鏈?zhǔn)介_(kāi)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(jìn)行山藥兩邊開(kāi)溝，破壞山藥所在的中間土閥，然后人工撿拾山藥。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械收獲工作效率高，成本低。鏈?zhǔn)介_(kāi)溝收獲主要是利用設(shè)置的鏈條帶動(dòng)刀具在山藥土埂旁邊進(jìn)行開(kāi)溝，通過(guò)改變刀具的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)確定溝寬，一般采用液壓油缸的形式控制開(kāi)溝的深度；而螺旋式松土的收獲主要采用立式螺旋開(kāi)溝刀具開(kāi)溝，開(kāi)溝部件為直接安裝在軸管上的螺旋刀片，在開(kāi)溝作業(yè)的時(shí)候，能將泥土輸送至上方。

3 我國(guó)山藥機(jī)械收獲裝備與技術(shù)研究進(jìn)展

因?yàn)樯剿幧L(zhǎng)的特殊性，所以我國(guó)山藥收獲機(jī)械化存在一些問(wèn)題，我國(guó)研究者對(duì)山藥機(jī)械收獲技術(shù)進(jìn)行了一定的研究，取得一定的成果。就目前來(lái)說(shuō)，山藥機(jī)械化收獲裝備主要工作部件包括行走系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、開(kāi)溝系統(tǒng)、土壤翻振機(jī)構(gòu)和定位系統(tǒng)等裝置，所以本文重點(diǎn)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(jī)械化的基礎(chǔ)，目前山藥收獲機(jī)械行走系統(tǒng)主要是輪式行走機(jī)和履帶式行走機(jī)[14]。輪式行走機(jī)主要?jiǎng)恿υ词寝r(nóng)業(yè)拖拉機(jī)，拖拉機(jī)通用性好、速度快，但是對(duì)于爬坡、越障、地面適應(yīng)等能力比履帶式行走機(jī)差。履帶式行走機(jī)地面接觸面積大，接地比壓小，能夠緩和在山藥收獲過(guò)程中的地面凹凸不平，抗打滑能力強(qiáng)，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(jī)結(jié)構(gòu)形式又可以分為兩種：一種用手扶拖拉機(jī)變速箱作為傳動(dòng)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(dòng)履帶，它能通過(guò)液壓系統(tǒng)的作用實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(jī)主要是通過(guò)懸掛機(jī)構(gòu)連接農(nóng)用拖拉機(jī)，拖拉機(jī)后輸出軸與減速箱通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接，工作時(shí)減速箱輸出軸將動(dòng)力傳遞給開(kāi)溝、振動(dòng)松土等工作機(jī)構(gòu)[15]。而對(duì)于履帶式行走機(jī)，李紅偉[16]發(fā)明了一種手推式山藥收獲機(jī)，主要包括動(dòng)力系統(tǒng)和收獲系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)采用手扶拖拉機(jī)作為動(dòng)力源，利用皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)履帶，其收獲系統(tǒng)的開(kāi)溝裝置進(jìn)行開(kāi)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(kāi)溝收獲可以節(jié)省人力。陳晨特[17]發(fā)明了一種履帶式長(zhǎng)山藥采收機(jī)器人，這是一種液壓驅(qū)動(dòng)履帶式的山藥收獲機(jī)械，機(jī)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(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪同軸設(shè)置有驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，履帶中間有多個(gè)支重輪。這種液壓驅(qū)動(dòng)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(qiáng)。

3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

山藥生長(zhǎng)在地下，每個(gè)種類的山藥生長(zhǎng)位置都有所不同，所以山藥收獲機(jī)工作機(jī)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(jī)的適用性，更好地完成不同種類山藥的機(jī)械化收獲。2014年于萬(wàn)勝[15]模仿考古挖掘過(guò)程，在山藥左右兩側(cè)進(jìn)行開(kāi)溝，中間振動(dòng)松土機(jī)構(gòu)將山藥和土壤分離，最后由輸送機(jī)構(gòu)將山藥和土壤輸送地面，人工撿拾。該機(jī)器采用一對(duì)液壓油缸來(lái)調(diào)節(jié)挖掘深度，油缸一端與機(jī)架連接，油缸另一端與開(kāi)溝裝置鉸接，當(dāng)油缸回縮時(shí)，開(kāi)溝裝置提到地面；當(dāng)油缸伸出時(shí)，開(kāi)溝裝置降到山藥收獲所需要的深度；輸送機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓油缸與機(jī)架相接，可以調(diào)節(jié)輸送機(jī)構(gòu)角度。這種機(jī)器通過(guò)液壓機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)山藥收獲機(jī)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(jī)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(jī)器開(kāi)溝機(jī)構(gòu)和翻振機(jī)構(gòu)通過(guò)滑動(dòng)裝置連接在機(jī)架上，滑動(dòng)裝置的動(dòng)力由液壓缸控制，然而滑動(dòng)裝置在機(jī)架上穩(wěn)定性差，它們之間的間隙大，會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象，而且油缸作用力可能會(huì)作用在滑動(dòng)裝置下，產(chǎn)生的力矩會(huì)使滑動(dòng)裝置卡在機(jī)架上。潘昭[18]發(fā)明一種滑動(dòng)裝置，滑動(dòng)機(jī)架通過(guò)導(dǎo)輪組和T形導(dǎo)軌在機(jī)架上穩(wěn)定地移動(dòng)，導(dǎo)輪組的3個(gè)導(dǎo)輪能在T形導(dǎo)軌的3個(gè)軌面上穩(wěn)定的夾緊，設(shè)置的3個(gè)導(dǎo)輪的輪臂由彈簧頂住，從而保證整個(gè)滑動(dòng)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(gè)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(jī)器的工作壽命。

3.3 開(kāi)溝系統(tǒng)

3.3.1 開(kāi)溝裝置

因?yàn)樯盥耦愖魑锷剿幍奶厥庑?，我?guó)山藥收獲機(jī)的設(shè)計(jì)多重于開(kāi)溝機(jī)的研究。國(guó)內(nèi)對(duì)于山藥收獲機(jī)的研究起步較晚，之前我國(guó)收獲山藥都是借鑒國(guó)外根莖類作物的收獲技術(shù)，在20世紀(jì)50—70年代分別出現(xiàn)了犁鏵式開(kāi)溝機(jī)、圓盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)[19]等機(jī)械裝備。20世紀(jì)90年代，螺旋式、鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)，同時(shí)國(guó)內(nèi)拖拉機(jī)發(fā)展迅速，山藥收獲機(jī)械化開(kāi)始出現(xiàn)[20-21]。但是國(guó)內(nèi)農(nóng)戶收獲山藥采用螺旋式開(kāi)溝的不多，螺旋式開(kāi)溝消耗的功率大，現(xiàn)有山藥收獲開(kāi)溝方式多采用鏈?zhǔn)介_(kāi)溝[22]，眾多學(xué)者對(duì)于山藥鏈?zhǔn)介_(kāi)溝技術(shù)做出了一定的研究，所以本文主要論述鏈?zhǔn)介_(kāi)溝的山藥收獲機(jī)。

3.3.2 螺旋式開(kāi)溝

2011年薦世春等[23]發(fā)明了一種圓錐螺旋鉆管式山藥收獲機(jī)，拖拉機(jī)將動(dòng)力通過(guò)萬(wàn)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(zhǎng)槽，下端為鋸齒形。

另外，市面上螺旋式山藥收獲機(jī)大多為大型機(jī)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(duì)于小面積的山藥種植戶來(lái)說(shuō)，小、靈活、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的機(jī)器才是最適合的。2016年何玉靜等[24]發(fā)明了一種便攜式山藥收獲機(jī)，這種機(jī)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(jī)在收獲的時(shí)候不會(huì)破壞山藥的生長(zhǎng)土壤環(huán)境，符合山藥的農(nóng)藝特點(diǎn)，對(duì)于小面積山藥種植戶來(lái)說(shuō)，它經(jīng)濟(jì)實(shí)用，工作效率高于人工。

3.3.3 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝

現(xiàn)有山藥收獲機(jī)鏈?zhǔn)介_(kāi)溝主要有兩種：?jiǎn)涡猩剿幨斋@與雙行山藥收獲。單行山藥收獲主要是采用雙排開(kāi)溝鏈的形式開(kāi)溝，雙面開(kāi)溝，最后收獲山藥，如山東某公司生產(chǎn)的4USY-1山藥收獲機(jī)[25]，這種山藥收獲機(jī)可以在開(kāi)溝之后通過(guò)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(kāi)溝鏈工作，開(kāi)出三條深溝，兩行山藥。蠡縣某廠研制的4F-2型山藥收獲機(jī)采用履帶式行走、液壓轉(zhuǎn)向、三根鏈開(kāi)溝等機(jī)構(gòu)，一次可以開(kāi)溝3條，挖出兩行山藥，能實(shí)現(xiàn)山藥收獲的開(kāi)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[26]發(fā)明了一種雙行山藥收獲機(jī)，設(shè)有3～4排開(kāi)溝鏈，2組土壤輸送裝置，而且開(kāi)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(shí)候，方便調(diào)節(jié)開(kāi)溝的位置。

山藥收獲機(jī)在開(kāi)溝作業(yè)的時(shí)候，因其土壤切削的復(fù)雜性，機(jī)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)[27]。肖艷軍等研發(fā)了一種鏈?zhǔn)介_(kāi)溝山藥收獲機(jī)，根據(jù)山藥農(nóng)藝特點(diǎn)，開(kāi)溝深度為1.5 m，作業(yè)效率為300 m/h，取砂質(zhì)土壤作為參考，鏈刀相對(duì)切削速度為3 m/s，參照國(guó)內(nèi)外的鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)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 mm，通過(guò)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1 158.3 N。同時(shí)提出了一種山藥收獲機(jī)確定切削阻力和功率消耗的辦法，為山藥收獲機(jī)械化裝備的開(kāi)溝減阻和優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)械化收獲，僅實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)山藥機(jī)械化收獲的重要功能。若只采用靜止的挖掘刀，會(huì)給機(jī)器造成巨大的阻力，消耗功率更大，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求更高，同時(shí)會(huì)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[28-30]。孫建興[31]發(fā)明了一種強(qiáng)力破碎土壤的翻振機(jī)構(gòu)。當(dāng)開(kāi)溝裝置開(kāi)溝以后，山藥會(huì)留在中間土閥內(nèi)，為了能將山藥及時(shí)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(gè)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(guò)旋轉(zhuǎn)能將之破碎，山藥將露出泥土；與此同時(shí)，垂直破土器有矩形鋼絲框旋轉(zhuǎn)，對(duì)中間土閥起到一個(gè)破碎翻撥的作用，使得山藥更好地露出泥土。對(duì)于該裝置，孫建興[32]還發(fā)明了一種翻土機(jī)構(gòu)。山藥收獲機(jī)開(kāi)完溝之后，該翻土機(jī)構(gòu)在土閥下方，兩個(gè)翻土板上下交替轉(zhuǎn)動(dòng)，上托板可以剖挖土閥并翻動(dòng)，土壤會(huì)經(jīng)過(guò)翻動(dòng)變得疏松，同時(shí)山藥會(huì)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(dòng)強(qiáng)度。郝建軍等[33]對(duì)于這種強(qiáng)力破土碎土裝置也有研究，他們發(fā)明的土壤翻振機(jī)構(gòu)主要分為抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和剝土機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分，抖動(dòng)機(jī)構(gòu)主要采用偏心輪的原理，通過(guò)它的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)擺動(dòng)桿工作；而剝土機(jī)構(gòu)主要是一對(duì)對(duì)稱設(shè)置的條形振動(dòng)板，條形振動(dòng)板后端沿均布向內(nèi)側(cè)傾斜的剝土片，在工作的時(shí)候通過(guò)抖動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，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(jì)了4F-2型麻山藥的振動(dòng)松土裝置，運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)整機(jī)前進(jìn)速度、偏心輪旋轉(zhuǎn)速度和偏心距進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，結(jié)果表明整機(jī)前進(jìn)速度為3 m/min、偏心輪轉(zhuǎn)速為540 r/min、偏心距為50 mm時(shí)性能最優(yōu)，輕松收獲山藥的同時(shí)，損傷率只有3.5%；楊發(fā)展等[34]設(shè)計(jì)了一種帶有格柵振動(dòng)式挖掘鏟的土壤翻振機(jī)構(gòu)，綜合運(yùn)用SolidWorks里的Motion和Simulation插件，結(jié)合山藥農(nóng)藝特點(diǎn)，對(duì)該部件進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析與計(jì)算，研究其振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度等相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，并得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后進(jìn)行了強(qiáng)度分析、計(jì)算和校核，最后通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)整體土壤破碎效果良好，完好率達(dá)到了89.2%。

3.5 定位系統(tǒng)

機(jī)械收獲山藥的時(shí)候，因?yàn)榉N植山藥行壟彎曲，山藥收獲裝置一般在機(jī)架后方，所以人在操作的時(shí)候難免會(huì)出現(xiàn)非直線行駛等問(wèn)題，開(kāi)出的溝偏離山藥行，會(huì)導(dǎo)致山藥漏收、損傷率大等問(wèn)題。張自成[35]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(tái)，操作工人可以近距離直觀地看到山藥種植行與挖土機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系并可以及時(shí)調(diào)整，操作者可以準(zhǔn)確操作，減少山藥的漏收率和損傷率。當(dāng)然，對(duì)于山藥收獲機(jī)行駛偏移等問(wèn)題，李善文等[36]發(fā)明了一種羅盤(pán)激光定位多功能山藥收獲機(jī)，利用羅盤(pán)激光可以對(duì)山藥收獲機(jī)的行走方向進(jìn)行定位，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以滿足果蔬種植及工程機(jī)械管道開(kāi)溝需要。

目前來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)研究者對(duì)于山藥機(jī)械化收獲并不是特別多，幾種山藥機(jī)械化收獲裝備典型成果及其關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 我國(guó)山藥收獲機(jī)典型成果及其技術(shù)特點(diǎn)Tab. 3 Typical achievements and technical characteristics of Chinese yam harvester

4 國(guó)外山藥機(jī)械收獲裝備與技術(shù)研究進(jìn)展

在20世紀(jì)40年代，歐美國(guó)家就開(kāi)始了對(duì)根莖類作物收獲機(jī)的研究與推廣，實(shí)現(xiàn)了多種根莖類作物的機(jī)械化收獲[37]。尼日利亞是全球最大的山藥生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量為全球市場(chǎng)的67%，21世紀(jì)初，尼日利亞學(xué)者Itodo等[38]對(duì)一種牽引式山藥收獲機(jī)的前進(jìn)速度、提升角度、切削深度等進(jìn)行了性能研究，通過(guò)山藥損壞的數(shù)量、收獲山藥的數(shù)量等指標(biāo)對(duì)山藥收獲機(jī)進(jìn)行評(píng)估，得出結(jié)論收獲機(jī)的行駛速度在3.2 km/h，深度為46 cm，提升角為20°時(shí)，山藥損傷率小，且提升角度對(duì)山藥的分離和損傷存在影響。

日本對(duì)山藥收獲的機(jī)械化也有一定研究，在21世紀(jì)初，日本山藥的機(jī)械化收獲也開(kāi)始成熟。日本所種植的山藥同中國(guó)山藥不同，日本的山藥生長(zhǎng)位置較淺、相對(duì)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(jī)來(lái)收獲山藥。拖拉機(jī)帶著收獲機(jī)前進(jìn)，土壤輸送裝置將山藥與土壤輸送到地面，人工只需要簡(jiǎn)單的撿拾，損傷率低。日本有一家歷史悠久小型農(nóng)機(jī)生產(chǎn)商生產(chǎn)的YCD-60型根莖類多功能收獲機(jī)可以收獲大蒜、牛蒡和山藥，其外形尺寸為2 350 mm×1 350 mm×1 590 mm，功率為50 kW，總損失率為5%，該機(jī)對(duì)山藥的損傷率小，勞動(dòng)強(qiáng)度低，作業(yè)效率也相對(duì)較高。

5 存在問(wèn)題

我國(guó)山藥種植歷史悠久，品種眾多，不同品種農(nóng)藝特點(diǎn)、生長(zhǎng)特點(diǎn)基本不一致，山藥本身脆性低、易斷，所以現(xiàn)在我國(guó)山藥機(jī)械化收獲面臨的主要問(wèn)題：農(nóng)機(jī)與種植環(huán)境融合不夠、種植模式不統(tǒng)一、收獲機(jī)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(jī)器與種植環(huán)境融合不夠

山藥生長(zhǎng)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(jī)械化收獲也會(huì)受到種植環(huán)境的影響。我國(guó)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(jī)器不能在部分地區(qū)靈活的行走，國(guó)內(nèi)一些平原大面積種植的山藥收獲機(jī)基本不能用于丘陵、山地等復(fù)雜地形的收獲，同樣的機(jī)器在不同的土壤中收獲可能會(huì)出現(xiàn)不同的情況。因?yàn)槲覈?guó)這些特殊的種植環(huán)境，在山藥收獲裝備研發(fā)過(guò)程中，收獲機(jī)具能否適應(yīng)多種地形的問(wèn)題顯得尤為重要。

5.2 種植模式不統(tǒng)一

我國(guó)的山藥種植分散，種植規(guī)模也沒(méi)有糧食作物種植規(guī)模大，山藥品種多，再加上我國(guó)的農(nóng)戶種植習(xí)慣不一，所以現(xiàn)在我國(guó)山藥的種植模式存在多樣性。比如種植山藥的時(shí)候，不同山藥品種的株距、行距、密度不同，沒(méi)有全國(guó)統(tǒng)一的種植體系，況且生長(zhǎng)深度也存在差異。在收獲山藥的時(shí)候，同種機(jī)器收獲不同品種的山藥，會(huì)存在損傷率、漏收率高等諸多問(wèn)題，對(duì)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(jī)具質(zhì)量差

山藥生長(zhǎng)的深度差異很大，最多能達(dá)到1.5 m以上，機(jī)器的挖掘阻力較大，另外泥土里的雜物會(huì)對(duì)機(jī)具造成很大的沖擊，嚴(yán)重降低機(jī)具壽命。然而我國(guó)工藝制造水平相對(duì)于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，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(guó)的根莖類作物收獲機(jī)在復(fù)雜的土壤中工作會(huì)存在著質(zhì)量差、可靠性低、能耗高等問(wèn)題。

5.4 缺乏核心技術(shù)創(chuàng)新

我國(guó)在20世紀(jì)60年代開(kāi)始引進(jìn)根莖類作物收獲機(jī)械，對(duì)于山藥收獲機(jī)一直以來(lái)都是借鑒國(guó)內(nèi)外其他根莖類作物等機(jī)具進(jìn)行研發(fā)制造，國(guó)外的山藥收獲機(jī)一般都不能在我國(guó)得到廣泛的推廣應(yīng)用。我國(guó)的山藥收獲機(jī)目前大部分還處于樣機(jī)試制階段，并不能真正大規(guī)模投入市場(chǎng)，現(xiàn)有山藥收獲設(shè)備存在機(jī)械化水平低、自主創(chuàng)新能力不夠等問(wèn)題。

5.5 收獲功能不完善

就目前來(lái)說(shuō)，我國(guó)現(xiàn)有的根莖類作物收獲機(jī)正處于發(fā)展時(shí)期，聯(lián)合收獲技術(shù)不夠成熟。我國(guó)山藥種植分散，小規(guī)模種植為主，研制的山藥收獲機(jī)一般都是中小型機(jī)器。國(guó)產(chǎn)的中小型機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shì)

6.1 因地制宜研制山藥機(jī)械化收獲設(shè)備

我國(guó)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(lái)發(fā)展山藥收獲機(jī)特點(diǎn)之一，在現(xiàn)有機(jī)型的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的地理環(huán)境，不斷完善改進(jìn)，農(nóng)機(jī)與地理環(huán)境能融合，做出真正讓農(nóng)戶好用的收獲機(jī)。另外不同地理環(huán)境一般需要不同的收獲機(jī)具，機(jī)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(jī)型的收獲機(jī)械，還需要適當(dāng)增加此行業(yè)的農(nóng)機(jī)專家，為山藥機(jī)械化收獲設(shè)備的多樣性提供技術(shù)支撐。

6.2 推進(jìn)種植規(guī)程建設(shè)

根據(jù)不同品種山藥的種植要求，通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)化的山藥種植模式，加大資金投入提高所研發(fā)的收獲機(jī)具與農(nóng)藝的適配性。與此同時(shí)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(jī)械化收獲的種植模式。

6.3 學(xué)習(xí)借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)

發(fā)達(dá)國(guó)家制造業(yè)起步早、基礎(chǔ)好、水平高，需要結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況來(lái)提高機(jī)具質(zhì)量。結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)業(yè)集群布局實(shí)際，將我國(guó)的高校、研究所和企業(yè)聯(lián)合起來(lái)，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(jī)械的零部件、元器件和整機(jī)制造的能力，增加產(chǎn)品的可靠性、安全性，讓山藥機(jī)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(guó)農(nóng)機(jī)多借鑒國(guó)外技術(shù)，缺乏核心部件的自主創(chuàng)新能力，山藥機(jī)械化收獲核心部件主要在于開(kāi)溝、土壤翻振、傳動(dòng)等裝置。山藥收獲機(jī)功率消耗主要在于開(kāi)溝、土壤翻振裝置，進(jìn)一步對(duì)山藥收獲機(jī)開(kāi)溝、土壤翻振裝置的工作機(jī)理進(jìn)行分析研究，對(duì)于影響工作性能的運(yùn)動(dòng)和機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有利于減少功率的消耗；對(duì)于傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)軸、箱體、齒輪、鏈條等關(guān)鍵部件進(jìn)一步研發(fā)，采用新的工藝、技術(shù)，不斷提高機(jī)器的可靠性、穩(wěn)定性。深入加強(qiáng)產(chǎn)、學(xué)、研的結(jié)合，根據(jù)各方的優(yōu)勢(shì)，將機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)充分結(jié)合起來(lái)，使山藥收獲機(jī)更加智能化、輕便化，提高我國(guó)山藥收獲機(jī)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(jī)

我國(guó)的山藥機(jī)械化收獲還是存在一些薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的機(jī)器不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，需要不少的人工輔助收獲，勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)是非常有必要的，能大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度，解放我國(guó)勞動(dòng)力。我國(guó)勞動(dòng)力資源較為豐富，部分農(nóng)戶對(duì)于山藥機(jī)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(jī)械化收獲的信心，讓我國(guó)真正成為農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)。