李維華，焦偉，李永武，岳吉祥，王寧，楊化偉

（1.250100 山東省 濟南市 山東省農業(yè)機械科學研究院；2.250100 山東省 濟南市 山東省農業(yè)科學院；3.257061 山東省 東營市 山東石油化工學院；4.266033 山東省 青島市 青島理工大學；5.250300 山東省 濟南市 山東交通學院）

0 引言

蓮藕是我國種植面積和產量最大的水生蔬菜品種，具有良好的經濟效益和營養(yǎng)價值[1-2]。蓮藕種植環(huán)境和生長條件的特殊性，造成蓮藕收獲環(huán)境惡劣，以人工采收為主，從而增加了蓮藕的生產成本，降低了經濟效益，導致農民種植蓮藕意愿越來越低[3-4]。為了推進蓮藕產業(yè)的高效規(guī)模化發(fā)展，國內外對蓮藕收獲機械進行了大量的研究，本文對其進行了歸納總結，闡述了蓮藕收獲的工作原理、功能特點，并提出了我國蓮藕收獲機械的發(fā)展方向。

1 工作原理

現(xiàn)有蓮藕收獲機主要是依靠水射流對蓮藕所在的泥塘進行沖刷，蓮藕失去泥土控制后浮出水面。典型的蓮藕收獲機主要由動力系統(tǒng)、傳動及行走系統(tǒng)、水射流系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。如圖1 所示。

圖1 蓮藕收獲機工作原理圖（以液壓自走式蓮藕收獲機為例）Fig.1 Working principle diagram of lotus root harvester (taking hydraulic self-propelled lotus root harvester as an example)

1.1 動力系統(tǒng)

一般采用的動力包括船用柴油機或者大功率電機。根據(jù)實際情況選用其中的一種或者混合使用。

1.2 傳動及行走系統(tǒng)

動力傳遞給底盤及行走系統(tǒng)，實現(xiàn)機具的行走、轉彎等；動力傳遞給水泵，為低壓水射流系統(tǒng)提供動力；動力傳遞給吸水裝置，為水泵提供足量的水，是工作裝置順利運行的保障。

1.3 射流系統(tǒng)

射流系統(tǒng)是收獲機的工作部件，是整個機具的核心。根據(jù)蓮藕的特點，一般選用0.3～0.7 MPa 低壓水射流系統(tǒng)；同時，水射流系統(tǒng)一般具有擺動功能，能更好實現(xiàn)蓮藕收獲的功能。

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)一般包括液壓控制系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)，為蓮藕采收服務。

2 研究現(xiàn)狀

蓮藕原產于印度及亞洲南部，除中國外，日本、俄羅斯、印度、斯里蘭卡、印度尼西亞、澳大利亞等國均有種植[5-6]。歐美國家對蓮藕的認知度和認可度不高，沒有相關的設備資料。對采/挖藕機需求量大的主要集中在亞洲，特別是東南亞地區(qū)。截至目前，國外只有日本研究了挖藕船，研制出牽引式Ⅰ型、寬幅Ⅱ型和水泵定置式型，其中Ⅰ型和Ⅱ型的作業(yè)效率為0.020～0.027 hm2/h，Ⅲ型作業(yè)效率為0.017 hm2/h，作業(yè)效率較低，并且需要較多的人力勞動加以輔助[7-8]。

經過30 多年的不斷探索，國內的蓮藕收獲機研究取得了長足發(fā)展，但整體技術水平仍不高，大多數(shù)尚未完全實現(xiàn)機械化，人工勞動強度較大，作業(yè)效率不高，應用范圍較小[9]。目前國內蓮藕采收機主要有以下幾類：

2.1 自走式水壓蓮藕掘取機

2001 年南通江華機械有限公司研制的4OZ-3型自走式水壓蓮藕掘取機[10]，如圖2 所示，由田間自走式水力作業(yè)機和岸邊水泵機組2 部分組成，其間由供水軟管連結，行走輪采用密封結構，保證作業(yè)機的低接地壓力，以適應淤泥土壤。

圖2 4oz-3 型自走式水壓蓮藕掘取機Fig.2 4oz-3 self-propelled hydraulic lotus root excavator

水泵機組從藕田取得循環(huán)水供作業(yè)機主輔噴管噴射作用（主噴嘴規(guī)格有φ30、φ25、φ20）。噴桿在液壓電器控制下左右自行擺動，擺幅在3 m 內任意調節(jié)，也可手動控制噴桿狀態(tài)控制開關，控制噴桿停留在任意位置、任意高度。當噴桿擺動到左右極限位置后，自動控制作業(yè)機按作業(yè)行進方向步進一段距離，噴桿的擺動速度及作業(yè)機的步進距離可以任意調節(jié)。通過各參數(shù)的調節(jié)，可獲得滿意的組合，適應不同蓮藕品種、不同土壤條件及不同生長狀況等。

2.2 船式挖藕機

2009 年公開的4CW-2.6 型船式挖藕機[11]由動力機械、高壓水泵、噴射裝置、挖藕支架、行走控制系統(tǒng)、液壓操作機構和船身等組成。工作時，船體懸浮或半懸浮于水中，在船內完成吸水、加壓噴射、挖深控制、行走等全部工序。具體工作原理：利用機械動力使挖藕支架底部減速機旋轉，帶動鏟泥板鏟除蓮藕上方的泥土，同時利用高壓水槍產生的水柱沖擊力破泥、沖刷藕體，使藕浮上水面。作業(yè)時需要3 人作業(yè)，1 人水下控速導向，2 人水下輔采。該裝置可有效降低采藕作業(yè)勞動強度，提高勞動效率，采用高壓水柱與鏟泥板組合采挖技術，填補了國內空白。但該挖藕機存在的主要問題有：（1）機械化程度有待提升；（2）制造工藝水平較低，加工精度不高，外觀設計不美觀，整體造型粗糙；（3）沒有安裝燈光設備，夜間無法進行采挖作業(yè)。

2.3 船式自動挖藕機

2008 年華中農業(yè)大學研制的4CWO-3.2 型船式挖藕機[12]由船體和安裝在船體上的動力驅動裝置、水力裝置、傳動裝置、挖掘裝置、行走裝置以及操縱裝置等組成（圖3）。具體工作原理：入水前，將行走導向輪卸除。發(fā)動機動力經分動箱一部分傳遞給水泵，另一部分經錐齒輪箱傳遞給變速箱。水泵從田間或池塘中吸水并泵出至噴嘴，噴嘴深入水下貼近淤泥表面，往復移動，對泥土進行切割、粉碎、推移，從而使凈藕挖出并浮出水面。變速箱將動力傳遞給行走葉輪和雙螺旋器，行走葉輪回轉，驅動船體在水面上轉移；雙螺旋器回轉，通過滑道和滑桿帶動吊桿下端的噴嘴做往復移動。為提高工作效率，噴嘴在水下位置、移動頻率和角度均可調整。該種機型采用的“螺旋傳動”系統(tǒng)，采用對稱布置的雙組雙向螺旋傳動與搖桿機構，驅動對應的雙組噴嘴，有效地實現(xiàn)了兩組噴嘴的互逆往復運動，保證了工作部件的運動精度，大大簡化了相關結構，提高了采挖工作部件的可靠性和平穩(wěn)性；此外采用的“葉輪驅動”方式，能有效地參與作業(yè)速度的調整和提高水上作業(yè)的機動性。

圖3 船式自動挖藕機結構簡圖Fig.3 Structure diagram of boat-type automatic lotus digging machine

2.4 浮桶鴨嘴式挖藕機

2010 年武漢興盛農機公司開發(fā)的W-FPZ-1200C 型浮桶鴨嘴式挖藕機[13]（圖4）主要包括底盤架、動力水泵室、泵機固定架、進水管、高壓管、高壓噴嘴。挖藕機左右設置有密封浮桶，在浮桶之間設有工作倉，在工作倉外側與左右密封浮桶之間均焊接有底部、前后及頂面過濾網；底盤架與左右密封浮桶、工作倉、泵機固定架、操作架抬杠焊接為一個整體。該機具有以下特點：（1）全不銹鋼全封閉式，經久耐用，包括4.75 kW（6.5 HP）泵機在內總質量53 kg。作業(yè)時具有自行功能，操作輕便靈活；（2）體積小，可以裝進內室寬度1.1 m的微型面包車，亦可一人推行，兩人抬起即可方便地越溝過坎下田上路；（3）設置多個噴嘴，適用于不同深度的挖藕要求。

圖4 W-FPZ-1200C 型浮桶鴨嘴式挖藕機Fig.4 W-FPZ-1200C floating bucket duckbill lotus root digger

2.5 自旋射流式挖藕機

2018 年華中農業(yè)大學開發(fā)的射流式挖藕機[7,14]（圖5）由4 kW 汽油機水泵驅動，水泵規(guī)定點流量為35 m3/h，揚程為17.3 m。機器底部旋轉管路兩端裝有出水噴嘴，噴嘴中心距離為1 000 mm，即噴嘴旋轉圓周直徑為1 000 mm。田間作業(yè)時，高壓水流從噴嘴噴出，沖擊泥土，旋轉管路受到反作用力繞機器中心軸線旋轉，機器前進時，噴嘴運動軌跡為螺旋運動。工作過程中，從噴嘴噴射出高壓射流，覆蓋蓮藕上方的泥土受到射流沖擊破碎后被水流帶走，直至蓮藕完全裸露在水底，受自身浮力作用浮出水面，由人工打撈，完成蓮藕采挖作業(yè)。

圖5 射流式挖藕機Fig.5 Jet type lotus root digging machine

3 總結與發(fā)展展望

通過對蓮藕收獲機國內外發(fā)展現(xiàn)狀的介紹和分析，可以發(fā)現(xiàn)手扶式（浮筒式）、自旋射流式等小型采收機雖然結構小巧，行走方便，但需要大量人工作業(yè)，在冬天作業(yè)極不方便；船式采收機結構復雜、機器笨重、作業(yè)效率低、不適合冬季無水環(huán)境作業(yè)。因影響采收效果因素眾多，制約瓶頸沒有得到較好的解決，蓮藕收獲機所用的水泵、噴嘴等尚未標準化，目前的研究機型仍然處于半機械化的狀態(tài)。隨著蓮藕種植規(guī)模的不斷擴大、農村勞動力資源短缺和用工成本的快速提高，研究開發(fā)適于家庭農場、專業(yè)合作社和大型種植戶等經營主體的規(guī)?；N植的蓮藕高效智能采收裝備的需求日益迫切。建議下一步研發(fā)重點方向：

（1）蓮藕收獲機應具備自行走裝置，可進行前進、后退、轉彎、調頭等作業(yè)。

機具前方應具有藕稈切割裝置以減小行走阻力，切割裝置根據(jù)工作參數(shù)和蓮藕莖稈力學特性選擇合適的切割力度和切割功率；設備質量與履帶面積應依據(jù)蓮藕表面抗壓特性合理設計，不應在行走過程中因壓力損傷蓮藕。

（2）沖水射流系統(tǒng)應具有上下高度自動調節(jié)和前后左右擺動的功能，實現(xiàn)對淤泥的充分沖刷，從而使干凈的蓮藕自身浮力的作用下浮出水面。蓮藕收獲機后方帶有蓮藕收集裝置，實現(xiàn)無人下水收獲蓮藕的目的，為防止藕葉莖毛刺劃傷蓮藕影響銷售，研究具有圖像識別技術的收獲機實現(xiàn)精準抓取，同時剪短連接藕莖。

（3）設計采用自主導航系統(tǒng)，實現(xiàn)路徑規(guī)劃和無人駕駛作業(yè)，避免蓮藕采收時的重采和漏采，同時可計算采收面積，實現(xiàn)蓮藕采收的精準化和智能化。整機采用液電聯(lián)控，通過對柴油機啟停、行走機構和射流動力系統(tǒng)自動控制改進，實現(xiàn)遙控；將射頻識別技術、WSN 技術和北斗導航技術融合實現(xiàn)自動路徑規(guī)劃和避障規(guī)劃。開發(fā)三維聲波立體成像系統(tǒng)，自動識別挖藕機前方170°扇角內的成藕分布，控制作業(yè)速度，提升作業(yè)效率和采藕凈率。

4 結語

蓮藕收獲技術對蓮藕產業(yè)的發(fā)展至關重要，目前漂浮式和自走式挖藕機普遍存在操作復雜、工作不穩(wěn)定和采收效果不理想等問題，尚無定型理想機型可實際應用。隨著社會的發(fā)展，蓮藕收獲機械必將朝著智能化、高效化和標準化的方向發(fā)展。