2019-大蒜收获机械研究进展_牛萌萌.pdf

第 57 卷 Vol 57 2019 年增刊 Supplement 2019 农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT research advances development countermeasures 0 引言 2004 年 中国颁布实施了 中华人民共和 国农业机械化促进法 中央的支农惠农政策极 大地调动了地方政府 科研院所 企业和农民发 展农业机械化的积极性 使农业机械化水平持续 增长 截止 2018 年 我国主要农作物耕种收综 合机械化率达到 68 1 2 但是 经济作物机械 化发展远低于主要农作物的综合机械化率 大蒜产业一直是中国的传统优势和特色产 业 中国是世界上最大的大蒜生产和出口国 年 种植面积约计 80 万 hm 2 占全球 50 以上 总 产量超过 2 100 万 t 占全球 80 以上 大蒜种 植在中国分布广泛 全国各地基本均有种植 主 产省份包括山东 河南和江苏三省 但中国的大 蒜收获机械关键技术与装备的研究起步较晚 技 术不成熟 目前 中国大部分地区的大蒜收获依 然主要靠人力 机械收获应用也只是限于大蒜的 挖掘 仅完成了挖掘和平铺作业 对后续的清土 切根 切秧或打捆等工序依然需要大量的人力来 完成 而可一次性完成挖拔 清土 切根 切秧 或打捆的大蒜联合收获机还处于中试阶段 尚未 推广应用于生产实际中 3 6 当前我国农业生产规模化 专业化 集约化 的趋势日益凸显 广大农民对农业机械的需求日 益迫切 大蒜机械化收获未来发展空间很大 1 蒜株基本特性研究 全国现代农作物种业发展规划 2012 2020 年 明确提出 到 2020 年 要培育一批高产 优质 多抗 广适和适应机械化作业 设施化栽 培的新品种 培育适应机械化作业的新品种 将机械适用性作为品种选育和栽培管理的重要指 标 充分表明国务院对农机农艺融合的高度重视 加强多学科联合公关 就大蒜机械收获中出现的 问题 在保证大蒜产量和市场产品接受度的前提 下 从农机农艺相融合的角度 研究大蒜新品种 和新的种植模式 以方便机械化作业 新鲜收获的蒜株主要包括蒜叶 茎杆 鳞茎 基金项目 山东省自然科学基金 ZR2019QEE035 山东省重 大科技创新工程 2018CXGC0218 山东省农机装备研发创新 计划项目 2018YZ001 收稿日期 2019 09 10 修回日期 2019 09 23 183第 57 卷 增刊 蒜头 根系 蒜须 等 传统的人工收获需 去除蒜株的茎叶和根系 获取鳞茎部位 目前 我国大蒜种植以小户 小地块为主 种植模式 主要有垄作 平作及套种模式 7 大蒜种植行距 15 18 cm 株距 12 15 cm 30 0 37 5 万株 hm 2 8 成熟期蒜头横径多集中在 40 60 mm 的范围内 蒜头高度集中在 33 43 mm 范围内 平均值约为 38 60 mm 大蒜根系从蒜头底部的根盘处向下生 长 为弦线状须根 粗细均匀 无主根 大部分 根系分布在深度 5 25 cm 的土壤层中 横向 30 cm 左右的圆柱体范围内 根系含水高 根毛少 属 于浅根类蔬菜 9 10 蒜薹是大蒜的花茎 可促使大蒜生长后期蒜 秧保持直立状态 国内对蒜薹的食用较为普遍 因此大蒜收获前 蒜农都会把蒜薹抽出 售卖 多数品种的大蒜抽掉蒜薹后 蒜秧会出现大范围 的倒伏 将严重影响机械收获的质量 并增加机 械收获的难度 为便于机械化收获 应研究推广 直立性好的抗倒伏品种 杨柯等 11 探究了采用回转切割方式 在须 根无夹持情况下 产生足够剪切力时蒜须与蒜头 相分离的切割线速度 试验研究得出当切割线速 度大于 10 5 m s 切刀转速 2 500 r min 时 能 够保证有效的切除蒜须 王小瑜等 12 探究了收 获期大蒜植株的力学性能 试验得出沙土地大蒜 植株的起拔力平均值为 214 10 N 粘土地大蒜植 株的起拔力平均值为 250 25 N 大蒜植株的拉断 力在 265 00 N 以上 2 大蒜收获机械关键理论与技术 目前大蒜收获机械主要分为两种技术模式 一种是全程机械化分段式收获技术模式 一种是 单机联合收获技术模式 大蒜分段式收获作业时 一般由大蒜挖掘铺条机和大蒜拣拾机协同完成 挖掘铺条机分别完成挖掘 清土 铺放等工序 拣拾机完成拣拾 清选 输送 收集等工序 大 蒜联合收获机作业时 由扶禾装置将蒜秧扶正 同时挖掘装置进行挖掘松土作业 将蒜头土壤层 破坏 在挖掘和夹持输送装置的挖拔力作用下蒜 株被拔起 柔性夹持装置夹着蒜秧向后输送 去 土装置将粘附在大蒜根部的土壤清理掉 切根装 置将大蒜根系切断 同时柔性夹持装置继续夹持 着蒜秧进行输送 到达切秧 打捆 装置处 完 成切秧 打捆 作业 最后完成大蒜的收集收获 挖掘机构是大蒜收获机械的重要工作部件 其将土层破坏 松土并切断大蒜根系 将蒜头在 拔取过程中向上抬起 其形状及入土尺寸直接影 响机具的前进阻力 彭宝良 13 等设计了一种挖 掘铲 采用长方形倾斜平面铲的设计 铲柄用螺 栓固定在机架两侧的管座内 前后可实现 60 mm 的调节范围 入土深度和铲间距均可实现调节 主要设计参数 入土角 30 铲间距 0 45 cm 挖掘宽度40 95 cm 挖掘深度0 12 cm 吴彦强 14 等设计了一种圆盘式大蒜挖掘装置 采用两个圆 盘铲刀以一定倾角 在前进过程中旋转着对大蒜 进行挖掘 并通过试验确定了装置的最优参数组 合 挖掘深度 140 mm 圆盘直径 320 mm 圆盘 工作倾角为 8 圆盘转速为 152 r min 作业前 进速度为 0 85 m s 切根技术是大蒜机械收获的核心技术和难 点 新鲜的蒜头大小不同 表皮薄嫩易损伤 根 系泥沙混杂 如何实现低损高效的机械化切根是 大蒜机械收获的技术难点 杨柯 15 等设计了一 种具有排序 对齐功能的蒜头切须装置 此机构 可以在工作过程中有效完成蒜头上茎面对齐并对 蒜头提供一定的夹持力 实现利用蒜头下茎面浮 动 仿形对齐的机械化切须 如图 1 所示 作业时 夹持输送机构夹着蒜 茎在导向杆的作用下向中间聚拢 夹持形式由 链 链 夹持转变为 链 板 毛刷 的柔性夹持 在排序盘的作用下蒜株被排成一列向后输送 由于 夹持输送机构与对齐链之间存在夹角 间距逐渐增 大 蒜株在向后输送的过程中逐渐被拉紧 实现 了蒜头沿上茎面对齐 在继续向后输送的过程中 加装切须机构可实现蒜须依次被切割 于昭洋 16 等设计构建了大蒜切根装置试验台 该试验台采用多个独立的传动系统 各运动部件均 由调速电机独立驱动 试验台的倾斜角度和高度等 牛萌萌 等 大蒜收获机械研究进展 b 1 排序盘 2 导向杆 3 长毛刷 4 对齐链 5 拨指 6 蒜体导板 7 夹持输送机构 图 1 排序 对齐切须装置示意图 a 主视图 b 俯视图 a 7 7 11 V1 V 2 蒜株入口 1 5 2 3 4 184 农业装备与车辆工程 2019 年 位置参数可根据需求调节 如图 2 所示 作业时 夹持输送机构夹着蒜株呈竖直状态向后输送 当输 送到排序 对齐机构入口时 蒜株向中间聚拢 依 次进入排序 对齐机构 蒜株在夹持输送机构和排 序 对齐机构的共同夹持下继续向后输送 配置在 下方的毛刷辊清理泥沙并捋顺根须 由前旋转切刀 完成较长根系的切除 在继续输送过程中完成蒜 头上茎面对齐 并在蒜体导板辅助下由浮动切根 机构完成蒜头根须切除 机构使用时推荐采用夹 持输送速度 1 0 5m s 夹持角度 79 切割线速 度 17 3 m s 切刀转速 2 200 r min 果秧分离作为大蒜收获中的重要作业环节 也是影响大蒜联合收获机作业质量的关键技术 发达国家对大蒜联合收获机的研究起步较早 目 前果秧分离技术已经相对比较成熟 丹麦 Asa lift 公司和比利时 Dewulf 公司生产的切秧式大蒜 联合收获机上设有成对斜置式拨杆对齐机构 先 实现蒜头对称再进行果秧切割分离 实现了大蒜 的对齐切割 于向涛 17 等 于昭洋 18 等融合国外技术分 别设计了可实现蒜头对齐切割的复式夹持式果秧 分离机构 如图 3 作业时 蒜株由收获台喂 入口进入后被主夹持链夹住 主夹持链夹持着蒜 株上部茎秆向后上方输送 当输送到排序 对齐 装置入口时 蒜株在导向杆作用下向中聚拢 并 在排序盘辅助下有序进入排序 对齐装置 此时 主夹持链夹持形式由链 链夹持转变为链 板 毛刷柔性夹持 可减小夹持力 防止对齐时拉断 蒜秧 如图3 b 所示 在排序 对齐装置 拨指作用下 每对拨指逐个抓取蒜株 在主夹持 链和拨指共同作用下向后输送 输送过程中蒜株 被向上拉动 当蒜头顶部贴紧拨指时实现顶部对 齐 茎秆经锯齿圆盘刀划切完成果秧分离 得到 留茎长度较短的蒜头 随后 主夹持链夹持形式 由链 板 毛刷夹持转变为链 链夹持 夹持蒜 秧向后输送并抛出 机构使用时推荐采用夹持输 送速度 1 05 m s 夹持角度 77 3 国内外主要机型与研究进展 欧美 日韩等国在大蒜生产机械方面处于国 际领先水平 其中大蒜机械化收获主要有 2 种技 术模式 1 大型全程分段式收获模式 2 小型自走式 牵引式 联合收获模式 美国 加拿大等国以大型全程分段式收获模 式为主 作业特点表现为高效化 配套化 大型 化 系列化 比较典型的有美国TopAir公司 Newhouse 公司生产的大蒜挖掘铺条机 拣拾机 可分别完成挖掘 清土 铺放和拣拾等工序 挖 掘铺条机结构配置为挖掘铲 拨轮 分离输送 链杆组合 拣拾机结构配置为拣拾铲 拨轮 分 离输送链杆组合 挖掘铺条机和拣拾机配套使 用 美国的 TopAir 公司作为专业生产大蒜和洋 葱收获机械的公司 生产的大蒜收获机械主要有 大蒜挖掘铺条机和大蒜拣拾机 其中代表机型为 GW4400 型大蒜挖掘铺条机 如图 4 和 GL2400 型大蒜拣拾机 如图 5 收获作业时 挖掘铺 条机在拖拉机的牵引下利用挖掘铲将大蒜从土壤 中挖出 然后由挖掘铲和挖掘铲上部的拨轮把蒜 株和部分土带至分离输送链 分离输送链在运送 的过程中将大部分土从蒜株中分离出来 最后去 土后的蒜株经过集条器被铺放到地面上 以便对 1 夹持输送机构 2 排序 对齐机构 3 蒜体导板 4 电机 5 浮动切根机构 6 前旋转切刀 7 毛刷辊 图 2 大蒜切根试验台结构图 1 2 3 7 6 5 4 蒜株 物料流向 1 夹持输送装置 2 排序 对齐装置 3 排序 对齐传动系统 4 夹持输送传动系统 5 电机 6 电机 7 切割装置 8 收集箱 9 机架 10 收获台 a 1 弹簧压杆 2 前导轨 3 中间导轨 4 主夹持链 5 主动链轮 b 图 3 大蒜果秧分离试验台结构示意图 a 果秧分离试验台总体结构示意图 b 夹持输送装置结构图 1 2 3 7 89 10 A B 6 5 4 蒜株 1 2 3 5 4 喂入口 链 链 夹持 链 板 毛刷 夹持 物料流向 物料流向 185第 57 卷 增刊 大蒜进行晾晒和后期拣拾作业 拣拾机作业时 拣拾铲和拨轮把铺放成条的大蒜从地上拣拾到分 离输送链上 蒜株在分离输送链的运送过程中进 行清土作业 然后把蒜株送入清选机 利用风选系 统将蒜株中的杂物清除 经过清理去杂的蒜株再 输送至人工分拣平台进行进一步清选除杂 大蒜 清选完毕后由输送器送至其后跟随的集运车上 19 日韩和西欧等国以小型自走式 牵引式 联 合收获模式为主 作业特点为可一次性完成挖掘 输送 切秧 或打捆 收集等工序 较为典型的 有日本洋马公司的大蒜联合收获机 如图 6 西 班牙 J J BROCH 公司的大蒜联合收获机 如图 7 丹麦 Asa lift 公司和比利时 Dewulf 公司的大蒜联 合收获机 收获作业时 由分禾器将蒜秧导入夹 持胶带 同时挖掘机构将大蒜根部土壤挖松 蒜 株在挖拔力的作用下被拔起 由夹持输送机构夹 着蒜秧向后输送 同时去土装置对蒜株进行清理 输送置切秧 打捆 装置处 完成蒜株的切秧 打 捆 最终实现大蒜的收集 国内大蒜机械收获研究起步较晚 技术储备 和研发力度不足 被推广使用的基本上都是功能 单一的大蒜挖掘机械 大蒜联合收获机械的研发 还处于起步阶段 基本都处于样机试验 中试熟 化阶段 切实推广使用的机型尚未存在 近几年 国内企业和科研院所相继研发推广 了几款分段式大蒜收获机械 如图 8 a 所示 与手扶式田间作业机配套的旋转圆盘式大蒜挖掘 机 该机采用前置式旋转圆盘刀实现松土和挖掘 具有所需动力小 结构简单 易维修的特点 如图 8 b 所示 与手扶拖拉机配套的大蒜挖掘铺放机 采用后置式犁刀 振动筛组合 可完成挖掘 蒜土 分离 铺放等工序 以便晾晒与捡拾 且与前两种 机型相比可更好地避免驱动轮对蒜头的碾压 农业部南京农业机械化研究所引进融合国外 大蒜联合收获技术 在国内率先研制出可一次性 完成扶禾 挖掘 清土 切秧 收集等工序的自 走式大蒜联合收获机 如图 9 所示 其主要由 履带底盘 分禾装置 扶禾装置 挖掘装置 链 式夹持输送装置 清土装置 对齐切秧装置 清 选装置 收集装置等组成 如图 9 b 所示 牛萌萌 等 大蒜收获机械研究进展 图 4 GW4400 型大蒜挖掘铺条机 图 5 GL2400 型大蒜拣拾机 图 6 HZ1 型大蒜收获机 图 7 J J BROCH 公司大蒜联合收获机 b 图 8 挖掘式大蒜收获机 a 前置旋转圆盘刀式 b 后置犁刀 振动筛式 a 186 农业装备与车辆工程 2019 年 4 大蒜机械收获效益 汪懋华 20 认为精准农业并不过分强调高产 主要强调效益 它将农业带入数字和信息时代 是 21 世纪农业的重要发展方向 近年来大蒜人工收获成本约 9 000 元 hm 2 收获高峰期甚至高达12 000元 hm 2 占总支 出成本的近 40 人工收获大蒜不仅成本高 且收获效率低 每人每天工作 10 h 仅能收获 0 020 0 025 hm 2 11 21 机械收获综合效率是人工 收获的十几倍甚至几十倍 实现大蒜机械化收获 对提高我国大蒜产业国际竞争力 减轻蒜农劳动 强度和增加蒜农收入等具有重要意义 5 结论 中国制造 2025 明确提出 以信息化与 工业化深度融合为主线 重点发展农业装备等十 大领域 农业机械信息化是提高土地产出率 资源利用率和劳动生产率 提高农机作业质量 经济效益和农机企业竞争力的重要措施 信息化 是加快发展农机装备的必由之路 用信息技术提 升农业机械化水平是建设现代农业的重要战略需 要 当前大型农业机械正在从机械化向智能化 信息化方向转变 从而整体提升农业机械化水平 进一步节约成本 提高效益 有利于精细化管理 提高作业精度 因此 大蒜生产在实现机械化的 前提下 提高自动化 智能化及信息化水平也必 将成为趋势 同时 进一步做好农机农艺的结合 多学科协同互助 从育种 种植到收获全面统筹 考虑 才能更好地加快推进大蒜机械化收获进程 参考文献 1 农业大数据应用云平台 农业统计数据 EB OL 2014 01 08 2016 04 13 agriculture data index reveal action db NYTJ 2 中华人民共和国国家统计局 中国统计年鉴 M 北京 中 国统计出版社 2015 3 荐世春 王小瑜 马继春 等 我国大蒜机械化收获技术研 究现状 J 农业装备与车辆工程 2012 50 4 14 17 4 邢立冉 李汝莘 王铁新 等 分置式大蒜收获机设计与仿 真 J 农业机械学报 2012 43 S 137 140 5 徐文艺 张华 张志超 等 小型大蒜联合收获机设计与试 验 J 农机化研究 2016 38 11 186 189 203 6 于昭洋 胡志超 王海鸥 等 大蒜果秧分离机构参数优化 及试验 J 农业工程学报 2016 32 22 77 85 7 胡良龙 胡志超 吴峰 等 国内大蒜种植及其生产机械 J 江苏农业科学 2010 6 576 578 8 周福兵 宋瑛颖 浅谈大蒜的种植及技术要求 J 农业开发 与装备 2016 12 178 178 9 杨力 张民 万连步 大蒜 姜优质高效栽培 M 济南 山 东科学技术出版社 2006 10 刘世琦 许莉 齐连东 大蒜生产关键技术问答 M 北京 中国农业出版社 2007 11 杨柯 胡志超 彭宝良 等 大蒜机械切须技术研究及试验 J 中国农机化学报 2015 36 3 153 159 12 王小瑜 崔荣江 荐世春 等 大蒜种体形态分析及植株收 获性能试验研究 J 农机化研究 2015 37 9 202 205 13 彭宝良 吕小莲 王海鸥 等 半喂入自走式大蒜联合收获机 J 农业机械学报 2011 42 S 138 141 14 吴彦强 李天华 林立恒 等 圆盘式大蒜挖掘装置的设计 与试验 J 中国农机化学报 2017 38 2 17 23 15 杨柯 胡志超 彭宝良 等 大蒜机械化切须技术探析 J 中 国农机化学报 2015 36 4 106 110 16 于昭洋 胡志超 杨柯 等 大蒜联合收获切根试验台设计 与试验 J 农业工程学报 2016 32 22 77 85 17 于向涛 胡志超 胡良龙 等 4DLB 2 型大蒜联合收获机作业 性能测试与分析 J 中国农业大学学报 2013 18 4 183 187 18 于昭洋 胡志超 彭宝良 等 大蒜果秧分离机构的蒜株运 动学建模与仿真分析 J 中国农机化学报 2014 35 2 216 221 229 19 胡志超 王海鸥 吴峰 等 美国大蒜机械化生产与加工概 况 J 安徽农业科学 2007 35 13 4059 4061 20 汪懋华 精细农业 发展与工程技术创新 J 农业工程学 报 1999 15 1 1 8 21 崔荣江 张华 徐文艺 等 我国大蒜机械化生产现状及发 展思路探讨 J 农机化研究 2015 37 3 264 268 作者简介 牛萌萌 1989 男 硕士 主要从事现代农业装 备研究 E mail 979379855 通讯作者 朱正波 1990 男 博士 主要从事现代农业装 备研究 E mail 735507858 1 分禾器 2 扶禾器 3 挖掘铲 4 夹持输送链 5 清土装置 6 对齐切秧装置 7 履带底盘 8 输送带 9 风机 10 清选筛 11 茎蔓输送带 12 茎蔓抛送链 图 9 4DLB 2 型大蒜联合收获机 a 样机照片 b 结构示意图 a 12 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10