农业物料挖掘收获机研究现状及展望

张亚萍，胡志超，游兆延，乔白羽，周德欢，吴 腾

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)



农业物料挖掘收获机研究现状及展望

张亚萍，胡志超，游兆延，乔白羽，周德欢，吴 腾

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)

农业物料挖掘收获机是农业机械的重要组成部分，被广泛应用于各类农业物料的收获作业中。为此，在大量查阅相关文献的基础上，综述了国内外农业物料挖掘收获机的研究现状，主要介绍了铲栅一体式、铲链组合式、铲筛组合式3种常见挖掘收获机的结构与工作原理，分析了存在的问题并给出了建议，旨在为农业物料挖掘收获机的优化与改进提供参考

农业物料；挖掘收获机；研究现状；展望

0 引言

农业物料种类丰富，土下作物就有20种多[1-2]，较为典型的花生、甜菜、薯类等土下作物是世界范围内广泛种植的经济作物，也是主要的出口创汇农产品。国家统计局相关统计数据显示，我国花生、甜菜及薯类的播种面积和产量多年来高居不下，2010-2014年，我国薯类年播种面积在870～900万hm2之间波动，花生年播种面积大概稳定在460万 hm2，甜菜年播种面积为20万hm2左右，三者总播种面积在1 300万～1 400万hm2之间波动，表明我国土下作物年种植面积相当大，其挖掘收获任务较为艰巨。另一方面，从2010-2014年，我国农用塑料薄膜的使用量净增加了约41万t，残留在田间地头的塑料薄膜成为主要的农业污染源之一，残膜的高效回收与再利用是许多科研人员面临的新挑战[3-5]。这些典型农业物料的收获，传统的作业方式为人工和畜力相结合，存在劳动强度大及效率低等缺点。随着农业生产结构的调整，收获要求越来越高，作业量也越来越大，传统的人工收获和畜力收获已经无法满足农业生产的需求，因而收获过程全面机械化是未来农业物料收获的必由之路。

目前，国内对于农业物料挖掘收获机的研究主要是针对某种收获对象的专用收获作业，现有的收获机普遍存在功能单一、利用率低的特点，这也是阻碍我国农业机械化进程的绊脚石之一[6-7]。分析农业物料挖掘收获机的研发近况，及时把握其发展动态，可以促进我国农机事业的发展，有利于我国全面农业机械化目标的实现。

1 农业物料挖掘收获机研究现状

农业物料的挖掘收获从开始的人工锹掘，经过畜力犁耕，一直发展到了今天的机械化收获[8-9]。目前，大多数发达国家已经基本实现机械化收获，部分经济不发达地区由于生产条件的限制，其收获作业方式仍然以人工收获为主。挖掘收获作业一般包括挖掘、分离、捡拾(或收集)等工序[8]，而挖掘和分离部件是决定收获效果的关键部分，也是国内外科研人员研究的热门方向。国内外针对农业物料所研制的挖掘收获机多为专用收获机，一般只用来收获某一种物料，功能较为单一。常见的农业物料挖掘收获机有马铃薯挖掘收获机、甜菜挖掘收获机及残膜回收机等。农业物料挖掘收获机以中小型机器居多，其结构简单、操作方便、稳定性好，因此深受农民的喜爱。

1.1 国外农业物料挖掘收获机研究现状

国外对农业物料挖掘收获机的研究时间长，发展速度快，技术手段先进，目前正在朝着大型化、智能化、人性化、光机电液一体化方向发展[9-10]。19世纪初，美国就开始了花生收获机械的研制，目前美国掌握着该领域最先进的技术。AMADAS和KMC公司是美国最著名的农机企业，他们对花生收获机械的研究与生产均长达40年左右，有着丰富的经验和成熟的技术，典型的产品有ADI系列花生挖掘机及2100型花生联合收获机[11-13]。20世纪初至中后期，西方国家已经基本实现了马铃薯的机械化收获,以联合收获、挖掘-捡拾分段收获为主，典型的机型有波兰Akpil公司生产的BULWA2系列挖掘收获机及德国GRIMME公司生产的联合收获机等[14-16]。20世纪末，随着覆膜技术的推广与使用，国外开始了残膜回收机的研制，以解决残膜污染的问题[17-18]。

1.2 内农业物料挖掘收获机研究现状

与发达国家相比，我国农业物料挖掘收获机发展缓慢，技术手段较为落后。20世纪中期，我国关于农业物料挖掘收获机的研究基本空白，相关收获作业基本靠人力和畜力完成。20世纪后期，部分地区开始使用中小型收获机，以小型居多。20世纪末至21世纪初，国内开始引进国外大型联合收获机。目前，国内农业物料挖掘收获机大多数是在对国外机器消化吸收的基础上研制的，一些研究是借鉴国外的先进经验、结合我国基本国情所展开的[10]。

中机美诺生产的1710B型挖掘收获机，适用于沙性或中性土壤中马铃薯和甜菜的收获作业，通用性强，单次作业可完成收获过程中的全部工序，作业效率高[19]。青岛万农达生产的4H-2型花生收获机，采用铲栅一体式设计，结构简单，性能可靠，主要用于覆膜种植花生的收获[20-21]。农业部南京农业机械化研究所研制的1MWL-165型和1MCDS-100A型残膜回收机，通过挖掘铲与升运机构相结合的方式进行地膜回收，残膜回收率较高，很好地解决了残膜回收难的问题。

随着我国农业生产结构不断调整及农村劳动力减少，逐步实现农业全面机械化成为解决“三农”问题的必由之路。近年来，随着科研实力的增强以及政府扶持力度的加大，我国农业机械行业发展势头良好，对于农业物料挖掘收获机的研究也越来越成熟，许多高校、科研院所和企业相互协作，共同研发符合我国基本国情及解决我国切实困难的农业设备，研究方向也从原来对国外农用机具的盲目模仿转向消化吸收与自主创新并举。

2 农业物料挖掘收获机的主要类型与特点

农业物料挖掘收获机具有结构简单、操作方便、可靠性高、易实现一机多用等优点，被广泛应用于各种土下作业对象的挖掘收获，如花生、甜菜、马铃薯的收获及农用塑料薄膜的回收等。国内挖掘收获机以中小型为主，一般自身不带动力，主要靠拖拉机的动力输出轴提供工作动力，并通过拖拉机后悬挂(一般采用三点悬挂)进行牵引作业。挖掘装置和分离装置是农业物料挖掘收获机的主要组成部分，与整机作业效果息息相关。目前，市场上的农业物料挖掘收获机种类繁多，形式多种多样，按照分离输送装置结构的不同，一般分为铲栅一体式挖掘收获机、铲链组合挖掘收获机及铲筛组合挖掘收获机，3种收获机各有其优缺点[22]。

2.1 铲栅一体式挖掘收获机

铲栅一体式挖掘收获机是结构最简单的挖掘收获机之一，通常不自带动力。这种机器的主要结构特点是挖掘部件与分离部件设计成一个整体式收获部件，工作时可由一个部件依次完成农业物料土下的挖掘、土杂的输送分离及物料的铺放等工序。青岛万农达研制的4H-2型花生收获机(见图1)，就是铲栅一体式挖掘收获机的典型代表。该收获机主要针对覆膜花生的收获，与花生覆膜种植农艺相结合，工作幅宽为750mm，一次可收获两行花生，生产效率高、损失率、破碎率小，各项指标均高于国家标准。该机采用摆动式挖掘原理，增强了机具的碎土能力，减小了挖掘阻力，避免壅土现象的产生。其两侧配置两个挖掘铲，工作时反向抖动，起到了振动平衡的作用，保证了机器工作的平稳性[20-25]。

1.挡板 2.限深轮 3.收获部件 4.传动装置 5.机架

2.2 铲链组合挖掘收获机

铲链组合挖掘收获机主要通过挖掘铲和升运链的组合完成收获作业。作业过程中，收获机在拖拉机的牵引下前行，挖掘铲将土下收获对象连同部分土杂掘起后一同往后方升运链上输送，利用升运链的摩擦力继续向后输送掘起物。输送过程中，由于击振装置的作用，升运链按照设定的频率和振幅抖动，对土壤进行一定程度的破碎和分离，最后将收获对象铺放到田间由人工捡拾，或者在后方配置集料箱直接进行收集。由于链轮带动升运链做回转运动，因此分离输送部分可通过自身的运动达到振动平衡，工作平稳可靠。通过调整升运链的振幅、抖动频率和升运角，可以使收获机获得较好的作业效果[26-27]。

按照分离输送升运链的结构形式，可将铲链组合挖掘收获机分为网链式(见图2)及杆链式(见图3)两种主要类型。网链式收获机的升运链由链条和筛网组成，其质量较轻，整体结构类似于柔性体，可以在一定范围内浮动，对收获对象造成的损伤较小，作业性能稳定、故障率低。筛网上网孔的存在减少了土壤与网链的接触面积，分离效果好。网链式挖掘收获机的主要缺点是网面易缠草，容易导致网孔的壅堵，影响作业效果。杆链式挖掘收获机的升运链由链条和杆条组成，其质量较网链式大，但强度较高，可以用来收获质量较大的作物，如红薯及马铃薯等。杆链式与输送对象的接触面积较网链式大，因此分离能力较后者弱，对收获对象的损伤较后者小[28-29]。

1.悬挂装置 2.传动装置 3.挖掘装置 4.分离输送装置

1.悬挂装置 2.传动装置 3.挖掘装置 4.分离输送装置

铲链组合挖掘收获机中较典型的有Akpil公司生产的BULWA2-2小型马铃薯收获机(见图4)，需配套25kW动力，收获后将马铃薯条铺于地表。该机总长2m，机身宽1.66m，高度约1.2m，分离装置采用杆链式升运链。其与BULWA2-1相比，由原来的一级升运增加到了二级升运，且一级升运链振幅可调。薯土分离装置采用两级升运链，增大了筛选行程，可使薯土分离更加充分。针对不同的土壤条件，可以调节振幅，以获得最好的分离效果。该机适用于行距6.25～7.5m马铃薯的收获作业，作业效果良好[14-16]。

图4 BULWA2-2马铃薯收获机

2.3 铲筛组合挖掘收获机

铲筛组合挖掘收获机主要通过挖掘铲和振动分离筛的组合完成收获作业，工作过程与铲链组合挖掘收获机类似，均是以拖拉机为动力源，通过挖掘铲将收获对象掘起，然后由分离输送装置进行筛分并输送到后方。两种收获机的不同之处在于分离输送动作的完成有所差异，前者由升运链完成收获物的分离输送，后者则由振动分离筛完成。铲筛组合挖掘收获机最大的优点是可以将振动分离筛做成可更换的形式，因此容易实现一机多用，从而延长机具的工作时间,提高机器的利用率,有利于改善机具短时工作、长时闲置的现状，适应了目前我国农业机械产品向多用途多功能方向发展的趋势[30-32]。该类机具的缺点是由于振动分离筛的周期性抖动，产生的惯性力难以抵消，从而引起整机的剧烈振动，产生噪声，加速了零部件的疲劳磨损和老化，缩短了机具的使用寿命，降低了驾驶的舒适性和工作性能的稳定性。因此，对于铲筛组合挖掘收获机，在保证生产效率的同时，还要减小机具的振动，提高机器的舒适性和稳定性[33-34]。

为了实现铲筛组合挖掘收获机的多功能化，振动分离筛常做成可更换的形式，可以根据工作环境和作业对象的实际需要更换不同结构形式的振动筛。振动分离筛的种类较多，常见的有杆条筛、锯齿筛、编织筛3种筛型，以及由这3种筛所构成的组合式振动分离筛，如图5所示。杆条筛由若干圆钢组成，是最为常见的筛型之一，输送性能较好，对作物损伤小，一般用来收获马铃薯、花生等需要考虑机械损伤的作业对象。锯齿筛由锯齿条均匀排组成，齿条之间留有一定间隙用于分离土壤，锯齿对收获对象有向后的作用力，同时对土壤有破碎的效果，因此输送性能好，碎土效果佳，但锯齿也会造成收获对象表面的损伤，因此一般不用来收获马铃薯等表皮易损伤的作物，常用来收获农用塑料薄膜。配置锯齿筛的残膜回收机残膜回收率达90%以上，但容易缠膜，需要通过控制工作参数(前进速度、振动频率等)来获得较好的收膜效果。编织筛是用钢丝编织而成的方孔筛，结构简单，质量较小，输送性能一般，易缠膜、缠草。因此，可以将不同筛型组合制作成组合式振动分离筛，如杆条-锯齿组合筛、编织-锯齿组合筛等，组合筛结合了不同筛型的特点，可以获得不同的分离输送效果。在实际的收获作业中，可以根据具体的作业对象和工作环境选择更换合适筛型，以获得最佳作业效果。

图5 振动分离筛

农业部南京农业机械化研究所研制的1MCDS-100A型铲筛式残膜回收机(见图6)是典型的铲筛组合挖掘收获机，主要用来回收农业塑料薄膜，作业幅宽为1m，机身全长约2.43m，高约1m。该机在传统铲筛式挖掘收获机的基础上有所创新，解决了机具振动大的问题。驱振轴左右两侧各配置了一个平衡块，用来平衡回转部件产生的离心力与力矩。振动分离筛采用了双筛结构，两个筛子质量相近，运动方向相反，用来平衡筛子抖动时产生的惯性力。两个方面的改进均有效降低了整机的振动，提高了机具作业的稳定性[35]。另一方面，双筛的使用相当于延长了筛面长度，增大了筛分行程，使土壤分离更加充分。振动分离筛使用的是锯齿筛，能够有效碎土，输膜性能较好。筛床与机架固定，筛面可更换，换成杆条筛后可用来收获马铃薯、花生及山药等，实现了一机多用。此外，该机通过安装电动推杆实现了自动卸膜，降低了劳动强度，提高了作业效率。

1.悬挂装置 2.击振机构 3.驱振轴 4.平衡块 5.机架 6.集膜框

3 我国农业物料挖掘收获机发展展望

近年来，我国农业机械化程度直线攀升，2014年农机化水平已经突破60%，标志着我国全面实现农业机械化的目标已经完成了一大半。但是，同发达国家相比，我国农用挖掘收获机的整体水平还有较大的提升空间[36]。挖掘收获机作为农业生产中必不可少的一部分，具有良好的发展前景。要实现我国挖掘收获机健康、稳定发展，未来需要从以下几个方面努力。

3.1 促进农机与农艺的相互融合

农机与农艺息息相关，均是现代农业生产中的重要环节，它们之间健康的关系应该是相辅相成、相互促进;然而,现实中我国农机与农艺在许多方面是相互割裂的，未能有效地融合，阻碍了我国农业机械化进程的推进，限制了我国农业生产效率的提高。因此，促进两者的有效融合是解决我国农机发展迟滞不前的当务之急[10,37]。要解决农机与农艺的相互割裂的矛盾，需要从科研人员入手，从事农机与农艺相关研究的人员需要熟悉农业生产中每一个重要环节，掌握相关的专业知识，对农业生产的整个过程有全面的认识，并把这种宏观的认识应用到相关的研究工作中去。同时，需要加强相关领域研究人员之间的交流和沟通，及时了解对方行业的最新动态。在此基础上，相关部门共同制定合适的技术方案，实现农作物规范化种植和农机的标准化生产。此外，相关部门与机构需要加大宣传力度，加强对农户的培训。需要注意的是，农机与农艺的融合过程中需要因地制宜，两个方面需要互相协调。

3.2 提高设计制造水平

设计制造水平是制约我国农业机械发展的关键因素，三次工业革命奠定了发达国家现代工业发展的基础。我国工业水平在改革开放后才逐渐开始提高，目前我国整体的工业水平已经有了质的飞跃，但仍落后于发达国家。因此，我国挖掘收获机的发展与发达国家相比也相对滞后，大型联合收获机基本靠国外引进，部分农机具是在引进国外产品的基础上仿制的，由于国内外作业环境不同，机具不能很好地适应国内的农业生产。相关科研单位应该在对国外先进机具消化吸收的基础上积极进行自主创新，努力提高自身设计能力，研制出符合我国基本国情的高水平挖掘收获机。各大企业、高校、科研院所应当相互协作，实现产学研一体化，提高我国农机行业的整体科研实力。在挖掘收获机的生产制造方面，应该引进高新技术，使用新材料，提高加工工艺水平，达到质量与产量并举[10,38-39]。

3.3 加大市场管理力度

目前，国内农机生产企业较多，由于监管机制的不完善，市场上挖掘收获机粗制滥造的现象较为严重，一些厂家只是进行简单的复制和模仿，打击了正规企业自主创新的积极性。相关监管机构应该提高企业的准入条件，加大农机产品质量的抽查力度，加强对农机企业自主知识产权的保护。此外，为了提高挖掘收获机的质量，维护农民的切实利益，农机生产企业应该建立有效的反馈机制和完善的售后服务体系，及时解决用户在机具使用中遇到的问题[10,40-41]。

3.4 把握国内外发展动态

在全球一体化的今天，我国农机行业面临挑战与机遇并存的局面，只有及时把握农业机械的全球发展动态，才能够抓住机遇大力发展我国的挖掘收获机。目前，国内外农业物料挖掘收获机的发展趋势体现在以下几点：①广泛应用高新技术，大型化、智能化、光机电液一体化趋势明显；②高度重视农机具的产品质量与通用化、系列化、标准化；③向安全、舒适、易操作方向发展，更加人性化；④向多功能化方向发展，实现一机多用[42-45]。

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Research Status and Prospect of Digging Harvester for Agricultural Materials

Zhang Yaping， Hu Zhichao， You Zhaoyan， Qiao Baiyu， Zhou Dehuan，Wu Teng

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

The digging harvester of agricultural materials is an important part of agricultural machinery, which is widely used in the harvest of various types of agricultural materials. Based on much relevant literature review, this paper summarized the research status of domestic and foreign digging harvester, mainly introduced the structure and working principle of shovel-grid type, shovel-chain type，and shovel-screen type digging harvester ，analyzed the existing problems and put forward suggestions, which can provide reference for the optimization and improvement of the digging harvester for agricultural materials.

agricultural materials ；digging harvester； research status；prospects

2016-08-25

公益性行业(农业)科技专项(201503105_08)；中国农科院创新工程项目(2016)；国家花生产业技术体系项目(CARS-16-机械化装备)

张亚萍(1991-),男，安徽安庆人，硕士研究生，(E-mail)1194599380@qq.com。

胡志超(1963-)，男，陕西蓝田人，研究员，博士生导师，(E-mail)zchu369@163.com。

S233.4

A

1003-188X(2017)10-0263-06