我国叶类蔬菜机械化收获技术的发展现状

陆海涛，吕建强，金 伟，张 鹏，吴芝玲，陈 业

(淮阴工学院 机械与材料工程学院，江苏 淮安 223003)

0 引言

我国是蔬菜产消大国，在种植的各类蔬菜中，叶菜类蔬菜的种类和品种极为丰富，有4大类230种，种植面积也十分巨大。据统计，叶菜类蔬菜产量已占蔬菜生产总产量的30%～40%，有些地区的叶菜产量比例更高[1]。叶菜类蔬菜产业已经发展成为带动农民劳动就业和致富的一个重要产业[2]。

传统叶菜生产属于劳动密集型产业，相对于耕整地、播种、移栽、灌溉及植保等作业，收获作业需要更多的劳动力[3-5]。随着我国城镇化进程的加快和农村富余劳动力向非农产业的转移，叶菜生产劳动力短缺和老龄化日趋严重，出现用工荒，生产用工成本增加，经济效益下降，谁来种菜的问题日益突出[6-7]。在我国蔬菜生产作业中，收获作业约占总作业量的40%[8]。人工收获劳动强度大、效率低、收获质量不稳定，已不适应叶菜生产规模化的发展趋势。叶菜生产全程机械化是现代农业发展的必然要求，收获机械化成为叶菜生产全程机械化的关键[9]。

叶菜是一类主要以肥嫩的叶片、叶柄和嫩茎为食用部位的蔬菜，如菠菜、韭菜、金花菜、生菜、白菜及茼蒿等。叶菜具有叶片柔嫩多汁而少纤维、种植密度大、生长迅速及收获时间紧迫等特点。我国叶菜产业正快速发展，实现叶菜的机械化收获具有复杂性和紧迫性，急需大量研究开发[10]。国外的蔬菜收割机械不完全适应我国叶类蔬菜的收获[11]，只有开发符合我国实际的叶菜收获机械，才能从根本上提高我国叶菜收获作业的自动化水平，这无疑具有重要意义。

1 我国叶菜收获机研制现状

虽然我国蔬菜机械化收获的研究起步较晚，发展相对滞后，但发展比较迅速。我国每年都出台相关政策，划拨大量的科研经费用于支持蔬菜生产机械化，包括叶菜机械化收获研究项目。

吴明聪等[12]研制的黄花苜蓿收获机，如图1所示。

1.支风管 2.切割刀 3.高度调节螺母 4.主风管 5.高度调节螺母 6.汽油机 7.支撑杆 8.前行走轮 9.机架 10.扶手 11.支撑杆 12.后行走轮

该机以汽油机为动力，以不带锯齿的往复双动刀为切割器，通过调节高度螺栓控制收割高度；用风机把黄花苜蓿吹到收集袋中，可避免机械收集对菜品的影响；采用大而轻的充气轮胎作为行走轮，工人在机后手扶机器前行完成黄花苜蓿的收获。机器配套动力为2.2kW，割幅110cm，割茬高度≤12cm且可调，风机流量为0.89mm3/min。

徐少华等[13]研发用于收割青菜、菠菜和韭菜等的收获机，如图2所示。该机具有带根和不带根收获两种独立的切割装置，采用多个动力，互不干涉；在输送装置的前部下方安装两个仿形轮，控制割茬高度；在切刀架前侧装有门框状的安全杆，既可以防止切刀撞上前方的障碍物，又可以避免切刀伤人；在切割装置和输送装置中间安装振动筛机构，以提高蔬菜的清洁度；通过带传动将蔬菜输送到后端，进行有序或无序收集。机器的配套动力18kW，作业速度0.2～0.3m/s，作业能力达0.35～0.4hm2/h，清洁度≥90%，收获率≥95%。

1.安全杆 2.剪切刀组件 3.振动筛机构

徐少华等[14]研发的白菜和菠菜收获机如图3所示。通过设计液压起落架与微调装置并联控制系统，使得割刀和收集装置的高度均可调节，保证留茬深浅一致，也可提高机器的通过性。机具不但可以在平地上进行收割，也可以在垄上进行收割，通用性较高。

1.操作手把杆 2.蔬菜收集箱 3.后固定轮 4.发动机 5.变速齿轮箱 6.鼓风系统 7.切割齿轮箱 8.割刀 9.机架 10.前浮动轮

丁馨明等[15]设计用于收获大棚蔬菜(金花菜、豆苗、小菜秧)的机器，如图4所示。该机用蓄电池为行走装置电机、输送装置电机及切割电机提供动力；采用双动刀往复式切割装置，设计电动推杆实现割台的升降，保证切割高度在一定范围可调；输送装置的助运拨板采用软体材料制作，可将割刀切割下的叶菜及时从割刀上拨运到输送带上。该收获机的总功率为0.6kW，收割幅度为1 000mm，作业效率达0.2～0.25hm2/h，收获蔬菜的高度范围为40～400mm。

秦广明等[16]以汽油机为动力，研制手扶式两轮行走的叶菜收获机，如图5所示。该机选择双凸轮机构将旋转运动转换成割刀的往复直线运动，通过绘制双动刀切割图及大量试验，确定切割速比为1.7，保证割茬齐整、切割质量的稳定。采用风机和收集板进行收集，收集板安装在切割装置前边，结构紧凑。整机大小为1 390mm×1 640mm×854mm，配套动力为2.28kW，整机质量为37kg，割幅达1 210mm，轮距为1 380mm。

1.切割总成 2.机架 3.风机 4.操纵手柄

高龙等[17]等应用形态学矩阵理论确定叶菜类蔬菜收割机的总体方案，如图6所示。收获机由蓄电池统一供电，采用多个电机分别提供动力；两个行走轮由直流电机直接驱动；前端安装割茬高度调整机构，由直流电机与丝杆升降机组成；前端底部装有割幅调节装置，既可由电机驱动，也可由人工进行微调；蔬菜输送机构置于机器中部，由两级带传动机构组成；一级输送带保持蔬菜竖直站立输送，二级输送带将蔬菜横向放倒进行输送；收集箱位于收割机尾部，完成对蔬菜的无序收集。

1.扶手 2.输送电机 3.输送机构 4.升降机构 5.电机 6.分禾器 7.割刀 8.割幅调整机构 9.机架 10.蓄电池 11.行走轮 12.控制箱 13.收集箱

马建国等[18]设计用于收割韭菜的机器，如图7所示。该机采用人力推动机具前行完成收割，将镰刀形割刀片安装在链条上，形成链式割刀。通过斜齿轮传动和链传动将机器车轮的转动转变为镰刀切割运动，用两对4条同步齿型带夹持切割后的韭菜进行输送和收集，可同时收割两垄(行)韭菜。

1.收割机扶手 2.调高杆 3.上盖板 4.传动柱 5.收割机轮轴 6.收割机轮 7.镰刀 8.拨禾板图7 韭菜收获机结构示意图

章永年等[19]开发了自行走式夹持有序收集蔬菜收获机，如图8所示。

1.分禾器 2.切割装置 3.提升装置 4.第1从动带轮 5.仿形轮 6.扶禾装置 7.电池 8.电动推杆 9.张紧支撑装置 10.转向装置 11.蜗杆 12.蜗轮 13.第1主动带轮 14.水平输送装置 15.机架 16.摆动轴 17.行走轮 18.底盘

该机用蓄电池和电动机提供动力。往复式直线割刀可同时收割多行蔬菜，作业效率较高；机具的柔性夹持输送装置由同步带传动机构、夹持轮和蜗轮蜗杆机构组成；电动推杆提升装置既可保持输送机构的倾斜角度，也可举升或降低柔性夹持输送机构；以底盘小轮车作为行走装置，前端底部设计仿形轮，保持割茬高度。该机外形尺寸为1 500mm×1 100mm×550mm，作业幅宽达1 000mm，行驶速度0.6～1.9m/s，割茬高度为10～200mm，生产效率为0.2～0.5hm2/h。

胡杰文[20]设计的空心菜收获机如图9所示。机器由拖拉机侧牵引式拖动前行，用多级链传动将拖拉机动力传递给切割器、行走装置和输送装置；选用标准II型往复式切割器，在拨禾轮辅助下用单动刀切割空心菜，选择曲柄连杆机构(偏心轮连杆机构)作为切割器的驱动机构；用宽皮带将空心菜推送至收集箱进行无序收集。

1.切割器传动机构 2.连杆 3、5、6、7、8、11、12、14、15、16.链轮 4.偏心轮 9.主轴 10.拖拉机 13.牵引装置 17.往复式切割器 18.拨禾轮 19.输送带 20.收集箱 21.行走轮 22.机架

申屠留芳等[21]设计乘坐式自行走叶菜收获机如图10所示。

1.机架 2.履带底盘 3.发动机 4.液压缸

该机以柴油机为动力，割刀为回转式带锯刀具，行走装置为履带，割刀和履带分别由液压马达驱动；通过更换割头，实现带根或不带根收获，具有一定的通用性，用收集箱进行无序收集。农机输入功率为65kW，整机质量1 225kg，割幅为1 350mm，输送带大小为2 600mm×1 350mm。

高国华等[22]对温室雾培蔬菜的机械化收割进行研究，研制的设备如图11所示。该机具由定植板运输机构、蔬菜收获机构及蔬菜运输机构3部分组成。蔬菜收获机构是核心机构，选择锯齿形状割刀，切割方式为滑切。采用双夹取手爪抓取蔬菜，以气缸驱动切根手爪完成蔬菜的切根。

1.定植板运输平台 2.收获机构 3.运输平台

此外，盐城明悦机械厂研制的韭菜收获机(MY-306)如图12所示。上海康博实业有限公司研制的韭菜收获机(4G-200)[23]适用于对行收割韭菜，如图13所示。

图12 MY-306收获机

图13 4G-200收获机

山东青州华龙机械科技有限公司研制的华龙4GZ-180蔬菜收获机[24]适用收获生长于土壤绝对含水率为15%～25%的叶菜，如图14所示。江苏镇江市农机推广站研制的叶菜收获机(4GDS-1.0)[25]如图15所示。

图14 4GZ-180收获机

图15 4GDS-1.0收获机

综上所述，我国叶菜收获机研发的基本格局为以小型化收获机研制为主，兼顾大型叶菜收获机的研制。以研制土培叶菜机械化收获为重点，雾培叶菜收获机的研制则刚刚起步。叶菜收获机已有试验平台、产品样机和商业推广机型，但品种和数量不多，通用机型少，系列化产品少。同国外相比，我国叶菜生产的机械化水平和程度还有较大差距，缩小差距还需付出更多更大的努力。

2 叶菜收获机的设计技术

完成叶菜收获的环节有分禾、扶正、切割、传送、收集及运输。叶类蔬菜收获机的基本组成包括动力、切割装置、行走装置、输送装置和收集装置等。叶菜收获机基本性能指标有配套动力、割幅、作业速度、割茬高度及作业效率等。

2.1 动力设计

实现收获机的行走、割刀的切割运动、传动装置的运行都需要动力装置提供动力。常用的动力有电动机、汽油机、柴油机等。动力装置除了提供充足的动力外，还要兼顾叶菜的生长特性、生长环境及自身质量。对于在温室大棚种植生长的蔬菜，柴油机、汽油机排放的废气会污染空气，对蔬菜造成一定的污染。对于一次种植多次收割的蔬菜(如金花菜、韭菜)，为了保证蔬菜的后续生长，尽量减少动力源质量，以减少机具总质量及对蔬菜割茬的压踏。如果采用拖拉机作为行走装置，用拖拉机提供动力源是普遍选择。行走装置、切割装置、传动装置既可以分别采用1个电动机作为动力，也可以共用1个电动机。日本开展以沼气作为动力的研究，德国研究氢动力的农用机械[1]。沼气和氢作为动力符合低碳环保要求，为农机动力的发展提供新方向。

2.2 行走装置设计

蔬菜收获机的行走装置是解决收获机在田间行走、移动、转向及转场等问题的机构。行走装置对田间坑凹地形、土壤环境具有较强的适应性，具有行走平稳、高通过性、低打滑率、减少对田地的碾压、操作方便灵活等特点，一般由行走轮、车架、安装轴、刹车装置及离合器等部件组成[26]。行走轮有履带式和车轮式两种，车轮式应用较多，行走轮数量一般取为2～4个。收获机的行走既有人工把扶行走收获机，也有独立自行走收获机。前者需要人工把扶才能平稳前行作业，完成蔬菜收割，适合小田块叶菜的收割，收割质量易受人工影响。独立自行走收获机(如拖拉机牵引行走)不需要人工把扶完成收割作业，适用于大田蔬菜的收割。当前，许多蔬菜设施空间小、不标准，普遍存在着作业机械“路难走、门难进、边难耕、头难掉”的现象，导致行走装置难以达到良好的通过性。收获机在田间的行进速度是影响其作业效率的关键因素，也是影响叶菜切割质量的重要因素。通常取行走速度与割刀的平均切割速度的比值(割速比)进行设计，确定割速比的常用方法是绘制切割图。

2.3 切割装置设计

切割是指将散乱的蔬菜扶正，用割刀对蔬菜切割部位进行切割，并将割下的蔬菜输送离开割刀的过程，包括分禾、扶正及切割等环节。切割装置的组成零部件有切割器、扶正部件、拨禾部件、护刀扳、变速箱、割刀高度和割幅调整机构等。按照切割蔬菜的运动形式分类，叶菜收获机的切割器有往复直线切割器、圆盘旋转切割器、齿形链式切割器、回转带式切割器及镰刀型切割器等[27-28]。往复式割刀具有所需动力小、作业稳定及结构紧凑等优点。在国家标准GB/T1209-2002中，制定了6种标准往复式切割器[29]，叶菜收获机切割器首选标准往复式割刀。受割刀旋转直径的限制，圆盘旋转切割器适用于对行收割，工作幅度小，机器前进速度慢。齿形链式切割器传动简单，工作平稳，既可宽幅收割，又可实现高速作业。

往复式切割器分为单刀往复切割和双刀往复切割两种。往复式双动刀切割器的切割速度可达往复式单动刀切割速度的1.5倍。按传动原理的不同，往复式切割器的传动机构可分为曲柄连杆机构、摆环传动机构和行星齿轮传动机构3种。曲柄连杆机构结构简单，制造成本低；行星齿轮式传动机构的特点是磨损和振动小，工作稳定可靠，但制造精度高、结构复杂[30]；摆环机构具有结构紧凑、稳定和噪声小等优点[31]。在叶菜收获机中，常用曲柄连杆机构作为往复式切割器的传动机构。切割器高度和割幅调整机构主要有铰链四杆机构、螺旋机构和液压缸。

减小漏割区和重割区面积是切割器设计的基本要求。夏萍等[32]利用MatLab软件对往复式切割器切割图进行数值模拟，对影响切割图的漏割区和重割区面积的关键参数进行仿真计算，获得运动参数和结构参数的组合。实践表明，恰当的切割速度与收获机前进速度比可有效保证割茬整齐及切割质量的稳定。对于需要带根收获的叶菜(如菠菜、芹菜)，一般采用往复式单动刀切割器，但目前关于土壤环境、割刀切入深度和角度、保留菜根长度等对收获质量影响的研究基本处于空白。

2.4 输送装置设计

输送装置是蔬菜收获机的重要组成部分，其将切割下来的叶菜输送到收集装置，保证被切割的叶菜及时离开割刀，有效防止蔬菜在割刀附近堵塞挤压，输送过程中避免损害蔬菜品相，防止污染。按照输送方式分类，输送装置可分为推送型、风送型、夹持型、推送加振动复合型及拨指链式输送型等[33-34]。叶菜类型决定输送方式，韭菜、菠菜等需要夹持输送，生菜需用推送型装置，金花菜、三叶菜宜采用风送型装置。按照输送路线分类，输送装置分为一级输送装置和二级输送装置。输送速度、最小夹持力、最小摩擦力是输送装置的主要参数。常用传动装置有带传动、链传动及蜗杆传动等，以带传动应用最为广泛。

2.5 收集装置设计

收集是蔬菜收获在田间的收尾环节，收集不利会造成较大损失。保护蔬菜品相不被污染是叶菜收集的基本要求。叶菜的收集方式分为有序收集、无序收集两种方式；有序收集是指将收割下来的蔬菜摆放整齐，保持割头整齐，如韭菜、菠菜的收集；无序收集则把蔬菜零散地收集起来，不考虑整齐性，如生菜的收集。收集装置主要指标有损伤率、收净率及收集效率等。收集装置采用较多的是收集箱，其便于蔬菜的运输，但人工劳动强度大。有的叶菜(如金花菜)单体细小，单重较轻，切割后用风力将蔬菜吹到收集袋中，完成收集。气力收集装置包括风机、风管和收集袋。在有序收集基础上，将叶菜切割后进行打捆，这是叶菜收集的一种新方式，其研究还处于起步阶段。

2.6 其他零部件设计

叶菜收获机的组成部分还有控制装置、变速箱、机架、仿形轮及把手等。为减小整机质量和大小，这些零部件设计尽量减小质量、结构紧凑，顺应通用化和系列化设计要求。

综上所述，叶类蔬菜收获机主要组成部件的类型、特点、应用比较如表1所示。

表1 叶类蔬菜收获机部件类型、特点及应用

★塑料大棚、日光温室、露地小田；●露地大田；▲小面积山地、坡地；◆单体细小、单重轻蔬菜；■高植株叶菜；□较多；△较少。

3 存在的问题与对策

3.1 存在的问题

1) 尽管各级政府、科研机构和企业对叶菜收获机械获越来越重视，但种菜是劳动密集型产业思想和重粮轻菜思想仍根深蒂固，人工收获仍是叶菜收获的主要方式，尚未形成蔬菜机械化收获的共识；农业基础设施建设薄弱，叶菜种植农艺简单粗放，农艺与农机的结合不紧密，设施农业生产不规范，没有统一标准。这些问题都制约着叶菜的机械化收获技术的发展，亟待解决。

2) 我国叶菜收获机研制起步晚，底子薄，技术创新少，研制的收获机类型少，通用性差；受传统农业生产模式的影响，有的机械化收获达不到人工收获的质量；叶菜收获机价格高，投资回收周期较长，叶菜收获机性价比低；具有完全自主知识产权的技术装备少，跟国外技术差距较大，缩小差距还有很长一段路要走；此外，目前研究主要集中在满足叶菜收割要求方面，而对叶菜本身的几何形状和物理特性研究极少，叶菜收获机设计技术理论体系还不完善。

3.2 发展对策

1) 在我国耕地面积减少的严峻形势下，应加快制定相关政策保护现有叶菜种植面积，加强叶菜种植基础设施建设；基于叶菜的生物学特性，探索符合机械化收获的栽培模式，制定叶菜生产机械标准，使规范标准先行，缩短研发周期；将农机与农艺更加紧密结合，相辅相成，协调发展，尽快实现叶菜的大规模化生产。同时，加大财政支持力度，鼓励更多的科研机构和企业进行叶菜收获技术的研究，建立完善的售后服务体系，保护和提高广大种植户的积极性。

2) 通过研制专门化、小型化、低成本、轻量化、高采收率的收获机，提高叶菜收获机的普及率。通过研究不同种类叶菜的几何形状(株高、株径、根径、根长、扩展度等)和力学特性(剪切力、拉断力等)，建立数据库，为确定收获机械的关键部件参数提供理论支撑。采用现代先进设计技术，创新设计，按照叶菜收获作业要求进行功能组件的划分，各功能组件之间可以自由组合，进行模块化设计，提高叶菜收获机的通用性，顺应叶菜种植规模化和产业化发展趋势。

4 结束语

我国叶菜收获机的研制已经取得较大进步，开始进入快速发展阶段，但由于我国叶菜类蔬菜的生产条件和生产方式具有特殊性，叶菜机械化收获研究应坚持多部门、多学科联合攻关，摒弃急功近利思想，坚持自主创新，采取引进应用和自主研发并重策略，加强技术储备，研制具有完全自主知识产权的叶菜类生产技术装备，为实现智能化的可选择收获和我国蔬菜生产的现代化打下坚实基础。

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