白萝卜联合收获机的研究现状与发展探讨

姚 帅，缪 磊，谭 俊，赵 湛，蔡国芳，黄毅成

（1.江苏大学农业工程学院，江苏镇江 212013；2.泰州携创农业装备有限公司，江苏泰州 225300；3.泰州市农业机械推广站，江苏泰州 225300；4.江苏省农机具推广应用中心，江苏南京 210017）

0 引言

我国是世界最大的萝卜生产国和消费国，种植面积近130万hm2，产量达4 500万t，约占世界总种植面积和产量的40%和47%[1-3]，是仅次于白菜的第二大蔬菜。萝卜属于根茎类蔬菜，具有生长周期短、适应性强、单产高的特点，可以四季栽培、周年供应。萝卜按照颜色可以分为白萝卜、胡萝卜、青萝卜和红萝卜等品种。按照种植时间的不同，白萝卜又可分为春萝卜、渡夏萝卜、秋萝卜以及四季萝卜等，在我国各地均有广泛种植。种植模式主要为垄作点播，不同品种萝卜的垄距、行距、种植密度等都存在一定差异[4，5]。成熟的白萝卜总长度能够达到25～40 cm，重量0.5～1 kg。

目前，我国白萝卜的收获方式还是依赖人工和半机械化收获，其中，半机械化收获主要是通过机具进行松土、挖掘，然后由人工捡拾装袋完成收获过程，用工量大、劳动强度高、作业效率低。近年来，国内相关科研院所和企事业单位相继开展了白萝卜收获装备的研究探索，工作原理包括挖掘式和拔取式两种。挖掘式收获机大多借鉴根茎类作物收获机的结构，相比于胡萝卜以及其他块根类作物，白萝卜的体型硕大，如图1所示，块根大小不一、地面裸露高度差别大，导致这类机具功耗大、损失损伤率高、环境适应性差、易出现拥堵缠绕等问题，田间工作性能不稳定。拔取式联合收获机能够实现挖掘（松土）、夹持、输送、切樱、收集一体化作业，是国外先进萝卜收获装备的主要工作方式。其作业效率高、生产成本低、劳动强度低，但整机机构较为复杂，影响作业性能的因素多，需要进行作业性能和状态的自动化监测与控制以实现各工作部件作业过程的协同优化。

图1 白萝卜种植情况

1 萝卜收获机研究现状

1.1 欧美研究现状

欧美等国家萝卜收获机械研究起步较早，受到饮食习惯的影响，以胡萝卜机械为主，经历了从牵引式到自走式的发展历程，已经基本实现了生产全程机械化、信息化、智能化，如ASA-LIFT、Weremczuk、Grimme、Vogel、Ploeger等机型。

1.1.1 拔取式收获机

先进的萝卜联合收获机以拔取式联合收获为主，主要由扶禾器、松土、拔取夹持、去土、齐平导向、根茎分离、块根输送和抛秧等装置组成[6]。工作过程中，首先在白萝卜底部进行松土，然后利用夹持装置将块根和茎叶从土壤中拔出，经传送带夹持输送并完成切樱、收集工序。

丹麦ASA-LIFT[7]公司的T系列和德国Grimme公司的SP系列收获机，分别如图2、3所示。为解决对行收获问题，采用了夹拔胶带起收单元设计，该装置具有横向位移功能，由对行卡钳进行记录作物位置，自动调节起收单元位置，实现精准对行收获。并且采用了液压仿形技术，能够根据不同的田间环境对机架进行升降自动调节，提高了作业适应性，解决了多行种植模式下，种植直线度低的收获难题，有效降低了损伤和损失率。

图2 丹麦ASA-LIFT T-400多行萝卜收获机

图3 德国GRIMME SP 200萝卜收获机

比利时Dewulf[8]公司研制的夹拔式萝卜收获机，如图4所示，工作部件安装于机器前部，通过底部松土铲松土后，由起拔皮带夹住萝卜樱拔出萝卜，并向上输送到切顶机构，切除樱叶后装车，从而一次性完成挖掘、拔取、清选、集果作业流程，有效的解决了机前壅土和损伤率高的问题。

图4 比利时Dewulf ZKIV萝卜收获机

波兰Weremczuk的拔取式萝卜收获机采用后悬挂结构形式，如图5所示，收获宽度和高度可以调节，采用仿形机构控制机架的升降，能够在复杂环境下进行萝卜拔取作业，收获的萝卜通过传送带输送到配套储料箱内。

图5 波兰Weremczuk拔取式萝卜收获机

1.1.2 挖掘式收获机

挖掘式收获机主要由切顶器、限深轮、挖掘铲、抖动输送链和行走轮等部件组成，配合大马力拖拉机使用。它采用切顶器切去萝卜茎叶，然后由挖掘铲将萝卜从土壤中挖出，并通过输送链输送至升运器和收集箱，在输送的同时，清除土壤和杂物。如图6所示的丹麦ASA-LIFT挖掘式萝卜收获机。工作过程中，先由切顶装置将萝卜的樱切除，割刀间距可自由调整，能够适应不同的种植间距，挖掘铲入土，再将收获宽度内的萝卜和土一起挖掘送入输送链，采用两级输送链进行果土输送分离，即挖掘出的萝卜和土块进入第一输送链，在输送过程中通过抖动轮上下抖动，实现土块破碎并与萝卜分离，随后将萝卜和未被分离的土块送至第二级输送链，进一步分离以提高清洁度。这种收获方式适用于块根入土深度浅、土质疏松的种植环境。在入土深度较大的黏性土壤作业时，阻力大、整机功耗高。

图6 丹麦ASA-LIFT挖掘式萝卜收获机

1.2 日本研究现状

日本石井鉄公司制造的JH90白萝卜收获机，如图7所示。它在扶禾器装置上安装了网络摄像机，当白萝卜樱进入扶禾器的工作位置时，摄像机通过图像处理技术，检测出萝卜和叶的边界，以边界位于图像的中心位置为基准位置，进行拔取位置的调整，并能够通过油缸调节拔取高度，从而实现自动对行收获。运送萝卜的输送机和集装箱均采用了独立液压驱动，在输送机的顶端安装了光电传感器，以测量萝卜在容器中的装载状态。田间作业时，需要3人操作，驾驶员操作收获机，另外两个人操作装载装置。

图7 石井鉄JH90白萝卜收获机

日本久保田研发的CH-201C萝卜收获机，如图8所示，整机采用侧悬挂结构和HST无级变速底盘，输出功率14.6 kW，作业速度0.8 m/s。设计了L型松土铲松土进行果土分离，以便于后续的拔取；设计了出叶齿轮箱，以提高切樱位置精度，切断的叶子通过转运装置排到机器右侧，避免履带碾压；整机没有自动化收集装置，作业需要两名操作人员，一人负责驾驶收获机，另一名负责萝卜的装卸。

图8 日本久保田CH-201C胡萝卜收获机

1.3 国内研究现状

近年来，国内相关科研院所和企事业单位相继开展了白萝卜收获装备的研究探索工作，如河北农业大学开发了专用的白萝卜挖掘铲，工作时，通过挖掘铲破坏白萝卜与土壤的接触力，使萝卜与土壤分离，然后由人工捡拾装袋完成收获过程[9]；石河子大学、东北农业大学、青岛农业大学等单位对白萝卜收获机的振动松土铲进行了结构设计，利用偏心连杆式振动装置进行松土作业，以机器行走速度、松土铲激振频率和振幅、铲面入土角、铲刃倾角作为影响因素，进行了结构和作业参数优化[10-12]。黄文禄研制了一畦两行自走式萝卜收获机，收获部件主要由扶页、导入、挖掘、夹持、切樱、收集等装置组成，能够实现松土、夹持、输送、切樱、收集一体化作业[13]。江苏省南通市农机化技术推广中心设计了白萝卜挖掘收获机[14]，如图13所示，主要由机架、挖掘铲及限深装置等组成，作业时，挖掘铲将种植垄内白萝卜侧边及下方的土壤铲松，垄内土壤受到挤压破碎，萝卜与土壤实现分离，萝卜单果随松散土壤流侧向上浮，最后由人工捡拾装车。

图9 南通市农机化中心研制的白萝卜挖掘收获机

泰州携创农业装备有限公司研发的自适应柔性拔取式白萝卜联合收获机，如图10所示。针对收获过程中由于茎叶掐折而造成白萝卜不能有效拔取、夹持输运过程中的脱落问题，设计了由锥度扶禾头、旋转扶禾套、仿形滑板、垄面距离测量装置等构成的仿形扶茎部件，仿形滑板在弹簧的作用下紧密贴合垄面，通过传感器测量仿形滑板的位置，获取扶茎头与垄面的距离，使得扶茎机构能够根据萝卜栽培环境进行位置的自动调节，提高萝卜茎叶夹持位置的稳定性，降低收获损伤率和损失率。

图10 泰州携创拔取式白萝卜联合收获机

2 存在的问题

我国白萝卜种植区域分布广泛，各地区的气候、地形、土壤等环境差异显著，播种方式多样化，种植密度、行距、株距、品种以及垄型都存在差别，导致尚未形成统一的农艺种植规范，机械装备也没有统一的设计标准，农机与农艺的不匹配，增大了机具研发和推广的难度。

针对白萝卜收获的理论研究较少，大多在其他根茎类收获机械的基础上进行改造，应用于白萝卜收获存在明显弊端，如振动式挖掘机构的入土性能好，但工作速度低、阻力大；而平铲式挖掘机构对作物的损伤较大、挖掘易壅堵，完成松土后还需要进行人工拔取、切樱，工序多、成本高、稳定性差。进口的联合收获机价格昂贵，大多适用于胡萝卜收获，难以直接应用于白萝卜的联合收获作业。

3 发展方向

我国是一个多山区、丘陵的大国，小片分散生产方式普遍，针对不同种植区域、不同种植品种，需要对耕整地、播种方式、种植密度、行距株距等进行规范统一，制定完善的配套作业参数，加强农机农艺结合，形成标准化的生产模式。联合收获能够一次性完成拔取、切樱、输送和装载等多个工序，是最高效的收获方式，也是白萝卜收获技术发展的方向。需要重点突破萝卜茎叶夹持位置的稳定控制、自动对行调节、作业状态监测与各作业部件作业参数协同控制等关键技术，攻克挖掘阻力大、效率低、果土分离不净、漏收和损伤大的难题，逐步推动机具向多行高效、智能化方向发展，从而提高整机的作业效率和不同作业环境的适应性。

4 结语

随着农业发展速度的不断加快，实现联合收获作业是白萝卜产业发展的必然趋势。缺乏理论研究基础、农机农艺不匹配、种植模式多样是制约我国白萝卜收获机械化发展的重要主要因素，尚无完备的经验可以借鉴，亟待通过政策扶持、积极引导，促进创新攻关，从而制定具有自主知识产权的技术体系和标准。机械化装备的研发和标准的制定，也有利于改善栽培和种植模式，实现农机农艺结合和规范化、标准化、规模化生产，这是加快白萝卜生产机械化发展的重要保障和必由之路。