根茎类作物低阻低损收获方法研究现状

贾博喧，田斌，孙伟，张华，刘小龙，李辉，王虎存，鞠远瑾

（730070 甘肃省 兰州市 甘肃农业大学 机电工程学院）

0 引言

根茎类作物是我国重要的经济作物，通常是指食用部分为根或茎的作物，如马铃薯、胡萝卜、大蒜、甘薯等蔬菜以及黄芪、当归等中药材。由于根茎类作物不同于其他地上作物，其果实在成熟后埋于地下，人工收获劳动强度大。为降低劳动强度，提升收获效率，现多采用机械化收获。但在机械化收获过程中，常遇到工作阻力大、收获损伤严重等问题，影响收获效率，因此研究根茎类作物低阻挖掘方法，改进根茎类作物收获机械，降低机械收获过程中各部件对根茎的损伤，可有效促进甘肃省乃至全国根茎类作物产业的均衡发展，推进农业供给侧结构性改革和乡村振兴，还可以提高我国农业机械化整体水平，大幅提高农业劳动生产率。本文介绍了目前国内外根茎类作物低阻低损收获方法的研究现状，分析了其中存在的问题及未来发展方向，旨在为进一步研究低阻低损收获方法提供参考。

1 根茎类作物低阻挖掘理论研究

1.1 振动减阻理论研究

1.1.1 国外现有振动减阻理论研究

由于固定式挖掘铲牵引阻力很大，造成机具消耗功率增加，所以需要寻找一种能够减小牵引阻力的挖掘方法。针对此课题，国外学者在20 世纪50年代提出了解决方法，即将振动引入到田间土壤耕作部件，在各类根茎类作物收获机上设计安装振动挖掘铲，并进行田间试验，得到了初步成效，同时开始了振动减阻机理的研究。Johnson[1]等将振动挖掘铲应用于马铃薯收获机，认为理想的振动挖掘铲可降低挖掘阻力、减少根茎损伤、促进物料向分离机构输送、提升根土分离效率等；Saqib[2]等设计了振铲式甘薯收获机。田间试验表明，与传统固定铲相比，振动铲使得土块更为细碎，土壤容重大幅降低；Kang[3]等设计了小型振动式马铃薯挖掘机，对振动挖掘铲动力学设计参数进行了评估，并研究了设计参数对作业阻力和功耗影响，给出了设计参数的参考准则。

1.1.2 国内现有振动减阻理论研究

在通过振动实现减阻的初步效果后，国内学者进行了更深入的研究，设计了不同结构的振动挖掘机具，并针对根茎类作物振动挖掘中的阻力影响因素进行优化设计。文学洙[4]等以马铃薯振动挖掘机为试验平台，研究了影响挖掘机作业性能的参数，根据振动铲和振动筛上特定点的运动轨迹和土壤堆积厚度，找出最佳的试验参数组合；吴海平[5]等进行了4S-80 马铃薯振动挖掘机牵引阻力的测试，结果表明铲筛振动状态下可显著降低挖掘作业时的机具牵引阻力和拖拉机牵引功率；石林榕[6]等采用响应面分析方法确定了速率、入土角、振幅、振动频率各因素对铲筛振动式马铃薯挖掘机牵引阻力的影响关系；邓干然[7]等将组合式振动铲应用于木薯挖掘收获机，显著减少了挖掘阻力；付威[8]等利用偏心连杆式振动装置进行松土试验，采用二次正交旋转回归试验设计，建立数学模型，最终优化了萝卜收获机振动松土铲的作业参数；杨小平[9]等优化了黄芪挖掘机振动挖掘铲参数，提升了整机作业性能，满足了黄芪挖掘农业要求。

针对我国各地区根茎类作物生长环境与土壤条件的不同，如丘陵山地区域不适宜大型机械作业等，在设计收获机具时考虑不同地形的作业需求，因地制宜地设计研发不同种类挖掘机，以满足当地作物的挖掘农业要求。在适当条件下，通过振动式设计弥补工作条件上的缺陷。吕金庆[10]等针对丘陵山区小地块、小动力等制约马铃薯机械化的问题，研究设计了4U1Z 型振动式马铃薯挖掘机，取得了较佳应用效果；张瑞[11]等针对我国丘陵山地作业大型机械不适宜、小型手扶类拖拉机动力不足的问题，设计了一种铲筛激振式马铃薯挖掘机。试验表明，振动挖掘可降低牵引阻力，提高土薯分离效率。

1.2 挖掘铲外形设计减阻理论研究

除在耕作挖掘部件中引入振动以外，改变挖掘铲形状、表面改性或采用仿生法也是减小工作阻力的另一种有效手段。

1.2.1 国外现有外形设计减阻理论研究

国外学者利用各种试验方法，通过计算挖掘铲的表面形状参数与工作阻力之间的关系，确定能够使挖掘阻力为最小的形状参数。Spektor[12]试验研究了挖掘铲切削土壤过程中的前进阻力与作业参数的关系，发现其与宽度呈线性关系，与挖掘深度成非线性关系。Shmulevich[13]等利用离散单元法和土槽试验对4 种不同形状的挖掘铲进行了研究；Godwin[14]研究了水平阻力与耕深、耕宽比值的关系，发现极窄齿水平阻力随耕宽的增加呈正比例增大。窄齿水平阻力随着耕宽的增加而增大，但增长率逐渐减小。宽齿的水平阻力随着耕宽的增加而缓慢地线性增加；Armin[15]等设计了不同弧度的切土刀片，通过有限元法仿真试验发现，切土刀片弧度越大，在土壤中移动所受阻力越小。

1.2.2 国内现有外形设计减阻理论研究

本世纪以来，为了进行挖掘减阻研究，国内学者将仿生法应用于农业工程。仿生法是通过模仿生物系统的原理、功能、结构等特征，建造技术系统并完成发明创造的方法。以生物原型为基础，通过建立数学模型，最终转换为所需的硬件模型。其中，非光滑形态仿生和结构仿生在触土部件脱附减阻中已得到大量应用，而且利用逆向工程技术获取生物结构三维模型，进行结构仿生研究较为普遍[16-17]，技术也趋于成熟。

近些年，我国一些学者应用仿生法设计根茎类作物挖掘铲，通过对擅于挖掘的生物进行仿生学研究，设计挖掘效率高、阻力小的挖掘部件，在改善根茎挖掘机作业性能方面取得了显著成效。石林榕[18]等提取蝼蛄前爪趾轮廓信息，将其运用于马铃薯挖掘铲的结构设计，基于离散单元法进行仿生铲片挖掘土壤数值模拟过程，结果表明较普通三角铲前进阻力减小了11.36%，垂直方向减小了17.65%；刘世豪[19]等对木薯挖掘铲进行了结构仿生设计，采用多目标决策方法优化了结构，提高了挖掘铲的整体机械性能和整机作业性能；Fan[20]、赵萍[21]等基于野猪拱嘴设计了一种仿生马铃薯挖掘铲。试验表明，相对于普通平铲，仿生挖掘铲减阻21.8%；李长铭[22]等设计了花生仿生挖掘铲，并进行了仿真分析，结果表明仿生挖掘铲的减阻性与碎土性能均好于普通挖掘铲；杨然兵、尚书旗[23]设计了一种多功能曲面挖掘铲，对比试验表明多功能曲面铲去土率提高了4.8%，掉果率降低了1.03%。

2 根茎类作物低损收获方法研究

根茎类作物收获过程中的损伤，一般出现在地下挖掘和作物挖掘后集运的过程当中，因此找出使作物损伤的因素，研究其损伤机理，并通过试验进行优化的方法，是低损收获方法研究的重要手段。

2.1 通过试验评估收获过程中的损伤因素

欧美发达国家从20 世纪初开始研究根茎类作物机械收获中的损伤因素，取得了较好成果并得以应用。Brook[24]等用仪器球记录了马铃薯收获机关键部件与块茎间的冲击；Bentini[25]等使用电子甜菜评估收获机在不同前进速度下对甜菜的损伤；Ulvskov[26]对转基因马铃薯进行了机械特性和应力松弛特性的试验，研究发现转基因马铃薯在进行单轴向压缩及侧链切断时更易破碎，这与块茎的物理特性相关；Bentini[27]等采用试验仪器球记录了马铃薯收获过程中的碰撞损伤，阐明了马铃薯收获机前进速度以及土壤湿度对马铃薯损伤程度的影响；Jozef[28]等研究了收获机作业参数对萝卜损伤的影响；桑永英[29]等对新鲜马铃薯进行不同高度下落的碰撞试验研究，得出马铃薯下落高度为20～30 cm 时，马铃薯损伤率小于4%；吴亚丽[30]等运用INSTRON万能电子材料试验机和CMT6104 微机控制电子万能材料试验机对马铃薯进行力学性能试验；洪翔[31]等通过不同高度下的跌落试验，得到马铃薯的临界损伤跌落高度；冯斌[32]等测定了收获期马铃薯块茎碰撞恢复系数，进行了不同因素下的跌落冲击试验，分别研究了跌落高度、碰撞材料、马铃薯含水率和跌落方向等因素对马铃薯块茎冲击特性和损伤综合指数的影响，并分析了其损伤规律。

2.2 通过损伤机理研究优化机具的工作参数

近十几年，我国学者在低损收获技术优化方面的研究成果颇丰，他们对马铃薯、甘薯、萝卜等一些根茎类作物的机械物理特性及损伤机理进行了研究，根据所得参数进行优化，研发出了不同的低损收获技术，并在生产中得到了广泛应用。贾晶霞[33]等对薯块与筛面相互作用的过程进行模拟分析，从提高筛分效率、降低伤薯率角度对筛分机构进行了参数优化，提高了整机性能；郭文斌[34]对马铃薯压缩和应力松弛特性参数进行了分析，建立了马铃薯压缩和应力松弛过程的虚拟样机模型；刘海超[35]等设计了马铃薯在摆动筛上的动力学测试试验台，测试2 种典型薯形在不同筛分速度下的三维加速度信号，获得了马铃薯在筛面上的碰撞加速度；王冰[36]等运用力学、运动学等原理，结合试验分析，研究链杆式升运器在输送分离、抛薯过程中产生损伤的原因和减小损伤率的措施，使甘薯损伤率降至约1.5%；李凯锋[37]等试验研究了胡萝卜物理学基本特性、拔取力及茎叶抗拉强度，研发了低损挖掘技术；金鑫[38]等设计了胡萝卜根茎分离装置。结果表明，肉质根损伤率降低至1.8%；陈小冬[39]等针对中国甘薯联合收获机作业薯秧分离机构分离不彻底、损伤数量多等问题，重新设计了薯秧分离机构，并进行了参数优化。

同时，欧美发达国家也将高新技术融入根茎类收获机中，如采用液压技术进行挖掘，采用传感技术控制土壤喂入量、传运量以及分级装载；采用气压、气流、光电技术进行碎土和分离，以及利用微机进行监控操作等，已形成了一套完备的根茎类收获机制造技术，收获损伤低。

3 存在的问题

3.1 仿生学上的局限

在漫长的进化过程中，蝼蛄、鼹鼠、野猪等生物掘土部位在外部形态和内在机能上都有其自身独特的优势，不仅具备对自然环境超乎寻常的适应能力，更拥有掘土时合理的动作机理和降阻功能，这为根茎类作物挖掘部件减粘降阻的研究提供了新的思路。但在现今关于仿生法设计的研究中，大多数的设计都是仿形设计，即只模仿生物掘土部位外型的形状，而对生物掘土部位表面和运动形式的仿生研究还很少，不能将其应用于挖掘工作中，这是更深层次的仿生法研究。

3.2 深根茎作物专用收获机设计理论的缺乏

无论是通过优良的结构、形态设计，还是合理的振动参数选择，挖掘铲都可以达到减阻效果；根据碰撞损伤等试验研究，也能很好地做到低损收获。但是从已有研究来看，对挖掘损伤机理、低损收获技术以及低阻挖掘理论的研究主要集中在马铃薯、甘薯等块茎类作物上，对于深根茎类作物的关注较少，鲜有研究将挖掘铲结构、形态和运动特征结合应用于深根茎中药材挖掘。实际上，作为价格更加昂贵、效用更高的深根茎类中药材而言，挖掘过程中的低阻低损研究更为重要。而国内现有大多数中药材收获机只是在块茎类等作物收获机械的基础上单纯叠加和拓展功能，对中药材收获技术的专用性和适应性研究还有待加强，集成度高的中药材联合收获机械还是空白。对关键部件缺乏深入的理论研究，如分离装置易损伤根茎、筛分效率差、挖掘铲起挖的物料不能向分离装置输送等成为需突破的瓶颈问题。

4 建议与展望

4.1 挖掘装置应针对生物挖掘部位表面和运动形式进行仿生

利用仿生法设计挖掘装置的过程中，应对生物挖掘部件表面纹理及其挖掘过程中的运动方式进行模仿，比如在挖掘铲表面设计与东方蝼蛄前爪表面上一样的花纹，能够防止土壤粘在挖掘铲表面，起到减阻的作用；在挖掘过程中，使挖掘铲的运动轨迹按照鼹鼠在土中挖掘时前爪的摆动路径进行运动，也是挖掘时减阻的一个方法。总之，对于仿表面和仿运动形式的研究会为挖掘减阻带来不同角度的想法，有利于该方向研究的突破。

4.2 中药材等深根茎作物收获机具应针对收获农艺要求进行设计

对于中药材等深根茎作物收获机具的设计，应充分考虑收获模式、品种特点以及农艺要求，重点关注深根茎中药材收获挖掘机械的相关研究。针对各类中药材的品种特点设计挖掘铲结构，研究挖掘过程中挖掘部件的运动特征，并将其结合应用，达到减阻的最好效果。同时在设计低损的挖掘机械时，不能盲目使用块茎类作物收获机械的设计，因为块茎类作物与深茎类作物的收获模式和农艺要求有着很大差别，应该针对中药材自身的特点进行参数分析，设计符合中药材收获的机械，推动中药材生产收获机械化进程，这是根茎类作物收获挖掘机设计的未来发展方向。