半夏机械化收获的发展现状与展望

刘彩娟， 石林榕， 杨小平， 臧 金， 朱浩东

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

半夏是一种药用植物，适应性广、栽培容易、管理方便，是一种能够实现常年收获的中药材。半夏得名取源于它主要在夏至前后收获采摘，又名地文、守田。半夏具有降低人体血压、促进细胞分裂的作用，具有非常大的药用价值。我国半夏主要产区有贵州、四川、湖北、湖南、河南、安徽、浙江等地。清水县作为甘肃省内半夏主要产区，从20世纪90年代初期开始人工种植，年种植面积达2万多亩，年产值高达4亿元左右，地处陇东南半干旱山区，属中温带大陆季风气候，是国内中药材陇药半夏生产主产县之一。随着国内外市场上对半夏的需求量不断上涨，我国半夏生产种植区面积也随之逐年扩张。然而，相比于马铃薯等基本实现机械化收获的其他作物，半夏机械化收获技术仍不成熟，已经成为了限制半夏产业发展的重要因素[1]。

针对目前半夏种植与收获的发展趋势，若能合理采用高产多熟栽培新技术，则可实现一年三种三收，获得显著的经济效益[2]。目前绝大数农民采取的收获方式仍是人工捡拾，这种收获方式不仅劳动强度大、耗费时间多，并且收获时半夏损失率较高。因此，为了满足市场供应需求，解决农户采收问题，降低人工劳动强度，应当加大对半夏收获机的研发，从而提高半夏机械化收获水平，这对提高半夏的产业发展起着绝对性作用，本文对目前国内外半夏收获机的研究现状进行介绍与分析，并对未来实现半夏机械化收获进行展望[3-4]。

1 市场现状及种植条件

1.1 市场现状

随着人们不节制的采挖，野生半夏数量急剧下降，市场上供应的野生半夏商品数量也急剧减少，而农村土地被不断开发，适宜半夏生长的环境也遭到破坏，野生资源已经接近枯竭[5]。现今我国也较为重视对半夏的研究，研究力度越来越大，国内需求量越来越大。并且国内的制药企业也需用半夏作为原料来研制新药，商品市场需求量日益增加。此外，由于世界各国对我国中药材认可度的提升，半夏作为我国主要出口中药材之一，其外贸的出口量也在增大，国外对半夏的需求量也越来越高，根据目前半夏的市场需求情况，国内国外每年对半夏的产量需求将会持续增长。

1.2 种植条件

半夏种植选用的土壤必须是壤土，且不宜过酸或者过碱，其PH在6.5～7.0之间最为适宜，土壤要肥沃，富含有机物质，至少有机质含量要在1.2%以上；水源充足，方便田间灌溉，并且保证做到排涝彻底；种植所选地势最好要有一定坡度，合适坡度最好在5°～10°之间，倘若没有坡度，要多掘几条沟[6]。

2 研究现状

国内外的半夏收获机相对较少且大都借鉴马铃薯、花生、大蒜、甜菜等相似收获机来设计，但此类机械普遍存在体积大、收获精度低、耗能大、收获时间过长等问题，且由于挖掘深度较大，分离机构适应的块茎尺寸较大，不适用于半夏块茎的分离。因此，国内外相关研究人员针对上述问题进行了一系列研究，研制出专用的半夏收获机。

武汉科技大学张璋等设计出了一种新型节能半夏收获机，为三重分筛式半夏收获机，三维模型简图如图1所示，主要做的工作是利用 Pro/E 软件对半夏收获机零部件进行了三维建模和虚拟装配，并对整个装置的运行进行了运动学仿真。该装置的主要组成系统有动力传动系统，半夏分离系统和输送系统。传动系统采用万向节轴，由拖拉机的动力输出轴将动力传送到齿轮箱然后通过链传动分别带动旋耕耙轴、搅拌轴的转动，这样设计的优点是工作性能可靠，没有打滑现象，且动力损失非常小。在分离机构的底端面设有许多分离孔，这些分离孔的作用是可使收获的作物在管道的运动过程中实现半夏与小石块、沙土、茎叶等杂物的分离，提高半夏的收获精度，降低含杂率。输送系统由输送链条、齿轮轴、挡板和方形槽组成。该半夏收获机具有三重分筛功能且只采用一个动力源，减少了能量损耗，节约成本[7]。

图1 三重分筛式半夏收获机三维简图1.机架；2.挖掘铲；3.旋耕耙齿；4.旋耕耙轴；5.链条；6.输送器；7.运输通道；8.涡轮；9.涡杆；10.搅拌轴；11.地轮

山西农业大学郑德聪等设计了4SB-800型半夏收获机，整机结构如图2所示，该机可与 TN- 55(或 TN-654)拖拉机配套，组成半悬挂式机组。针对半夏的种植特点和作物块茎的尺寸大小、半夏块茎在土壤中的分布密度情况，设计了收获机的总体结构方案，确定了主要技术参数；针对半夏种植密度较大，挖掘部件采用整体式平面铲；综合考虑收获作业筛分量，土壤湿度、大石块、土块、茎叶等残留物对分离收净率的影响后，分离装置选用滚筒筛分离，优点是运转平稳、坚固、耐用，滚筒筛结构如图3所示。收获机作业时，在配套拖拉机牵引下，挖掘铲挖起土壤和土壤中的作物块茎，经传动部件带式输送器传送至爪轮式清理输送器，将半夏块茎与大石块、土块和茎叶等杂物分离并将其排出机外，完成初步分离，随后细土会和半夏作物块茎一起掺杂着落入滚筒式分离机构，滚筒式分离筛会对其进行二次分离，分离好的半夏块茎会被传送机构送至升运器，最后进入集料装置，完成半夏的整个收获作业[8]。

图2 整机结构图1.悬挂架；2.变速箱；3.传动装置；4.滚筒筛；5.爪轮式清理输送器；6.鼓式升运器；7.集料装置；8.行走轮；9.机架；10.带式输送器；11.挖掘铲

图3 滚筒筛1.螺旋导向板；2.提升板；3.筛网钢丝

继郑德聪等完成4SB-800 型半夏收获机的整体设计后，山西农业大学赵美香等对4SB-800 型半夏收获机的行走转向机构做了进一步设计与分析计算，就收获机在田间作业转弯时不能沿着拖拉机轨迹行走而产生严重偏离这一情况，对半悬挂式机组转向系统进行设计计算并对其进行了理论分析。根据所配套拖拉机作业在转弯时的最小半径，得到了拖拉机工作转动角和牵动的收获机行走轮转动角的关系，确定了符合转向驱动机构动力要求的传动角。依据机组顺利转向成功的条件是各轮做纯滚动这一条件，设计计算了半夏收获机梯形转向机构及驱动机构的结构参数，并对其进行了理论分析。实验表明，所设计的半夏收获机很好地改善了作业机组的转向跟踪性，作业时的转向半径减小了，机组工作灵活性提高，从而提高了收获机工作效率和收获率[9]。

甘肃农业大学李海等设计的一款新型半夏收获机，三维模型简图如图4所示。该机工作性能稳定，并且能够很好的适用于各种土质，可经牵引架固定于动力设备上，变速箱经动力输入轴与动力设备上的发动机相连，工作时，松土刀片将半夏从土壤中铲出，随着刀片的转动，大土块被切割成小土块，半夏连同小土块一起被拨入到输送带上，输送带上部的碎土辊对小土块进行进一步的碾压，在振动辊的作用下，碾碎的土块落到地面，半夏则由输送带的出料端进入筛筒，在筛筒的转动和筛筒拍打装置的拍打下，土块完全漏掉，半夏则被收集到收获箱内。该机分离机构采用分离筛设计，通过筛筒的转动和拍打，得到不含土块的半夏块茎。采用Pro/ E建立半夏收获机模型，利用Pro/ E把建好的模型零部件进行虚拟装配，可以对收获机的装配过程进行初步检验，减少了实体机装配时的安装错误。对半夏收获机进行了运动仿真，从中可以看到整个作业机完整的运动，且各部件运转正常[10]。

图4 半夏收获机三维模型简图1.机架；2.变速箱；3.切刀；4.松土刀；5.输送带；6.输出轴；7.碎土辊；8.导向齿轮；9.地轮；10.集料箱；11.筛筒；12.中心轴

甘肃文通职业技术学院李海等对半夏收获机非离心式滚筒筛分离装置进行研究，采用SolidWorks 软件绘制半夏收获机三维实体模型，并利用 ADAMS 动力学仿真软件对其做了运动仿真，分析转速和倾斜角度对滚筒筛分离装置筛选效果的影响。实验表明，当滚筒筛转速为35.0 r/min时，半夏在筛板处所受的惯性力较小，半夏的受破坏程度最小。当滚筒筛倾斜角度为0°～10°时，随着倾斜角度的增大，半夏的筛选分离效果会有一定程度的提高，当滚筒筛倾斜角度大于10°时，半夏在滚筒筛内流动过快，会影响半夏的筛选分离效果[11]。

甘肃农业大学王锋等针对现有收获机械直接应用于半夏时存在的采收不彻底，分离效果不佳、需要二次除杂且工作量大等问题，设计了一种双层平筛式半夏收获机。该机主要由挖掘装置、升运装置、筛分装置和收集装置组成，其结构简图如图5所示。确定了双层平筛的结构参数，通过EDEM软件对动态筛分过程进行了仿真和理论计算，验证了运动参数选取的合理性。并在甘肃省天水市清水县杨湾村进行了田间试验，验证了该半夏收获机的性能，结果显示半夏的挖净率较好，并且伤损率和含杂率都较低，样机作业过程平稳，达到了半夏收获作业的技术要求，研究结果可为半夏收获机的设计与试验提供参考[12]。

图5 半夏收获机结构简图1.挖掘装置；2.旋转耙齿；3.悬挂曲板；4.变速箱；5.拉杆；6.侧拉杆；7.碎土轮；8.支撑轮调高手柄；9.支撑轮杆；10.吊杆；11.固定板；12.机架；13.收集箱；14.上层筛；15.下层筛；16.弹簧；17.支撑轮；18.偏心装置；19.升运装置

3 存在的问题

(1)当前存在的半夏收割机少且大都是根据马铃薯等收获机来设计，存在收获机体积过大，耗能大，收获时间长，收获效率不高等问题；在设计与制造半夏联合收获机的过程中也存在一些缺陷，有些传动部件的质量差，机器零部件掉落导致作业机不能正常工作，传动性能差，在田间工作时会出现卡顿，卡死现象，使机械使用寿命缩短，故障发生频率增大，收净率低，块茎破损率高。此外，目前大部分机型对于倒苗半夏仍无法完成采收[13]。

(2)人工投入比值过大，机械化水平太低，对于面积分散的丘陵种植区，无法满足机械化连片作业。又因为缺少与收获机配套的附属设施，很大程度地限制了机械化收获水平。

(3)收获机收获效益与农户预期效益产生落差。农户投入成本购买收获机，可由于受到机器故障，作业地分散等因素的影响，作业机作业效率不高，收益偏低，并且半夏收获机工作必定要耗能，产生的油费无疑会增加收获成本，农户使用积极性不高，机械化收获实验田地少，加上没有基金支持，机械化应用范围小之又小。

4 半夏机械化收获发展建议

4.1 机械化收获的优势

传统的半夏收获主要由人力劳动收获，手动收获需要经过采摘、清洗、晾晒、装运，收获时间过长且容易受天气影响，利用机械化技术可有效减少收获时间和降低人工成本，并且可减少半夏损失率，提高收获率，满足国内外市场需求，提高经济效益。

4.2 发展建议

(1)提高半夏收获机工作性能。加快对半夏收获机的研发进度，努力提高半夏收获机的适用性。当前存在的半夏收获机型大且不能适用于半夏的种植特点，其种植行距，种植模式在不同生产区都有差异，因此跨区收获难度较大，机械生产商应该将机械收获技术与半夏农艺要求结合，使收获机的行走宽度与收获幅宽与半夏的种植株距、行距匹配，减少收获损伤，相关研究人员不断创新收获机设计方法，以共同提高设计制造的半夏收获机的适用性与工作性能[15]。

(2)加强管控，提高机械生产质量。目前我国机械生产企业较多，但仍有些企业为了得到更多的利益，将机械生产质量与可靠性置之度外，破坏了半夏收获机的信誉度，药农不愿意花大钱买个不干活的机器，严重影响了半夏收获机产业的发展。国家相关部门应加强对半夏收获机生产的机械生产质量与可靠性的把控，促进收获机市场的和谐发展。

(3)加大宣传，提供必要资金扶持。国家对购置农机有补贴资金，应把对半夏收获机的补贴重视度提高，并且要尽力争取到地方采购半夏收获机的补贴基金，同时做好相关的宣传工作，让广大半夏种植药农认识机械化收获技术带来的经济效益，提高药农的购买积极性，以此扩大机械化收获技术的示范区域，加快发展半夏机械化收获技术。

5 结束语

我国自古以来就是农业大国，农业生产已有上千年的历史，但农业机械化水平较低，主要由人力劳动支撑着农业产业的发展，人力劳动作业效率低，耗时多，已跟不上市场需求。半夏市场需求日益紧张，半夏产业的发展对半夏收获机械化水平提出了更高的要求，为了提高半夏的收获率，加强半夏机械化收获的应用，就要优化现有的半夏机械化收获技术，相关研究人员必须清晰认识到现阶段我国半夏机械化收获现状，改善半夏机械化收获技术，加快半夏机械化收获的进度，未来必能全方位实现半夏的机械化收获。