根茎类作物采收装置的研究现状*

2023-01-21谷润润吴业北

南方农机 2023年1期

李桂，谷润润，吴业北

（新疆理工学院实验实训中心，新疆阿克苏 843000）

通信作者：吴业北（1988—），男，山东泰安人，硕士研究生，实验师，研究方向为机械设计。我国作为种植根茎类作物的大国，根茎类作物种植区域广泛。目前，根茎类作物包括薯类、花生、山药及各类药材等[1]。薯类包括甘薯和马铃薯，二者主要分布在长江中下游地区，其中四川产量位居前列[2]。花生的产量与含油率都很高，且对土地要求不高，所以在全国各地都有种植。我国种植的根茎类药材有100多种，有些既可以食用又可以医用，如黄连、人参、板蓝根、肉苁蓉等是不可或缺的药用原料[3]。根部作为根茎类作物经济价值最高的部分，不仅可以贮存并合成各类有机物质，还可以为作物的生长提供所必需的营养[4]。马铃薯类的作物有着很高的淀粉含量，可以满足人类对食物的需求，有些作物还具有一定的医疗效果，可以促进医药学的研究。例如，在2020年抗击新冠疫情的初期，部分中药材就起到了十分重要的作用[5]。根茎类作物的食用部分通常为作物的根或者茎，而植物的根茎又都生长扎根于土中，所以如何高效采摘根茎类作物是农作物采收的重要课题。传统的人工刨土采收方式不仅成本高、劳动强度大、效率低，而且很难满足市场对根茎类作物产品的高质量需求。故而需要不断实践以促进我国农业机械行业的发展，这既是挑战，也是机遇[6]。

1 根茎类作物采收方式

目前，我国根茎类作物的采收方式主要为机械采收、人工采收和人工机械结合采收。如马铃薯主要采用机械采收的方式，但一些偏远的山区和农村地区因种植面积较小且受交通、地形因素的制约，仍然采用人工采收的方式。况且，我国多高山和丘陵地形，有些地区不适合大规模机械化作业[7]。

1.1 传统采收方式

根茎类作物的传统采收方式就是采用人工刨土，十分耗时耗力。比如，在马铃薯、红薯、山药等采摘时，由于根茎深埋土中，采收就存在较大难度。山药的根茎是直立生长在土中，有的长达1 m左右，传统的采收方式需要在土里挖掘深沟，并且不能折断山药的根茎，导致了许多根茎类的药材综合成本极高[8]。因此，手工采摘根茎类作物不仅劳动强度大，且效率低下。

1.2 机械采收方式

根茎类药材作物的采收部分实现了半机械化，机器负责挖掘，人工进行药材和土壤分离的操作。山药的采收采用机械采挖和人工采挖相结合的方式，人工采挖虽然劳动力大、效率低，但是可以更好地保证山药的完整性和品质；机械采挖虽然劳动力小、效率高，但是机械采挖很容易破坏山药的完整性。所以目前山药收获多采用机械开沟和人工采挖相结合的方式，不仅可以提高效率，也能保证山药的品质和完整性。

2 根茎类作物采收机械发展现状

2.1 短根茎类作物采收机械发展现状

中国在社会主义改造时期就开始学习欧美等西方国家的先进农业技术，引进国外先进的根茎类作物收获机，对马铃薯、花生、红薯等一些常见的根茎类作物实行机械化采收[9]。马铃薯挖掘机的引进、研制较早，1960年，我国农业机械相关部门引进了西德VR-2、波兰RCE-2、英国Johson和苏联KTH-2型马铃薯挖掘机等。在对机械的性能进行测试、技术吸收后，结合国内马铃薯种植的现状研制了适合我国发展的马铃薯收获机，但是由于技术条件的限制，马铃薯收获机的研发工作一直比较缓慢[10]。随着我国马铃薯种植面积的不断扩大，国产的小型马铃薯收获机也开始进入市场，马铃薯机械制造企业迅速崛起并高速发展，取得了长足的进步。结合前期对马铃薯收获机技术的研发工作，我国马铃薯机械制造企业成功研制出多款技术成熟、性能可靠、功能完善的马铃薯收获机[11]。

中机美诺科技股份有限公司研发的1710A型马铃薯联合收获机可以一次性完成挖掘、分离运输、除秧、侧输出作业，具有收净率高、破损率低、成本回收快等特性[12]；青岛洪珠农业机械有限公司与青岛农业大学联合研制的洪珠4U-170大型马铃薯收获机可以实现薯秧分离、薯土分离、薯块集条铺放作业，具有明薯率高、伤薯和破皮率低等突出特性，此机器被广泛用于大面积短根茎类作物种植区域[13]；山东思代尔农业装备有限公司和山东理工大学研发的希森天成4ULZ-170型马铃薯联合收获机结构为牵引式，需要拖拉机牵引联合收获，挖掘后的薯土通过输送网筛进行薯土分离和薯块输送，在薯块输送的过程中进行薯秧分离，薯土、薯秧分离后的干净马铃薯进入集薯输送装置，通过集薯输送装置将干净的马铃薯输送至运输车中，然后运输车将收获后的马铃薯转运回厂[14]。该马铃薯联合收获机能实现马铃薯的挖掘、薯土分离、薯秧分离、集中收集输送等作业。

2.2 长根茎类作物采收机械发展现状

以往我国长根茎类作物的收获工作大部分采用传统的人工刨土、手工分离、人工拾取等方式，目前采用挖掘、抖动、传送、收集等铲链结合的机构进行作业。先采用框式、铧式等入土机构，将土松动，然后进行人工分离和拾取[15]，再采用震动铲、叉齿去挖掘、抖动，最后传送到地面。该方式直接实现了作物和泥土的挖掘、分离、传送、收集等一体化的机械工作[16]，一定程度上提高了人工拾取的效率。

贾素梅等[17]共同研发的4GJ-880型根茎类药材作物收获机，收获效率高，结构简单易操作；甘肃省渭源县农机推广站研发并投入使用的4YW-160型根茎类药材挖掘机可以完成简单的挖掘工作，并在进行挖掘分离和收获工作部分做了进一步的改进[18]。4YW-160型的根茎类药材挖掘机由高级工程师周振华主持的研发小组进行了多年的研究改进，现已达到了国内先进水平，并在全国进行了大规模推广[19]。

2.3 根茎类药材采收装置发展现状

根茎类药材收获机的研究是从1990年开始的，国内相关的农机科研单位、学者和企业所研制、生产和销售的根茎类药材收获机样式众多，但是按照药土分离机构进行划分，主要分为杆条式升运筛式、振动带式和振动筛式三大类根茎类药材挖掘机。

陈威等[20]研制了一台自走式太子参联合收获机，针对挖掘铲和振动筛进行试验研究，采净率高达90%，而破损率控制在10%以内，可用于丘陵山区太子参收获作业；何晓芬等[21]研究设计了一台小型折耳根收获机，针对挖掘铲和输送分离装置的关键部件进行设计，以适用于我国西南山区、丘陵地区等小面积土地的折耳根收获；张文杰等[22]针对西北地区研究设计了一台4Y-1200型药材收获机，可适用于黄芪、红芪、党参、甘草等深根茎类药材的收获；谢新亚[23]研究设计了一种适合新疆地区甘草种植模式的甘草收获机，可一次性完成甘草的挖掘、输送、分离、铺地等作业；崔振猛等[24]研发了4SD-1700型悬挂式三七药材收获机，以用于三七的采摘收获工作。

3 根茎类作物采收装置存在的主要问题

近年来，随着科学技术水平的提高，我国根茎类收获机得到了迅速发展，但是根茎类收获机在应用过程中仍存在诸多技术和使用问题，制约了我国根茎类作物采收工作质量的提升，阻碍了先进科学技术的指引和改善作用，也直接影响了我国未来农业农村的发展。

3.1 机械化智能水平低

根茎类作物收获机的机械化智能水平低，缺少智能设备的结合。根茎类作物收获机在工作时，其根茎和泥土分离机构的振动频率会对根茎泥土的分离率和根茎的损伤率产生较大影响。如果振动频率过高，会对根茎造成过度损伤；如果振动频率太低，又会使根茎和泥土难以分离。因此，根茎类作物收获机需要结合一种可以根据土壤的坚硬度、湿度、挖沟的深度等因素变化而自动调节振动频率的智能化辅助设备。此外，由于我国根茎类收获机种类多、机械设备自动化水平低等因素，进一步加大了数字化智能技术和收获机械设备有效融合的难度[25-26]。

3.2 功能单一

根茎类作物收获机的功能单一，难以满足根茎类收获机的应用技术需求，导致每年需要投入大量的人工成本到根茎类药材的采收中。部分根茎类草药收获机仅有挖掘功能，没有配套的药土分离装置和药材传输运输装置，药土分离结构有待完善，而仅有的根茎类多功能机械又存在药土分离不彻底、不干净、药材损伤大等问题。根茎类作物收获机在设计和制造上存在缺陷，机械工作的可靠性较低，经常出现技术故障，而需要的调修时间又过长，直接导致了工作效率低下。同时，根茎类作物收获机在收获时如果挖沟深度不够，则会出现油耗高、动力消耗大、牵引阻力大等问题[27]。此外，我国在根茎类作物收获机技术中，缺乏机械联动关系等知识的研究，只能通过多年积累的工作经验对机械设备进行改善，很难提升机械技术的应用水平[28]。

4 未来展望

我国的根茎类作物机械收获技术的发展与应用，还需要相关农业部门的重视，鼓励机械创新，大力发挥农业机械化的作用，加大对根茎类作物收获机的研制投入力度，妥善解决根茎类作物收获过程中遇到的各种问题，最大程度提升根茎类作物在农村、药材市场的价值效益，并且加强根茎类加工业、药品制造业等相关产业链的发展，引导更多人才加入，特别是鼓励大学生积极从事机械制造业，大力发展机械创新等。

4.1 农机与农艺结合

我国不同地区的土壤条件与气候环境差异较大，各个地区对根茎类作物的种植习惯也不相同，播种、种植方式也不一样，导致了同一根茎类作物收获机很难对不同地区的作物进行统一采收。所以农业部门应该对各类根茎类作物的种植方式制定统一的要求，方便收获机在采收作业时减少对根茎的损伤，保证根茎类作物的收获质量，降低机械使用成本，提高农村整体经济效益。