毛豆機(jī)械化收獲國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及展望

朱建錫，鄭 濤，陳長(zhǎng)卿，費(fèi) 焱，徐錦大

（浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，浙江 金華 321017）

毛豆又稱為枝豆或者菜用大豆，是指豆莢飽滿，莢色、籽粒呈翠綠色，在籽粒還沒(méi)有達(dá)到完全成熟，即生理上處于R6（鼓粒盛期）至R7（初熟期）籽粒填充達(dá)到莢長(zhǎng)的80%～90%時(shí)采收的大豆類型［1］。我國(guó)毛豆主要采摘鮮莢，經(jīng)加工處理，速凍冷藏后出口日本、歐美等國(guó)家［2］。由于毛豆生長(zhǎng)周期短，一年可種植兩季，產(chǎn)值較高，一般畝產(chǎn)500～600 kg，在價(jià)格好的年份畝產(chǎn)純利潤(rùn)可達(dá)800～1200元［3］，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，已逐漸成為我國(guó)出口創(chuàng)匯的主要蔬菜之一。目前，中國(guó)是世界上最大的菜用大豆生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，栽培面積在10萬(wàn)～15萬(wàn)hm2之間，主要產(chǎn)區(qū)為浙江，福建，江蘇等沿海地區(qū)及南方其它省區(qū)。2011年浙江省毛豆的種植面積約為6.67萬(wàn)hm2，江蘇省約為3.3 萬(wàn)～4萬(wàn) hm2。

毛豆豆莢的特點(diǎn)一是鮮嫩，不能受重力打擊或擠壓。二是數(shù)量大，每畝株數(shù)多，約2萬(wàn)～3萬(wàn)株。三是分布不集中，全植株上下幾乎各節(jié)都有，必須一株一株處理，一節(jié)一節(jié)采摘，這些給采摘增加了相當(dāng)大的難度［4］?，F(xiàn)在人工每采摘一畝豆莢，按平均畝產(chǎn)1500斤鮮莢，每斤采摘人工工資0.35元計(jì)算，每畝僅采摘就約需10個(gè)工人，工資費(fèi)用超過(guò)了500元［5］。毛豆采摘效率低，制約了生產(chǎn)的擴(kuò)大，費(fèi)用高，增加了生產(chǎn)成本，影響了農(nóng)民的收入。如果能夠?qū)崿F(xiàn)毛豆的機(jī)械化采摘，一是有利于增加毛豆產(chǎn)量，滿足社會(huì)的需求，二是有利于增加農(nóng)民收入。

1 國(guó)外毛豆收獲機(jī)研究現(xiàn)狀

美國(guó)的毛豆收獲機(jī)主要采用非切割，利用兩根旋轉(zhuǎn)軸使單株毛豆從旋轉(zhuǎn)軸中間通過(guò)從而拍落豆莢的收獲方式。拍落方式主要有螺旋型和旋轉(zhuǎn)毛刷型兩類。從文獻(xiàn)檢索來(lái)看，美國(guó)在20世紀(jì)50年代就研制成功了一種毛豆收獲機(jī)。該收獲機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而后在1969年出現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可獨(dú)立進(jìn)行田間收獲的螺旋式小型毛豆收獲機(jī)。2000年美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)生物系統(tǒng)工程學(xué)院C.Mesquita等人對(duì)毛豆收獲機(jī)的收獲方式、結(jié)構(gòu)、收獲效率、破損率、能耗等進(jìn)行了比較全面的研究。2009年美國(guó)Rogerio Cruz Moreira等人研制了一種可懸掛的旋轉(zhuǎn)毛刷型毛豆收獲機(jī)。

美國(guó)H.Morgan等人研制出了一種豆莢類蔬菜和水果收獲機(jī)。該收獲機(jī)的機(jī)架由安裝于行進(jìn)輪上的薄壁圓柱體（D≈1000 mm）組成。該薄壁圓柱體前端敞開(kāi)，以使單株毛豆能夠進(jìn)入到圓柱體中。在薄壁圓柱體的前下端焊有一對(duì)平行且對(duì)稱于圓柱體中心線的扶禾機(jī)構(gòu)，在扶禾機(jī)構(gòu)之間連接有一個(gè)大約半個(gè)圓柱體長(zhǎng)的矩形狹槽以引導(dǎo)毛豆枝干進(jìn)入到圓柱體中。薄壁圓柱體內(nèi)盤(pán)繞有剛性螺旋桿，該螺旋桿通過(guò)焊接盤(pán)繞并固定在圓形支撐板上，螺旋桿由安裝于薄壁圓柱體上端的汽油機(jī)通過(guò)減速帶傳動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)繞中心軸的旋轉(zhuǎn)。螺旋桿的前下端安裝有一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的螺旋刷子，該螺旋刷子由六圈與螺旋桿旋向相反的螺旋桿組成并通過(guò)圓柱軸承和支撐架固定于薄壁圓柱體上。螺旋刷子的直徑大約為螺旋桿直徑的四分之一，由汽油機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)桿和帶傳動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。螺旋桿和螺旋刷子共同組成了該收獲機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)螺旋桿順時(shí)針慢速（20～30 r/min）旋轉(zhuǎn)，螺旋刷子高速（螺旋桿轉(zhuǎn)速的2～3倍）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)而將進(jìn)入圓柱體的毛豆打落實(shí)現(xiàn)毛豆的收獲如圖1所示。在薄壁圓柱體后半部分的下端開(kāi)有一縱向槽，在縱向槽的正下端安裝有一傳送帶，該傳動(dòng)帶用于收集打落的毛豆然后將毛豆送至板條式上升帶中。

圖1 毛豆收獲示意圖

2000年美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)生物系統(tǒng)工程學(xué)院C.Mesquita等人對(duì)旋轉(zhuǎn)軸式毛豆收獲機(jī)構(gòu)行了研究，該機(jī)構(gòu)主要由兩個(gè)互相平行且旋向相反的旋轉(zhuǎn)軸和安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的尼龍繩組成。旋轉(zhuǎn)軸直徑為3.1 cm，長(zhǎng)度為1.5 m，兩根旋轉(zhuǎn)軸之間間隔為10 cm并與水平線成30°，每根尼龍繩長(zhǎng)度為10 cm并且間隔1 cm。旋轉(zhuǎn)軸以2600 r/min的速度帶動(dòng)尼龍繩旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)豆莢的收獲。該機(jī)構(gòu)可通過(guò)三點(diǎn)連接在拖拉機(jī)前端拆卸、安裝方便。在進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的扭矩大約為3.5 Nm，并且在4個(gè)不同的行駛速度（2.2，3.2，6和 7.2 km/h）下作業(yè) 1 h所需的能量分別為6.7，4.7，2.4和2 MJ/ha，由于直接在植株上收獲豆莢因此相比于傳統(tǒng)的聯(lián)合收割機(jī)（80 MJ/ha）減少了能量消耗5～16倍。采用隨機(jī)化完全區(qū)組設(shè)計(jì)對(duì)10個(gè)重復(fù)樣本在 4個(gè)不同的行駛速度（2.2、3.2、6.0、7.2 km/h）下的收獲效率、豆莢分離率、收獲雜質(zhì)率進(jìn)行了試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為：（1）在較高的行駛速度（6.0，7.2 km/h）下豆莢分離率降低了24%而收獲效率較行駛速度為2.2 km/s和3.2 km/s時(shí)并未明顯降低，因此當(dāng)行駛速度為6.0 km/s或7.2 km/s時(shí)具有較大的優(yōu)勢(shì)。（2）在4個(gè)不同的行駛速度下收獲的雜質(zhì)率平均值為29%比傳統(tǒng)的聯(lián)合收割機(jī)（幾乎為100%）要低很多。同時(shí)采用另一個(gè)隨機(jī)化完全區(qū)組設(shè)計(jì)對(duì)4個(gè)重復(fù)的樣本在4個(gè)不同的行駛速度（2.2、3.2、6.0、7.2 km/h）下的機(jī)械損傷率、機(jī)械破損率、種子存活率進(jìn)行了試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為：（1）與人工采摘相比較，豆莢的損傷率并沒(méi)有明顯增大但相比于傳統(tǒng)的聯(lián)合收割機(jī)損傷程度明顯減少。（2）在4個(gè)不同的行駛速度下豆莢的平均破損率為0.4%而聯(lián)合收割機(jī)為8.38%。（3）當(dāng)行駛速度為6.0 km/h和7.2 km/h時(shí)種子的存活率（78.5%、74.0%）與人工采摘（78.5%）大抵相同，但行駛速度為2.2 km/h和3.2 km/h時(shí)存活率（67.2%和67.0%）明顯降低。

美國(guó)Rogerio Cruz Moreira等人研制出了一種毛豆收獲機(jī)。在作業(yè)時(shí)使毛豆從兩根平行旋轉(zhuǎn)軸（L=1500 mm，D=25 mm）中間通過(guò)，旋轉(zhuǎn)軸上安裝有脫粒吊環(huán)，而在脫粒環(huán)上又嵌有六根剛性細(xì)桿。旋轉(zhuǎn)軸由電機(jī)通過(guò)齒輪箱帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)（2600 r/min）從而實(shí)現(xiàn)毛豆豆莢的收獲，收獲機(jī)的前進(jìn)速度為5 km/h。在兩根平行旋轉(zhuǎn)軸的下方裝有氣動(dòng)系統(tǒng)，該氣動(dòng)系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)和空氣管組成，主要用來(lái)收集打落的豆莢，將豆莢吹向輸送管從而進(jìn)入收集室。

2 國(guó)內(nèi)毛豆收獲機(jī)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)毛豆機(jī)械化收獲的研究主要有小型青毛豆收獲機(jī)［6-8］、毛豆聯(lián)合收割機(jī)［9-11］和青毛豆脫粒機(jī)［12、13］等，而毛豆采收的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用脫粒滾筒式。然而對(duì)采收機(jī)構(gòu)的收獲效率、破損率、能耗等相關(guān)性能參數(shù)方面的研究還比較少。目前，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上銷售的主要有南通市春風(fēng)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的祥明毛豆收割機(jī)和山東巨明機(jī)械有限公司研制的多功能自走式大豆聯(lián)合收獲機(jī)，同時(shí)已有多項(xiàng)臺(tái)式青毛豆脫粒機(jī)的專利和相關(guān)產(chǎn)品。

2010年山東巨明機(jī)械有限公司研制了多功能自走式大豆聯(lián)合收獲機(jī)，該收獲機(jī)也可用于毛豆的收獲［9］。該聯(lián)合收獲機(jī)主要由撓性割臺(tái)、鏈?zhǔn)焦伟遢斔推?、脫粒清洗總成、豆桿豆皮箱、糧箱和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)底盤(pán)組成，如圖2所示。在進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，收獲機(jī)放下?lián)闲允崭钆_(tái)，機(jī)器邊行走邊收獲。毛豆莖桿由動(dòng)刀從根部切斷，由割臺(tái)攪動(dòng)龍推到刮板升運(yùn)器入口，在其作用下向后輸送到脫粒機(jī)室，經(jīng)切流滾筒和軸流滾筒的共同作用，豆粒從莖桿上分離，連同豆皮一起從四板篩間隙進(jìn)入清選室，與收獲大豆不同的是在進(jìn)行毛豆的收獲作業(yè)時(shí)無(wú)需將豆粒從豆莢中分離出來(lái)，在該專利說(shuō)明書(shū)中并未對(duì)切割和脫莢裝置進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 多功能自走式大豆聯(lián)合收獲機(jī)

南通市春風(fēng)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造有限公司研制的毛豆聯(lián)合收割機(jī)如圖3所示。該收割機(jī)適用于在平原地帶進(jìn)行大面積的收獲作業(yè)。

2010年武漢市黃陂區(qū)石門(mén)群山科研所研制了一種摘毛豆機(jī)［7］，如圖 4 所示。

圖4 摘毛豆機(jī)

該收獲機(jī)包括機(jī)架、安裝在機(jī)架上的轉(zhuǎn)動(dòng)部分及其驅(qū)動(dòng)部分，其轉(zhuǎn)動(dòng)部分是摘豆輥或摘豆帶，摘豆輥是在傳動(dòng)輥上安裝4～8排摘豆刷構(gòu)成的，摘豆帶是在水平前后平行放置的兩個(gè)傳動(dòng)輥上安裝傳動(dòng)帶，傳動(dòng)帶上安裝4～8排摘豆刷。傳動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速為400～600 r/min，夾持輥的轉(zhuǎn)速為 150～250 r/min。

2012年華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了一種青大豆脫莢分離機(jī)構(gòu)［12］。該機(jī)構(gòu)采用夾持喂入輥筒組合和豆莢剝離輥筒組合為主要工作部件，工作原理與前述摘毛豆機(jī)基本相同。不同的是該機(jī)構(gòu)可以通過(guò)夾持喂入輥壓力調(diào)節(jié)彈簧與豆莢剝離輥壓力調(diào)節(jié)彈簧，使夾持喂入輥筒組合與豆莢剝離輥筒組合的工作間隙隨著青大豆莖稈喂入量的變化不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)，能將青大豆莢與莖稈有效分離，提高了工作效率和作業(yè)質(zhì)量，減少了分離后的青大豆莢造成損壞。

2014年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)王顯鋒對(duì)自走式菜用大豆摘莢機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究［14］，該研究從菜用大豆的種植模式、植株性狀和豆莢性狀著手，參考線辣椒采摘裝置的采摘機(jī)理，設(shè)計(jì)了慢速夾持式采摘機(jī)構(gòu)，主要由彈齒、摘莢滾筒、摘莢帶和張緊滾筒組成，利用采摘帶上和采摘滾筒上的摘莢齒之間的配合夾緊將豆莢摘下，利用采摘帶將采摘的豆莢輸送到一級(jí)傳送帶上。

2015年南通市農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣中心研制了4LDZ-48型青毛豆聯(lián)合收獲機(jī)［10］，采用橫向刺式和豎向輥式組合采摘技術(shù)，青毛豆聯(lián)合收獲機(jī)主要性能參數(shù)為：損失率4%、清潔度98%、破碎率2%、作業(yè)效率0.067 hm2/h。

3 青毛豆收獲執(zhí)行部件的研究

由于毛豆的收獲原理與辣椒等農(nóng)作物的收獲具有一定的相似性，因此可以借鑒相關(guān)的研究與設(shè)計(jì)將其應(yīng)用到毛豆收獲機(jī)中［14］。例如國(guó)內(nèi)新疆石河子大學(xué)和新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)都對(duì)脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)的研究［15］。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)和新疆機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司對(duì)辣椒收獲機(jī)彈齒式采摘臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，設(shè)計(jì)的彈齒采用不銹鋼彈簧鋼絲OCr18Ni9環(huán)繞而成，鋼絲直徑為6 mm端部有16～20度傾角，具有采摘、拋送、防止采摘物脫落的特點(diǎn)［16］。該采摘裝置主要由彈齒、滾筒、側(cè)板、護(hù)板、機(jī)架等部件組成。由于對(duì)辣椒收獲機(jī)脫粒滾筒的彈齒進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，其結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)并不適用于毛豆的收獲，但是在脫粒滾筒上安裝彈齒來(lái)對(duì)作物進(jìn)行收獲以提高采摘率與減少破損率，這一設(shè)計(jì)思路同樣可應(yīng)用于毛豆收獲執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。

4 總結(jié)和展望

國(guó)外對(duì)毛豆的收獲多采用直接從植株上收獲豆莢的方式。這種收獲方式有利于提高收獲效率、減少能耗，更加有利于減少制造單一收獲機(jī)的生產(chǎn)成本，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的利用率和普及率。但是并未檢索到他們對(duì)收獲豆莢后的毛豆植株進(jìn)行處理的相關(guān)研究文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)的聯(lián)合收割機(jī)也同樣存在這樣的問(wèn)題。而且大型的毛豆聯(lián)合收割機(jī)適用于北方大面積種植且地勢(shì)平坦的毛豆收獲，對(duì)于南方種植面積小且種植分散的毛豆收獲有著其很大的弊端。而目前國(guó)內(nèi)研制的青毛豆脫粒機(jī)需要先將毛豆收割再進(jìn)行脫粒，收獲步驟繁瑣，收獲效率低，在搬運(yùn)過(guò)程中造成豆莢損失。

因此為實(shí)現(xiàn)毛豆的機(jī)械化收獲，應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）研制懸掛式的毛豆收獲機(jī)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的收獲方式，重點(diǎn)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸式和滾筒式進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)一種可懸掛于拖拉機(jī)前端的毛豆收獲機(jī)。

（2）考慮對(duì)收獲豆莢后的毛豆植株進(jìn)行處理。參考現(xiàn)有對(duì)毛豆莖桿的利用方式，可在拖拉機(jī)后端底部安裝懸掛犁或切割臺(tái)。

（3）研究毛豆莖桿的機(jī)械特性。為實(shí)現(xiàn)毛豆的機(jī)械化采摘，應(yīng)先研究毛豆植株性狀及材料物理機(jī)械性能。應(yīng)重點(diǎn)研究對(duì)毛豆的株高、莖粗、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)。將毛豆莖桿視為一種材料研究其彈性模型、泊松比和密度。

（4）使用機(jī)械收獲的毛豆應(yīng)該符合出口菜用大豆國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。出口標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)毛豆豆莢的長(zhǎng)度、寬度和機(jī)械損傷都作了相關(guān)的規(guī)定。因此實(shí)現(xiàn)毛豆的機(jī)械化收獲應(yīng)研究如何減少青豆莢的機(jī)械損傷。