葉類蔬菜有序收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策

劉東　肖宏儒　金月

摘要：我國(guó)是蔬菜生產(chǎn)大國(guó)，但目前對(duì)于葉類蔬菜的收獲主要還是依賴于人工收獲，這就大大影響了葉類蔬菜收獲的效率，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力資源急劇短缺，葉類蔬菜的收獲作為傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，收獲機(jī)械短缺已嚴(yán)重制約了我國(guó)新型高效蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。葉類蔬菜有序收獲機(jī)械的目的是為了實(shí)現(xiàn)有序切割、有序輸送及有序收集，從而大大提高效率，節(jié)約勞動(dòng)力，降低成本。為此，針對(duì)國(guó)內(nèi)外葉類蔬菜有序收獲機(jī)械進(jìn)行綜述，分析發(fā)展趨勢(shì)，指出存在的問(wèn)題，并據(jù)此提出未來(lái)的研究方向。

關(guān)鍵詞：葉類蔬菜;有序收獲;機(jī)械化

中圖分類號(hào)：S225.92? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）03-0027-05

我國(guó)有著幾千年的悠久農(nóng)業(yè)發(fā)展史，蔬菜一直是中國(guó)人飲食當(dāng)中不可或缺的食材，并且蔬菜產(chǎn)業(yè)一直以來(lái)都是我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，關(guān)乎農(nóng)民錢袋子和城鎮(zhèn)居民菜籃子。但我國(guó)蔬菜的收獲機(jī)械化水平極低，目前依然沿襲傳統(tǒng)的手工采收，嚴(yán)重制約了其規(guī)模發(fā)展。近年來(lái)，隨著設(shè)施蔬菜生產(chǎn)技術(shù)、蔬菜移栽、灌溉和植保技術(shù)的逐漸成熟和廣泛應(yīng)用，蔬菜種植面積和產(chǎn)量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)的蔬菜種植面積超過(guò)2億hm2，蔬菜產(chǎn)量達(dá)7億t[1-3]，比狹義的糧食產(chǎn)量（指禾本科作物，主要包括稻、麥、糜等）還多。作業(yè)過(guò)程當(dāng)中，收獲作業(yè)約占整個(gè)作業(yè)量的40%，但是目前蔬菜機(jī)械化水平卻只有20%，相對(duì)于糧食的機(jī)械化水平嚴(yán)重滯后，與其相應(yīng)的地位嚴(yán)重不符。因此，對(duì)蔬菜收獲過(guò)程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的要求越來(lái)越迫切[4-9]。

由于蔬菜品種繁多，蔬菜的機(jī)械化收獲也要根據(jù)其種類采取不同的辦法來(lái)完成，根據(jù)收獲部位不同，蔬菜收獲機(jī)一般可分為葉類蔬菜收獲機(jī)、根菜類蔬菜收獲機(jī)、果菜類蔬菜收獲機(jī)。就葉類蔬菜收獲機(jī)而言，一般主要包括分禾裝置、切割裝置、輸送裝置等，其中分禾裝置扶持莖稈，切割器進(jìn)行切割，輸送裝置將切下的葉菜送往料箱。按收獲后蔬菜的堆放方式，蔬菜收獲機(jī)又可分為無(wú)序收獲機(jī)和有序收獲機(jī)，其中有序收獲后的蔬菜品相好，且有序收獲又能節(jié)省對(duì)收獲后的蔬菜進(jìn)行二次整理所需的勞動(dòng)力，相較于無(wú)序收獲機(jī)更具有研發(fā)價(jià)值。但目前國(guó)內(nèi)研制的蔬菜有序收獲機(jī)還存在著蔬菜損傷率較大、收獲效率低下以及實(shí)用性和適用性較差等問(wèn)題，因此并未得到大面積的推廣使用[9-14]。

針對(duì)葉類蔬菜需求增長(zhǎng)和人工生產(chǎn)效率低下的現(xiàn)狀，分析國(guó)內(nèi)外葉類蔬菜有序收獲機(jī)械化的研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，創(chuàng)造性提出葉類蔬菜有序收獲未來(lái)的研究方向，對(duì)改善我國(guó)現(xiàn)有蔬菜有序收獲機(jī)械的不足及我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

1 葉類蔬菜有序收獲機(jī)械的特點(diǎn)

1.1 作業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性

葉類蔬菜的生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜，我國(guó)蔬菜種植情況總體上仍處于小規(guī)模、零散分布的狀態(tài)，要求作業(yè)機(jī)械要面對(duì)各類不同的作業(yè)環(huán)境，對(duì)于露天生長(zhǎng)的蔬菜來(lái)說(shuō)，還要考慮惡劣的天氣影響、田間環(huán)境等一系列的因素。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)在我國(guó)的快速發(fā)展，蔬菜收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)研究還須要考慮大棚內(nèi)狹小的作業(yè)空間和特殊環(huán)境。

1.2 作業(yè)對(duì)象的非標(biāo)準(zhǔn)性

葉類蔬菜品種眾多，不同品種蔬菜往往具有不同的幾何形態(tài)和物理特點(diǎn)，即便是同品種的蔬菜生長(zhǎng)也有一定的隨機(jī)性，在受到土壤、天氣、肥料等多種因素的影響下，長(zhǎng)成之后的蔬菜也往往具有不同的形態(tài)，且葉類蔬菜的食用部分是葉片，葉片具有柔軟易碎的物理特點(diǎn)，同時(shí)多數(shù)葉類蔬菜還須要實(shí)現(xiàn)有序收獲，以便進(jìn)一步提高收獲效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。這就要求在進(jìn)行葉類蔬菜有序收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)和研發(fā)的過(guò)程中，要考慮到蔬菜的特殊物理特性和幾何形態(tài)，從而設(shè)計(jì)出適用性較強(qiáng)的蔬菜有序收獲機(jī)械。

1.3 收獲作業(yè)的特殊性

葉類蔬菜生長(zhǎng)周期較短，對(duì)于采收成熟期一致或用于食品加工的葉類蔬菜來(lái)說(shuō)，為了能夠提高收獲效率，一般多采用一次性收獲作業(yè)的方式收獲蔬菜，但不同于小麥、水稻等農(nóng)作物，葉類蔬菜具有柔軟易碎的物理特性，收獲過(guò)程中，易造成較大程度上的損失率和損傷率，再加上葉類蔬菜復(fù)雜的生長(zhǎng)環(huán)境，因此就對(duì)作業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)和研發(fā)提出了更高的要求。

1.4 葉類蔬菜有序收獲機(jī)械的專用性

不同品種的葉類蔬菜往往具有不同的幾何形態(tài)和物理特性，就需要不同的作業(yè)機(jī)械收獲，因此目前設(shè)計(jì)的葉類蔬菜收獲機(jī)械專用性很強(qiáng)，通用性較差，這就大大增加了成本，阻礙了葉類蔬菜收獲機(jī)械的推廣和普及。因此，在設(shè)計(jì)研發(fā)葉類蔬菜有序收獲機(jī)械時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮這方面的因素，開(kāi)發(fā)某些大面積種植的蔬菜收獲機(jī)械，通過(guò)更換割臺(tái)或部分零件就能實(shí)現(xiàn)不同品種蔬菜收獲的機(jī)械，從而提高作業(yè)機(jī)械通用性[15-18]。

2 葉類蔬菜有序收獲機(jī)械的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)蔬菜機(jī)械化收獲的研究起步較早，技術(shù)也較為成熟，但與水稻、小麥等機(jī)械化水平相比，葉類蔬菜的機(jī)械化水平仍然相對(duì)偏低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)用于加工的果蔬菜約60%釆用機(jī)械化收獲，而其中用于直接食用的鮮用果蔬菜的機(jī)械化收獲只有小部分。目前，國(guó)外的科研機(jī)構(gòu)正在加快蔬菜機(jī)械化收獲方面的研究開(kāi)發(fā)。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2.1.1 SLIDE TW型葉菜收獲機(jī) 在葉類蔬菜收獲機(jī)械中，以意大利HORTECH公司研制的SLIDE TW型葉菜收獲機(jī)為例，SLIDE TW型葉菜收獲機(jī)采用環(huán)狀帶刀的切割方式，傳動(dòng)方式選用電機(jī)或液壓馬達(dá)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能實(shí)現(xiàn)作業(yè)速度的連續(xù)可調(diào)（圖1）。SLIDE TW型葉菜收獲機(jī)可以實(shí)現(xiàn)葉類蔬菜的有序收獲，主要工作過(guò)程和原理如下：在整機(jī)前進(jìn)過(guò)程當(dāng)中，扶禾裝置能實(shí)現(xiàn)葉類蔬菜的分行收獲，分禾器將蔬菜植株扶起并攏入分禾器內(nèi)部;環(huán)狀帶刀將被夾持的蔬菜植株進(jìn)行切割;機(jī)具前進(jìn)，波紋狀?yuàn)A持帶完成將切割后的蔬菜進(jìn)行柔性?shī)A持的輸送過(guò)程，波紋狀?yuàn)A持帶的夾持力能保證蔬菜植株的立式輸送;葉類蔬菜被輸送至作業(yè)機(jī)器上端由人工進(jìn)行捆扎。SLIDE TW型葉菜收獲機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)葉類蔬菜收獲過(guò)程中對(duì)蔬菜收獲的有序切割、有序輸送及有序收集，實(shí)現(xiàn)了葉類蔬菜的有序收獲，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅適用于莖稈類蔬菜或大棵青菜，不利于機(jī)具推廣[19]。

2.1.2 MT-200型葉菜收獲機(jī) 韓國(guó)播藍(lán)特蔬菜公司研制的MT-200葉菜類小型收割收獲機(jī)，整機(jī)質(zhì)量為140 kg，小巧輕便，收割高度可調(diào)（圖2），收割作物高度范圍為3～20 cm，工作效率可達(dá)到667 m2/h（實(shí)測(cè)40 kg/min），相比于人工收獲，大大提高了收獲效率，節(jié)約了勞動(dòng)力。具體工作過(guò)程為MT-200型葉菜收獲機(jī)在行進(jìn)過(guò)程中將蔬菜植株切割，收割過(guò)程為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為DC24V，60 W割刀采用往復(fù)式，上下2片割刀左右交錯(cuò)完成割斷過(guò)程，行進(jìn)過(guò)程為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為DC24V，300 W，行進(jìn)作業(yè)速度分為3檔，可進(jìn)行調(diào)整;割后的蔬菜被后面蔬菜的推擠作用力及傳送帶和蔬菜間的摩擦力推送到傳送帶上實(shí)現(xiàn)蔬菜的輸送過(guò)程，輸送過(guò)程采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為DC24V，90 W;由于收割過(guò)程持續(xù)，蔬菜被不斷推擠而不會(huì)出現(xiàn)倒伏情況，割后的蔬菜被輸送至作業(yè)機(jī)器上端的轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行回旋轉(zhuǎn)動(dòng)式收集，收集電機(jī)型號(hào)為DC24V，15 W。該機(jī)具具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧輕便、工作效率高、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)有序收獲過(guò)程。

2.1.3 卷心菜收獲機(jī) 美國(guó)在很早便意識(shí)到葉類蔬菜機(jī)械化收獲的重要性，約10年前，2所大學(xué)開(kāi)始合作研究一次性收獲工藝收獲機(jī)械，并在近幾年取得重要突破。俄亥俄州的馬徹-韋爾德制造公司率先開(kāi)始出售了金-科爾食用卷心菜收獲機(jī)。該收獲機(jī)分為單行和雙行2種類型，型號(hào)分別為 PT-K-1、PT-K-2，二者都是牽引式。相比于人工收獲卷心菜，收獲機(jī)的出現(xiàn)大大提高了收獲效率，PT-K-1為單行收獲機(jī)，工作效率為40～60 t/d，PT-K-2為雙行收獲機(jī)，工作效率為50～120 t/d以上。其中PT-K-1型收獲機(jī)長(zhǎng) 4.3 m，寬2.0 m，總質(zhì)量約為1 260 kg（包括升運(yùn)器），工作行距為0.6 m以上，而2行收獲機(jī)的工作行距為0.76 m以上。

該公司出售的卷心菜收獲機(jī)由2根螺旋攪龍拔出卷心菜并由沿著攪龍移動(dòng)的限位輸送帶的作用完成輸送過(guò)程，在輸送過(guò)程中，2片回轉(zhuǎn)式圓板型割刀切除卷心菜的根部及其外葉，切割裝置由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，機(jī)具上裝有鼓風(fēng)機(jī)能對(duì)切除下來(lái)的外葉進(jìn)行去除，最后由升運(yùn)裝置將卷心菜輸送上車。該機(jī)型目前已得到廣泛應(yīng)用，除了俄亥俄州的馬徹-韋爾德制造公司，包括紐約的卡斯?fàn)柺斋@機(jī)公司和伊曼紐爾-博耶公司在內(nèi)的2家大型農(nóng)機(jī)具制造公司以及同在俄亥俄州的洛機(jī)器公司都在出售該種型號(hào)的收獲機(jī)。

歐洲也很早便開(kāi)始了對(duì)葉類蔬菜收獲機(jī)械的研究開(kāi)發(fā)，同樣以卷心菜收獲機(jī)為例，德國(guó)的海因里希布萊因羅特農(nóng)機(jī)制造公司出售農(nóng)夫收獲機(jī)，荷蘭的多凱克斯公司出售一款名為多凱克斯收獲機(jī)的類似機(jī)具。

與金-科爾食用卷心菜收獲機(jī)原理相似，農(nóng)夫收獲機(jī)同樣由導(dǎo)引的2根螺旋攪龍拔出卷心菜，不同的是農(nóng)夫收獲機(jī)是由帶鋸切斷卷心菜的根部及其外葉，最后由螺旋輸送器進(jìn)行橫向輸送至升運(yùn)器完成輸送過(guò)程，并在輸送過(guò)程中完成外葉的去除與分離。農(nóng)夫收獲機(jī)采用一次性收獲，由 25.725 kW 以上的拖拉機(jī)牽引，工作過(guò)程中，需要包括拖拉機(jī)駕駛員、清選人員、負(fù)責(zé)裝菜人員在內(nèi)的共計(jì)3人，工作效率約為收獲 1 hm2/d。

荷蘭的多凱克斯收獲機(jī)的收獲機(jī)構(gòu)是由2片圓盤對(duì)卷心菜的位置控制和夾入起到輔助作用，再由波形皮帶夾著卷心菜進(jìn)行輸送，波形皮帶由1組實(shí)心軸驅(qū)動(dòng)，輸送裝置末端裝有回轉(zhuǎn)鋸對(duì)卷心菜根部及其外葉進(jìn)行切斷，最后卷心菜通過(guò)外葉分離裝置輸送到裝菜車上。

除了上述介紹的幾種蔬菜收獲機(jī)，國(guó)外已經(jīng)研制了多種其他種類蔬菜的收獲機(jī)械。如由加里福尼亞的Nu-Way收獲機(jī)公司以及歐洲的德國(guó)海因里希-威廉農(nóng)業(yè)機(jī)械制造廠等公司出售的菠菜收獲機(jī)在馬里蘭州已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，美國(guó)有龍須菜、食莢菜豆等收獲機(jī)，日本川崎公司研發(fā)的風(fēng)送型葉菜收獲機(jī)以及德國(guó)的菜花收獲機(jī)[20-28]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.2.1 金花菜收獲機(jī) 現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)葉類蔬菜收獲機(jī)械的研發(fā)尚處于起步階段，蔬菜的收獲過(guò)程仍然以人工收獲為主。江蘇大學(xué)和鎮(zhèn)江市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站使用TA-XT2i新型質(zhì)地物性測(cè)試儀對(duì)金花菜包括拉斷力、拉應(yīng)力、剪切力和剪應(yīng)力在內(nèi)的一系列力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，研制出了金花菜收獲機(jī)（圖3），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金花菜的機(jī)械化收獲過(guò)程[29-31]。該機(jī)具的作業(yè)過(guò)程為機(jī)具行進(jìn)過(guò)程中，往復(fù)式雙動(dòng)割刀完成對(duì)金花菜的切割，切割動(dòng)力采用直流電源電機(jī)驅(qū)動(dòng)，收割高度可調(diào);考慮到金花菜體積小、單個(gè)質(zhì)量較輕，因此采用風(fēng)力輸送來(lái)完成金花菜的收集過(guò)程，通過(guò)控制手柄對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，將收集袋掛在機(jī)架上，收割后的金花菜被風(fēng)力吹入收集袋中完成收割過(guò)程。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，該機(jī)具能順利實(shí)現(xiàn)金花菜的收獲過(guò)程，生產(chǎn)率可達(dá)到960 kg/h，收割后的畦面相比于人工收割更加平整，有利于后期的采收。該機(jī)具的缺點(diǎn)是對(duì)作業(yè)土地的適應(yīng)性較差，風(fēng)力收集無(wú)法實(shí)現(xiàn)金花菜的有序收獲[32-34]。

2.2.2 蘆蒿收獲機(jī) 由南京農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所與鹽城市鹽海拖拉機(jī)制造有限公司合作研發(fā)的蘆蒿收獲機(jī)（圖4），實(shí)現(xiàn)了蘆蒿的機(jī)械化收獲，該作業(yè)機(jī)具割幅寬為1 m，可完成蘆蒿高度在30～80 cm范圍內(nèi)的收獲作業(yè)且割茬齊整，比人工收獲的效率提高了8～10倍，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，該機(jī)型結(jié)構(gòu)小巧簡(jiǎn)單，適用性較強(qiáng)[35]，稍加改裝便可實(shí)現(xiàn)對(duì)青菜、菠菜等葉類蔬菜的收獲。

目前，國(guó)內(nèi)葉類蔬菜的無(wú)序收獲機(jī)技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)較為成熟，除了上述介紹的2款無(wú)序收獲機(jī)外，還包括由南通富來(lái)威農(nóng)業(yè)裝備有限公司研制，主要針對(duì)青菜、韭菜、菠菜等葉類蔬菜的一款通用標(biāo)準(zhǔn)化收獲機(jī)，該機(jī)具可以實(shí)現(xiàn)多種葉類蔬菜的機(jī)械化收獲，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)有序化收獲過(guò)程;南京農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的一款通用葉類蔬菜無(wú)序收獲機(jī)，適用于青菜、菠菜、雞毛菜等多種葉類蔬菜（圖 5），采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，往復(fù)型動(dòng)刀完成切割過(guò)程，通過(guò)傳送帶完成輸送過(guò)程，蔬菜輸送至作業(yè)機(jī)具頂部落入收集框內(nèi)，能高效率地實(shí)現(xiàn)葉類蔬菜的無(wú)序收獲。