半夏機(jī)械化收獲的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

劉彩娟， 石林榕， 楊小平， 臧 金， 朱浩東

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

半夏是一種藥用植物，適應(yīng)性廣、栽培容易、管理方便，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)常年收獲的中藥材。半夏得名取源于它主要在夏至前后收獲采摘，又名地文、守田。半夏具有降低人體血壓、促進(jìn)細(xì)胞分裂的作用，具有非常大的藥用價(jià)值。我國(guó)半夏主要產(chǎn)區(qū)有貴州、四川、湖北、湖南、河南、安徽、浙江等地。清水縣作為甘肅省內(nèi)半夏主要產(chǎn)區(qū)，從20世紀(jì)90年代初期開(kāi)始人工種植，年種植面積達(dá)2萬(wàn)多畝，年產(chǎn)值高達(dá)4億元左右，地處隴東南半干旱山區(qū)，屬中溫帶大陸季風(fēng)氣候，是國(guó)內(nèi)中藥材隴藥半夏生產(chǎn)主產(chǎn)縣之一。隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上對(duì)半夏的需求量不斷上漲，我國(guó)半夏生產(chǎn)種植區(qū)面積也隨之逐年擴(kuò)張。然而，相比于馬鈴薯等基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲的其他作物，半夏機(jī)械化收獲技術(shù)仍不成熟，已經(jīng)成為了限制半夏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素[1]。

針對(duì)目前半夏種植與收獲的發(fā)展趨勢(shì)，若能合理采用高產(chǎn)多熟栽培新技術(shù)，則可實(shí)現(xiàn)一年三種三收，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益[2]。目前絕大數(shù)農(nóng)民采取的收獲方式仍是人工撿拾，這種收獲方式不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗費(fèi)時(shí)間多，并且收獲時(shí)半夏損失率較高。因此，為了滿足市場(chǎng)供應(yīng)需求，解決農(nóng)戶采收問(wèn)題，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)半夏收獲機(jī)的研發(fā)，從而提高半夏機(jī)械化收獲水平，這對(duì)提高半夏的產(chǎn)業(yè)發(fā)展起著絕對(duì)性作用，本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外半夏收獲機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹與分析，并對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)半夏機(jī)械化收獲進(jìn)行展望[3-4]。

1 市場(chǎng)現(xiàn)狀及種植條件

1.1 市場(chǎng)現(xiàn)狀

隨著人們不節(jié)制的采挖，野生半夏數(shù)量急劇下降，市場(chǎng)上供應(yīng)的野生半夏商品數(shù)量也急劇減少，而農(nóng)村土地被不斷開(kāi)發(fā)，適宜半夏生長(zhǎng)的環(huán)境也遭到破壞，野生資源已經(jīng)接近枯竭[5]。現(xiàn)今我國(guó)也較為重視對(duì)半夏的研究，研究力度越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)需求量越來(lái)越大。并且國(guó)內(nèi)的制藥企業(yè)也需用半夏作為原料來(lái)研制新藥，商品市場(chǎng)需求量日益增加。此外，由于世界各國(guó)對(duì)我國(guó)中藥材認(rèn)可度的提升，半夏作為我國(guó)主要出口中藥材之一，其外貿(mào)的出口量也在增大，國(guó)外對(duì)半夏的需求量也越來(lái)越高，根據(jù)目前半夏的市場(chǎng)需求情況，國(guó)內(nèi)國(guó)外每年對(duì)半夏的產(chǎn)量需求將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。

1.2 種植條件

半夏種植選用的土壤必須是壤土，且不宜過(guò)酸或者過(guò)堿，其PH在6.5～7.0之間最為適宜，土壤要肥沃，富含有機(jī)物質(zhì)，至少有機(jī)質(zhì)含量要在1.2%以上；水源充足，方便田間灌溉，并且保證做到排澇徹底；種植所選地勢(shì)最好要有一定坡度，合適坡度最好在5°～10°之間，倘若沒(méi)有坡度，要多掘幾條溝[6]。

2 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外的半夏收獲機(jī)相對(duì)較少且大都借鑒馬鈴薯、花生、大蒜、甜菜等相似收獲機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)，但此類(lèi)機(jī)械普遍存在體積大、收獲精度低、耗能大、收獲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，且由于挖掘深度較大，分離機(jī)構(gòu)適應(yīng)的塊莖尺寸較大，不適用于半夏塊莖的分離。因此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究，研制出專用的半夏收獲機(jī)。

武漢科技大學(xué)張璋等設(shè)計(jì)出了一種新型節(jié)能半夏收獲機(jī)，為三重分篩式半夏收獲機(jī)，三維模型簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要做的工作是利用 Pro/E 軟件對(duì)半夏收獲機(jī)零部件進(jìn)行了三維建模和虛擬裝配，并對(duì)整個(gè)裝置的運(yùn)行進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。該裝置的主要組成系統(tǒng)有動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，半夏分離系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)采用萬(wàn)向節(jié)軸，由拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力傳送到齒輪箱然后通過(guò)鏈傳動(dòng)分別帶動(dòng)旋耕耙軸、攪拌軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是工作性能可靠，沒(méi)有打滑現(xiàn)象，且動(dòng)力損失非常小。在分離機(jī)構(gòu)的底端面設(shè)有許多分離孔，這些分離孔的作用是可使收獲的作物在管道的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)半夏與小石塊、沙土、莖葉等雜物的分離，提高半夏的收獲精度，降低含雜率。輸送系統(tǒng)由輸送鏈條、齒輪軸、擋板和方形槽組成。該半夏收獲機(jī)具有三重分篩功能且只采用一個(gè)動(dòng)力源，減少了能量損耗，節(jié)約成本[7]。

圖1 三重分篩式半夏收獲機(jī)三維簡(jiǎn)圖1.機(jī)架；2.挖掘鏟；3.旋耕耙齒；4.旋耕耙軸；5.鏈條；6.輸送器；7.運(yùn)輸通道；8.渦輪；9.渦桿；10.攪拌軸；11.地輪

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭德聰?shù)仍O(shè)計(jì)了4SB-800型半夏收獲機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該機(jī)可與 TN- 55(或 TN-654)拖拉機(jī)配套，組成半懸掛式機(jī)組。針對(duì)半夏的種植特點(diǎn)和作物塊莖的尺寸大小、半夏塊莖在土壤中的分布密度情況，設(shè)計(jì)了收獲機(jī)的總體結(jié)構(gòu)方案，確定了主要技術(shù)參數(shù)；針對(duì)半夏種植密度較大，挖掘部件采用整體式平面鏟；綜合考慮收獲作業(yè)篩分量，土壤濕度、大石塊、土塊、莖葉等殘留物對(duì)分離收凈率的影響后，分離裝置選用滾筒篩分離，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、堅(jiān)固、耐用，滾筒篩結(jié)構(gòu)如圖3所示。收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，在配套拖拉機(jī)牽引下，挖掘鏟挖起土壤和土壤中的作物塊莖，經(jīng)傳動(dòng)部件帶式輸送器傳送至爪輪式清理輸送器，將半夏塊莖與大石塊、土塊和莖葉等雜物分離并將其排出機(jī)外，完成初步分離，隨后細(xì)土?xí)桶胂淖魑飰K莖一起摻雜著落入滾筒式分離機(jī)構(gòu)，滾筒式分離篩會(huì)對(duì)其進(jìn)行二次分離，分離好的半夏塊莖會(huì)被傳送機(jī)構(gòu)送至升運(yùn)器，最后進(jìn)入集料裝置，完成半夏的整個(gè)收獲作業(yè)[8]。

圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖1.懸掛架；2.變速箱；3.傳動(dòng)裝置；4.滾筒篩；5.爪輪式清理輸送器；6.鼓式升運(yùn)器；7.集料裝置；8.行走輪；9.機(jī)架；10.帶式輸送器；11.挖掘鏟

圖3 滾筒篩1.螺旋導(dǎo)向板；2.提升板；3.篩網(wǎng)鋼絲

繼鄭德聰?shù)韧瓿?SB-800 型半夏收獲機(jī)的整體設(shè)計(jì)后，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)趙美香等對(duì)4SB-800 型半夏收獲機(jī)的行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)做了進(jìn)一步設(shè)計(jì)與分析計(jì)算，就收獲機(jī)在田間作業(yè)轉(zhuǎn)彎時(shí)不能沿著拖拉機(jī)軌跡行走而產(chǎn)生嚴(yán)重偏離這一情況，對(duì)半懸掛式機(jī)組轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并對(duì)其進(jìn)行了理論分析。根據(jù)所配套拖拉機(jī)作業(yè)在轉(zhuǎn)彎時(shí)的最小半徑，得到了拖拉機(jī)工作轉(zhuǎn)動(dòng)角和牽動(dòng)的收獲機(jī)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)角的關(guān)系，確定了符合轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力要求的傳動(dòng)角。依據(jù)機(jī)組順利轉(zhuǎn)向成功的條件是各輪做純滾動(dòng)這一條件，設(shè)計(jì)計(jì)算了半夏收獲機(jī)梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了理論分析。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的半夏收獲機(jī)很好地改善了作業(yè)機(jī)組的轉(zhuǎn)向跟蹤性，作業(yè)時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑減小了，機(jī)組工作靈活性提高，從而提高了收獲機(jī)工作效率和收獲率[9]。

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)李海等設(shè)計(jì)的一款新型半夏收獲機(jī)，三維模型簡(jiǎn)圖如圖4所示。該機(jī)工作性能穩(wěn)定，并且能夠很好的適用于各種土質(zhì)，可經(jīng)牽引架固定于動(dòng)力設(shè)備上，變速箱經(jīng)動(dòng)力輸入軸與動(dòng)力設(shè)備上的發(fā)動(dòng)機(jī)相連，工作時(shí)，松土刀片將半夏從土壤中鏟出，隨著刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)，大土塊被切割成小土塊，半夏連同小土塊一起被撥入到輸送帶上，輸送帶上部的碎土輥對(duì)小土塊進(jìn)行進(jìn)一步的碾壓，在振動(dòng)輥的作用下，碾碎的土塊落到地面，半夏則由輸送帶的出料端進(jìn)入篩筒，在篩筒的轉(zhuǎn)動(dòng)和篩筒拍打裝置的拍打下，土塊完全漏掉，半夏則被收集到收獲箱內(nèi)。該機(jī)分離機(jī)構(gòu)采用分離篩設(shè)計(jì)，通過(guò)篩筒的轉(zhuǎn)動(dòng)和拍打，得到不含土塊的半夏塊莖。采用Pro/ E建立半夏收獲機(jī)模型，利用Pro/ E把建好的模型零部件進(jìn)行虛擬裝配，可以對(duì)收獲機(jī)的裝配過(guò)程進(jìn)行初步檢驗(yàn)，減少了實(shí)體機(jī)裝配時(shí)的安裝錯(cuò)誤。對(duì)半夏收獲機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，從中可以看到整個(gè)作業(yè)機(jī)完整的運(yùn)動(dòng)，且各部件運(yùn)轉(zhuǎn)正常[10]。

圖4 半夏收獲機(jī)三維模型簡(jiǎn)圖1.機(jī)架；2.變速箱；3.切刀；4.松土刀；5.輸送帶；6.輸出軸；7.碎土輥；8.導(dǎo)向齒輪；9.地輪；10.集料箱；11.篩筒；12.中心軸

甘肅文通職業(yè)技術(shù)學(xué)院李海等對(duì)半夏收獲機(jī)非離心式滾筒篩分離裝置進(jìn)行研究，采用SolidWorks 軟件繪制半夏收獲機(jī)三維實(shí)體模型，并利用 ADAMS 動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)其做了運(yùn)動(dòng)仿真，分析轉(zhuǎn)速和傾斜角度對(duì)滾筒篩分離裝置篩選效果的影響。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)滾筒篩轉(zhuǎn)速為35.0 r/min時(shí)，半夏在篩板處所受的慣性力較小，半夏的受破壞程度最小。當(dāng)滾筒篩傾斜角度為0°～10°時(shí)，隨著傾斜角度的增大，半夏的篩選分離效果會(huì)有一定程度的提高，當(dāng)滾筒篩傾斜角度大于10°時(shí)，半夏在滾筒篩內(nèi)流動(dòng)過(guò)快，會(huì)影響半夏的篩選分離效果[11]。

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)王鋒等針對(duì)現(xiàn)有收獲機(jī)械直接應(yīng)用于半夏時(shí)存在的采收不徹底，分離效果不佳、需要二次除雜且工作量大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種雙層平篩式半夏收獲機(jī)。該機(jī)主要由挖掘裝置、升運(yùn)裝置、篩分裝置和收集裝置組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。確定了雙層平篩的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)EDEM軟件對(duì)動(dòng)態(tài)篩分過(guò)程進(jìn)行了仿真和理論計(jì)算，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)參數(shù)選取的合理性。并在甘肅省天水市清水縣楊灣村進(jìn)行了田間試驗(yàn)，驗(yàn)證了該半夏收獲機(jī)的性能，結(jié)果顯示半夏的挖凈率較好，并且傷損率和含雜率都較低，樣機(jī)作業(yè)過(guò)程平穩(wěn)，達(dá)到了半夏收獲作業(yè)的技術(shù)要求，研究結(jié)果可為半夏收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供參考[12]。

圖5 半夏收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.挖掘裝置；2.旋轉(zhuǎn)耙齒；3.懸掛曲板；4.變速箱；5.拉桿；6.側(cè)拉桿；7.碎土輪；8.支撐輪調(diào)高手柄；9.支撐輪桿；10.吊桿；11.固定板；12.機(jī)架；13.收集箱；14.上層篩；15.下層篩；16.彈簧；17.支撐輪；18.偏心裝置；19.升運(yùn)裝置

3 存在的問(wèn)題

(1)當(dāng)前存在的半夏收割機(jī)少且大都是根據(jù)馬鈴薯等收獲機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)，存在收獲機(jī)體積過(guò)大，耗能大，收獲時(shí)間長(zhǎng)，收獲效率不高等問(wèn)題；在設(shè)計(jì)與制造半夏聯(lián)合收獲機(jī)的過(guò)程中也存在一些缺陷，有些傳動(dòng)部件的質(zhì)量差，機(jī)器零部件掉落導(dǎo)致作業(yè)機(jī)不能正常工作，傳動(dòng)性能差，在田間工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡頓，卡死現(xiàn)象，使機(jī)械使用壽命縮短，故障發(fā)生頻率增大，收凈率低，塊莖破損率高。此外，目前大部分機(jī)型對(duì)于倒苗半夏仍無(wú)法完成采收[13]。

(2)人工投入比值過(guò)大，機(jī)械化水平太低，對(duì)于面積分散的丘陵種植區(qū)，無(wú)法滿足機(jī)械化連片作業(yè)。又因?yàn)槿鄙倥c收獲機(jī)配套的附屬設(shè)施，很大程度地限制了機(jī)械化收獲水平。

(3)收獲機(jī)收獲效益與農(nóng)戶預(yù)期效益產(chǎn)生落差。農(nóng)戶投入成本購(gòu)買(mǎi)收獲機(jī)，可由于受到機(jī)器故障，作業(yè)地分散等因素的影響，作業(yè)機(jī)作業(yè)效率不高，收益偏低，并且半夏收獲機(jī)工作必定要耗能，產(chǎn)生的油費(fèi)無(wú)疑會(huì)增加收獲成本，農(nóng)戶使用積極性不高，機(jī)械化收獲實(shí)驗(yàn)田地少，加上沒(méi)有基金支持，機(jī)械化應(yīng)用范圍小之又小。

4 半夏機(jī)械化收獲發(fā)展建議

4.1 機(jī)械化收獲的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的半夏收獲主要由人力勞動(dòng)收獲，手動(dòng)收獲需要經(jīng)過(guò)采摘、清洗、晾曬、裝運(yùn)，收獲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且容易受天氣影響，利用機(jī)械化技術(shù)可有效減少收獲時(shí)間和降低人工成本，并且可減少半夏損失率，提高收獲率，滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 發(fā)展建議

(1)提高半夏收獲機(jī)工作性能。加快對(duì)半夏收獲機(jī)的研發(fā)進(jìn)度，努力提高半夏收獲機(jī)的適用性。當(dāng)前存在的半夏收獲機(jī)型大且不能適用于半夏的種植特點(diǎn)，其種植行距，種植模式在不同生產(chǎn)區(qū)都有差異，因此跨區(qū)收獲難度較大，機(jī)械生產(chǎn)商應(yīng)該將機(jī)械收獲技術(shù)與半夏農(nóng)藝要求結(jié)合，使收獲機(jī)的行走寬度與收獲幅寬與半夏的種植株距、行距匹配，減少收獲損傷，相關(guān)研究人員不斷創(chuàng)新收獲機(jī)設(shè)計(jì)方法，以共同提高設(shè)計(jì)制造的半夏收獲機(jī)的適用性與工作性能[15]。

(2)加強(qiáng)管控，提高機(jī)械生產(chǎn)質(zhì)量。目前我國(guó)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)較多，但仍有些企業(yè)為了得到更多的利益，將機(jī)械生產(chǎn)質(zhì)量與可靠性置之度外，破壞了半夏收獲機(jī)的信譽(yù)度，藥農(nóng)不愿意花大錢(qián)買(mǎi)個(gè)不干活的機(jī)器，嚴(yán)重影響了半夏收獲機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國(guó)家相關(guān)部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)半夏收獲機(jī)生產(chǎn)的機(jī)械生產(chǎn)質(zhì)量與可靠性的把控，促進(jìn)收獲機(jī)市場(chǎng)的和諧發(fā)展。

(3)加大宣傳，提供必要資金扶持。國(guó)家對(duì)購(gòu)置農(nóng)機(jī)有補(bǔ)貼資金，應(yīng)把對(duì)半夏收獲機(jī)的補(bǔ)貼重視度提高，并且要盡力爭(zhēng)取到地方采購(gòu)半夏收獲機(jī)的補(bǔ)貼基金，同時(shí)做好相關(guān)的宣傳工作，讓廣大半夏種植藥農(nóng)認(rèn)識(shí)機(jī)械化收獲技術(shù)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，提高藥農(nóng)的購(gòu)買(mǎi)積極性，以此擴(kuò)大機(jī)械化收獲技術(shù)的示范區(qū)域，加快發(fā)展半夏機(jī)械化收獲技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)自古以來(lái)就是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已有上千年的歷史，但農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平較低，主要由人力勞動(dòng)支撐著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人力勞動(dòng)作業(yè)效率低，耗時(shí)多，已跟不上市場(chǎng)需求。半夏市場(chǎng)需求日益緊張，半夏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)半夏收獲機(jī)械化水平提出了更高的要求，為了提高半夏的收獲率，加強(qiáng)半夏機(jī)械化收獲的應(yīng)用，就要優(yōu)化現(xiàn)有的半夏機(jī)械化收獲技術(shù)，相關(guān)研究人員必須清晰認(rèn)識(shí)到現(xiàn)階段我國(guó)半夏機(jī)械化收獲現(xiàn)狀，改善半夏機(jī)械化收獲技術(shù)，加快半夏機(jī)械化收獲的進(jìn)度，未來(lái)必能全方位實(shí)現(xiàn)半夏的機(jī)械化收獲。