葉菜收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望*

陳文明 ， 王公仆 ， 胡良龍 ， 袁建寧 ， 王 冰 ， 杜元杰

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014；2.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

我國是世界上蔬菜種植種類最多、范圍最廣的國家，產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的50%。2021年全國蔬菜播種面積約2 174.43萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)7.82億t，人均占有量超500 kg，均居世界首位[1-3]。葉菜是一類通常以鮮嫩葉片、葉柄和莖稈為食用部分的蔬菜，具有生長周期短、采收勞動(dòng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)[4]。由于我國葉菜種植品種繁多，且不同葉菜的種植密度、種植模式和生長特性等差異明顯，因此葉菜采收基本依靠人工完成[5]。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力不斷減少，葉菜采收產(chǎn)業(yè)又屬勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，加快葉菜收獲機(jī)械發(fā)展，實(shí)現(xiàn)葉菜機(jī)械化、智能化收獲，對(duì)降低葉菜生產(chǎn)成本、減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度、推動(dòng)葉菜采收行業(yè)發(fā)展具有重要意義[6]。

1 葉菜收獲機(jī)械作業(yè)方式分類

我國葉菜種植種類眾多，生長特性差異較大[7]，使得葉菜收獲機(jī)械作業(yè)方式不盡相同，目前主要分為以下幾種方式。

1）根據(jù)切割后葉菜的存放方式，可分為有序收獲和無序收獲。其中，有序收獲的葉菜堆放整齊、品相較好，但相應(yīng)收獲機(jī)械研發(fā)復(fù)雜，一般需裝備夾持輸送機(jī)構(gòu)；無序收獲的葉菜雖堆放無規(guī)律、品相較次，但相應(yīng)收獲機(jī)具研發(fā)簡(jiǎn)單，收獲效率較高[8]。

2）根據(jù)切割后葉菜留茬的根部情況，可分為切根收獲和不切根收獲。其中，切根采收在上海青、菠菜、茼蒿和芹菜等葉菜中比較常見，不切根采收通常用于雞毛菜、小青菜和紅薯莖尖等的采收[9]。

3）根據(jù)切割后葉菜的輸送方式，可分為風(fēng)送式、推送式和夾持輸送式。其中，風(fēng)送式輸送適用于小型葉菜，推送式輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，夾持輸送式可以保證葉菜有序收獲[10]。

4）根據(jù)葉菜切割刀類型，可分為環(huán)帶切割刀、往復(fù)式雙動(dòng)切割刀和圓盤切割刀。其中，環(huán)帶割刀加工精度低，應(yīng)用范圍廣；往復(fù)式雙動(dòng)割刀切割效率高，但刀具制造較復(fù)雜，高速切割時(shí)上下刀片易堵塞；圓盤割刀切割范圍有限，一般用于對(duì)行收獲，適用于上海青等根系較強(qiáng)的葉菜[11]。

2 國內(nèi)外葉菜收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀

2.1 國外葉菜收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家較早對(duì)葉菜收獲機(jī)械開展研究，并結(jié)合傳感器檢測(cè)、液壓控制和電動(dòng)控制等技術(shù)，葉菜收獲機(jī)械化程度大幅提高，智能化技術(shù)相對(duì)成熟[6-7]，從依靠人工采收迅速發(fā)展為分段收獲機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)收獲[12]。目前，部分國家已基本實(shí)現(xiàn)葉菜機(jī)械化及智能化收獲，如美國、意大利、日本等[13-15]。

美國十方公司研發(fā)了一款葉菜收獲機(jī)，適用于收獲莖葉類葉菜，如茼蒿、莧菜等。該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是切割后的葉菜可被輸送帶上的釘齒主動(dòng)撥送到輸送帶上，極大地降低割臺(tái)損失率；缺點(diǎn)是輸送帶制造復(fù)雜，同時(shí)葉菜根部的黏土也會(huì)被撿拾到輸送帶上[16]。

意大利HORTECH公司研制的SLIDE TW型葉菜收獲機(jī)，如圖1所示。該機(jī)裝配一種波紋夾持輸送帶，可夾持輸送切割后的葉菜到后端進(jìn)行二次有序人工捆扎，適用于需有序收獲的葉菜，缺點(diǎn)是機(jī)具研制復(fù)雜，難以推廣，無法滿足小農(nóng)戶的生產(chǎn)需求[17]；SLIDE FW型葉菜收獲機(jī)有液壓輔助轉(zhuǎn)向和電動(dòng)臨時(shí)停止裝置，如圖2所示，該機(jī)臨時(shí)停止恢復(fù)后能夠以相同速度行走，切割高度由傳感器檢測(cè)，可通過液壓控制裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)[18]；SLIDE VALERIANA型葉菜收獲機(jī)配有除土振動(dòng)器，可有效去除黏附在葉菜上的黏土，使后端收集到的葉菜更干凈，該機(jī)適用于收獲幼葉葉菜，如圖3所示[19]。

圖1 意大利HORTECH公司SLIDE TW型葉菜收獲機(jī)

圖2 SLIDE FW型葉菜收獲機(jī)

圖3 SLIDE VALERIANA型葉菜收獲機(jī)

日本川崎公司研發(fā)了一款風(fēng)送式小型葉菜收獲機(jī)，其通過高壓氣流將切割后的葉菜輸送至后端收集袋中，風(fēng)送式輸送的優(yōu)點(diǎn)在于切割后的葉菜與輸送帶之間無接觸、無摩擦，可在一定程度上減少葉菜損傷，降低葉菜收獲損傷率，該機(jī)適用于收獲小葉類葉菜，如三葉草、菊花腦、馬蘭頭等[20]。日本第二產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社研制的TC110E型自走式葉菜收獲機(jī)，如圖4所示，該機(jī)主要由自走式底盤、往復(fù)式雙動(dòng)割刀、氣流輸送機(jī)構(gòu)和收集袋等組成；切割作業(yè)時(shí)，由于割刀與葉菜無剛性接觸，可確保葉菜留茬切口基本一致，收獲質(zhì)量較高，其優(yōu)點(diǎn)是割刀高度調(diào)節(jié)范圍大，通用性高，能夠采收包括甘薯莖尖在內(nèi)的多種莖葉類葉菜[21]。

圖4 日本第二產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社TC110E型自走式葉菜收獲機(jī)

2.2 國內(nèi)葉菜收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀

我國雖是葉菜生產(chǎn)消費(fèi)大國，但大部分葉菜種植戶屬中小農(nóng)戶，存在溫室大棚建造不合格、葉菜幼苗種植布局過于分散等問題，葉菜種植質(zhì)量較低，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝無法有效融合，葉菜收獲很難實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化。近年來，我國政府大力支持葉菜收獲機(jī)械的研發(fā)，每年都投入大量資金，研究雖起步較晚，但發(fā)展較為迅速[22-23]。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所王公仆等研發(fā)的4UM-100型葉菜收獲機(jī)，如圖5所示。該機(jī)適用于采收甘薯莖尖、小青菜和雞毛菜等莖葉類葉菜，其優(yōu)點(diǎn)在于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無污染；往復(fù)式雙動(dòng)割刀切割，切口平整；切割、撥禾、輸送和行走均由獨(dú)立電機(jī)控制，操作方便；缺點(diǎn)是整個(gè)收獲過程的有序性較差[24]。4UM-120D型電動(dòng)葉菜收獲機(jī)裝配1.2 m帆布式輸送帶及48 V直流電機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其割刀離地高度可調(diào)，直立生長及倒伏類莖葉類葉菜均可收獲。

圖5 4UM-100型葉菜收獲機(jī)

江蘇省農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)創(chuàng)新中心丁馨明等研制了一款小型手扶式葉菜收獲機(jī)，如圖6所示。該機(jī)采用往復(fù)式雙動(dòng)割刀和帶式輸送裝置，可完成葉菜切割及輸送[25]。浙江大學(xué)杜冬冬等研發(fā)了一款自走式甘藍(lán)收獲機(jī)，該機(jī)主要由引撥機(jī)構(gòu)、切根機(jī)構(gòu)、剝?nèi)~機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)等組成，采用單行收獲，可一次完成整個(gè)甘藍(lán)的切根、剝?nèi)~和收獲作業(yè)[26-27]。

圖6 小型手扶式葉菜收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

盧建強(qiáng)等研制了一款手扶式有序葉菜收獲機(jī)，如圖7所示。該機(jī)采用往復(fù)式雙動(dòng)割刀切割葉菜，利用切割后葉菜之間形成的推擠力將葉菜推送至兩根振動(dòng)桿上，兩振動(dòng)桿上下交替振動(dòng)，既可清除葉菜表面雜質(zhì)，又能保證葉菜輸送的有序性[28]。

圖7 手扶式有序葉菜收獲機(jī)

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)施印炎等研發(fā)了一款自走式蘆蒿收獲機(jī)，如圖8所示。該機(jī)通過夾持輸送機(jī)構(gòu)將切割后的蘆蒿有序輸送到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將蘆蒿由垂直輸送轉(zhuǎn)為水平輸送，經(jīng)二級(jí)輸送帶作用將蘆蒿有序輸送到后端收集筐中，實(shí)現(xiàn)蘆蒿整個(gè)切割、輸送和收獲過程的有序性[29]。

圖8 自走式蘆蒿收獲機(jī)

近年來，我國葉菜收獲機(jī)械化發(fā)展較快[30]，智能化技術(shù)水平也有一定程度提高。如吳惠昌等研發(fā)了一種牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)，包括對(duì)行

探測(cè)機(jī)構(gòu)、偏移執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓裝置、主控制器等[31]。李新成等采用光電編碼器測(cè)量小型電動(dòng)葉菜收獲機(jī)作業(yè)行走速度，研制出一種行走速度檢測(cè)與自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)[32]。

3 葉菜收獲機(jī)械發(fā)展展望

目前，我國大部分葉菜收獲機(jī)械仍處于理論研究和樣機(jī)試驗(yàn)階段，雖不斷對(duì)國外葉菜收獲機(jī)械開展研究，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出一些機(jī)型，但其只能在一定程度上滿足我國葉菜收獲作業(yè)的需求，筆者認(rèn)為要研發(fā)出符合我國葉菜生產(chǎn)國情的收獲機(jī)械，應(yīng)著重從以下幾方面入手。

3.1 開展葉菜物理特性研究

對(duì)葉菜物理特性進(jìn)行研究是葉菜收獲機(jī)械研發(fā)的首要環(huán)節(jié)，通過對(duì)葉菜葉片、葉柄和莖稈的物理特性展開研究，為葉菜收獲機(jī)械研發(fā)及關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)定提供有效理論依據(jù)[16]。

3.2 提高農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)相匹配程度

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)與農(nóng)藝緊密相關(guān)。農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相輔相成，共同服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體效率。通過相關(guān)學(xué)科專家定期交流和合作研究，培育適合機(jī)械化收獲的葉菜品種，制定符合機(jī)械化收獲的葉菜栽培模式，研發(fā)與農(nóng)藝相匹配的葉菜收獲機(jī)械[18]。

3.3 優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)

葉菜收獲機(jī)械最大的市場(chǎng)在農(nóng)民。對(duì)他們來說，有必要最大限度地降低制造成本。在滿足機(jī)械性能的前提下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、通用性好的機(jī)型往往能更好地滿足廣大市場(chǎng)需求。同時(shí)，優(yōu)化理論的完善和CAD/CAE軟件的應(yīng)用為機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真提供了理論支持和技術(shù)平臺(tái)，從而達(dá)到優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的目的[19]。

3.4 提高機(jī)械通用性

在目前葉菜種植模式下，通用性較差的收獲機(jī)械會(huì)增加葉菜生產(chǎn)成本，限制葉菜收獲機(jī)械的普及。應(yīng)尋找不同葉菜之間的共性，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，從而提高葉菜收獲機(jī)械的通用性[20]。

3.5 提升智能化技術(shù)水平

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)結(jié)合將進(jìn)一步提高收獲機(jī)械的可操作性、便捷性和智能化技術(shù)水平。我國葉菜收獲機(jī)控制部件和系統(tǒng)的研究主要集中在割刀高度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)上，該系統(tǒng)可以根據(jù)地面條件和葉菜生長情況自動(dòng)調(diào)節(jié)割刀高度，從而實(shí)現(xiàn)葉菜收獲一致性的上市要求[21-22]。

4 結(jié)語

隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的日益緊缺及人們對(duì)葉菜需求量的不斷增多，我國葉菜收獲必須朝著機(jī)械化、智能化的方向發(fā)展。我國葉菜品種繁多，種植面積小且不規(guī)范，需借鑒國外相關(guān)機(jī)型的成功經(jīng)驗(yàn)，有重點(diǎn)地開展中小型葉菜收獲機(jī)械的研發(fā)。此外，還應(yīng)對(duì)葉菜物理特性開展研究，有效結(jié)合農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高收獲機(jī)械的通用性，研發(fā)割刀高度自動(dòng)升降等控制系統(tǒng)，提升收獲機(jī)械的智能化技術(shù)水平，這對(duì)降低葉菜生產(chǎn)成本、減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)我國葉菜機(jī)械化收獲具有重要意義。