茎叶类蔬菜收获机的研究现状及发展对策_许月文.pdf

茎叶类蔬菜收获机的研究现状及发展对策 许月文 1 谢伟 1 2 刘迪 1 陈腾 1 张扬 1 董尚坤 1 邓海波 1 1 湖南农业大学机电工程学院 湖南 长沙 410128 2 湖南省现代农业装备工程技术研究中心 湖南 长沙 410128 摘 要 简述了国内外茎叶类蔬菜收获机械装备的研究水平和发展现状 分析了国内外现有 茎叶类蔬菜有序收获机和无序收获机 结合我国茎叶类蔬菜生产国情 指出了我国茎叶类蔬菜收 获机械化应用中存在的问题 并对当前国内茎叶类蔬菜收获机重要发展方向提出了系列对策和 建议 关键词 茎叶类蔬菜 机械化 收获 中图分类号 S225 92 文献标识码 A 文章编号 2096 8736 2020 01 0020 07 1 引 言 我国是蔬菜生产大国 蔬菜播种面积和产量分 别占世界总量的40 和50 以上 且呈连续增长态 势 近年来 随着我国城镇化进程的高速发展和大 量农村青壮年劳动力进入城市从事非农业工作 使 得农业劳动力成本增加 严重制约着我国蔬菜产业 的可持续发展 据统计 我国直接从事蔬菜生产的 人数约9000万 人工成本占生产总成本的65 左 右 机械化水平不高 目前我国在种植的各类蔬菜 中 茎叶类蔬菜产量已占蔬菜生产总量的 30 40 有些地区的茎叶类蔬菜产量占比更高 同时 在茎叶类蔬菜整个作业流程中 收获环节的作业量 占整个生产作业量的 40 以上 而且还是强度最 大 耗时最多的环节 其机械化水平远远低于整地 播种 移栽 田间管理及运输等环节 由于茎叶类蔬菜以鲜嫩的幼叶为栽培目的 具 有柔软易碎的物理特性 机械化收获过程中易造成 损伤 同时在机械化生产过程中 茎叶类蔬菜种类 繁多 其栽培模式 种植密度 株距 行距等几何形 态和物理特性存在很大差异 针对某个品种研制出 来的系列收获机 不一定适合于其他品种的收获 使得收获装备技术的研发一直存在最难以突破的 瓶颈 根据茎叶类蔬菜收获后的堆放方式分类 从 Status and Development of Stem leaf Vegetable Harvester XU Yuewen 1 XIE Wei 1 2 LIU Di 1 CHEN Teng 1 ZHANG Yang 1 DONG Shangkun 1 DENG Haibo 1 1 College of Mechanical Electrical Engineering Hunan Agricultural University Changsha Hunan 410128 China 2 Hunan ProvincialEngineering Technology Research Centerodern AgriculturalEquipment Changsha Hunan 410128 China Abstract This paper presented the important proportion of stemleaf vegetables in vegetable planting and supply and found that the mechanization level of vegetable production was low in China especially the mechanization of harvest of stemleaf vegetables which is far lower than that of other processes The research level and development status of stemleaf harvesting machinery and equipment at home and abroad were introduced and the existing in order and out of order harvesters of stem leaf vegetables were analyzed Based on the situation of stemleaf vegetable production in China this paper summarized the problems in the application of stemleaf vegetable harvesting mechanization and put forward a series of countermeasures and suggestions for the main development direction of stemleaf vegetable harvesting machine in China Keywords stemleaf type vegetables mechanization harvest 基金项目 湖南省教育厅一般项目 19C0906 2019年湖南省 大学生创新创业训练计划项目 201910537015 湖 南省科学技术厅重点研发项目 2019NK2151 作者简介 许月文 男 湖南武冈人 主要从事农业机械设计与 创新研究 通信作者 谢伟 男 湖南沅江人 主要从事农业机械设计创新 研究 农业工程与装备 AGRICULTURAL ENGINEERING AND EQUIPMENT 第47卷第1期 Vol 47 No 1 2020年8月 Aug 2020 有序收获机和无序收获机两个方面对国内外茎叶 类蔬菜收获机的研究现状进行分析 最后针对当前 国内茎叶类蔬菜机械化收获存在的问题进行归纳 并对其发展方向进行预测 以期为我国茎叶类蔬菜 的机械化生产研究提供参考 2 国内外茎叶类蔬菜收获机的现状 2 1 无序收获机 国外对茎叶类蔬菜的研究起步较早 技术较为 成熟 发展水平相对较高 基本形成了主要作业环 节机械化生产的产业体系 体现了信息化 一体化 全程化等特征 茎叶类蔬菜无序收获机较为典型的 有意大利 Hortech 公司研制出的 Slide FW 型叶菜 收获机 如图1 所示 该机具作业时对作物的畦面 平整度和土壤的细碎度要求较高 适宜收获鸡毛 菜 金花菜等茎叶类蔬菜 图1 Slide FW型叶菜收获机 为了适用低留茬和带根收获的茎叶类蔬菜收 获 Hortech 公司在Slide FW型叶菜收获机基础上 运用带锯切割 振动输送的原理 研制出了Slide Valeriana型叶菜收获机 如图2 所示 该机具通过 割台前端的合金条交替运动 使被采收的茎叶菜上 的泥土快速 高效地掉落 有效提高了茎叶类蔬菜 的收获质量 图2 Slide Valeriana型叶菜收获机 意大利 De Pietri 公司研制的 FR 100 叶菜收 获机 如图3 所示 该机具采用四轮驱动并配有静 液压驱动 能够实现在潮湿地面以及高湿度等恶劣 条件下的使用 切割装置由液压控制调整 可适应 不同种类蔬菜的切割要求 一般用于菠菜等蔬菜的 大规模收获 图3 FR 100叶菜收获机 荷兰Roopack 公司研制的Spimaro型叶菜收获 机自动化程度较高 具有集成称重装置和自动灌装 装置 以及由传感器控制的切割高度调整机构 如 图4 所示 该机具采用了2个旋转切割盘与收割机 配合使用 与带锯装置相比收获损失较低 被割蔬 菜由皮带直立运输 完成自动装箱 并通过摇带振 动将杂物分离 图4 Spimaro型叶菜收获机 自从 十二五 以来 国家重点发展现代农业 鼓励大规模的农场化蔬菜种植 引进了一些国外的 收获机械 但由于地理环境的差异 照搬国外的机 械设备并不能完全满足我国农业生产的实际要求 由韩国播兰特商贸公司研制出的一款叶菜收获机 在进入国内市场后经过改装 优化试制出MT 200 小型叶菜收获机 如图5 所示 该机具适合中小型 农场使用 结构简单 轻便耐用 采用电机驱动 可 许月文等 茎叶类蔬菜收获机的研究现状及发展对策 第47卷第1期 21 通过上下2组割刀往复式相对运动完成对叶菜的 切割 割后的叶菜在拨禾轮旋转作用下到达后方的 输送带 实现叶菜的收集装箱 图5 MT 200小型叶菜收获机 日本川崎公司采用往复式双动刀高速切割茎叶 类蔬菜 在高压气流的作用下将被割蔬菜吹送到收集 袋中 研制出了风送型叶菜收获机 该机具在进入国 内市场后 由武汉艾克美农业科技有限公司进行了改 装 改装后生产的AM 100手扶式风送型叶菜收获 机 如图6所示 该机具由人工推进 收获效率较高 适合于小叶类蔬菜 如三叶菜 菊花脑等 图6 AM 100手扶式风送型叶菜收获机 南通富来威农业装备有限公司研制的4UM 100 叶菜收获机 如图7所示 该机具前端设置有拨禾轮 可 收割直立生长或爬行倒伏的茎叶类蔬菜 切割装置 行 走装置和输送装置采用独立单元控制 均可实现无极变 速 具有切割性能良好 割茬整齐的优点 适应于鸡毛 菜 生菜 红薯叶等多种叶菜类蔬菜的收获作业 图7 4UM 100叶菜收获机 上海仓田精密机械制造有限公司采用切割电 机与小型汽油发动机结合 研制出了手扶式油电混 合型绿叶菜收割机 该机具有轻便灵活 转弯掉头 比较方便的特点 能适应于大棚蔬菜收获 为了减 少污染 该公司在油电混合型绿叶菜收割机的基础 上重新改进设计了4GCDZ 100自走式电动绿叶菜 收割机 如图8所示 该机具采用纯电动驱动 节能 环保 操作简便 收获效率较高 图8 4GCDZ 100自走式电动绿叶菜收割机 为研制出适合我国国情的茎叶类蔬菜收获 机 国内部分研究人员在吸纳和借鉴国外技术的 基础上 不断创新 研制出了一批适合我国国情的 茎叶类蔬菜无序收获机 并投入生产 由秦广明等 开发了一种高速双动风送型无序茎叶类蔬菜收获 机 该机具通过偏心轴的旋转实现割刀往复运动 切割质量较好 可采用袋式收集 且换袋方便 丁 馨明等研制的手扶式叶菜收割机小巧轻便 可适应 于大棚作业 该机具工作速度可调 适用于金花菜 豆芽 马兰等叶菜的收获 工作时 先由电机驱动双 刀双动往复式切割器对叶菜进行切割 再由软体拨 板将被割叶菜拨至带式输送装置 从而实现对叶菜 的收获 陈树人等开发了一种三叶菜的机械收获装 置 工作时 随着人工推行 往复式切割装置在电 动机的驱动下对三叶菜进行切割 被割后的三叶 菜在风机作用下被吹送至收集箱中收集 基于该 装置 陈树人等研制出了一种秧草收获机 该机具 采用轮毂电机驱动机器自走 通过平行四杆机构 实现切割高度连续可调 且割茬平整 被割的秧草 由风力吹送至传送带 由传送带进一步输送至后 方收集 该机具清洁无污染 高度调节方便 能有 效提高劳动效率 吴明聪等研制的4YC 110型秧草收获机 经人 农业工程与装备 2020年8月22 工与机械收获的对比试验表明 该机具收获效率达 人工收获的20倍 该机具由汽油机提供切割动力 收割高度可调 采用往复式双动割刀完成对秧草的 切割 通过风力将被割秧草输送至收集袋中 高龙等运用功能形态学矩阵研制出了智能叶 菜收获机 该机具由电机驱动 采用圆盘式切割器 切割蔬菜 并通过将电机与丝杆升降技术 双向丝 杆技术的配合实现了割茬高度和割幅宽度的智能 调节 被割蔬菜由一级输送带夹持输送 并横向放 倒至二级输送机构 再由二级输送机构抛入收集箱 中 该机具操作简便 收获后的叶菜品质较好 张瑞华等研制的小型绿叶类蔬菜收获机 通过 与拖拉机连接实行侧牵引方式 该机具切割高度不 可调 功能较为单一 工作时 拨禾轮将被割叶菜茎 秆拨向切割器 对其进行切割后通过有一定倾斜度 的皮带将被割叶菜送至收集箱 马建国等研制的小型韭菜收割装置具有节能 环保的优点 但是自动化程度低 纯人力驱动 不能 有效降低劳动强度 工作时 通过高低两条同步传 送带将被割作物输送至收集区 徐少华等研制的茎叶类蔬菜通用收获机由发 动机提供动力 并通过齿轮箱对输出转速进行调 节 割刀在曲轴和凸轮的有效配合下保证茎叶类蔬 菜齐整切割 且割刀水平高度及角度可调 适应不 同田块的茎叶类蔬菜切割 被割茎叶类蔬菜由风机 吹送 进一步被收集 该机具可适应不同宽度的田 块作业 收获高度可调 操作灵活 申屠留芳等研制的叶类蔬菜收获机采用履带 式底盘 通过液压驱动调整割台高度和实现行走装 置的无级变速 该机具切割平稳 可通过更换切割 头实现带根或不带根蔬菜收获 有效提高了机具通 用性 但燃油污染较大 不适宜大棚收获 由于无序收获机采收后的作物次序混乱 容易 损伤菜芯 影响食用口感 且绝大多数的无序收获 机都存在损伤高和损失大的问题 在国内实际农业 生产中 能够应用和推广的机具依旧很少 2 2 有序收获机 对于茎叶类蔬菜有序收获机而言 收获后的茎 叶类蔬菜品质相对较好 同时有序收获又能减少收 获后人工二次整理所需的劳动力 目前 国外茎叶 类蔬菜有序收获机发展水平相对较高 适用于大型 农场的联合收获机和小田作业的自走式收获机均 已被成规模投放到市场 其中较为典型的是意大利 Hortech 公司研制的Slide TW 型叶菜有序收获机 如图9 所示 该机具采用环状带锯的切割方式 波 纹状夹持带采用柔性材料 以保证茎叶类蔬菜以立 姿向后有序输送 在作业过程中 先由分禾装置对 密植的茎叶类蔬菜进行分行和扶持 同时由环状带 锯将其割断 再由分禾装置将割断的蔬菜拢入波纹 状夹持带 最后由人工完成捆扎 装箱 图9 Slide TW型叶菜有序收获机 丹麦Asa lift 公司研制的PO 335 型韭葱收割 机 如图10 所示 该机具入料装置采用 头顶 式结 构 有效的减小了土壤与叶片的堆积 工作时 先将 韭葱连根拔出 再由输送带夹持拨出的韭菜将其输 送至后上方 最后由旋转机构与水平输送带配合将 韭葱有序输送至收集箱 该机具能够实现收割 运 输及装箱于一体 收获效果较好 图10 PO 335型韭葱收割机 韩国研制的韭菜收割机进入我国市场后 上海 康博公司对其进行优化并研制出了4G 200型韭菜 收割机 如图11 所示 该机具采用圆盘割刀进行切 割 可对韭菜进行单行收获 并使收获的韭菜整齐 不乱 但通用性差 工作时 由半交叉式输送带夹持 韭菜朝同一方向倒下 输送 实现韭菜的有序收集 许月文等 茎叶类蔬菜收获机的研究现状及发展对策 第47卷第1期 23 该机具适用于小田块和大棚作业 图11 4G 200型韭菜收割机 近年来 为实现对茎叶类蔬菜的有序收获 提 高效率 节约劳动力 降低成本 促进我国新型高效 茎叶类蔬菜产业的发展 国内相关研究机构对茎叶 类蔬菜的收获机械研究有了一定的发展 但大多研 究成果仍处于试验 试用阶段 刘东等研制的 4GCY 1200型茎叶类蔬菜有序收获机 如图12 所 示 该机具采用低损切割与有序输送收集协同收获 技术 利用柔性输送导向机构实现茎叶类蔬菜的侧 向有序堆放 使茎叶类蔬菜收集整齐不乱 图12 4GCY 1200型茎叶类蔬菜有序收获机 吴明亮等研制的油菜苔采收机包括行走底盘 割台 输送装置 收集箱等部分 工作时 分禾器对 油菜苔进行分行 拨禾轮将油菜苔导向割刀完成切 割 被割油菜苔被拨齿直立输送至侧边输送装置后 平铺落入收集箱 完成有序收获 农业农村部南京农业机械化研究所研制的芦 蒿有序收获机以手扶式拖拉机为动力平台 采用往 复式切割器与带有立式滑动挡禾板和导向杆的收 集箱共同作用 将收获的芦蒿有序收集 该机具是 一种有序立式收割机 实现了芦蒿的高效有序机械 化收获 但是换箱过程相对复杂 影响工作效率 南京农业大学研制的茎叶类蔬菜有序收获机 采用电动驱动 并通过模拟作物输送时的力学模型 获得茎秆所受的夹持力 设计的同步齿形柔性输送 带将被割叶菜整齐有序地运送至收集箱 但在装箱 过程中 作物易散乱 有序收获效率较差 徐少华等研制的茎叶类蔬菜有序收获装备 采 用往复式双动割刀切割叶菜 且具有带根收获和不 带根收获2种切割装置 均由电机驱动 被割叶菜 利用相互之间的推挤作用被推至上下交替振动的2 根振动杆上 既能去土清洁叶菜 又能保证叶菜的 有序输送 秦广明等人在该机具的基础上设计了一 种喂入切割装置 该装置采用回环带刀进行切割 既能适应土上与土下切割 又能有效避免往复式割 刀土下运动被砂土卡滞的问题 操作方便 并能有 效避免蔬菜被割后倒向散乱的问题 吴玉娟等运用Arduino IDE开发平台 结合嵌 入式软硬件开发技术 设计了一款基于机械手臂的 叶菜有序收获机 该机具运用自动控制技术基本实 现了对叶菜采摘 有序收集的功能 作业时 能够在 机器识别叶菜的基础上对其进行收割 并通过翻转 运动将被割叶菜置于传送带上 最后传送带进一步 与通过齿轮齿条驱动的菜篮结合 实现被割叶菜的 有序装载 我国对茎叶类蔬菜有序收获机的研究起步相 对较晚 各科研机构对有序收获的投入及研究都还 不够 因此 现有的有序收获机普遍存在收获效率 低 损伤率高 实用性差等系列问题 3 存在的主要问题 3 1 缺少地方统一的规模化种植 我国茎叶类蔬菜品种繁多 栽培农艺复杂 田 块分布不集中 部分地区还存在间种 套种的情况 受传统种植模式的影响 地方区域特色不明显 缺 少规范的种植农艺 且没有统一的标准 使得机械 化生产推广难 农机农艺结合不紧密 3 2 农机研究 创新不足 我国对茎叶类蔬菜本身的物理生长特性和力 学机械特性研究较少 使得收获机械设计技术理论 农业工程与装备 2020年8月24 体系不够完善 此外 我国自主研发的收获机械较 少 往往依赖国外进口设备 自主创新不足 缺乏协 调配套 实际应用效果不佳 制约着茎叶类蔬菜机 械化收获技术的发展 3 3 技术不成熟 智能化程度低 我国对机具的研发往往以经验设计或者在国 外机具的基础上进行改装为主 结构形式单一 关 键装备技术不成熟 以致茎叶类蔬菜收获损伤率较 高 不能满足对质量的要求 同时装备智能化系统 的开发仍停留在研发阶段 智能化程度低 无法做 到选择性智能收获 4 对策与建议 4 1 促进农机与农艺结合 针对茎叶类蔬菜农艺粗放 规范性差和收获机 械推广使用难的问题 建立完善的农艺标准 规范 种植模式 适应机械化作业要求 同时针对机械化 收获过程中茎叶类蔬菜易堵塞 易破损的问题 加 强对其物理力学特性的研究 建立相关数据库 缩 短机具研发周期 为收获机械的关键部件设计提供 理论支撑 实现农机与农艺的相互融合 二者相辅 相成 优势互补 更好地推进茎叶类蔬菜的规模化 生产 4 2 加大科研投入 强化机具配套作业 在借鉴国外先进技术的基础上不断创新 采取 引进应用和自主研发并重策略 同时从农机农艺融 合 生产装备配套角度提出全程机械化各环节机具 作业参数和性能要求 将收获机械与作物的播种 移栽 浇灌等机械化过程协调配合 从真正意义上 实现作物的高效 高产 并在全国典型茎叶类蔬菜 生产基地进行集成应用示范 在推广使用过程中不 断发现问题 不断完善 4 3 加强有序收获技术研究 根据国内消费者需求 绝大部分茎叶类蔬菜需 要实现有序收获 而现有的收获机械大多需要人工 进行整理 增加了人工成本 不利于收获机械的推 广 因此 政府需加大支持力度 推动各科研部门加 强对有序收获机械的研究 加强对国外先进经验的 学习 提高自主创新能力 只有实现真正的全程有 序收获 才能更好地提高劳动效率 提升经济效益 4 4 提高装备智能化水平 针对现有茎叶类蔬菜收获机智能化水平低的 问题 应提升传感检测技术 自动控制技术 图像视 别与数字化处理等智能化技术的应用集成 简化机 构 有效解决自动控制防堵 收割高度自动可调 可 变力柔性输送系统等问题 研发出适合我国国情的 收获机械化装备 并根据实际情况引导和带领具有 地方特色的规模化种植 提高机具使用效率 降低 机具使用成本 缩小与国外的差距 进一步提升机 具的核心竞争力 参 考 文 献 1 陈鸿 陈娟 我国蔬菜产业现状分析与发展对策 J 长江蔬 菜 2018 2 81 84 2 肖体琼 何春霞 陈巧敏 等 基于机械化生产视角的中国蔬 菜成本收益分析 J 农业机械学报 2015 465 5 75 82 3 肖宏儒 金月 宋志禹 等 茎叶类蔬菜生产技术装备应用 与发展趋势分析 J 中国蔬菜 2018 6 17 21 4 肖体琼 崔远思 陈永生 等 我国蔬菜生产概况及机械化 发展现状 J 中国农机化学报 2017 38 8 107 111 5 陈永生 李莉 生产机械化范例和机具选型 M 北京 中国 农业出版社 2017 6 金月 肖宏儒 曹光乔 等 我国茎叶类蔬菜生产关键环节 的机械化作业模式 J 中国蔬菜 2019 7 7 11 7 陆海涛 吕建强 金伟 等 我国叶类蔬菜机械化收获技术 的发展现状 J 农机化研究 2018 6 261 268 8 糜南宏 赵映 秦广明 等 蔬菜全程机械化研究现状与对 策 J 中国农机化学报 2014 35 3 66 69 9 王俊 杜冬冬 胡金冰 等 蔬菜机械化收获技术及其发展 J 农业机械学报 2014 45 2 81 87 10 刘东 肖宏儒 金月 叶类蔬菜有序收获机械的研究现状 及发展对策 J 江苏农业科学 2019 47 3 27 31 11 金月 肖宏儒 肖苏伟 等 叶类蔬菜收获技术与装备研 究现状及发展趋势 J 中国农业科技导报 2018 20 9 72 78 12 韦勇 秦广明 金月 等 叶菜收获机械的研究现状及发 展趋势 J 农业开发与装备 2016 8 98 100 13 俞连根 范明飞 周宗良 等 一种手扶式油电混合型绿 叶菜收割机 P CN204598705U 2015 09 02 14 俞连根 周宗良 桂坤龙 等 一种手扶式电动绿叶菜收 割机 P 中国 CN206851382U 2018 01 09 15 秦广明 赵映 肖宏儒 等 高速双动小型手扶式叶菜收 获机设计与运动分析 J 中国农机化学报 2015 36 5 9 12 16 丁馨明 何白春 薛臻 小型叶菜收割机研发与市场初探 J 江苏农机化 2014 2 40 42 17 陈树人 卢强 李继伟 等 一种三叶菜机械收获装置 P 中国 CN102077728A 2011 06 01 18 陈树人 吴明聪 卞丽娜 等 一种秧草收获方法及收获 机 P CN103703924A 2014 04 09 19 吴明聪 陈树人 李继伟 等 4YC 110 型秧草收获机的 设计 J 农机化研究 2014 36 3 106 108 112 20 高龙 弋景刚 孔德刚 等 小型智能叶菜类蔬菜收割机 许月文等 茎叶类蔬菜收获机的研究现状及发展对策 第47卷第1期 25 设计 J 农机化研究 2016 38 9 147 150 21 张瑞华 施俊侠 张日红 等 小型绿叶类蔬菜收获机的 收获方案及切割装置设计 J 农业科技与装备 2015 10 11 13 16 22 马建国 程佳卫 姚运萍 镰刀型韭菜收割机的设计 J 机 械制造 2015 53 9 10 12 23 徐少华 孙登峰 陈建华 等 叶类蔬菜通用收获机的设 计 J 江苏农业科学 2015 43 3 365 367 24 申屠留芳 张炎 孙星钊 等 叶类蔬菜收获机的设计 J 中国农机化学报 2016 37 11 20 23 25 刘东 鸡毛菜有序收获机关键部件的优化设计与试验研 究 D 中国农业科学院 2019 26 吴明亮 张文韬 谢伟 等 一种油菜苔采收机 P 中国 CN110447385A 2019 11 15 27 肖宏儒 韩余 宋志禹 等 一种芦蒿收割机 P 中国 CN104272917A 2015 01 14 28 章永年 施印炎 汪小旵 等 茎叶类蔬菜有序收获机柔 性夹持输送机构设计 J 中国农机化学报 2016 37 9 48 51 29 徐少华 秦广明 沈丹波 一种新型叶茎类蔬菜收获机的 研制 J 中国农机化学报 2016 37 1 18 21 30 秦广明 金月 肖宏儒 等 一种喂入切割装置及具有该 装置的蔬菜有序收获机 P 中国 CN204721863U 2015 10 28 31 吴玉娟 刘永华 基于机械手臂的叶菜有序收获机械设 计与实现 J 江苏农业科学 2016 44 12 353 355 农业工程与装备 2020年8月26