龍思放 劉月廣 馬斯

摘 要：中國山藥種植具有范圍廣、地域地理復雜的特點，機械化收獲是山藥機械化生產(chǎn)中關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。山藥收獲機械化技術(shù)包括開溝、振動、提升、輸送等幾個關(guān)鍵性技術(shù)。分析了中國山藥收獲機械化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、特點及制約因素，并對山藥收獲機械化發(fā)展方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：山藥;機械化收獲;現(xiàn)狀

中圖分類號：S225 ? ? ? ?文獻標識碼：A開放科學（資源服務(wù)）標識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.03.003Open Science Identity（OSID）

0 引言

山藥屬草本植物，其塊根富含蛋白質(zhì)和淀粉，是藥食同源的名貴食材。我國有悠久的山藥栽培歷史，其主產(chǎn)地位于河南，以鐵棍山藥和懷山藥為主，產(chǎn)量占全國80%左右[1-2]。另外，河北、山西、廣西、山東、浙江、湖北等地也有栽培。在我國，山藥收獲還處于半機械化初級狀態(tài)，山藥的出土、清選、輸送和存儲還沒有完全實現(xiàn)自動化。大部分收獲機械只停留在開溝、松土階段，極少數(shù)配備有提升裝置，但效果差，對山藥損傷較為嚴重[3]。目前，小面積麻山藥種植區(qū)多以人工挖掘為主，較大面積種植區(qū)多采用挖溝機先在麻山藥兩行間開出一條深溝，然后人工再用鐵鍬挖掘，如圖1所示。以上收獲方式機械化程度低，費時費力，易對麻山藥造成損傷，影響品相。

1 國內(nèi)外研究發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 國外山藥收獲機發(fā)展現(xiàn)狀

山藥主產(chǎn)區(qū)位于東南亞，20世紀60年代，日本開始研究山藥、胡蘿卜、青芋等根莖類收獲機械，并在20世紀90年代末成功研制出小型根莖類收獲裝備。21世紀初，日本研發(fā)了較為成熟的山藥機械，隨后不斷改進優(yōu)化[4-5]，如圖2所示，實現(xiàn)了種植——培育——收獲的全程機械化。日本所種植山藥較中國山藥品種扎根淺且形態(tài)粗，兩者之間存在一定差異，但山藥產(chǎn)業(yè)模式值得借鑒與學習。

1.2 國內(nèi)山藥收獲機的發(fā)展及現(xiàn)狀

由于山藥本身脆性大、易折斷且扎根較深，若直接拔取或在山藥下方振動松土是行不通的，因此我國山藥收獲機的設(shè)計多重于開溝機研究[6]。國內(nèi)對開溝機的研究起步較晚，20世紀50年代開始出現(xiàn)犁鏵式開溝機，其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但機體笨重、牽引阻力大[7];20世紀70年代出現(xiàn)圓盤式開溝機，其牽引阻力小、工作效率高，但能耗大、開溝深度較淺[8];20世紀90年代螺旋式、鏈式開溝機開始出現(xiàn)，其開溝深度能夠滿足山藥的機械化收獲，與此同時國內(nèi)拖拉機馬力得到大幅度提升，能夠與開溝機相配套，山藥種植與收獲機械開始出現(xiàn)[9-10]。

1998年北京順義區(qū)農(nóng)機具研究所研發(fā)出第一臺雙排鏈式山藥種植收獲機，如圖3所示[11]。其結(jié)構(gòu)包括機架、挖掘裝置和傳動裝置。在收獲過程中，利用兩排鏈條在山藥土壟一側(cè)開溝挖掘，隨后由人工挖掘、撿拾，減輕了生產(chǎn)勞動強度。

2011年王茂成設(shè)計了螺旋式山藥種植收獲一體機[12]。它主要包括機架、動力裝置、振動裝置及開溝裝置，振動裝置裝配在開溝裝置后端，振動裝置的工作部件為振動箱。工作時，開溝裝置將山藥土壟兩側(cè)的土壤掘松之后由振動裝置松土，使山藥向上頂出，如圖4所示。該機具較上一代添加了振動裝置，有利于土壤與山藥分離，但旋溝犁的位置固定就意味著此機具適用性降低，同時機具功耗、前進阻力大，入土過程十分困難。

隨后山東森海公司與山東農(nóng)業(yè)大學聯(lián)合研制了佐佐木牌4USY-1山藥收獲機，該機具采用單行收獲的方式，在山藥兩側(cè)開溝，振動裝置在山藥下方振動，使山藥隨土壤向上提升，此機具適合我國多種種植模式使用，如圖5所示。田間作業(yè)效果表明機械挖掘深度為90～105 cm，起土到位，山藥基本無破損，效果好;試驗田單產(chǎn)約為1474 kg·畝-1，田間破損山藥質(zhì)量為514 kg，破損率為35%[13]。

2014年河北工業(yè)大學等模仿考古挖掘過程，將山藥根莖兩側(cè)土壤去除，取其中間部位，加之振動松土，最終研發(fā)了一款集挖掘開溝、松土、輸送為一體的山藥收獲機，如圖6所示，但只對該裝備進行了有限元仿真與校核，并未見到實際的田間收獲效果[14]。此機型與佐佐木山藥機較為相似，但在傳動結(jié)構(gòu)上采用前置液壓機構(gòu)來調(diào)節(jié)挖掘深度，后置輸送機構(gòu)通過液壓油缸與機架相連，通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)來改變輸送機構(gòu)的傾斜角度，從而有利于適應(yīng)不同深度的山藥挖掘與山藥輸送工作。

2016年蠡縣第一播種機械廠研發(fā)了一款麻山藥收獲機，如圖7所示。與前文提到的幾款后懸掛式山藥收獲機不同的是，該機具集挖溝收獲、土壤回填、平整土地等功能于一體，并設(shè)有3條開溝鏈，可同時開3條溝進行雙行收獲，振動裝置位于兩行山藥下方，振動松土。折返收獲時將之前倒出到地面的土壤回填至已開溝中，有利于后期的平整地工作。田間實驗結(jié)果表明收獲機破損率在5%以內(nèi)[15]，滿足農(nóng)藝要求。

2018年初，山東菏澤市陳集鎮(zhèn)農(nóng)民栗廣臣發(fā)明了一款振動式單行山藥收獲機，在山藥兩側(cè)開溝的同時附加機械振動，使土壤下降，山藥上升，最后由人工拔取，如圖8所示。該機具也是集山藥收獲與土壤回填的一體化機械，通過田間試驗表明效率約為人工的30倍，且損失率較低。

2 存在問題與研究方向

2.1 存在問題

目前國外根莖類作物的機械化收獲技術(shù)比較成熟，國內(nèi)山藥產(chǎn)業(yè)的實際情況和機械化收獲的研究還存在諸多問題，制約著山藥產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展。

（1）種植農(nóng)藝多樣化。

山藥機械化收獲對農(nóng)藝要求高，加之我國山藥在種植、田間管理等方面機械化程度低，且各地的種植方式不同、農(nóng)藝不規(guī)范，對山藥收獲機的適應(yīng)性能力提出很高要求。此外，大部分山藥種植區(qū)域不集中、成片狀，缺乏相對成熟的合作機制，導致山藥不能規(guī)?；a(chǎn)，一些大型種植機械、收獲機械價格昂貴，個體戶很難承擔其費用。

（2）收獲阻力大，山藥損傷率高。

山藥收獲作業(yè)條件差，挖掘深度較深。泥土、石頭等雜物會對機具造成很大的前進阻力和剛性沖擊，減少機具壽命。評價收獲機性能的重要參數(shù)是農(nóng)作物的損傷率，山藥在收獲過程產(chǎn)生損傷是正常的，但應(yīng)完善相應(yīng)的國家或行業(yè)標準，將山藥的損傷降低至可接受范圍內(nèi)。

（3）傳動結(jié)構(gòu)復雜。

山藥收獲機械包括開溝、振動、松土等幾個關(guān)鍵部分，執(zhí)行裝置形式多樣，結(jié)構(gòu)復雜，造成機械整體過于龐大，加之作業(yè)深度較大，極易造成壅土、黏附等問題，阻礙收獲機進行持續(xù)作業(yè)。

2.2 未來研究方向

（1）山藥本征特性研究。

山藥物理特性的研究是山藥收獲機械研發(fā)的重要環(huán)節(jié)，通過研究山藥的幾何形狀、根莖葉的物理特性（抗拉強度、剪切力、拉拔力等）的研究，可以為山藥收獲機械的研發(fā)、關(guān)鍵部件參數(shù)的設(shè)定提供理論依據(jù)。

（2）農(nóng)藝農(nóng)機相結(jié)合。優(yōu)化作物品種，使其有利于機械化種植、管理與收獲，同時改進種植模式，規(guī)范種植間距，通過合理利用催熟技術(shù)，使山藥一次性機械收獲成為可能。通過相關(guān)學科專家的定期交流，協(xié)同研究，制定符合機械化收獲的栽培模式。

（3）機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化。

山藥收獲機械體積大，價格高，由于農(nóng)民的經(jīng)濟承受能力低，需盡可能降低制造成本。在保證機械性能的前提下，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、通用性好、智能化程度高的山藥收獲裝備，將成為未來市場的大趨勢。同時，現(xiàn)代機械設(shè)計理論和方法，以及CAD/CAE 軟件，對進行機械運動學、動力學仿真提供技術(shù)支持，為優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)提供有力保障。

（4）智能化的收獲系統(tǒng)。

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，將機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)充分結(jié)合起來，可使收獲機更加輕量化、智能化、便捷化。針對山藥收獲機，可以加裝導航裝置，既保證了山藥收獲機的直線行駛，又實現(xiàn)了精準作業(yè)。

3 結(jié)論

隨著山藥種植面積的不斷增加，迫切需要一臺能夠?qū)崿F(xiàn)開溝、振動、松土、輸送、篩分的聯(lián)合收獲機械。一方面要統(tǒng)一栽培模式，實現(xiàn)規(guī)模化、標準化種植;另一方面要加強對適合于山藥收獲的小型大馬力拖拉機的研發(fā)，實現(xiàn)山藥智能化收獲。同時，要結(jié)合山藥種植農(nóng)藝，加大山藥收獲關(guān)鍵性技術(shù)的研發(fā)力度，盡快實現(xiàn)山藥產(chǎn)業(yè)的機械全程化與智能化。

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