張兆國，李彥彬，王海翼，張振東，劉賢存

(昆明理工大學 現(xiàn)代農業(yè)工程學院，云南 昆明 650500)

馬鈴薯，又名洋芋、土豆、香山芋等，原產于南美洲安第斯山脈，現(xiàn)已成為全世界必不可少的糧菜兼用作物[1-5]。2015年，農業(yè)部提出馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，馬鈴薯成為中國第四大主糧作物。2016年，農業(yè)部發(fā)布《關于推進馬鈴薯產業(yè)開發(fā)的指導意見》，將馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略和全程機械化提升到國家高度[6-7]。根據(jù)《2020中國農村統(tǒng)計年鑒》，2019年中國馬鈴薯收獲機保有量為8.3萬臺，馬鈴薯種植總面積超4.67×106hm2，全國總產量約9 000萬t，種植面積和產量均占全球的1/4，是全球馬鈴薯第一生產大國，但馬鈴薯單位面積產量卻低于世界平均水平[8-10]。

長期以來，受馬鈴薯種植地理地域差異大、種植模式多樣以及技術難題等因素限制，現(xiàn)階段國內馬鈴薯收獲主要以人工挖掘或分段收獲為主，人工勞動強度大，馬鈴薯聯(lián)合收獲技術與裝備較國外發(fā)展差距大。隨著新型農業(yè)經營合作社的發(fā)展、農村勞動力結構變化以及勞動力成本的增加，馬鈴薯種植開始向集約化和產業(yè)化方向發(fā)展，普及馬鈴薯機械化收獲具有重要意義[11-15]。

本研究綜述了國內外典型馬鈴薯機械化收獲關鍵技術及裝備的研究現(xiàn)狀，根據(jù)馬鈴薯收獲裝備發(fā)展階段、技術先進程度以及收獲環(huán)節(jié)的差異，將現(xiàn)階段馬鈴薯收獲裝備概括為4種類型，并分類闡述目前國內外馬鈴薯收獲裝備的代表公司、代表機型以及技術特點。通過研究分析與歸納，對中國馬鈴薯收獲機械的研究與發(fā)展趨勢作出展望。

1 馬鈴薯機械化收獲關鍵技術

傷薯率、破皮率和明薯率是衡量馬鈴薯收獲機作業(yè)效果的關鍵指標。馬鈴薯收獲機在挖掘、輸送分離、卸料和收集過程中，因馬鈴薯碰撞、摩擦和擠壓而產生破皮和損傷，影響馬鈴薯收獲質量。高新技術的應用提高了馬鈴薯收獲質量，改善了收獲作業(yè)環(huán)境?？偨Y國內外馬鈴薯收獲裝備的技術特點，主要包括以下關鍵機構和技術：挖掘技術、自動對壟深度控制技術、薯土分離輸送技術、秧蔓分離技術、自適應高度集薯技術、履帶或輪式車輛底盤以及動力匹配相關技術和人機交互技術等[16-18]。

1.1 挖掘技術

挖掘技術主要是指挖掘鏟挖掘減阻技術，挖掘鏟分為固定式挖掘鏟、驅動式挖掘鏟和組合式挖掘鏟3類。固定式挖掘鏟結構簡單，使用較廣泛，包括平面鏟、曲面鏟和槽形鏟等，一般通過調節(jié)機器尾部的限深輪來調節(jié)挖掘鏟的入土角度。驅動式挖掘鏟是指在動力驅動下防纏繞裝置作旋轉或往復運動，包括轉盤式和振動式挖掘鏟，其中振動式挖掘鏟的相關研究和應用較廣泛[16,19-21]。青島洪珠4U-83型、青島璞盛4U-85型和德州鴻友4UX-83型等均為基于振動挖掘技術的馬鈴薯收獲機，該機型特點為挖掘鏟兩側裝有防纏繞裝置，可緩解挖掘鏟兩側的壅土和纏草問題。組合式挖掘鏟一般由挖掘鏟、限深裝置、切草圓盤和防纏繞裝置等組成，多應用于大型馬鈴薯分段收獲機和馬鈴薯聯(lián)合收獲機，如德國GRIMME VARITRON 270和荷蘭Ploeger Oxbo AR-BX等機型。

挖掘鏟的技術要求為挖掘深度穩(wěn)定、減少壅土以及減阻降耗[22]。樊昱[23]基于離散元法揭示了馬鈴薯挖掘鏟與土壤—塊莖—根系團聚體的耦合作用機理，并通過對野豬拱嘴特征曲線的提取，運用仿生和逆向工程技術建立了馬鈴薯仿生挖掘鏟，起到了較好的減阻效果。石林榕等[24-25]通過對螻蛄前足脛節(jié)爪趾第1趾外輪廓的提取，設計了馬鈴薯仿生挖掘鏟，并基于離散元法進行仿生鏟片挖掘土壤數(shù)值模擬過程，驗證了仿生鏟片的減阻效果。

1.2 自動對壟深度控制技術

自動對壟深度控制技術包括自動對壟技術和挖掘深度自動控制技術。自動對壟技術能夠使收獲機自動適應壟的地形變化，防止挖掘鏟因偏離薯壟而損傷薯塊。如圖1a所示：機械探桿落入壟溝，搭載傳感器探測軌跡信息，通過集成液壓電控技術調整機器對壟作業(yè)，一般應用于牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機。挖掘深度自動控制技術集成液壓與智能測控，是指根據(jù)作業(yè)地形起伏變化自動控制挖掘鏟的挖掘深度，避免因入土深度太淺造成薯塊損傷和漏收。圖1b為德國GRIMME公司TerraControl深度控制技術，主要由液壓和測控集成的壟頂壓力調節(jié)器調節(jié)挖掘鏟深度。

圖1 自動對壟深度控制技術Fig.1 Automatic ridge depth control technology

1.3 薯土分離輸送技術

薯土分離輸送技術主要包括聯(lián)合式薯土分離輸送技術和分段式薯土分離輸送技術。

聯(lián)合式薯土分離輸送技術常見于中大型馬鈴薯聯(lián)合收獲機，各類聯(lián)合收獲機薯土分離輸送技術的結構大同小異，一般包括3級及以上輸送分離篩和立式環(huán)形或垂直環(huán)繞式提升裝置。一級和二級篩一般為輸送分離篩，起薯土分離和破碎土垡的作用；三級及以上輸送篩完成對馬鈴薯轉運輸送和篩選。提升輸送裝置的作用是將底層馬鈴薯提升到上層輸送分離篩，實現(xiàn)進一步分選分級或人工分離除雜，同時馬鈴薯分層逆向輸送減小了機器軸距，縮小了機器體積。

分段式薯土分離輸送技術一般只有1～2級輸送分離篩，部分機型具有集條鋪放裝置、低位緩沖鋪放裝置或低位側鋪裝置等，多用于牽引式馬鈴薯分段收獲機，代表機型有：中機美諾1700型、希森天成4UQ-165型、青島洪珠4U-170B型和德沃4UMF-180型等。呂金慶等[26]對東北粘重土壤下馬鈴薯挖掘機分離輸送裝置進行改進設計，并通過對輸送分離裝置及薯土混合物的理論分析，確定影響最佳薯土分離效果的主要因素。魏忠彩等[27-29]通過設置振動分離段和波浪分離段，運用“振動輸送分離+雙重緩沖減速+低位鋪放減損”的薯土分離工藝改進了一種馬鈴薯收獲機。

1.4 秧蔓分離技術

秧蔓分離技術包括秧蔓打擊技術、對輥交錯除秧技術和彈性梳桿摘輥式薯秧分離技術3種。

秧蔓打擊技術主要由旋轉桿條和接觸銷等組成，這種方法效果較差，傷薯率較高，目前很少采用。

對輥交錯除秧技術主要由螺紋去秧輥和光輥等組成(圖2)，一般用于大型聯(lián)合收獲機，其工作原理為：螺紋去秧輥表面一般包覆螺旋紋狀橡膠柔性材料，作業(yè)時螺旋去秧輥和光輥相互逆向交錯旋轉，螺紋去秧輥輸送并下拉秧蔓，在光輥和螺紋去秧輥的擠壓下去除秧蔓[30]。英國Standen公司的T和QM系列機型以及ScanStone公司Windrower型收獲機均采用了對輥交錯除秧技術。

圖2 對輥交錯除秧結構Fig.2 Double roller staggered seedling removing structure

彈性梳桿摘輥式薯秧分離技術目前應用最為廣泛，一般由一級分離輸送裝置、摘秧輥和彈性擋秧稈機構等組成(圖3)，多用于牽引式收獲機。其工作原理為：薯土、薯秧和雜草等到達一級分離輸送裝置的尾端后，薯塊通過彈性擋秧稈間隙落至二級分離輸送裝置上，薯秧及雜草等在擋秧桿機構的阻攔下送入摘秧輥與一級分離輸送裝置間的縫隙中，由于一級分離輸送裝置和摘薯輥的轉向相反，薯秧及雜草被拽出掉落，薯秧未脫落薯塊則因摘薯輥和一級分離輸送裝置間隙的限制以及薯塊運動慣性力的作用而被強制摘下后進入二級分離輸送裝置[31-32]。希森天成4UQ-165、甘肅農業(yè)大學4UFD-1 400型馬鈴薯聯(lián)合收獲機和呂金慶等[31]研制的馬鈴薯收獲機均使用該技術。

圖3 彈性梳桿摘輥式薯秧分離技術Fig.3 Technology of separating potato seedling with elastic comb and roller

1.5 集薯技術

集薯技術包括自適應高度集薯箱技術和自動提升臂輸送裝車集薯技術。

為減小馬鈴薯損傷，自適應集薯裝箱技術可自動調節(jié)馬鈴薯自由下落高度，減少馬鈴薯在分離完全進入料倉時因下落高度過大而造成薯塊與箱體碰撞損傷，一般通過控制薯箱高度或控制輸薯器高度來控制馬鈴薯的下落高度。德國GRIMME VARITRON系列、比利時AVR Puma和AVR Spirit系列、比利時Dewulf-R3060型以及荷蘭Ploeger AR系列等機型均采用自適應高度集薯箱技術。

自動提升臂輸送裝車集薯技術一般在提升臂末端安裝有超聲波傳感器等測距傳感器，最終通過調節(jié)液壓油缸來改變提升臂末端的傾斜角度和提升臂與運輸車之間的落薯距離，提升臂輸送器的速度可以根據(jù)薯量進行調整[30]。德國GRIMME GT系列、美國Double L7340型和973型、美國Lock wood-672和472Air型、英國Standen-T和Standen-QM系列、中機美諾1710B、希森天成4ULZ-170以及青島洪珠4U-90LH等機型均采用提升臂輸送裝車集薯技術[33]。

1.6 人機交互技術

人機交互是指人與計算機之間使用某種對話語言、以一定的交互方式完成確定任務的人與計算機之間的信息交換過程。融合機、電、液、儀技術并搭載基于PDA/GPS/GPRS/GIS等技術的駕駛室終端人機交互操作系統(tǒng)，可利用微機終端隨時監(jiān)測收獲情況并進行設置和調整，實時監(jiān)控機器行走狀態(tài)、挖掘狀態(tài)、輸送分離狀態(tài)、除雜效果和料斗容量等[33-35]。如德國GRIMME公司ErgoDrive和SmartView人機交互系統(tǒng)以及比利時AVR公司Connect平臺等。

2 國內外馬鈴薯收獲裝備

馬鈴薯收獲機經歷了由小到大、由低級半機械化到高級自動化的發(fā)展歷程。歐美國家馬鈴薯機械化收獲起步較早、發(fā)展較快、技術水平較高，20世紀80—90年代逐漸形成大型聯(lián)合機械收獲或用“挖掘機+撿拾機”進行分段收獲的全面機械化[36-38]。國外馬鈴薯收獲裝備主要由企業(yè)研發(fā)并注重專利保護，故可供參考的外文文獻有限。現(xiàn)階段歐美國家馬鈴薯收獲裝備公司逐步兼并融合，促進了馬鈴薯收獲裝備與技術的迅速發(fā)展。如德國GRIMME公司2013年收購丹麥ASA-LIFT和美國SPUDNIK公司；荷蘭Ploeger公司2011年收購美國Oxbo公司，成立荷蘭Ploeger Oxbo集團。

國內馬鈴薯收獲機的研發(fā)和生產主要集中于企業(yè)、高校和科研院所，專注薯類全程機械化且具有一定規(guī)模的企業(yè)屈指可數(shù)，以中機美諾、希森天成、青島洪珠和黑龍江德沃等企業(yè)最具代表性，目前處于提升臂式馬鈴薯聯(lián)合收獲機研發(fā)生產階段，初步探索馬鈴薯聯(lián)合收獲。馬鈴薯收獲裝備的研發(fā)主要集中于東北農業(yè)大學、中國農業(yè)大學、青島農業(yè)大學、內蒙古農業(yè)大學、甘肅農業(yè)大學、河南科技大學、昆明理工大學以及農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所等高校和科研院所，目前主要集中于分段收獲機除秧、挖掘和分離輸送等關鍵部件的基礎理論研究，初步探索聯(lián)合收獲機的研發(fā)試制，仍未實現(xiàn)全面機械化收獲，特別是西南丘陵山區(qū)，機械化收獲水平較低，整體與國外先進技術裝備差距較為明顯[39-40]。

馬鈴薯機械化收獲包括除秧、挖掘、分離、篩選、分級、提升卸料和收集等基本過程。根據(jù)收獲環(huán)節(jié)的不同，大體可將馬鈴薯收獲機分為分段收獲和聯(lián)合收獲兩類。馬鈴薯收獲裝備根據(jù)技術分類，較為冗雜且不具代表性。本研究根據(jù)馬鈴薯收獲裝備的發(fā)展階段、技術先進程度以及收獲環(huán)節(jié)的差異，將其分為自走式聯(lián)合收獲機、牽引式聯(lián)合收獲機、牽引式收獲機以及小型牽引式挖掘機4種類型。

2.1 自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲裝備

自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機是馬鈴薯收獲裝備中最先進的機型，搭載輪式或履帶動力底盤，體積相對龐大，一般具有駕駛室、除秧裝置、挖掘裝置、輸送分離裝置、除雜裝置、篩選分級裝置、儲薯料斗和輸送提升裝置等，高度集成機械、液壓、光電傳感、電控和氣流氣壓等先進技術[33-35]。

德國、比利時、美國和荷蘭等國生產的自走式聯(lián)合收獲機最為典型。德國被譽為“歐洲糧倉”，擁有全球最大的馬鈴薯設備生產商GRIMME公司，典型機型有VARITRON系列和VENTOR系列。如圖4a所示：VARITRON 270配套動力最低265 kW，搭載7 t儲薯料斗，人機交互相關技術廣泛應用，可實現(xiàn)馬鈴薯收獲實時監(jiān)控，在挖掘深度控制、輸送鏈流量控制以及料斗儲量等環(huán)節(jié)實現(xiàn)可視化智能操作。比利時AVR公司生產的Puma系列自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機，以Puma 4雙行自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機為例，搭載350 kW沃爾沃發(fā)動機，配備8 t可卸料斗，前置除秧裝置，挖掘深度實現(xiàn)液壓自適應調節(jié)；比利時Dewulf公司生產的R3000系列和Kwatro Xtreme型自走式馬鈴薯收獲機，其Kwatro Xtreme型搭載斯堪尼亞372 kW發(fā)動機，配備17.5 m3料斗，可實現(xiàn)60°后輪轉向偏差，極大減小轉彎半徑[10]。美國AFE公司Lenco系列自走式馬鈴薯收獲機(圖4b)搭載335 kW約翰迪爾發(fā)動機，無儲薯料斗，作業(yè)時與運輸車同時作業(yè)，大口徑風機增強了土壤和雜物空氣分離效果，采用四輪驅動轉向。荷蘭Ploeger Oxbo公司AR系列自走式馬鈴薯收獲機，型號有AR-W和AR-BX等，以AR-4BX型收獲機為例，其搭載斯堪尼亞DC13發(fā)動機，配套動力200～380 kW，配備14 t可卸料斗[18,41]。

圖4 自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機代表機型Fig.4 Representative model of self propelled potato combine harvester

與歐美國家相比，亞洲國家研發(fā)的機型體積相對較小，主要使用中型自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機，其中以日本和韓國最為典型，如日本東洋農機株式會社TPH-179型、松山株式會社GZA651型和小喬工業(yè)株式會社HS700D-K型等。東洋農機株式會社TPH-179型聯(lián)合收獲機(圖5a)采用履帶行走底盤，配套動力40.5 kW，單壟收獲，搭載分揀平臺可同時容納5人作業(yè)，輸送分離裝置采取“升運鏈+立式環(huán)形”的多級分離方式[30]；韓國新興實業(yè)SHI-1 500型自走式雙行馬鈴薯聯(lián)合收獲機(圖5b)采用輪式行走底盤，搭載人工分揀作業(yè)平臺，分離輸送篩上方安裝刮板式橡膠刷，加強薯土分離效果，同時起到提升馬鈴薯的作用，防止因分離輸送篩傾角過大導致馬鈴薯回流。馬鈴薯經人工分揀后，進入懸掛于機器后方的儲薯料斗或直接將馬鈴薯裝袋。

圖5 亞洲自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機代表機型Fig.5 Representative models of Asian self propelled potato combine harvester

國內對自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機的研究成果較少，以農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所綠色耕作與土下果實收獲機械化創(chuàng)新團隊研發(fā)的4UZL-1型自走式薯類聯(lián)合收獲機(圖6a)最具代表性。該機具采用履帶底盤，配套動力65 kW，單壟收獲，作業(yè)效率0.16～0.32 hm2/h，主要包括挖掘輸送機構、限深機構、薯秧分離機構、刮板鏈輸送機構和弧柵交接機構等關鍵部件，可一次完成挖掘、分離輸送、除秧、清選和集薯等聯(lián)合作業(yè)[42-43]。圖6b為黑龍江心語機械公司研發(fā)的自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機XINYU，采用履帶底盤，搭載儲薯料斗，為“多級分離+立式環(huán)形提升裝置”的分離輸送機構。

圖6 國內自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機代表機型Fig.6 Representative models of domestic self-propelled potato combined harvester

2.2 牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲裝備

牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機是馬鈴薯收獲裝備發(fā)展的第3階段，可分為料斗牽引式和提升臂牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機2種。一般需提前進行除秧作業(yè)，部分機型可同時掛接除秧裝置。

2.2.1 料斗牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機

料斗牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機大多體型龐大，其研發(fā)主要以美國、德國和白俄羅斯等國家為主，與自走式馬鈴薯聯(lián)合收獲機的主要區(qū)別在于是否搭載動力底盤，作業(yè)機組長度可達10～18 m。

德國ROPA公司原為德國甜菜收獲裝備巨頭，2012年ROPA公司收購法國WM，將WM公司馬鈴薯收獲技術與ROPA甜菜收獲技術相結合。以代表機型ROPA Keiler-2 (圖7a)為例，其搭載獨立液壓驅動系統(tǒng)，各部件運行速度與拖拉機動力輸出軸轉速無關，使得分離輸送裝置、提升裝置和集薯輸送裝置等獨立調節(jié)，保持最佳轉速，降低了馬鈴薯傷薯率；整機長×寬×高約11.8 m×3 m×3.99 m，配套動力最低60 kW，雙行收獲，搭載8 t可卸緩沖料斗。白俄羅斯Gomselmash公司PALESSE-PT25型牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機，配套動力最低70 kW，收獲行距70～90 cm，搭載8.4 m3料斗。加拿大Allan公司EB10系列機型一次通過可收獲2～6行，如EB10-6型馬鈴薯收獲機(圖7b)可同時收獲6行，搭載2臺30 kW除雜風機，寬幅收獲依然保持較好的薯土分離和除雜能力。意大利IMAC公司Modello-7580型聯(lián)合收獲機長×寬×高約7.7 m×2.85 m×3.1 m，配套功率55 kW，單行收獲，整機質量5.5 t[44]。美國Double L公司973和7340型以及美國Lock wood公司673和674等系列機型均為牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機；德國GRIMME公司SE系列、SV系列及EVO系列牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機為適應不同類型的地塊，其分離單元可根據(jù)收獲實際情況進行匹配安裝。

圖7 料斗牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機代表機型Fig.7 Representative models of hopper traction combined potato harvester

亞洲牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機以日本最具代表性，如日本東洋農機株式會社TPD-1H、THM、TOP-1和TPH系列等機型以及日本SANEI株式會社SS系列、MP-3000SP和EX-ZERO等機型。東洋TPH-55型(圖8a)長×寬×高約6.5 m×3 m×3.1 m，結構緊湊，配套動力最低40.5 kW，搭載2.2 m3料斗，整機質量2.8 t，適用于丘陵山區(qū)小地塊馬鈴薯聯(lián)合收獲；日本SANEI工業(yè)EXZERO機 型(圖8b)長×寬×高 約6.5 m×3 m×3.1 m，配套動力最低50 kW，搭載3.2 t料斗，整機質量5.8 t，可實現(xiàn)自動田壟深度調節(jié)和對壟收獲，升運部件采用液壓無級變速驅動。

圖8 日本部分代表機型Fig.8 Some representative models in Japan

國內自帶料斗牽引式聯(lián)合收獲機正處于研發(fā)試制階段，以黑龍江德沃4UML-180型、青島洪珠牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機、黑龍江心語機械和綏化恒豐機械4U-2-1710等機型最具代表性。其中，青島洪珠牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(圖9)可實現(xiàn)挖掘、分離、提升、篩選和收集卸料等功能，降低了勞動強度，減少了人工作業(yè)成本，采用新型分秧機構和多模式清薯機構，提高了薯秧、薯土分離效果，集機電液一體化操控[45]。

圖9 洪珠料斗牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機Fig.9 Hongzhu hopper traction combined potato harvester

2.2.2 提升臂牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機

提升臂牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機以德國、英國、意大利和波蘭等國機型最具代表性。顯著特點為帶有液壓和機械傳動的輸送提升臂，相比傳統(tǒng)分段收獲，減少了人工撿拾工作量。德國GRIMME的GT系列機型，搭載液壓機械驅動輸送提升臂、自動深度調節(jié)裝置及壟脊減壓裝置，其中，GT 300型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(圖10a)長×寬×高約11 m×3.26 m×3.45 m，拖拉機牽引功率為115 kW，收獲3行，整機質量9.5 t，關鍵部件由機械傳動、液壓傳動以及電控相結合。英國Standen公司生產的Standen-T2型牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(圖10b)長×寬×高約10.75 m×3 m×3.85 m，配套動力最低134 kW，整機質量7.5 t，使用VariSep可調式篩網和OMEGA槽紋滾筒分離系統(tǒng)，提高了薯土分離質量，可實現(xiàn)挖掘深度液壓自動調節(jié)。英國ScanStone公司代表機型Patriot-5可實現(xiàn)深度感應調控和自動調平等功能。意大利SPEDO-Senior牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機，雙壟收獲，長×寬×高約10.75 m×2.80 m×3.35 m，配套動力最低80 kW，整機質量6.3 t。法國WM-1650L型、意大利IMAC-Modello165型以及波蘭KRUKOWIAK公司的SATURN和Z437型等也屬于提升臂牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機[41]。

圖10 提升臂牽引式聯(lián)合收獲機代表機型Fig.10 Representative model of lifting arm type traction combine harvester

在提升臂牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機發(fā)展過程中，許多國家因地制宜，為節(jié)省人工作業(yè)量，研發(fā)出直接裝箱牽引式聯(lián)合收獲機，其顯著特點為使用2～3級分離輸送機構，搭載人工分揀平臺及薯箱，結構較為簡單，適用于中小型地塊馬鈴薯收獲。代表機型有意大利SPEDO-Junior、IMACSpecial、Carlotti-Green系列和EUROPA-K600型、西班牙Argiles公司HC-Arrastrada型以及波蘭KRUKOWIAK公司PYRUS-II型等。以意大利SPEDO-Junior (圖11)為例，其長×寬×高約5.7 m×2.2 m×1.6 m，配套動力45 kW，整機質量0.97 t，單壟收獲，可搭載2～4人進行分揀除雜工作。

圖11 SPEDO-Junior裝箱式聯(lián)合收獲機Fig.11 SPEDO-Junior box type combine harvester

近年來，國內研發(fā)出多款提升臂牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機，提升輸送臂集成液壓和機械技術，可實現(xiàn)2～3級薯土分離和升運裝車等功能，如中機美諾1710A/B型、希森天成4ULZ-170型、青島洪珠4U-90LH型、綏化恒豐機械4U-2-1390型以及禹城亞泰機械4UQL系列等機型，特別是中機美諾1710系列的成功研發(fā)結束了國內沒有馬鈴薯聯(lián)合收獲機的時代，部分機型基本參數(shù)如表1所示。魏宏安等[46-47]設計的4UFD-1 400型馬鈴薯聯(lián)合收獲機適用于大、中等地塊馬鈴薯收獲作業(yè)，分離輸送裝置采用液壓驅動，人工輔助裝袋，降低了人工作業(yè)強度。

表1 國內聯(lián)合收獲機代表機型基本技術參數(shù)Tab.1 Basic technical parameters of typical combine harvester in China

2.3 牽引式馬鈴薯收獲裝備

牽引式馬鈴薯收獲機是馬鈴薯收獲裝備發(fā)展的第2階段，屬于典型分段收獲，開始廣泛使用升運鏈進行薯土分離，出現(xiàn)配套馬鈴薯撿拾設備，但由于雙機組聯(lián)合作業(yè)，傷薯嚴重，成本較高，普及率很低；該階段液壓驅動的側輸出裝置和液壓仿形等新技術開始應用。代表機型有美國Double L-6 500系列和SPUDNIK-6140型 (圖12a)、德國GRIMME公司WH 200系列和WR 200系列機型、英國ScanStone公司Webber和Windrower系列機型(圖12b)、丹麥ASA-LIFT公司WR系列機型、意大利SPEDO Model-CPP-BD系列以及土耳其DEMSAN-PS2系列機型等。

圖12 牽引式馬鈴薯收獲裝備代表機型Fig.12 Representative model of traction potato harvesting equipment

現(xiàn)階段國內牽引式馬鈴薯收獲機發(fā)展已較為成熟。以中機美諾1700和1600系列、希森天成4UQ-165和4UX-170系列、德沃4UMF-180型以及青島洪珠4U-170B等最具代表性。希森天成4UQ-165型馬鈴薯收獲機配套動力為73.5～132.3 kW，行距可調，可一次完成薯土和薯秧分離以及薯塊集條鋪放等作業(yè)；青島洪珠4U-170B型采用雙升運鏈結構，配套動力89.5～104.4 kW，可一次完成挖掘、切秧、分離和薯塊條鋪作業(yè)[48-49]。河南豪豐機械和山東禹城亞泰機械等公司也有研發(fā)該機型。國內相關科研機構和高校研究牽引式馬鈴薯收獲機較多，主要集中在挖掘裝置、分離輸送裝置和除秧裝置等關鍵部件的基礎理論研究。如魏忠彩等[27-28]研制的緩沖篩式薯雜分離馬鈴薯收獲機，采用“2級高頻低幅振動分離+薯秧分離及側輸出+低位鋪放”的薯土分離工藝；張兆國等[50]研制的多級分離緩沖馬鈴薯收獲機采用多級分離振動、多重緩沖和低位側鋪的薯土分離方式。

2.4 小型牽引式馬鈴薯挖掘機

小型牽引式馬鈴薯挖掘機是馬鈴薯收獲裝備發(fā)展的初始階段，是在挖掘犁的基礎上改進形成的，一般只能進行簡單的挖掘和分離工作，大多為偏心輪機構振動篩式或連桿機構振動篩式，少數(shù)使用升運鏈進行薯土分離，配套動力小。以意大利SPEDO Model-CPP-M型為例(圖13)，其采用連桿機構振動篩式，長×寬×高約1.3 m×0.9 m×0.85 m，配套動力15 kW，整機質量115 kg，單壟收獲。意大利IMAC-SPL和SPP系列機型、波蘭AKPIL-BULWA型以及土耳其DEMSAN-PS1系列和Agromaster-OPS系列機型等均屬于典型的小型牽引式馬鈴薯挖掘機。

圖13 意大利SPEDO Model-CPP-M型馬鈴薯挖掘機Fig.13 Italian SPEDO Model-CPP-M potato digger

國內對小型馬鈴薯挖掘機研發(fā)生產較多，特別是針對云、貴、川、渝等典型丘陵山地馬鈴薯種植區(qū)，如中機美諾1120型、希森天成4UX系列、青島洪珠4U-83、德州鴻友4UX-70和青島璞盛4U-85等機型。以青島洪珠4U-83為例，其采用升運鏈輸送分離篩，長×寬×高約1.45 m×1.15 m×0.90 m，配套動力15～26 kW，整機質量230 kg，挖掘深度20～30 cm，單壟收獲。國內科研機構和高校研發(fā)代表機型為呂金慶等[19]設計的4U1Z型馬鈴薯挖掘機，采用偏心輪通過鉸接臂與振動架的球鉸鏈約束將動力傳遞給振動架，實現(xiàn)振動架的振動分離，并對挖掘鏟和振動分離篩進行運動學分析。

3 發(fā)展分析與展望

國內馬鈴薯種植分布區(qū)域廣泛、地理地域復雜、種植模式多樣，且以小農戶小地塊種植模式為主，國外大型先進設備并不能很好地適用于國內馬鈴薯種植情況，制約了馬鈴薯全程機械化發(fā)展。通過國內企業(yè)、科研院所以及高校的不懈努力，中國馬鈴薯收獲機械已經從被動仿制轉入基礎理論研究和產品創(chuàng)新研發(fā)階段，并取得初步成效，適應不同種植區(qū)域、種植模式的馬鈴薯收獲裝備正逐步配套，各研發(fā)單位在完善基礎理論研究的基礎上正在向智能化馬鈴薯聯(lián)合收獲技術研發(fā)邁進。隨著馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進，馬鈴薯收獲裝備將迎來新的發(fā)展機遇，針對馬鈴薯機械化收獲技術，未來將會在以下方面取得長足的進展。

(1)高新技術進一步融合，向智能化和自動化馬鈴薯聯(lián)合收獲技術方向發(fā)展。歐美發(fā)達國家的馬鈴薯聯(lián)合收獲裝備已廣泛采用機—電—液—氣—光一體化技術、智能檢測和自動控制技術等，提高了作業(yè)效率和收獲質量，減輕了勞動強度，降低了收獲成本。同時人機交互遠程控制軟硬件的開發(fā)使用，提供了良好的收獲環(huán)境，降低了收獲機操作難度。在土地流轉以及新型農業(yè)經營合作社發(fā)展的大趨勢下，為大中型馬鈴薯聯(lián)合收獲裝備的使用創(chuàng)造了前提條件，自動化和智能化是中國馬鈴薯收獲裝備的必然發(fā)展趨勢。

(2)求同存異，雙向驅動。國內馬鈴薯種植地理地域和農藝模式的多樣性決定了在未來很長一段時間內，中國將出現(xiàn)小型簡易分段式馬鈴薯收獲機與中大型先進馬鈴薯聯(lián)合收獲裝備長期并存的局面，以適應不同種植模式和地理地域差異的需求。因此，應同時投入研發(fā)力量，研發(fā)適合南方冬作區(qū)和西南一二季混作區(qū)的小型簡易分段式馬鈴薯收獲機，開展研發(fā)適合丘陵山區(qū)的小型馬鈴薯聯(lián)合收獲機。

(3)分離輸送裝置是馬鈴薯收獲裝備的核心部件，直接關系到馬鈴薯收獲的傷薯率、破皮率和明薯率等關鍵指標。馬鈴薯屬于根莖類作物，收獲作業(yè)環(huán)境惡劣，隨馬鈴薯進入分離輸送裝置的除了土塊還有石子、地膜和秧蔓等雜物。在非金屬新材料、熱處理和表面處理等方面，特別是柔性包裹材料的應用，包括升運鏈桿條和分離除雜輥等，將先進的制造技術融入到分離輸送裝置以及整機的加工制造過程中，提高馬鈴薯收獲裝備的穩(wěn)定性和可靠性。未來中國馬鈴薯機械化收獲技術和裝備的發(fā)展將以低損、高效和智能化大型馬鈴薯聯(lián)合收獲技術及裝備為核心，同時也需要加強丘陵山區(qū)中小型馬鈴薯機械化收獲技術與裝備的研究。