根茎作物宝塔菜收获机的研究现状

郭 刚，董 运，吴 统，刘浩威

（新疆农业大学机电工程学院，新疆乌鲁木齐830052）

0 引言

宝塔菜或称甘露子，原名草石蚕，也称“地环”，属唇形科多年生宿根植物。它的株高在30~120 cm之间，茎秆直立或略微偏向一侧生长，茎秆上生有很多叶片，叶片呈卵圆形，长度在3~12 cm之间，宽度在1.5~6 cm之间，叶缘处具有明显的锯齿。本品为中国原产，栽培于近水低湿地，宝塔菜茎、叶及根可作食用和药用，最宜作酱菜或泡菜，也可用全草入药、治肺炎、风热感冒等[1]。

宝塔菜多在我国甘肃、宁夏等地栽培种植，经济效益十分可观。一直以来多为人工收获，虽然保证了损伤率、掺杂率低的优点，但效率低、成本高制约了其发展。目前宝塔菜收获机的生产和实地投用很少，但根据马铃薯收获机的研究经验对宝塔菜收获机的理想机型也已有了初步的确定。本文通过查阅并总结梳理有关根茎作物收获机的研究资料，了解根茎作物收获机的基本工作原理和关键部件的研究方法，以降低掺杂率、损伤率、提高收获效率等为重要指标，为宝塔菜收获机的研究提供了参考。

1 宝塔菜收获机的研究现状

宝塔菜收获是生产环节中投入工时最多的环节，不但用工多、劳动强度大、作业条件艰苦，且经常因遭遇风雨天气不能及时收获，造成减收或品质下降等损失。目前，宝塔菜收获机械成熟适用的机型非常少，机械收获时仍需要大量的人工辅助来完成作业，收获效率低。

为解决宝塔菜机械化收获问题，我国科研人员对此进行了研究。宁夏大学陈虎[2-3]研制了一种侧悬挂式宝塔菜联合收获机，经田间实地试验发现此收获机整体机型过大，收获时转向不灵便，且会对宝塔菜造成损伤。陈虎通过对市场上类似收获根茎类农业设备的研究和对当地草石蚕实际种植、收获情况的调查研究、分析和试验，根据试验获得的数据设计了与拖拉机配套使用的牵引式草石蚕联合收获机。宁夏大学陈俊[4]为了提高宝塔菜的生产效益、土地产出率和资源利用率，通过研究国内外根茎类作物收获机械相关理论以及影响根茎类作物机械化收获主要因素的基础上，提出了宝塔菜收获机的总体设计目标，确定了主要部件的结构，并应用软件对挖掘装置、输送装置、筛分装置进行三维建模，基于离散元法对宝塔菜收获机的挖掘、输送、分离三个过程进行仿真分析，设计出了一款符合宝塔菜农艺要求的收获机。

国外尤其是欧美国家农业机械发展较早，发展至今农业水平已处于国际领先地位，但是美国、日本、意大利等农业机械较先进的国家对宝塔菜收获机械的研究也相对较少，这些国家对根茎作物收获机的研究主要集中于马铃薯收获机。其主要有两种方式，一种是马铃薯联合收获机直接收获，另一种是挖掘捡拾装载机加固定分选装置进行分段收获。马铃薯挖掘机主要应用在意大利、波兰、日韩等国，以山地种植为主，田块小且分散，马铃薯联合收获机主要应用在德国、美国和比利时等国家[5-8]。

2 宝塔菜收获机

2.1 宝塔菜收获机工作过程

宝塔菜收获机先用挖掘铲将宝塔菜、土块及茎秆等一起挖出地表，挖掘铲上方的拨土轮会将土块及遗漏的宝塔菜拨入传输振动装置，同时将土块破碎细化，送入传输振动分离装置；传输振动装置通过振动作用将土块根茎等杂物和宝塔菜分离，细小的土块会通过筛孔掉落；传输链板将宝塔菜及较大的土块等杂质输送到机械末尾的滚筒中，滚筒的旋转作用配合风机的风力作用将宝塔菜和杂物进行二次分离，最后滚筒将宝塔菜和未除尽的杂物送入收集箱中。

2.2 宝塔菜收获机关键工作部件

2.2.1 挖掘铲

挖掘铲作为收获机第一个工作部件其作用至关重要，它需要将宝塔菜挖出地表并保证宝塔菜的完整性和带有最少量的泥土。挖掘铲的刀型、入土角度和运动形式等决定挖掘铲入土难易、碎土程度大小及排土效果好坏，直接影响宝塔菜收获的质量和效率。

佳木斯大学刘新柱等[9]关于大红萝卜的收获建立了挖掘铲的力学模型，分析了挖掘铲铲面倾角对挖掘阻力和摩擦力的影响，选取挖掘铲铲面倾角为23°，并对挖掘铲的结构进行了设计，选取挖掘铲铲柄间距为320mm，入土深度为140 mm，铲的形状为平面五边形，铲面长度350 mm，铲面宽度为125 mm，铲刃角为90°，如图1。

图1 双侧松土式挖掘铲

其优点是大部分红萝卜收获机多采用拔取式，此挖掘铲配合机械拔取部分对土壤进行松弛，有效提高了红萝卜的收获效率。

山东农业大学刘强[10-11]运用回归分析、离散元仿真等方法设计了一种圆盘张角为20°，偏角为24°、28°和32°的挖掘铲，通过对圆盘挖掘铲进行静力学分析，得到偏角为28°的挖掘铲可以很好的保护果实，降低了果实的损伤率。

湖北工业大学魏梦阳[12]设计的旋转驱动式挖掘铲是将12个箭型铲焊接在固定底座外，并圆形排列一圈，如图2，此铲不同于传统的挖掘铲，能够进行纵向和横向双向剪切，大大提高了挖掘铲破土效率。

图2 旋转驱动式挖掘铲

其优点是旋转驱动式挖掘铲主要针对马铃薯的收获，在收获过程中可有效地避免马铃薯茎秆和杂草的缠绕。缺点是由于固定底座直径有限，不能保证马铃薯的收获率且收获时容易损伤马铃薯。

内蒙古农业大学李祥[13]通过试验确定了最佳工作参数组合为铲面倾角20°，铲刃斜角55°，前进速度0.8 m/s的固定式三角平面挖掘铲，这种铲型有利于减小牵引阻力，降低功耗。

海南大学邹翔翔等[14]运用仿生及有限元分析法模仿东方蝼蛄前足趾爪的形状，设计出了一种倾斜角为25°～30°，铲齿为空心的仿生挖掘铲，这种铲具有良好的质量和力学特性，很好地增强了入土和碎土的功能。

郑媛媛等[15]在改进马铃薯收获机挖掘铲的过程中研究出固定组合平面式挖掘铲和振动挖掘铲，如图3。通过研究分析得到振动挖掘铲收获时阻力小，入土相对容易，但如果振动幅度等参数设计不合理就会导致机具作业效果不理想，薯土分离效果差等问题。

图3 马铃薯收获机振动式挖掘铲

甘肃农业大学杨小平等[16]设计了4U-1600型集堆式马铃薯挖掘机，如图4。对挖掘机阶梯挖掘铲、两级升运链式土薯分离输送装置及液压开启式集薯箱等关键部件进行了设计与选型并完成其关键参数的计算确定。以样机前进速度、一级土薯分离装置线速度和二级土薯分离升运装置线速度为自变量，以明薯率和伤薯率为响应值，依据Box-Behnken试验设计原理，采用三因素三水平响应面分析方法分别建立了各因素与明薯率、伤薯率之间的数学模型，并对各因素及其交互作用进行分析，为解决传统一级升运链马铃薯挖掘机土薯分离效果差、人工捡拾铺条劳动强度大的作业难题提供了解决方案。

图4 阶梯式挖掘铲

其优点是该挖掘铲将碎土、土薯分离和运输整合为一体，大大减小了机具的体积，提高了机具的灵活性和马铃薯的收获效率。缺点是收获中挖掘的土块杂质太多，含杂率过高，挖掘时两边会出现壅土，造成马铃薯遗漏过多，收获率降低。

2.2.2 拨土轮

拨土轮是挖掘铲的延伸装置，主要作用是解决挖掘铲在挖掘宝塔菜时铲的两边出现的壅土问题，并通过拨土板将较大的土块破碎细化，为后续的振动分离奠定基础。

陇东学院敬志臣[17]设计的BS-1200型宝塔菜收获机在甘肃庆阳镇原县太平镇第一次田间试验发现，宝塔菜收获机在收获过程中挖掘铲的两边会出现壅土现象，物料输送不畅，收获后会造成收获路径旁的积土量过多，部分宝塔菜也会存留在积土里，使果实遗漏损失率升高，加之宝塔菜收获季节土壤表层干燥、板结严重，所以设计增添了拔土轮并将其设计为螺旋式，在破碎土块的同时将土壤遗漏果实及其他杂物通过拨土轮的螺旋推移作用送入振动输送链板装置，既达到了碎土的效果，又减少了壅土量，降低了果实遗漏率（图5）。

图5 拨土轮

特点：该拨土轮有效地解决了挖掘铲的壅土问题，进一步对挖掘的土块进行破碎，促进了土块杂质与宝塔菜的分离，降低了含杂率。

李金川等[18]设计了一种螺距均为130 mm，螺旋片高度为420 mm左右对称的双向螺旋破土旋耕刀，如图6。此双向螺旋旋耕刀松土效果好、可减少积土量，降低果实遗漏率。

图6 破土旋耕刀

旋耕刀在工作时虽然进行了有效的松土，减少了积土量，但笔者认为这只考虑到了旋耕刀的优点，并没有考虑到果实的损伤率。

2.2.3 传输振动分离装置

传输振动装置是宝塔菜收获机进行杂质分离的核心部分，它利用运输链板增加了振动效果，实现了运输分离一体化。该装置不仅提高了收获机的自动机械化，还进一步提高了收获效率，降低了宝塔菜长距离运输损伤的概率。

石河子大学刘潇[19]运用类比和仿真模拟的方法设计了一种在水平方向上以370mm左右的位移进行往复运动，在垂直方向上以260mm左右的位移进行起伏循环运动的抖动面板传动装置。当输送速度为110r/min，振动转速为100 r/min，振幅水平为下时，明薯率大大提高，伤薯率大大降低。

湖南工业大学刘炳先等[20]通过田间试验得出当机具前进速度为1.2 m/s、筛杆升运速度为1.3 m/s、抖动器转速为205r/min时，明薯率最大，挖净率最大，伤薯率最小。

西北农林科技大学崔振猛等[21]将三七根土分离装置简化为曲柄双摇杆机构，运用运动学仿真及试验的方法分析得到了最佳的工作组合条件为曲柄转速295 r/min、筛面倾角8°、筛面长度620mm的双曲柄摇杆分离装置，此装置在组合条件下更有利于根土分离。

李金川等[18]设计的基于TRIZ的旋转分离式宝塔菜联合收获机的振动筛利用连杆机构驱动左右摆动，如图7。此分离筛选装置不仅可起到茎土分离作用还可起到输送作用，对宝塔菜果实可进一步筛选，提高果实清洁度。振动筛为塑料圆柱条形，大大减轻对宝塔菜表皮的损伤，通过研究发现振动筛越长，分离效果越佳，所以本设计将振动筛贯穿整机，达到了良好的分离效果。振动筛长度设计为1 350mm，为使果实顺利进入集果箱，将振动筛设计为倾斜状态，倾斜角度为15°。

图7 旋转分离式振动筛

该振动筛只有单一方向的圆柱条形筛网，因此工作时会遗漏一些偏小的果实，造成不必要的经济损失，且主要依靠振动筛的长度来达到筛选的目的，振动筛过长会影响整体机械的灵活性。

张海红等[22]通过建立振动筛动力学方程对马铃薯收获机振动筛的振动问题进行研究，着重分析了激振频率对振动筛振动幅值的影响规律，通过分析发现，当激振频率近似等于振动筛固有频率时会导致振动筛在垂直方向的振动幅值显著增大，降低振动筛的使用寿命。

辽宁省农业机械化研究所李秀娟等[23]研究的TF-VS系列根茎作物收获机采用左右对称式异步振动筛，如图8。该机不但降低了工作阻力，而且降低了动力消耗，提高了工作效率和作业效果。同时，采用飞轮式曲柄配重和曲柄、双连杆传动等机构，使机具能耗降低，比普通机型节能50%左右。

图8 TF-VS系列根茎作物收获机

新疆农业大学史增录等[24]在对4UX-550马铃薯挖掘机运动分析的基础上在ADAMS软件中对马铃薯挖掘机振动筛的虚拟样机进行了仿真分析，计算出振动筛运动时的参数，为马铃薯挖掘机振动筛的工作性能和振动筛对土壤和马铃薯混合物的抛送和分离能力的研究提供了理论依据，也为今后振动筛的设计提供了一种有效的设计方法。

2.2.4 风机滚筒装置

由于振动筛不能一次性彻底清除泥土和茎秆等杂质，为了解决这一问题添加了风机滚筒装置。其工作原理是利用宝塔菜和泥土等杂质的净重不同，风机的风力配合滚筒的旋转作用对其进行二次分离，减少掺杂率。

湖北工业大学魏梦阳[12]设计出由螺旋滤网和螺旋叶片组成的滚筒筛，滚筒筛直径860 mm，长度1 200 mm，滤网间隙宽度50 mm，并运用离散元分析得到最有利于避免马铃薯破损、降低掺杂率的滚筒筛转速工作范围，如图9。

图9 螺旋式滚筒筛

陇东学院敬志臣[17]等为了避免宝塔菜混合物料二次分选拥堵在滚筒筛前端，设计了锥形分离滚筒，筒长1 200 mm，进料端内直径850 mm，出料端内径950 mm，内部铺设矩形筛网形成锥形导流面，促使物料有效分选的同时有轴向推进力。滚筒前端轴向800 mm范围内铺设12 mm×12 mm的矩形筛网，为了实现果实和土壤的分离，后端400 mm滚筒内壁铺设25 mm×25 mm矩形筛网，以便于宝塔菜顺利落入集料斗，还可以起到隔离杂草和大土块的作用。

康地等[25]根据油茶果的横径范围将滚筒筛设计成若干等级，每级分布尺寸孔，孔径不同，由于后一级孔径比前一级大，油茶果从滚筒筛进入到出口，小于第一级孔的油茶果从第一级掉出进入下一环节，每级以此类推，分级滚筒筛的设计大大提高了分离效率。

李海等[26]首先建立了半夏收获机滚筒筛三维模型，利用ADAMS软件模拟分析滚筒筛在不同转速和不同倾斜角度的影响下，所选取的滚筒筛上观测点加速度的变化曲线来研究转速、倾斜角对半夏收获效果的影响，为选择滚筒筛更合理的转速和倾斜角度提供了一定的理论依据，如图10。

图10 锥形分离滚筒

该分离滚筒可有效地将宝塔菜与杂物分离开来，滚筒中的网孔不宜过大，避免宝塔菜遗漏，也不宜过小，防止将剥离开的菜叶遗留在滚筒中并与宝塔菜一起进入箱中。

通过查阅近年来根茎作物收获机挖掘铲、拨土轮、传输振动装置及风机滚筒装置等各关键部件研究的国内外文献，可知各关键部件研究方法及解决方案的改进在一定程度上解决了根茎作物收获机械效率低、损伤率高、成本高等一系列问题。现有的宝塔菜收获机基本上能实现挖掘、收获、分离和收集联合作业，也基本实现了全自动机械化，节省了人力和物力，但现阶段的宝塔菜收获机最关键的装置依然不够成熟，存在损伤率高、掺杂率高、效率低、成本高等难以解决的问题，因此需通过借鉴已研究和发展比较成熟的其他根茎作物收获机机械关键部件装置结构方案设计、性能参数优化思路及理论依据，以此来指导宝塔菜收获机机械的研究与发展。

3 结论

（1）通过查阅近年来根茎作物宝塔菜收获机研究文献资料，发现现有的宝塔菜收获机仍存在损伤率高、掺杂率高，效率低等根本问题。

（2）通过分析可以得到根茎作物收获机的研究方向如下：

①挖掘铲：果实的损伤率要低、果实挖离土壤率要高，所以应在挖掘铲的形状，排列以及入土角度和深度等方向进行研究。

②拨土轮：拨土轮是挖掘铲的辅助机械，在解决碎土和处理壅土问题上起主要作用，而双向螺旋式拨土轮有良好的效果，在此基础上进行改进效果更好。

③振动筛：首先不能损伤果实表面，还要起到分离杂质和运输的作用，可以在振动方式（上下式、左右式、上下左右复合式等）和筛网形状（网格大小、整体体积、倾斜角度等）等方面进行改进。

④滚筒：滚筒的工作需要加入风机的配合，且滚筒的形状可以是多种多样的，比如直筒式、锥形、两边大中间小、两边小中间大等，对此需要建立最优化模型，选择效率最高的滚筒形状。