白蘿卜聯合收獲機的研究現狀與發展探討

姚 帥，繆 磊，譚 俊，趙 湛，蔡國芳，黃毅成

（1.江蘇大學農業工程學院，江蘇鎮江 212013；2.泰州攜創農業裝備有限公司，江蘇泰州 225300；3.泰州市農業機械推廣站，江蘇泰州 225300；4.江蘇省農機具推廣應用中心，江蘇南京 210017）

0 引言

我國是世界最大的蘿卜生產國和消費國，種植面積近130萬hm2，產量達4 500萬t，約占世界總種植面積和產量的40%和47%[1-3]，是僅次于白菜的第二大蔬菜。蘿卜屬于根莖類蔬菜，具有生長周期短、適應性強、單產高的特點，可以四季栽培、周年供應。蘿卜按照顏色可以分為白蘿卜、胡蘿卜、青蘿卜和紅蘿卜等品種。按照種植時間的不同，白蘿卜又可分為春蘿卜、渡夏蘿卜、秋蘿卜以及四季蘿卜等，在我國各地均有廣泛種植。種植模式主要為壟作點播，不同品種蘿卜的壟距、行距、種植密度等都存在一定差異[4，5]。成熟的白蘿卜總長度能夠達到25～40 cm，重量0.5～1 kg。

目前，我國白蘿卜的收獲方式還是依賴人工和半機械化收獲，其中，半機械化收獲主要是通過機具進行松土、挖掘，然后由人工撿拾裝袋完成收獲過程，用工量大、勞動強度高、作業效率低。近年來，國內相關科研院所和企事業單位相繼開展了白蘿卜收獲裝備的研究探索，工作原理包括挖掘式和拔取式兩種。挖掘式收獲機大多借鑒根莖類作物收獲機的結構，相比于胡蘿卜以及其他塊根類作物，白蘿卜的體型碩大，如圖1所示，塊根大小不一、地面裸露高度差別大，導致這類機具功耗大、損失損傷率高、環境適應性差、易出現擁堵纏繞等問題，田間工作性能不穩定。拔取式聯合收獲機能夠實現挖掘（松土）、夾持、輸送、切櫻、收集一體化作業，是國外先進蘿卜收獲裝備的主要工作方式。其作業效率高、生產成本低、勞動強度低，但整機機構較為復雜，影響作業性能的因素多，需要進行作業性能和狀態的自動化監測與控制以實現各工作部件作業過程的協同優化。

圖1 白蘿卜種植情況

1 蘿卜收獲機研究現狀

1.1 歐美研究現狀

歐美等國家蘿卜收獲機械研究起步較早，受到飲食習慣的影響，以胡蘿卜機械為主，經歷了從牽引式到自走式的發展歷程，已經基本實現了生產全程機械化、信息化、智能化，如ASA-LIFT、Weremczuk、Grimme、Vogel、Ploeger等機型。

1.1.1 拔取式收獲機

先進的蘿卜聯合收獲機以拔取式聯合收獲為主，主要由扶禾器、松土、拔取夾持、去土、齊平導向、根莖分離、塊根輸送和拋秧等裝置組成[6]。工作過程中，首先在白蘿卜底部進行松土，然后利用夾持裝置將塊根和莖葉從土壤中拔出，經傳送帶夾持輸送并完成切櫻、收集工序。

丹麥ASA-LIFT[7]公司的T系列和德國Grimme公司的SP系列收獲機，分別如圖2、3所示。為解決對行收獲問題，采用了夾拔膠帶起收單元設計，該裝置具有橫向位移功能，由對行卡鉗進行記錄作物位置，自動調節起收單元位置，實現精準對行收獲。并且采用了液壓仿形技術，能夠根據不同的田間環境對機架進行升降自動調節，提高了作業適應性，解決了多行種植模式下，種植直線度低的收獲難題，有效降低了損傷和損失率。

圖2 丹麥ASA-LIFT T-400多行蘿卜收獲機

圖3 德國GRIMME SP 200蘿卜收獲機

比利時Dewulf[8]公司研制的夾拔式蘿卜收獲機，如圖4所示，工作部件安裝于機器前部，通過底部松土鏟松土后，由起拔皮帶夾住蘿卜櫻拔出蘿卜，并向上輸送到切頂機構，切除櫻葉后裝車，從而一次性完成挖掘、拔取、清選、集果作業流程，有效的解決了機前壅土和損傷率高的問題。

圖4 比利時Dewulf ZKIV蘿卜收獲機

波蘭Weremczuk的拔取式蘿卜收獲機采用后懸掛結構形式，如圖5所示，收獲寬度和高度可以調節，采用仿形機構控制機架的升降，能夠在復雜環境下進行蘿卜拔取作業，收獲的蘿卜通過傳送帶輸送到配套儲料箱內。

圖5 波蘭Weremczuk拔取式蘿卜收獲機

1.1.2 挖掘式收獲機

挖掘式收獲機主要由切頂器、限深輪、挖掘鏟、抖動輸送鏈和行走輪等部件組成，配合大馬力拖拉機使用。它采用切頂器切去蘿卜莖葉，然后由挖掘鏟將蘿卜從土壤中挖出，并通過輸送鏈輸送至升運器和收集箱，在輸送的同時，清除土壤和雜物。如圖6所示的丹麥ASA-LIFT挖掘式蘿卜收獲機。工作過程中，先由切頂裝置將蘿卜的櫻切除，割刀間距可自由調整，能夠適應不同的種植間距，挖掘鏟入土，再將收獲寬度內的蘿卜和土一起挖掘送入輸送鏈，采用兩級輸送鏈進行果土輸送分離，即挖掘出的蘿卜和土塊進入第一輸送鏈，在輸送過程中通過抖動輪上下抖動，實現土塊破碎并與蘿卜分離，隨后將蘿卜和未被分離的土塊送至第二級輸送鏈，進一步分離以提高清潔度。這種收獲方式適用于塊根入土深度淺、土質疏松的種植環境。在入土深度較大的黏性土壤作業時，阻力大、整機功耗高。

圖6 丹麥ASA-LIFT挖掘式蘿卜收獲機

1.2 日本研究現狀

日本石井鉄公司制造的JH90白蘿卜收獲機，如圖7所示。它在扶禾器裝置上安裝了網絡攝像機，當白蘿卜櫻進入扶禾器的工作位置時，攝像機通過圖像處理技術，檢測出蘿卜和葉的邊界，以邊界位于圖像的中心位置為基準位置，進行拔取位置的調整，并能夠通過油缸調節拔取高度，從而實現自動對行收獲。運送蘿卜的輸送機和集裝箱均采用了獨立液壓驅動，在輸送機的頂端安裝了光電傳感器，以測量蘿卜在容器中的裝載狀態。田間作業時，需要3人操作，駕駛員操作收獲機，另外兩個人操作裝載裝置。

圖7 石井鉄JH90白蘿卜收獲機

日本久保田研發的CH-201C蘿卜收獲機，如圖8所示，整機采用側懸掛結構和HST無級變速底盤，輸出功率14.6 kW，作業速度0.8 m/s。設計了L型松土鏟松土進行果土分離，以便于后續的拔??；設計了出葉齒輪箱，以提高切櫻位置精度，切斷的葉子通過轉運裝置排到機器右側，避免履帶碾壓；整機沒有自動化收集裝置，作業需要兩名操作人員，一人負責駕駛收獲機，另一名負責蘿卜的裝卸。

圖8 日本久保田CH-201C胡蘿卜收獲機

1.3 國內研究現狀

近年來，國內相關科研院所和企事業單位相繼開展了白蘿卜收獲裝備的研究探索工作，如河北農業大學開發了專用的白蘿卜挖掘鏟，工作時，通過挖掘鏟破壞白蘿卜與土壤的接觸力，使蘿卜與土壤分離，然后由人工撿拾裝袋完成收獲過程[9]；石河子大學、東北農業大學、青島農業大學等單位對白蘿卜收獲機的振動松土鏟進行了結構設計，利用偏心連桿式振動裝置進行松土作業，以機器行走速度、松土鏟激振頻率和振幅、鏟面入土角、鏟刃傾角作為影響因素，進行了結構和作業參數優化[10-12]。黃文祿研制了一畦兩行自走式蘿卜收獲機，收獲部件主要由扶頁、導入、挖掘、夾持、切櫻、收集等裝置組成，能夠實現松土、夾持、輸送、切櫻、收集一體化作業[13]。江蘇省南通市農機化技術推廣中心設計了白蘿卜挖掘收獲機[14]，如圖13所示，主要由機架、挖掘鏟及限深裝置等組成，作業時，挖掘鏟將種植壟內白蘿卜側邊及下方的土壤鏟松，壟內土壤受到擠壓破碎，蘿卜與土壤實現分離，蘿卜單果隨松散土壤流側向上浮，最后由人工撿拾裝車。

圖9 南通市農機化中心研制的白蘿卜挖掘收獲機

泰州攜創農業裝備有限公司研發的自適應柔性拔取式白蘿卜聯合收獲機，如圖10所示。針對收獲過程中由于莖葉掐折而造成白蘿卜不能有效拔取、夾持輸運過程中的脫落問題，設計了由錐度扶禾頭、旋轉扶禾套、仿形滑板、壟面距離測量裝置等構成的仿形扶莖部件，仿形滑板在彈簧的作用下緊密貼合壟面，通過傳感器測量仿形滑板的位置，獲取扶莖頭與壟面的距離，使得扶莖機構能夠根據蘿卜栽培環境進行位置的自動調節，提高蘿卜莖葉夾持位置的穩定性，降低收獲損傷率和損失率。

圖10 泰州攜創拔取式白蘿卜聯合收獲機

2 存在的問題

我國白蘿卜種植區域分布廣泛，各地區的氣候、地形、土壤等環境差異顯著，播種方式多樣化，種植密度、行距、株距、品種以及壟型都存在差別，導致尚未形成統一的農藝種植規范，機械裝備也沒有統一的設計標準，農機與農藝的不匹配，增大了機具研發和推廣的難度。

針對白蘿卜收獲的理論研究較少，大多在其他根莖類收獲機械的基礎上進行改造，應用于白蘿卜收獲存在明顯弊端，如振動式挖掘機構的入土性能好，但工作速度低、阻力大；而平鏟式挖掘機構對作物的損傷較大、挖掘易壅堵，完成松土后還需要進行人工拔取、切櫻，工序多、成本高、穩定性差。進口的聯合收獲機價格昂貴，大多適用于胡蘿卜收獲，難以直接應用于白蘿卜的聯合收獲作業。

3 發展方向

我國是一個多山區、丘陵的大國，小片分散生產方式普遍，針對不同種植區域、不同種植品種，需要對耕整地、播種方式、種植密度、行距株距等進行規范統一，制定完善的配套作業參數，加強農機農藝結合，形成標準化的生產模式。聯合收獲能夠一次性完成拔取、切櫻、輸送和裝載等多個工序，是最高效的收獲方式，也是白蘿卜收獲技術發展的方向。需要重點突破蘿卜莖葉夾持位置的穩定控制、自動對行調節、作業狀態監測與各作業部件作業參數協同控制等關鍵技術，攻克挖掘阻力大、效率低、果土分離不凈、漏收和損傷大的難題，逐步推動機具向多行高效、智能化方向發展，從而提高整機的作業效率和不同作業環境的適應性。

4 結語

隨著農業發展速度的不斷加快，實現聯合收獲作業是白蘿卜產業發展的必然趨勢。缺乏理論研究基礎、農機農藝不匹配、種植模式多樣是制約我國白蘿卜收獲機械化發展的重要主要因素，尚無完備的經驗可以借鑒，亟待通過政策扶持、積極引導，促進創新攻關，從而制定具有自主知識產權的技術體系和標準。機械化裝備的研發和標準的制定，也有利于改善栽培和種植模式，實現農機農藝結合和規范化、標準化、規?；a，這是加快白蘿卜生產機械化發展的重要保障和必由之路。