任铄奇，孙步功，孟养荣，郑小宝
(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)
马铃薯作为外来引进产物，原产地为南美洲，后流传至欧洲，在17世纪时荷兰人把马铃薯引入中国。马铃薯既可以当作主食，又可当作菜品进行食用，同时也是重要的工业原料作物[1]。如今全球超过160个国家引入马铃薯进行种植，三分之二的人口将马铃薯作为主要粮食作物，因此马铃薯也成为了世界第四大食物之一，在实现全球无饥饿、可持续发展中发挥了重要作用[2]。随着机械化生产得到普及，原有生产方式的弊端得到解决，劳动强度水平降低，为其集约化发展提供了可能[3]。马铃薯机械化种植、收获普及趋势现已基本明朗，以其种植、生产技术为依据，马铃薯机械主要包括播种机械类型、收获机械类型以及中耕机械类型[4]。而马铃薯生产的核心设备为收获机械，在开展马铃薯机械化种植时发挥着最重要的作用[5]。
在马铃薯生产机械领域，我国一直高度重视对其进行研发研究。从整体来看，如今国内马铃薯生产机械已经从之前的低水平转变为高水平。在“十三五”规划落实过程中，我国在马铃薯种植领域引入自动化技术与智能化技术，有效改善了播种能力，最大限度地减少植物损伤，同时在基础理论领域与机械研发领域也做出了突破。2019年，我国对收获机械进行改良，使得可以通过柔性输送的形式对马铃薯进行分选，提升了马铃薯收获效率[6]。本文把马铃薯收获机作为主要研究对象，阐述国内外在这一领域的发展情况，并针对其中的主要部件挖掘铲展开了深入研究，并针对现有问题对未来马铃薯收获机的发展进行了展望。
1.1 国外马铃薯收获机发展现状
国外对马铃薯收获机开始进行研发的时间较早，如今已经形成了成熟的研发体系。例如国外研发的联合收获机只需要一次作业便能够完成所有环节。联合收获机有着高度智能化水平，依靠配套系统驾驶员能够随时掌握收获情况，同时及时进行调整。下面将针对几种国外马铃薯收获机机型进行介绍。
由德国格立莫公司生产的VARITRON 270自走式马铃薯收获机，配备了2行橡胶履带行走装置，具有7吨不间断运行料斗，使用循环运转的料斗输送带确保有效容积始终都能得到利用，并且有多种外挂单元可以使用。为保证行驶的安全性、稳定性，该机器又在右后轮设置了可伸缩的后轴，该后轴的最大伸出长度达到550 mm。
另一种GRIMME(格立莫)VARITRON 470自走履带式马铃薯收获机，为保证可靠性和高效率，将机型与多种分离单元相结合，例如多功能分离机，辊式分离机，细秧提升机。采用了橡胶履带，在保护土壤的同时也实现了可靠的动力传输。在后方的环形提升带中加装了可以用于辅助清洁的PU漏土网兜。
比利时AVR公司研发生产的AVR-PUMA3型自走式马铃薯四行收获机，针对其机型结构进行了最新的改进。在保证了机型较低维护度的同时保证了生产的高效、降低了收获过程中马铃薯的破损率。[7]为简化收获过程，提高收获效率，该机型在前端加装了杀秧装置，使得工作时杀秧收获一体化。由细针带和轴向滚轮组构成的清洗模块，可以在收获过程中实现一定程度上的土薯分离，在结构上也针对清洗设计了调节装置，通过调节装置，用户可以根据收获条件的不同进行清洗级别的调整。升运装置采用了由杆式提升机和主动侧指式提升机结合而成的环式提升机，大大减少了在升运过程中马铃薯的损伤[8]。
虽然国外马铃薯机型有着很多优点，但是因为价格昂贵，运输时间较长以及缺乏售后服务，导致国内使用这些设备的情况很少，在国内市场份额中占比不到10%。目前，我国在马铃薯收获机械研发领域取得了较大的进展，同时国产品牌在性价比与售后服务方面占有优势，使得进口收获机在市场中所占的比例持续下降[9]。
1.2 国内马铃薯收获机发展现状
针对国内马铃薯收获机的使用情况和发展情况来看，虽已从最初的简易挖掘机发展到具有挖掘、输送等一系列功能的联合收获机。但是由于收获作区的多变性，目前还是以中小型挖掘机为主，大型收获机为辅的生产结构。一些平原大规模种植的用户及农场，引进了一部分国外的大型联合收获使用，其意在于提高生产效率[10]。
作为我国自主研发设计的典型机型的代表，青岛洪珠公司的4U-170B型马铃薯收获机，动力消耗少，挖掘深度稳定，可以将垄床土表的硬物压碎。使用范围因S型筛选设备而有明显拓展，具有防伤皮功能，可以对沙性土层与黏性土层进行收获，只有最高2%破皮率[11]。高硬度合金链条的设计使用，让其具备了耐磨、强度高、韧性好等优势。基于德国科技设计而成的被动轮，具有迷宫式3层夹板保护机制。全悬挂双升运链式结构让这种马铃薯收获机单次进地即能将放铺集条、分离升运、切秧、挖掘、仿形限深作业全部完成，砂壤土、黑钙土、粘重土壤等土壤最高含水量为25%的地区更适合选择运用该机型[12-13]。
伤薯率、破皮率和明薯率是衡量马铃薯收获机作业效果的关键指标。在马铃薯收获机工作过程中，挖掘、输送分离、卸料和收集等步骤会产生马铃薯碰撞、摩擦和挤压而产生破皮和损伤，影响马铃薯收获质量[14]。高新技术的应用提高了马铃薯收获质量，也更适合各种收获作业环境。
2.1 马铃薯收获机挖掘铲的主要类型
挖掘机收获效率与收获质量直接取决于挖掘铲，因此其属于挖掘机核心部件[15]，故分析马铃薯挖掘机的核心部位挖掘铲，会实质性地影响到挖掘机综合性能分析，而对挖掘铲的要求是，在尽可能少掘泥土的同时挖掘马铃薯块。目前根据结构特征可以把挖掘铲分成：固定式挖掘铲、驱动式挖掘铲以及组合式挖掘铲[16]。若按照挖掘铲的铲形进行分类，可分为传统挖掘铲和仿生挖掘铲两种。
2.1.1 固定式挖掘铲
曲面铲、平面铲是应用频率相对较高的两类固定式挖掘铲，通过直接或者间接的方式与马铃薯挖掘机械的机架刚性连接起来[17]。其中平面铲一般直接固定在挖掘机横梁上，结构简约的平面铲生产、制造简单方便，因此被广泛应用。三角铲的优势在于其铲刃可以自动清洁和入土，现也在广泛使用。
2.1.2 驱动式挖掘铲
驱动式挖掘铲与固定式挖掘铲最大的区别是在作业环节，此类挖掘铲既会伴随机器同步移动，也会进行往复或旋转运动(受自由驱动设备驱动)。主要的运动方式分为两种，第一种是具有两个相向运动的圆盘即转盘式，其最大的优点是在挖掘过程中碎土能力强，但同时也比较容易缠草。第二种是振动式挖掘铲，此种挖掘铲在转盘式的基础上降低了分离器的速度，延长了传动链的寿命，不足之处是其总功率无法减少。
2.1.3 组合式挖掘铲
组合式挖掘铲从名字可以看出是将多种挖掘铲根据实际要求进行组合配置。常见有固定式挖掘铲和振动式挖掘铲的组合，另一种就是球面圆盘和杆条回转轮进行组合，这种组合在工作时能够首先筛出一部分的土壤，同时茎叶等会被圆锥拖拽到输送器上[18]。
2.2 国外挖掘铲的创新发展研究现状
2.2.1 国外挖掘铲铲形设计
为了改进马铃薯收获机在工作中马铃薯块茎的分离问题，乌克兰文尼察国立农业大学针对马铃薯收获机的挖掘部件进行了改进。在这一改进设计中，其针对与挖掘铲的铲形进行了设计。所设计的新型挖掘部件如图1所示。
挖掘过程的工艺方案包括马铃薯的土体1，其两侧有两个垂直的齿形齿轮2，带有土壤压实机3，圆盘具有一系列开口4，其中心同心地位于齿盘的旋转轴上[19]。
2.2.2 国外的自动控制限深技术
德国Grimme 公司生产的 GT170 型马铃薯联合收获机，装备由仿形轮、位移传感器、液压系统和控制器等组成的自动控制系统，具有精准度和自动化程度高、稳定性好等特点。[20-21]
2.3 国内挖掘铲的创新发展研究现状
相对于传统的马铃薯挖掘铲，在后续的挖掘铲设计研究中，出现了利用逆向工程技术获取生物结构三维模型进行构形仿生，以此对挖掘铲的类型进行创新设计，从而实现增强挖掘效果的目标[22]。
2.3.1 挖掘铲仿生结构设计
挖掘铲在结构形式与运动模式方面的差异，直接影响了生产过程中的生产质量，故该结构也一直被学者们作为重点研究对象，不过对其发展现状进行分析发现，依然有着部分问题需要解决。从结构上看现有的挖掘铲铲面以平面或下凹弧面为主，这种结构虽可以保证挖掘起来的块茎根系及土壤几乎全部到达分离，但同样也存在这无法尽早漏土，易造成壅土严重、能耗大等问题。
赵萍[23]等对野猪拱嘴及鼻梁部分的曲面形状进行了研究，针对这一形态进行了仿生学设计，这种仿生挖掘铲在挖掘块茎的同时，也可以有效地向铲片两侧分离土壤，最终实现减少阻力的目标；
同时，因为仿生挖掘铲的铲面有曲率变化，使得其有更好的碎土和松土性能，降低牵引阻力。
河南科技大学的郭志军等，对土壤耕作部件宏观触土曲面减阻性能进行了研究，改变土壤耕作部件宏观触土曲面形态能够达到降低阻力的目标，同时按照田鼠爪趾的特点，对深松部件进行优化，进一步提升了降阻效果[24]。
吉林大学包健伦[25]等对研究自然界中拥有自磨锐性质的生物进行了研究，针对家兔门齿具有自磨锐的特性，将家兔作为仿生原型，合理利用其门齿的自磨锐性质﹐研究出具有一定自磨锐效果的仿生马铃薯挖掘铲。
2.3.2 自动控制限深技术
李涛[26-27]等针对国内情况设计了可自动控制深度的挖掘技术，其包含前仿形机构、挖掘机构、液压系统和控制系统，运用挖掘深度实时调整算法，建立挖掘深度调节模型，可以对挖掘深度进行控制，减少人为失误因素，在薯类作物收获机械的自动化水平发展上做出了贡献。
2.4 国内外挖掘部件对比
在马铃薯收获机的挖掘部件种类上，国内设计多为犁铲，但是在传统的造型上进行了改进，继承了传统平直式犁铲结构简单等优点的同时，也减少了缠草堵塞的情况。相对于国内，国外更多地开始研究圆盘挖掘铲，这种类型的挖掘铲在节省牵引力的同时还可以减少马铃薯块茎的损伤。在保证马铃薯挖掘效率的前提下，国内外都开始了对挖掘深度控制的研究，使马铃薯收获机的收获作业效率得到了保障。[28]
我国在农业领域发展机械化的时间较晚，但是经过不断地研究，在部分领域已经逐步向国际靠拢。国内市场使用的马铃薯挖掘机主要以中小型机械为主，大多采用后输出方式。整体式挖掘铲增加了设备运行阻力，难以有效适应收获时间、土质和垄高；
二次土薯分离机构未能有效配置，壅土现象易出现，大大降低了收获的明薯率。设备生产技术落后，核心件生产精度低，无法精确完成核心件装配，作业损失率大、故障率高，削弱了设备稳定性，这导致农民在收获过程中存在较多的损失现象。
根据马铃薯收获机的研发历史，我认为在未来需要依靠先进制造业来提升机器质量；
把不同环节功能进行结合；
依靠先进技术例如自动控制技术、北斗卫星系统以及遥感技术等，提升收获机的自动化水平；
根据不同地区的土壤情况、农艺需求以及品种差异对机器进行差异化设计[29]。马铃薯收获机经过长时间发展之后，在马铃薯生产全程机械中开始发挥重要的作用。对生产效率进行改善、控制人工成本、减少维修费用，从而提升收获机的经济效益水平；
提升售后服务质量，更好地帮助用户解决使用过程中出现的问题，有效提高马铃薯产量，为农业发展打下基础。
当前，我国工业化进程提速，土地流转、城市化发展水平持续提升，工业化发展和城市建设吸纳了大量乡村劳动力，减少了农作物种植劳动力供应，持续增加了马铃薯收获成本。从农民收入水平提高、收获劳动强度缓解、产业市场核心竞争力提升、马铃薯生产成本节约等角度来看，极有必要深入展开技术探索，针对于马铃薯生产地的具体情况，进行更全面的设计，保证马铃薯收获机的适用性、方便性以及智能性，以此全面促进我国内地马铃薯机械收获能力，特别是联合型低损马铃薯机械收获能力全面提升。
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