山药机械化收获技术及其发展

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　　摘 要：中国山药种植具有范围广、地域地理复杂的特点，机械化收获是山药机械化生产中关键的技术环节。山药收获机械化技术包括开沟、振动、提升、输送等几个关键性技术。分析了中国山药收获机械化技术的发展现状、特点及制约因素，并对山药收获机械化发展方向进行了展望。
　　关键词：山药;机械化收获;现状
　　中图分类号：S225        文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码
　　doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.03.003Open Science Identity（OSID）
　　0 引言
　　山药属草本植物，其块根富含蛋白质和淀粉，是药食同源的名贵食材。我国有悠久的山药栽培历史，其主产地位于河南，以铁棍山药和怀山药为主，产量占全国80%左右[1-2]。另外，河北、山西、广西、山东、浙江、湖北等地也有栽培。在我国，山药收获还处于半机械化初级状态，山药的出土、清选、输送和存储还没有完全实现自动化。大部分收获机械只停留在开沟、松土阶段，极少数配备有提升装置，但效果差，对山药损伤较为严重[3]。目前，小面积麻山药种植区多以人工挖掘为主，较大面积种植区多采用挖沟机先在麻山药两行间开出一条深沟，然后人工再用铁锹挖掘，如图1所示。以上收获方式机械化程度低，费时费力，易对麻山药造成损伤，影响品相。
　　1 国内外研究发展与现状
　　1.1 国外山药收获机发展现状
　　山药主产区位于东南亚，20世纪60年代，日本开始研究山药、胡萝卜、青芋等根茎类收获机械，并在20世纪90年代末成功研制出小型根茎类收获装备。21世纪初，日本研发了较为成熟的山药机械，随后不断改进优化[4-5]，如图2所示，实现了种植——培育——收获的全程机械化。日本所种植山药较中国山药品种扎根浅且形态粗，两者之间存在一定差异，但山药产业模式值得借鉴与学习。
　　1.2 国内山药收获机的发展及现状
　　由于山药本身脆性大、易折断且扎根较深，若直接拔取或在山药下方振动松土是行不通的，因此我国山药收获机的设计多重于开沟机研究[6]。国内对开沟机的研究起步较晚，20世纪50年代开始出现犁铧式开沟机，其结构简单、工作可靠，但机体笨重、牵引阻力大[7];20世纪70年代出现圆盘式开沟机，其牵引阻力小、工作效率高，但能耗大、开沟深度较浅[8];20世纪90年代螺旋式、链式开沟机开始出现，其开沟深度能够满足山药的机械化收获，与此同时国内拖拉机马力得到大幅度提升，能够与开沟机相配套，山药种植与收获机械开始出现[9-10]。
　　1998年北京顺义区农机具研究所研发出第一台双排链式山药种植收获机，如图3所示[11]。其结构包括机架、挖掘装置和传动装置。在收获过程中，利用两排链条在山药土垄一侧开沟挖掘，随后由人工挖掘、捡拾，减轻了生产劳动强度。
　　2011年王茂成设计了螺旋式山药种植收获一体机[12]。它主要包括机架、动力装置、振动装置及开沟装置，振动装置装配在开沟装置后端，振动装置的工作部件为振动箱。工作时，开沟装置将山药土垄两侧的土壤掘松之后由振动装置松土，使山药向上顶出，如图4所示。该机具较上一代添加了振动装置，有利于土壤与山药分离，但旋沟犁的位置固定就意味着此机具适用性降低，同时机具功耗、前进阻力大，入土过程十分困难。
　　随后山东森海公司与山东农业大学联合研制了佐佐木牌4USY-1山药收获机，该机具采用单行收获的方式，在山药两侧开沟，振动装置在山药下方振动，使山药随土壤向上提升，此机具适合我国多种种植模式使用，如图5所示。田间作业效果表明机械挖掘深度为90～105 cm，起土到位，山药基本无破损，效果好;试验田单产约为1474 kg·亩-1，田间破损山药质量为514 kg，破损率为35%[13]。
　　2014年河北工业大学等模仿考古挖掘过程，将山药根茎两侧土壤去除，取其中间部位，加之振动松土，最终研发了一款集挖掘开沟、松土、输送为一体的山药收获机，如图6所示，但只对该装备进行了有限元仿真与校核，并未见到实际的田间收获效果[14]。此机型与佐佐木山药机较为相似，但在传动结构上采用前置液压机构来调节挖掘深度，后置输送机构通过液压油缸与机架相连，通过调节液压系统来改变输送机构的倾斜角度，从而有利于适应不同深度的山药挖掘与山药输送工作。
　　2016年蠡县第一播种机械厂研发了一款麻山药收获机，如图7所示。与前文提到的几款后悬挂式山药收获机不同的是，该机具集挖沟收获、土壤回填、平整土地等功能于一体，并设有3条开沟链，可同时开3条沟进行双行收获，振动装置位于两行山药下方，振动松土。折返收获时将之前倒出到地面的土壤回填至已开沟中，有利于后期的平整地工作。田间实验结果表明收获机破损率在5%以内[15]，满足农艺要求。
　　2018年初，山东菏泽市陈集镇农民栗广臣发明了一款振动式单行山药收获机，在山药两侧开沟的同时附加机械振动，使土壤下降，山药上升，最后由人工拔取，如图8所示。该机具也是集山药收获与土壤回填的一体化机械，通过田间试验表明效率约为人工的30倍，且损失率较低。
　　2 存在问题与研究方向
　　2.1 存在问题
　　目前国外根茎类作物的机械化收获技术比较成熟，国内山药产业的实际情况和机械化收获的研究还存在诸多问题，制约着山药产业在我国的发展。
　　（1）种植农艺多样化。
　　山药机械化收获对农艺要求高，加之我国山药在种植、田间管理等方面机械化程度低，且各地的种植方式不同、农艺不规范，对山药收获机的适应性能力提出很高要求。此外，大部分山藥种植区域不集中、成片状，缺乏相对成熟的合作机制，导致山药不能规模化生产，一些大型种植机械、收获机械价格昂贵，个体户很难承担其费用。 　　（2）收获阻力大，山药损伤率高。
　　山药收获作业条件差，挖掘深度较深。泥土、石头等杂物会对机具造成很大的前进阻力和刚性冲击，减少机具寿命。评价收获机性能的重要参数是农作物的损伤率，山药在收获过程产生损伤是正常的，但应完善相应的国家或行业标准，将山药的损伤降低至可接受范围内。
　　（3）传动结构复杂。
　　山药收获机械包括开沟、振动、松土等几个关键部分，执行装置形式多样，结构复杂，造成机械整体过于庞大，加之作业深度较大，极易造成壅土、黏附等问题，阻碍收获机进行持续作业。
　　2.2 未来研究方向
　　（1）山药本征特性研究。
　　山药物理特性的研究是山药收获机械研发的重要环节，通过研究山药的几何形状、根茎叶的物理特性（抗拉强度、剪切力、拉拔力等）的研究，可以为山药收获机械的研发、关键部件参数的设定提供理论依据。
　　（2）农艺农机相结合。优化作物品种，使其有利于机械化种植、管理与收获，同时改进种植模式，规范种植间距，通过合理利用催熟技术，使山药一次性机械收获成为可能。通过相关学科专家的定期交流，协同研究，制定符合机械化收获的栽培模式。
　　（3）机械结构的设计与优化。
　　山药收获机械体积大，价格高，由于农民的经济承受能力低，需尽可能降低制造成本。在保证机械性能的前提下，设计结构简单、紧凑、通用性好、智能化程度高的山药收获装备，将成为未来市场的大趋势。同时，现代机械设计理论和方法，以及CAD/CAE 软件，对进行机械运动学、动力学仿真提供技术支持，为优化机械结构提供有力保障。
　　（4）智能化的收获系统。
　　随着微电子技术的迅速发展，将机械系统和液压系统以及电气系统充分结合起来，可使收获机更加轻量化、智能化、便捷化。针对山药收获机，可以加装导航装置，既保证了山药收获机的直线行驶，又实现了精准作业。
　　3 结论
　　随着山药种植面积的不断增加，迫切需要一台能够实现开沟、振动、松土、输送、筛分的联合收获机械。一方面要统一栽培模式，实现规模化、标准化种植;另一方面要加强对适合于山药收获的小型大马力拖拉机的研发，实现山药智能化收获。同时，要结合山药种植农艺，加大山药收获关键性技术的研发力度，尽快实现山药产业的机械全程化与智能化。
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