大蒜收獲機研究現狀及展望

李勝兵,李 驊,齊新丹,李博竑,丁元庚

(1.南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816；2.江蘇省智能化農業裝備重點實驗室， 江蘇 南京 210031；3.南京農業大學 工學院，江蘇 南京 210031)

隨著經濟全球化的發展，我國已成為世界上主要的大蒜生產國和出口國[1]，近年來，隨著人們的生活水平的提高，對健康綠色食物的要求也越來越高。大蒜作為人類日常生活中不可缺少的調料，同時具有殺菌、排毒、降低血糖、預防癌癥等功能[2-3]，市場對于大蒜的需求量越來越多。據統計，我國的大蒜種植面積超過64萬hm2，占全球大蒜種植面積的60%以上，出口量約占全球總量的80%，是我國國家貿易的主要農產品之一[4]。但目前大蒜生產關鍵環節中的收獲作業仍主要靠人工完成，勞動強度大、生產效率低且勞動成本高。因此，實現大蒜收獲機械化具有重要的意義。

推進大蒜收獲機械化，不僅能夠降低勞動成本，減輕勞動強度，增加收獲效率，同時能夠實現對大蒜種植產業的智能化管理。我國作為一個農業大國，大蒜的種植和收獲消耗過多的農時、占用大量勞動力，發展大蒜收獲機械化不僅促進了我國農村農業的發展，而且直接增加蒜農的收入。本文通過對國內外大蒜收獲機研究現狀進行歸類綜述及展望，為大蒜收獲機械化進一步發展提供參考。

1 大蒜收獲機的應用現狀

大蒜作為根莖類作物，主要由根、假莖、葉、花薹、鱗莖等5個部分組成，由于蒜葉部分比較長，作業強度大，大蒜在收獲時，容易對蒜頭造成損傷。目前，國內外采用的機械式收蒜方法有2種，主要為分段式和聯合式。分段式大蒜收獲主要是能夠進行大蒜的挖掘、去土、平鋪等功能，后期需要進行人工的撿拾、切莖、切須、收集等作業[5]。此種方式效率高，應用面積廣，而且機型的造價較低。聯合式大蒜收獲包括完成大蒜的挖掘、去土、夾持輸送、切莖和自動收集等功能，整個過程自動化程度較高，有效地解決了中小型大蒜種植戶勞動強度大、作業效率低、勞動成本高等實際問題，適合大面積推廣。

1.1 分段式大蒜收獲機

國外的大蒜種植面積相比于我國較少，針對大蒜單品種收獲的機型較少，大部分機型都能夠兼收大蒜、胡蘿卜、土豆等根莖類農作物，其中分段式收獲模式主要是以歐美和亞洲少數國家為主。典型的有美國TopAir公司生產的GW4400四行大蒜挖掘機和GL2400兩行大蒜撿拾機[6]，前者對大蒜進行挖掘、去土，后者完成大蒜的收集，2種機型配套作業，大大提高大蒜收獲效率，適合大面積作業，但大蒜收獲時需要2種機型協同作業，主要針對于大蒜大規模種植戶。日本Sasaki公司研制了一款分段式收獲機[7]，該機主要與切秧機配套使用，通過切秧機將大蒜的蒜秧切除，然后通過分段式收獲機實現大蒜的挖掘和去土等功能，該款機型所花費的成本較高、效率較低，不能滿足中小型大蒜種植戶的需求，不適宜進行大面積推廣。荷蘭Michigan公司生產了一款PH-2型花生分段收獲機[8]，兼收大蒜等根莖類作物，能夠實現根莖類作物的挖掘、去土及鋪放等工序。

由于國內大蒜機械化收獲起步較晚，大多數收獲機僅能實現大蒜的挖掘去土和蒜莖的切除，整個收獲機自動化程度較低。王利遠等[9]研制了一款三行分段式大蒜收獲機(圖1)，它能夠一次性完成大蒜的挖掘、夾持輸送、打捆及田間鋪放等作業，并通過田間試驗得知，整機生產效率為0.1 hm2/h,能達到的漏蒜率為1.9%，對大蒜的損傷為0.58%，各項指標達到設計標準，而且能夠適應不同地區的作業模式。

1.變速箱;2.傳動錐齒輪;3.打捆機構;4.限深臂;5.夾持機構;6.限深輪;7.挖掘立軸;8.挖掘旋轉刀盤;9.手扶拖拉機。圖1 分段式大蒜收獲機

濟寧市農機推廣站和山東山礦機械有限公司聯合研制一款分段式大蒜收獲機[10]，主要通過對關鍵部件結構的優化設計及性能實驗，實現大蒜的挖掘、去土、夾持輸送等功能，整機作業幅寬54 cm，采用拖拉機牽引式作業，生產率為0.05～0.10 hm2/h,能實現損失率低于3%，傷蒜率低于1%，且結構輕巧、操作簡便。但該機在工作過程中容易造成壓蒜問題。山東省金鄉縣農機局研制一款4DS-1000型大蒜挖掘機[11]，作業行數為4行，整個作業幅寬為1000 mm，整機配套動力為8.8～13.5 kW，對大蒜的損傷率低于2%，漏挖率低于2%，生產效率達到0.1 hm2/h,同時該機采用旋轉式挖掘刀具，有效地解決了地膜纏繞問題，能夠完成大蒜的挖掘、輸送和鋪放等作業，采用液壓方式控制挖掘鏟的升降，能夠自動調節根深，前后撥禾器結構解決了拖拉機壓蒜問題。但該機需要與泰山-12型拖拉機的牽引下作業，整體結構較大，不易于操作。江蘇大學農業工程研究院聯合江蘇宇成動力集團有限公司主要針對目前市場現存在的一些典型的分段式大蒜收獲機進行了大田試驗[5]，通過試驗研究了振動挖掘裝置的挖掘速度、整機的行走速度和輸出軸轉速對收獲性能的影響，為今后分段式大蒜收獲機的研制提供技術參考。

1.2 聯合式大蒜收獲機

日本、韓國和一些西歐國家以聯合式收獲方式為主，主要針對的是大蒜中小型規模種植。代表機型有法國ERME公司生產的切秧式和打捆式大蒜聯合收獲機[6]，其中打捆式收獲機包括單行、兩行作業的機型，能夠實現大蒜的挖掘、夾持輸送、蒜莖的打捆，但后期需要人工進行撿拾和切莖等作業,勞動強度較大。切秧式收獲機在拖拉機的牽引下，能夠完成大蒜挖掘、清土、輸送、蒜秧切除、收集入袋等作業，收獲行數主要有單行、3行、4行和5行。日本洋馬公司研制了一款HZ-1型大蒜聯合收獲機[7]，整機單行作業，能完成扶禾、大蒜挖掘、輸送、蒜秧的切除、蒜須的切斷、蒜頭的收集等，但該機型收獲的蒜頭含土量較多，作業效率較低。西班牙寶奇(J. J. Borch)公司研制了一款單行切秧式大蒜聯合收獲機[7]，該機在拖拉機的牽引下作業，動力為51.45 kW，整機易于操作且自動化程度較高。但該機不能完成蒜頭的收集和須根的切除，后期需要人工進行撿拾和切須。

我國是世界大蒜的主要生產國，大蒜種植區主要分布在以江蘇省徐州市為中心的蘇、魯、豫3省，大蒜種植范圍較廣，針對目前國內大蒜生產現狀，也有不少研究人員研發過此類的機型，其中農業農村部南京農業機械化研究所和江蘇泰州宇成動力集團有限公司聯合研制一款4DLB-2型半喂入自走式大蒜聯合收獲機[12](圖2)，并成功探索出一套適合該機型的寬窄行種植模式，能夠有效地解決收獲機工作時壓蒜問題，但收集裝袋的蒜頭需要人工后期進行切須根作業。

1.分禾器;2.扶禾器;3.挖掘鏟;4.限深板;5.夾持輸送機構;6.清土機構;7.對齊切秧機構;8.底盤行走機構;9.刮板輸送帶;10.風機;11.清選篩;12.秧蔓輸送帶;13.秧蔓拋送帶;14.操作臺。圖2 4DLB-2型半喂入自走式大蒜聯合收獲機

徐州市農機技術推廣站研發的4S-85型全喂入自走式大蒜聯合收獲機[13]，該機型與東風-12型手扶拖拉機配套作業，整機質量達到730 kg，工作幅度為850 mm，作業深度最大為12 mm，生產率達到0.2 hm2/h，挖凈率能達到97%，損傷率低于2%，適合在不同類型的土壤上作業，能夠兼收花生、大蒜、土豆等根莖類作物。但該機主要采用焊接工藝制作而成，不易于更換零部件。

魯東大學馬凱等[14]研制了一款大蒜全自動聯合收獲機(圖3)，其中設計了一種全自動網眼編織袋封裝裝置，能夠完成對蒜頭須根的切除，實現無人工輔助自動收集裝袋等功能，通過田間試驗，整機收獲效率為0.04 hm2/h。但該機整體結構較大，在工作過程中會出現壓蒜問題。

1.拔草叉;2.夾持傳送裝置;3.夾蒜翻轉機械手;4.根莖切除裝置;5.輸蒜傳送帶;6.電磁開關放料口;7.網眼編織袋自動封裝裝置;8.夾持變排傳送裝置;9.傳動軸;10.變向齒輪箱;11.仿生魚鰭挖掘鏟。圖3 大蒜全自動聯合收獲機

徐文藝等[15]針對目前國內大部分地區大蒜種植模式的不同，研制了一款適合中小型地塊的小型大蒜聯合收獲機(圖4)，該機采用履帶式行走裝置，能夠滿足大多數地區濕軟耕層的收獲需求，整機結構緊湊，操作簡便。但該機生產效率較低，且切割的蒜莖留存長度不一致，后期還需要人工進行切莖。

1.扶禾器;2.限深裝置;3.挖掘鏟;4.機架;5.夾持裝置;6.底盤;7.升降支架;8.發動機;9.變速箱;10.蒜秧定位裝置;11.橫向輸送裝置;12.切割裝置;13.液壓油箱;14.座椅;15.操作手柄。圖4 小型大蒜聯合收獲機

2 大蒜收獲機關鍵部件的研究現狀

大蒜收獲機主要由扶禾裝置、大蒜振動挖掘裝置、夾持輸送裝置、去土裝置、切割裝置、蒜頭收集裝置及其一些零部件組成。對于如何在小型地塊進行機械化收獲，不少學者針對收獲機上一些關鍵部件進行了大量的研究，通過對收獲機上關鍵部件的優化設計，從而來提高整機的收獲性能。

2.1 振動挖掘裝置

振動挖掘裝置是整個收獲機的核心部件，它能夠對土壤層進行破壞，實現蒜頭和部分土壤的分離，其入土的角度影響整個收獲機的前進阻力。減小機具的行進阻力、降低對蒜頭的損傷是目前振動挖掘鏟的研究重點和技術難點。邢立冉等[16]設計了一種利用偏心振動連桿機構(圖5)，該機構實現挖掘鏟的振動，增加了收獲機的性能，減少牽引阻力，減少了能耗。

圖5 偏心振動機構

吳彥強等[17]提出了一種圓盤式大蒜挖掘裝置，通過三因素正交試驗得出圓盤的最佳工作參數，且使用該挖掘裝置挖掘率為99.56%，傷蒜率為1.57%。辛杰[7]通過研究大蒜種子的物理特性，設計了大蒜聯合收獲機的挖掘裝置，并通過EDEM仿真優化了大蒜挖掘鏟。劉建軍等[18]通過對4HSHW-1400型大蒜收獲機振動分離裝置進行了動力學和運動學的分析，得到裝置的運動參數與設計參數之間的關系，為大蒜收獲機的研制提供了參考。

2.2 夾緊輸送裝置

夾緊輸送裝置能夠完成自動對行、對齊切莖、夾持輸送等功能，其中自動對行、對齊切莖且保持大蒜在輸送過程中無損傷，既是整個夾持輸送裝置的研究重點也是技術難點。陳翠娟[19]通過三維軟件建模并利用ADAMS仿真分析大蒜打捆收獲機，設計一種更有利于傳送橫向輸送帶。于昭洋等[20]設計了夾緊輸送裝置(圖6)，大蒜的夾緊方式從鏈條夾緊變為鏈板式發夾，這種結構降低了大蒜鱗莖接觸螺旋欄桿時的沖擊力，從而有效地解決了大蒜鱗莖受傷的問題。

1.夾持鏈;2.彈簧壓桿;3.前導軌;4.毛刷;5.中間導軌;6.鏈輪。圖6 夾緊輸送裝置結構圖

辛杰等[21]通過分析大蒜的種植模式研制了一款柔性夾持輸送裝置(圖7)，有效地解決了大蒜在夾持輸送過程中對蒜頭損傷問題。

1.從動齒輪;2.后端從動帶輪;3.主動帶輪;4.主動齒輪;5.液壓馬達;6.輸送帶;7.夾緊輪;8主框架;9.張緊裝置;10.前端從動輪。圖7 柔性夾持輸送裝置

2.3 切割裝置

大蒜作為根莖類作物，大小各異，同時蒜的表皮比較細嫩，在切割過程中容易對蒜頭造成損傷，如何低損高效進行蒜根切除是大蒜機械化收獲技術難點。Krishna等[22]研制了一種挖掘單元由V形刀片組成的4排拖拉機操作的大蒜收割機，用于機械收割大蒜，有效地實現了蒜秧和蒜頭的分離。于昭洋等[23]設計了一款大蒜聯合收獲果秧分離裝置，并對該裝置進行參數優化，經過試驗驗證切痕合格率為98.29%，損傷率為2.23%，同時設計了一種大蒜聯合收獲根切試驗臺(圖8)，有效地解決了切根清除率低的問題。

1.夾持輸送機構;2.排序-對齊機構;3.蒜體導板;4.電機;5.浮動切根機構;6.前旋轉切刀;7.毛刷輥。圖8 大蒜根切試驗臺

馬凱等[14]設計了一種根莖切除裝置(圖9)，其中設計的仿形定位料杯與浮動柔性彈簧切根刀精準的配合，彈簧根據蒜頭大小自適應地控制刀具，實現對須根和蒜莖的切除。

山東理工大學嚴紀蘭[24]開展了基于PLC控制的大蒜根須切除設備的研究，該設備工作臺采用PLC控制系統，并通過SolidWorks對大蒜根須切除設備進行建模并導入到ADAMS中建立虛擬樣機模型，并對部分零部件進行動力學和運動學仿真，為今后大蒜收獲機的研制提供了理論基礎研究。

1.切根刀具定制電機;2.柔性彈簧;3.定位滑板;4.帶耳鏈條;5.仿形料杯輸送電機;6.切根刀定制電機;7.仿形定位料杯;8.切莖圓盤刀;9.浮動柔性彈簧切根刀具。圖9 根莖切除裝置結構

3 總結與展望

通過對國內外大蒜收獲機的分析可知，目前我國在大蒜收獲機械化取得了一定成果，但現有的大蒜收獲機還不能完全滿足中小型大蒜種植戶的需求，研究的大蒜收獲機大都僅能單獨實現大蒜的挖掘、去土和蒜莖的切除作業，聯合收獲機的自動化程度較低，相關的技術和設備還處于初、中級發展階段，與國外技術水平相比還有很大的差距。綜上所述，未來大蒜收獲機的發展趨勢如以下幾點。

(1)統一大蒜種植技術，規范大蒜種植農藝。結合我國大蒜種植特點和土壤條件，研究與制定與大蒜播種、收獲機械研發有機融合的關鍵農藝技術，不僅滿足大蒜播種和收獲機械操作的株行搭配、種植方式和田間布局的研究，而且能夠集成適宜大蒜機械化種植和收獲的“宜機化”種植技術體系。

(2)采用新型材料制造大蒜收獲機的關鍵部件。新型材料作為現代高新技術發展的先導，應用范圍較廣。將新型材料應用到大蒜收獲機的研制中，能夠降低關鍵部件，如大蒜振動挖掘裝置、切割裝置等磨損程度，提高強度，同時能夠提高整個收獲機的工作穩定性，降低整機的自重，從而提高整機的收獲效率和工作性能。

(3)發展自動化、輕量化及智能化的大蒜收獲機。由于大蒜收獲時，大蒜收獲期短，且蒜農雇傭工人平均人工費高達15000元/hm2，導致大蒜生產成本增加，蒜農收入下降，研制自動化水平高的收獲機能夠大大縮短收獲時間，搶占農時，解決大蒜因長時間滯留田間而造成蒜頭損傷的難題，同時能夠降低勞動成本，符合廣大中小型大蒜種植戶的迫切需求。目前國內外現存的大蒜收獲機型大都體型龐大，不易于操作，涉及智能化方向較少，但隨著當今世界科技的發展，現代農業正在朝著智能化方向發展，融合多傳感器融合的現代科學技術，能夠推進大蒜產業的發展。

(4)提高國內大蒜收獲機的自主創新，減少投入成本。目前,我國研制的大多數收獲機是從國外引進的機型進行改造后反向設計，大多數機型都處于樣機試驗階段，穩定性不高，無法應對我國復雜的農田作業環境。且由于我國大蒜的種植技藝與規范和國外不同，直接引進的機型不能直接進行使用，無法進行大范圍的推廣。其次，國外直接引進的機型大都價格昂貴，一般都十幾萬或幾十萬不等，一般的普通中小型大蒜種植戶根本無購買力。綜上所述，提高自主創新能力，研制適合我國國情的大蒜收獲機，不僅為我國大蒜機械化收獲提供性價比高的技術裝備，同時也是我國大蒜收獲機械市場化發展的必然趨勢。