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韭菜收割机械研究现状及发展

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摘要:韭菜是一种叶菜类蔬菜,在蔬菜种植和供应中占有极其重要的地位,尤其是反季节韭菜,种植面积正在不断增加。我国加入WTO后,韭菜作为一种特色蔬菜,成为我国具有国际竞争力的叶菜类蔬菜之一。随着韭菜种植面积逐年增加,在韭菜的生产和收获上需要更多的人力和时间,极大地增加了韭菜生产的成本,所以实现韭菜生产收割机械化势在必行。目前,国内外市场上已经出现一些韭菜收割机,但收割效果并不理想,在行走、传送及打捆等关键部分仍然存在许多问题。所以,必须深入分析韭菜的种植特点,对国内外的韭菜收获机械进行分析,提出改进意见,设计一款割茬较低又能输送的中小型韭菜收割装置,使之高效、高质量地实现韭菜的拔禾、扶正、切割及输送等功能。

关键词:韭菜;收割机械;现状;发展趋势

0引言

我国占地面积大,土壤条件好,近年来蔬菜的产量和产值均很大程度超过粮食[1],蔬菜的总产量已经达到世界总产量60%左右[2]。我国显然已经成为世界上最大的蔬菜种植生产大国,伴随而来的就是对蔬菜生产机械化的要求越来越迫切。近年来,国内种植的韭菜也一步步走向了国际市场[3-4],出口量不断加大。正常情况下,韭菜每年收割4~5次左右,通过查阅资料[5-6]和对辽宁省附近的叶菜种植大棚实地调研相结合发现:蔬菜的品种不相同,其种植收获机械化水平也存在很大的差距。像萝卜、马铃薯等块根类蔬菜的收获机械化发展很快、水平很高;相比之下,叶菜类的收获机械化水平则很低,中国数万公顷种植韭菜的土地中,最终的收割作业多数靠人工来完成,基本不会依靠机器[7]。由于韭菜特殊的种植特点与一些生长特性,使得在收割韭菜的过程中耗费了大量的人力、物力与时间,加大了韭菜种植的成本,甚至出现了有钱也雇不到工人来收割韭菜的状况,严重影响了菜农种植韭菜等叶菜类蔬菜的积极性,也妨碍了韭菜产业链的更好、更快发展。随着农业机械化的不断发农作物收割机械化成为农业生产过程中的不可或展,缺的环节。由于农作物和蔬菜等季节性强,且易遭受自然条件的影响等特点,使得收获过程时间紧、任务重,所以农业机械化的推广变得非常必要。由于菜农对韭菜收割机械认识不足,且需要花费资金购买机器,并担心出现机器质量问题,所以购买机器的积极性并不高。实践证明:蔬菜的机械化收割可大大提高劳动生产率、减低菜农的劳动强度且使收割的损失降到最低,保证了菜农种植者自身的收益,提高菜农种植的积极性和对机器使用的积极性,对韭菜等叶菜类的种植和收获具有极其重要的意义。韭菜属于含水率可以达到90%的茎秆作物,种植范围广,近10年来韭菜系列新产品的不断出现在人们的生活中,韭菜种植所应用的生产栽培技术也日渐完善[8]。由农艺可知:韭菜等叶菜类都有正常的种植季节,但人们更希望在一年四季里都可以吃到新鲜的韭菜,因而在韭菜露地种植不断发展的同时,大面积地反季节韭菜也陆续出现在人们的生活里,且因市场需求大、效益好,得到了迅速的发展。在韭菜整个的生产作业过程中,收割作业约占整个作业量的50%,是耗费精力最大、耗费时间最多的一个作业环节[9]。收割作业部分的效果将直接影响到韭菜的加工与销售,进一步影响到销售价格和获得的收益。目前,国内韭菜的收割作业还是主要依靠人工完成,劳动强度大,且工人的佣金高,甚至有时有钱也找不到工作人员。因此,发展机械化收割技术,尽早研究开发韭菜收割机械,以使韭菜种植者摆脱困境,具有重要意义[10-12]。

1韭菜生长种植情况及发展前景

1.1设计原理韭菜的植物特性

韭菜是多年生草本植物,一般高度为20~50cm,具有一种特殊的气味。韭菜叶由两部分组成,分别是叶片和叶鞘。韭菜叶既是光合作用的主要进行部分,也是主要的食用部分。韭菜叶片形状扁平窄长,且叶面有薄薄的蜡质部分,蜡质层内有角质层,角质层内有一定数量的气孔,所以耐寒性比较好;叶鞘在茎盘上分层无规则排列成圆柱形,称为“假茎”,叶鞘得部分进一步增大形成鳞茎,具有保护韭菜生长、贮藏养分的功能。在不同光照条件下,韭菜生长状况也不尽相同,阳光直射的部分叶片会呈现绿色,进一步成长成为青韭;在遮光条件下,由于光合作用不能正常进行,导致叶绿素无法正常形成,叶片会出现黄色或淡黄色的现象,利用韭菜根和茎内储藏的养分可形成韭黄。韭菜的生长过程存在一定的规律性,叶鞘生长要晚于叶片的生长,当叶片生长到一定程度不再生长时,叶鞘仍然会继续生长。一般来说,叶片的分化速度受两个因素的影响,即温度和品种。在一定的温度范围内,叶龄随温度的上升会有一定程度的缩短。一般情况下,新叶分化得快,老叶衰老得也快。叶片的反复分化、衰亡使韭菜的单株有效叶片常保持在6片左右。

1.2韭菜的种植特点

由于韭菜适应的温度范围比较大,所以无论南方和北方均种植了大面积的韭菜,南方四季均可露地栽培。由于北方冬季温度较低,韭菜会进入休眠期,但近年来北方也有一些地区利用大棚四季种植韭菜。种植面积最多的地方甚至可以达0.67万hm2左右,每年收割韭菜的人力成本约为0.30元/kg。大棚种植韭菜存在一些问题:空间相对狭窄,棚室内需要立许多柱子,韭菜收获机械可作业空间小;由于大棚一般都是由菜农自行建设,所以种植韭菜的规模小,机器可作业时间比较短,并且需要频繁转移,大大增加了不必要的时间,没有把机械化的水平完全发挥出来[13-14]。我国不同地区种植韭菜的土地也不相同,北方多采用垄栽培,南方则更多在高畦地区栽植[15]。韭菜株高大约在200mm左右,种植期应尽量避开高温雨季,高畦栽培,每穴8~10株,行距200~250mm,穴距120~150mm;垄栽每穴20~30株,行距250~350mm,穴距180~200mm。韭菜种植的高度及宽度等重要参数是选择韭菜收割刀高度、大小的主要依据,也是设计行距调整机构的主要参考[16]。

1.3韭菜生产机械化的前景

韭菜整个种植过程投资少,在生长过程中面临的风险也小,效益高且比较稳定,适合大量反季节种植。

1.3.1投资小,效益高,风险少

由于韭菜突出的抗寒特性,与其他蔬菜相比保护地设施相对简单,小型大棚即可保证冬季韭菜种植生产的需求,投资较小。由于每年韭菜可种植收割4~5次,产量60000kg/hm2左右,按市场均价1.6元/kg计算,产值96000元左右,相对其他类别蔬菜来说效益高。由于韭菜抵御自然风险能力强,如2009年的冬天温度极低,60%以上的黄瓜、番茄等蔬菜遭受霜冻灾害,造成了极大的减产,而韭菜受到的影响并不大,只是生长速度变得迟缓了一些,产量影响特别小,所以2009年冬季韭菜单价达5元/kg左右。韭菜耐储藏,冬季常温下用塑料袋简单包装,可以贮藏半个月左右。同时,韭菜的收割期范围比较大,可根据市场需要更改收割、上市的时间,所以种植韭菜风险相对小[17]。

1.3.2市场潜力大

最近几年,保护地蔬菜的种植有了很快的发展,但不同品种的发展水平差别很大,尤其是果菜类面积较大,而叶菜类面积则是少之又少。韭菜种植的面积少,造成了供不应求的现象,尤其在节假日期间,鲜韭市场的需求表现得更加明显。北方广大地区的人民都喜欢吃韭菜,用来包饺子、炒菜等,特别是东北地区需求量很大。

2韭菜收割机械的国内外研究现状

2.1国外韭菜收割机研究现状

由于国外对韭菜、茼蒿、空心菜等叶菜收割机械的研究起步较早,技术也更加成熟,许多国家及地区已实现了叶菜的机械化收割。例如,加拿大HRDC公司研制的甘蓝收获机可单行收获,应用液压控制系统控制割刀高度来改变升运机构的高度,可以确保整齐、精确地切割。与此相比,美国的甘蓝收获机更受甘蓝种植者的青睐,该收获机操作简单,可以一次性完成切割、除叶等工序18]。意大利HORTECH公司研制的叶菜收割机械采用环形带刀的切割方式对叶菜进行切割,利用电机液压马达传动的方式,既使整机结构简单,又可调整机器工作过程中的行进速度,可谓一举两得。该公司的SLIDETW型叶菜收割机,将切割后的蔬菜通过夹持带进行输送,将叶菜由竖直改为平放,再由人工进行打捆。其优点是实现了行播种植蔬菜的高效并且有顺序的收割,缺点是机构较为复杂,制造及操作起来难度都很大,适用于大棵青菜、茎秆类蔬菜的收割。SLIDEFW型韭菜收割机将切割后的蔬菜利用推力及输送带和蔬菜的之间的摩擦力将蔬菜推送到输送带上,具有结构简单、适用范围大、作业效率高的优点,且适应多种叶菜(小青菜、茼蒿、空心菜、沙葱)的无序收割。此外,还有SLIDEVALERI-ANA型叶菜收割机,采用的是复合输送方式—振动和推送,将切割后的蔬菜通过蔬菜的“作物墙”推力输送到振动筛上。经振动筛可以将粘附在蔬菜表面上的泥土去除一部分,使收割后的蔬菜更清洁[19]。日本川崎公司的风送型叶菜收割机,将切割后的蔬菜通过高压气流的方法吹到收集袋中,适用于体型小、质量小的叶类蔬菜;切割后的蔬菜通过输送带上的钉齿将蔬菜拣拾到输送带上,适用于茎秆类蔬菜,如茼蒿、苋菜等;缺点是输送带制造过程复杂,且无法将泥土除掉。韩国播兰特公司研制的MT-200型半自动收割机,采用上下两片收割刀、左右交错切断的切割方式,割幅能达到700mm,机器功率300kW,动力类型是汽油,工作效率约667hm2/h,传送带宽680mm,传送角度30°,采用回旋转动式收集:回旋辊660mm×180mm,适合叶菜(小青菜、茼蒿、空心菜、韭菜)收获使用。此款为经济款,适合中小型农场使用,具有手推行进、电机方式切割、结构简易、结实耐用等优点,但动力类型主要是汽油,会对叶菜和土地造成一定程度的污染。

2.1.1韩国韭菜收割机存在的问题

因为我国和韩国同处在亚洲,距离较近、地形地貌比较相似,韭菜种植方式和韭菜的生长特点也极为相似,所以我国从国外引进的韭菜收割机主要以韩国为主。韩国的韭菜收割机在结构上虽比国内的韭菜收割机有很大优势,并且大大提高了韭菜收获的效率及质量,但依然存在以下不足:①伞齿轮带动硬链接形式。前端锥形筒调整范围小,由于种植韭菜垄宽不一的情况,可能对韭菜扶持时出现漏扶现象,伞齿部位夹韭菜有夹伤人的危险,如图1所示;②末端传动皮带易脱落,如图2所示;③车轮是充气轮,路面不平作业容易漏气,补充气体浪费时间和人力,且车轮的掏槽可以拐弯,很容易将充气嘴挡住,导致充气困难。

2.1.2改进意见

基于韭菜收割机存在的问题,将传动部分的硬连接改进成软连接,可以使结构更加简单、稳定,大大提高机器的传动效率,也可以更适用于沙土较多的种植土地;充气车轮部分更换为实心轮,可以防止由于颠簸导致气嘴处漏气的现象出现;传送带部分的皮带改成了带钻石纹的,可增大摩擦力,以防止韭菜滑落,且将皮带用一种材料做成整体,防止皮带外层脱落的更换,可以节省更多的人力和财力;韭菜收割机器自身宽度改为450mm,可保证收割380~400mm宽的韭菜;原装电路过载能力差,易把电路板烧毁,需要重行计算进一步设计控制电路。

2.2国内研究现状

2.2.1国内韭菜收割研究现状

我国叶菜收割机械化的研究起步相对较晚,但发展速度很快,目前叶菜收割的成熟机具很少,大都是进口机具[20]。近年来,我国出现了一些机械化收割机具,如割茬为零的韭菜收割机[21]、多功能韭菜收割机[22]、4G200型收割机[23]及KS30C-1型韭菜收割机[24]等。同时,从韩国成功引进了专用韭菜收割机与叶菜种植和收获相关的机器,与国内企业联合研制出了韭菜打捆机及韭菜自动清洗消毒机器,完成了从播种到包装环节的机械化生产线。目前,我国仍然没有制造出成熟的专用收割韭菜收割的机器,一些地方采用小麦、水稻等其它收割机代替韭菜收割机使用,但效率不高,造成了极大浪费。对于韭菜这种高度较低的簇生植物来说,用锯齿刀或圆盘刀等切割方式收割会使作物排列杂乱无章,为后续的打捆工作增加了工作量和难度。由于韭菜种植面积相对于水稻、玉米等还是较小的,所以大型收割机不能满足小面积山地韭菜的收割。目前,我国有许多韭菜种植基地,对于韭菜的收割90%以上采用人工收割,效率很低,且费时费力。人工收割的方式也一直制约着韭菜种植的发展,一些韭菜收割机8h可收割0.5hm2左右的韭菜,是人工收割速度的10倍左右,且具有价格适宜、割放整齐、效率高等特点,受到了广大菜农的青睐。近两年,国内也有个别韭菜收割机的专利,但由于技术或其它原因未能得到更好的推广应用,因此亟需一款廉价、可靠、易推广的韭菜收割机脱颖而出。

2.2.2国内韭菜收割机仍存在的问题及改进

韭菜等叶菜类的机械化收获本身对收获之前的工艺(即播种、移栽、浇灌等)机械化程度要求相对较高,但是目前对于韭菜等叶菜类的播种、移栽等,我国的机械化程度并不能达到要求,种植比较粗放随意,农艺不规范,这就对收获机械的适应能力提出了更高的要求。此外,农民认为蔬菜种植、收获是一种劳动密集型产业,更愿意通过手工来完成,对韭菜收割机械并不能完全信任。目前,我国韭菜收割机多以单行收割为主,且不能调节割茬高度与割幅宽度,收割过程中易对韭菜造成损伤,相比于人工难以保证被收割韭菜的品质。国内韭菜收割机以中小型产品为主[25],虽然收割质量与收割效率较人工高出很多,但价格昂贵。收获韭菜等叶菜类蔬菜的过程中,韭菜的叶梗、泥土等很容易堆积在机器的死角,对机器造成堵塞,影响了机器的收获效率。针对韭菜的种植行距不固定、生长高度不相同、在收割过程中韭菜的留茬高度也不相同等情况,以及不能对收割行距与割茬高度进行调整等问题,需要研究一种新型的韭菜收割机,可以满足以下特性:增加割幅调整机构;可以调节割刀和行走轮高度的机构,韭菜的收获机型要求具有良好的密封性,且要有一定的防堵塞、清除泥土的能力,将蔬菜的损伤降到最低,提高收割质量和效率。

国内通过从国外引进的韭菜收割机械进行改进及自主研究,开发出许多品牌的韭菜收割机械,且价格较低,比较受种植韭菜用户的青睐。但是,在实际应用中却发现了大量的问题:传送带特别长,从开始夹持韭菜到韭菜通过输送带传输,韭菜从竖直转化到水平只有一根特别长的皮带,没有任何挡板及缓冲装置,造成韭菜大量掉落及收割损失;收割后的韭菜会变得杂乱无章,不易进一步收集,加大了人工的工作量;机器框架大多用铁制品构成,韭菜的汁水会对铁产生腐蚀,对机器造成一定的损坏,缩短机器使用寿命;选用3个割刀,会使韭菜在收割过程中出现割不断的现象或是切割不整齐的情况,对成批量的加工造成非常大的困扰。前方扶持装置由于设置成三角形的形状,在夹持过程中会对韭菜和操作者造成一定的伤害,如图5所示。国内有的韭菜收割需要在割刀土层以下完成,锯片插入土中会因为阻力过大出现卡住不动的现象。曾经尝试将电池驱动的改成烧油提供动力,但会造成污染,影响韭菜质量,所以现在仍然使用电池驱动。为此,应加大电路板负载能力及增加离合装置等,可以在卡死时自动打滑;海绵皮带外表面与内侧延展性不同,容易发生脱离,寿命较短,需改进为内外表面延展性相同的同种材料;韭菜传送到后方后,接菜装置过长,机器操作起来不方便,需要将长度适当减短;自动打捆设备在如今还没有研制成功,目前的技术难点在于体积控制及电量消耗,尝试用重力传感器进行控制,实现收割和自主打捆的完美结合。

3安全问题及扩展应用

3.1安全性问题

在韭菜收割机性能改进后,需要解决和注意的就是安全问题:收割刀具固定好,不要出现松动以致飞出去造成人身伤害的问题;机体上部需要加防护罩,防止头发过长卷到传送部分的情况发生;蓝色夹持带作业时,一定不要用身体任何部位触碰,防止夹伤;机器开启锯片旋转时,与锯片保持一定的安全距离,更换锯片需要带安全手套,防止锯齿锋利划伤;电瓶接线柱切勿用金属触碰,防止电伤操作人员。

3.2改进韭菜收割机械

应用到其他叶菜类因为空心菜、沙葱、茼蒿等叶菜类与形状高度上与韭菜相似,所以可以对现有韭菜收割机械进行一部分改进,进一步实现其他叶菜类的收割机械化。

3.2.1改进为收空心菜

因为空心菜的垄宽相对于韭菜来说有所增加,且高度也有一定改变,所以要对机器进行一定改进:机体宽度改为650mm,整体也需加宽。由于机体加宽,机身质量增加,空心菜菜叶经过传动部位,阻力增加,所以需要把负载电压从24V改为36V,二辊之间的横辊改成可调。空心菜单株相对韭菜来说比较粗大,左侧挡需去掉;为防止辊子粘住菜叶,辊子后上方需加挡板。由于空心菜有叶子,所以机器后方的收集部分改为筐,且将助手电机去掉,使设备更优化,耗电量减少,功耗更低。

3.2.2改进为收割沙葱

沙葱的垄宽相对于韭菜来说宽度减少了很多,可将机体宽度改为150mm。由于沙葱茎比较圆,阻力较小,容易滑落,所以后面传送部分坡度要改小一些,防止沙葱滑落;前方扶持部分改短一些,锥形筒改为机械手形状,可以更有利于沙葱收割。

4发展趋势

农村劳动力的不断减少与韭菜需求量的日益增长,要求我国韭菜等叶菜类蔬菜的收获必须向机械化方向发展。随着韭菜新品种的不断推广,未来几年内品质高的韭菜生产覆盖率将会提高达到80%以上,无公害高质量的韭菜将充实蔬菜市场;全国韭菜种植面积将有飞快的发展,且以规模化的反季节栽培韭菜为主,实现韭菜产业化机械化[26]。韭菜收割机械的发展趋势和韭菜种植的现状及对韭菜的需求量有着紧密联系。在我国,韭菜收割成本占整个韭菜种植成本的30%左右,收割作业量占整个作业量的50%以上,劳动强度大、人工成本高且耗时长,因而韭菜收割机械化或早或晚将完全代替人工。根据韭菜种植特点及地形等条件,设计出如图6所示的韭菜收割机械。本设计可以实现机器边走边工作,其分为两种操作方式:可以手动,也可以自动完成行走及收割。机架改为钢制,可有效地防止韭菜汁水对机架造成的腐蚀;后拨装置可以防止韭菜都堆放在堆放箱的顶部,通过拨动使韭菜滚动到箱子底部;收集箱可以调节高度,加塑料板改变高度装更多的韭菜;将韭菜放在具有一定倾斜角度的输送带上,逐步调整倾斜角,当韭菜处于滑动的临界状态时,输送带与水平方向成角度30°,此时设定输送带长度700mm、宽度440mm,可保证韭菜在向上输送过程中不至于过长,防止向下滑动的现象出现,宽度上也超过韭菜的长度,但又不至于过宽,以节省材料。

机器后轮和机器前轮都用实心轮,防止充气掏槽处的漏气现象出现;调高装置可以根据地形起伏通过螺栓调节机器前轮高度,从而改变割刀的高度;扶持装置可以将韭菜扶起来等待割刀切割,且两个锥形筒之间的距离可以根据韭菜种植情况调节。割刀的选择65Mn钢作为割刀材料,并进行一定的处理,采用回转式割刀,既可以保证在切割韭菜根茎时可以完全切断,又可以保护韭菜的根茎[27]。通过软连接与前方的扶持装置连接,可以使结构更加简单、稳定,大大地提高了机器的传动效率。针对韭菜的种植现状,未来韭菜收割机械的发展趋势将体现在如下几个方面:1)以中小型收割机为主,以满足目前我国韭菜种植的现状。2)输送方式为夹持型。通过传送带将韭菜由竖直变成平放,夹持型收割机对大多数蔬菜收割都有较好适应性。3)使用圆回转式割刀,结构简单,可应用到多种蔬菜切割。4)收割干净,铺放较为整齐,操作简单。5)成本回收快,收割韭菜以450~600元/hm2计,几天即可回收全部投资。6)换上相应的刀具,装上上下托板和安全的防护罩,可以用于收割韭菜、茼蒿、沙葱、空心菜等叶菜类作物。7)收割机械将能够实现收割和打捆一体化。

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作者:宫元娟1a;冯雨龙1a;李创业2;郭娜1a;刘玉凤1b;宁晓峰1a 单位:1.沈阳农业大学a.工程学院;b.园艺学院,2.沈阳晨智科技有限公司

韭菜收割机械研究现状及发展责任编辑:张雨    阅读:人次
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