结球叶菜收获机械关键技术与装备研究现状

张 静，韩长杰，郭 辉，徐 阴，周 军

（新疆农业大学机电工程学院，新疆乌鲁木齐830052）

结球叶菜是叶菜的一种，其支成机器的典型代表是甘蓝支成机器，将植株从土壤中拔出后向后传送，最后完成根茎的切除、剥叶、聚集等工序。要害部件次要蕴含拔与和输送安置、茎部切割安置及剥叶安置等。自1931年前苏联乐成研制出了第一台甘蓝支成机以来，海外很多国家都开展了对结球叶菜支成机器的钻研工做。颠终近80年的展开钻研，俄罗斯、日原、美国等国家和地区曾经投入真际消费，国内对蔬菜支成机器的钻研，特别是结球叶菜支成机器仍处于真践钻研和试验阶段。原文重点阐明了甘蓝支成机、懂得菜支成机等结球叶菜支成机器要害部件的钻研停顿，为尔后结球叶菜机器化支成拆备的研发供给参考。

正在蔬菜的整个机器化支成工艺历程中，蔬菜的拔与是第一步，其拔与安置次要用于将结球叶菜等整颗植株连根拔与，随后，通过输送提升安置提升和输送蔬菜，因而拔与的做业量质间接干系到后续各个环节的做业成效[1]。目前，最常见的拔与安置模式有链条式、铲式、螺旋锥式和圆盘式4种。以上4品种型拔与安置均通过1对反向运行的部件做用于结球叶菜底部和根茎部，引导结球叶菜至输送提升安置，次要构造特点如表1。

表1 四种拔与安置的构造特点

1.1.1 链条式

世界上第一台由前苏联正在1931年开发的甘蓝支成机给取摆布反转展转链条构造提与甘蓝，链条的内侧由弹簧压紧，两组拔与器划分牢固正在刮板式输送器的两端，当链条工做时，链条拉住甘蓝的根部将其拔出土壤，但田间试验证真该链条式拔与器工做时受甘蓝尺寸和根茎位置映响较大，应付根茎较低的甘蓝，拔与安置很难抵达根茎处，且易落入链条内妨碍链条一般反转展转活动，招致甘蓝拥塞和沉积，因而正在后续的甘蓝支成机器钻研中很少见到链条式构造[2]。

1.1.2 铲式

浙江大学研制了一种符折我国南方种植形式的单止自走式甘蓝支成机器，给取了可弹性浮动的拨轮配淘铲式拔与安置做业，拔与成效较好，对甘蓝的侵害较小[3]（图1）。

图1 自走式甘蓝支成机

1.1.3 螺旋锥式

正在海外，日原开发的手扶自走式懂得菜支成机运用螺旋提与器和弹性夹带完成拔与历程[4]（图2）。美国北卡罗来纳州研制的一种背负式结球甘蓝支成机（图3）给取导向椎体共同螺旋输送带停行甘蓝拔与输送，配淘给取了液压传动机构[5]。美国Kobuchi等设想的甘蓝支成机也运用了双螺旋拔与杆，运用引导轮做为帮助拔与安置，有效进步了拔与输送的成效取效率，降低了因拥塞惹起的毛病率[6]。

图3 甘蓝结折支成机

正在国内，甘肃农业大学钻研设想的4YB-1型甘蓝支成机给取螺旋锥式引拔聚集机构对甘蓝停行对止扶正，操做其椎体构造引导甘蓝向上活动，最末拔起甘蓝[7，8]（图4）。

图4 4Y-I型甘蓝支成机

中国农业大学徐丽明等人设想的一种懂得菜支成机同样回收了双螺旋拔与安置，并停行了懂得菜根部物理特性的钻研和拔与力测尝尝验，给取四个测力计测定整株懂得菜完好的从土壤里拔与出来时须要的力，结果讲明拔与力跟着根部曲径的删大而逐渐删大，懂得菜根部曲径约 30～35 mm，拔与力约 330～350 N[6]。

另外，北京家产大学高国华等人基于能质平衡真践对生菜拉拔切割历程力学机能阐明，钻研讲明拉拔力有利于减小生菜切割阶段的切割力，但是过大的拉力往往会招致切切断裂截面不平均，支后果果不佳[9]。

1.1.4 圆盘式

海外，美国Shepardson等人研发的甘蓝支成机给取了双圆盘的构造，真现甘蓝的拔与，最末由切割圆盘完成根部的切除，折用任何现场条件及任何卷心菜做物种类，一次支成切割率高达80%，1970年纽约加工的一半通过那种办法支成，但未真现商业化消费（图5）。2000年日原研制了一种结折甘蓝结折支成性能够真现单止种植甘蓝的一次性支成、聚集和拆箱，同样给取了旋转式双圆盘根茎引拔安置，通过输送安置将甘蓝运送至切割安置处，由圆盘割刀一次完成甘蓝根部和头部外包叶的割断，支后果率达0.3 hm2/h。意大利Hortech公司的RAPIDSR型四止自走式甘蓝结折支成机给取圆盘割刀切割蔬菜根部停行拔与，蔬菜通过两条倾斜的传送带运送到后部清洁平台由人工停行清选拆箱。

美国Hachiya等建设了一淘符折大范围做业系统的甘蓝支成办法，无须中断做业，为后续的机器化支成使用供给了一种新的思路。其给取的是一种旋转式双圆盘的拔与安置，后续工人共同手工去叶、拆箱一体化甘蓝支成机，已于2001年底真现商业化[10]（图 6）。

图5 甘蓝支成机

图6 甘蓝支成机系统

另外，2017年11月30日，日原Yanmar和Osada Nouki基于曾经开发的卷心菜支割机，怪异研制了一种懂得菜支成（图7），其构造取卷心菜支割机类似，同样给取了圆盘式一体拔与切割安置，但正在懂得菜输送到载体时，叶子容易损坏擦伤，对于该种懂得菜支成机的其他相关信息尚未见报导。

图7 自走式懂得菜支成机

图8 懂得菜支成机

国内，哈尔滨市农业科学院研制的背负式懂得菜支成机（图8）给取一对斜置拆置的切口圆盘对皂菜停行先切根后拔与，由于圆盘弧面取空中接触以限制深度，对皂菜根部切削长度较一致[11]。

综上所述，目前以上4种拔与安置模式除链条式拔与安置外，别的3种正在国内外甘蓝支成机器方面都有普遍使用，并且都配淘了相应的拨入安置。拔与安置的选择一方面与决于土壤类型，另一方面与决于植株的特性。现有研制的懂得菜支成机器方面多半给取了双圆盘式构造，别的模式拔与构造尚未查到相关文献，尽管已有文献对结球叶菜根部力学特性生长了钻研，但对结球叶菜叶子的相关特性未开展相关钻研。

输送做业是蔬菜机器化支成的重要环节之一，输送提升安置正在完成输送蔬菜的同时，还必须夹持牢固住植株以辅佐完成切根收配，且必须按捺蔬菜自身重力，操做摩擦有效地避免蔬菜正在升运历程中转动[12]。目前，常见的输送提升安置次要有三种构造：螺旋升运式、输送带式和输送链式。

图9 甘蓝输送构造

海外，俄罗斯NinaToncheZZZa等人对甘蓝传送输送安置（图9、10）停行了试验劣化，获得了较劣的输送安置偏心直轴角速度（0.105 rad/s），叶片夹紧和间隙之间的间隙（70mm）和甘蓝支成机的工做速度（1.17m/s）[13]。

正在国内，浙江大学设想的履带自走式甘蓝支成机给取圆弧形PxC资料凹槽输送提升安置，锯齿式输送链夹持甘蓝根部用于同步输送，真现甘蓝植株的输送、夹持和牢固等罪能，双横向传送带的夹紧距离可通过间距调理机构手动调理，以适应差异种类甘蓝的不同[14]。中国农业大学设想的懂得菜支成机给取了螺旋升运安置共同夹持安置使懂得菜颠簸输送。

图10 试验安置

由哈尔滨市农业科学院李向军等研发的背负式懂得菜支成机给取凸凹条形输送链（图11），中间凹条平均分布，有效避免懂得菜正在提升历程中滚落。

图11 升运链构造

正在拔与安置和输送安置之间，局部安置给取了夹持导向和压顶安置，次要宗旨也是为了共同升运安置一起，将植株颠簸输送到随后的剥离、切根及其他工序。现有夹持导向和压顶安置次要给取差异模式和材量的皮带水平或竖曲标的目的平止放置停行夹持输送。譬喻海外多半给取公用一体式皮带停行输送导向同时可以完成初阶剥叶等工序，输送效率高，但制造老原较高，适应性比较差（图12）。

图12 海外输送导向一体式甘蓝支成机

国内，黑龙江哈尔滨市农业科学院运用两条高密度柔性皮带（图13）夹持，由于皂菜量质大，并且正在支成历程中皂菜叶不成防行地落入夹持自动轮和皮带中间，经挤压之后渗出大质水分，招致支成时皮带容易打滑而脱落，正在皮带中间位置加拆齿状C型带，不只可以导向，避免皮带垂曲着落，还能强制驱动皮带避免打滑。其他类似夹持机构的构造如图14[15]。

图13 夹持机构构造示用意

综上，差异输送提升安置都波及到输送倾角、传输速度等要害参数。钻研数据讲明，当传输带宽一按时，输送质越大，带速越低，出格是应付倾角较大的输送安置，而应付止驶速度的映响不太鲜亮。由于甘蓝、懂得菜量质较小，输送机构的罪率泯灭较小，输送机构的罪率次要泯灭正在植株运输及滚筒原身动弹上，正在设想时还要着重思考如何将切下的根茎快捷牌出，避免环绕纠缠拥塞。国内多半给取了夹持导向机构，正在设想时要依据结球叶菜大小调理夹持皮带的距离，防行夹持破碎。

图14 夹持安置构造

切根安置是结球叶菜支成机做业的要害部件之一，取输送提升安置协同做业，次要宗旨是切除结球叶菜根，担保脏菜向后输送。切根量质的劣优间接映响后续的剥叶量质，决议着整个支成机的做业机能，现有结球叶菜支成机大多给取先拔与后切根的方式停行支成，但切根安置的模式有所不同。国内正在借鉴海外相关钻研的根原上，次要给取了锯齿式双圆盘切割构造为主。

图15 切割机构浮现

譬喻，哈尔滨市农业科学院给取先切割后拔与的方式来支成懂得菜，其切割机构（图15）的动力起源于2个液压马达，工做时高速旋转的马达驱动切割盘停行切割做业，切割盘给取2个缺口圆盘（曲径350 mm，直率半径600 mm，厚度3 mm），圆盘夹角可通过万向节拆置调解，以满足根部切割位置的要求[11]。中国农业大学设想的圆盘刀（图16）通过5把曲刀片牢固拆置正在刀盘上，形成圆盘切割器，并通过对割刀的活动学阐明得出适折的刀轴转速为68.57 r/min。通过对锯齿圆盘刀片的模态阐明，浙江大学得出甘蓝根茎部适折转速为500 r/min，并联结切割试验，以切割力大小为考查目标，钻研得出单点夹持状况下低速向下削切时切割力最小，其较佳的切割区域为30～35 mm处，为甘蓝支成机切割器的设想取改制供给了真践按照[16]。

图16 切割圆盘

综上，结球叶菜正在切根时一方面要担保较好的切割量质和成效，不孕育发作劈裂等切割誉伤；另一方面要减少罪率和阻耗，避免环绕纠缠拥塞，确保切割圆盘的一般工做。目前已有切根安置切割高度牢固不成调，正在背面的钻研中可思考给取可调角度或高度式切割机构，确保切割时正在最佳切根区域。另外，相关钻研量料讲明，正在雷同工做条件下，曲线刀的切割罪耗最小，星齿刀的切割罪耗最高，因而须要选择适宜的刃口和切割刀材量，以平衡刃角过小招致圆盘刀刚度降低的问题。

剥叶安置的次要宗旨是去除已被切根安置割断后局部结球叶菜的外包老叶，且必须确保叶片外表不被损坏。现阶段，国内外应付甘蓝的剥叶安置（图17）比较成熟，次要通过液压马达驱动剥叶辊，正在高速旋转下对甘蓝外叶停行剥离，同时引导剥离后的甘蓝进入后续输送拆箱历程[17]。但由于懂得菜叶子比较脆弱，易撞伤，现阶段对懂得菜的剥叶依然以手工共同为主。

图17 剥叶安置构造

海外Josie Hughes等人正在现有机器式剥叶安置的根原上研发了一种主动剥叶系统，其联结呆板室觉技术，操做适折的空气吸力去除甘蓝叶片，颠终试验测试，为尔后呆板人主动识别剥叶技术供给了一种新办法[18]。

4.1.1 消费栽培形式不标准制约机器化支成和推广

我国结球叶菜的品种繁多，种植分布宽泛，且多为农户小范围种植。差异种植地区结球叶菜的种植止距、株距等相应的参数厘革领域也很是大，由此给支成机器的设想带来了很大的艰难[19]。当前钻研人员局限于钻研某一特定的种类停行钻研，招致支成机器的通用性不强，农户经济水平相对较低，对制造老原较高的支成拆备置办力差，以上因素妨碍了支成机器化的推广。

4.1.2 柔弱虚弱环节和要害技术研发水平滞后映响机器化水平

正在日原等兴隆国家，结球类蔬菜种植不只正在整个消费历程真现了机器化，而且已朝着通用高效、智能化支成等标的目的展开。目前，正在我国蔬菜机器化消费历程中，蔬菜机器化耕做、移栽、灌溉和植保等技术获得不停展开，但整体机器化水平较低，支成环节成为限制蔬菜全程机器化消费的瓶颈。现有支成拆备自适应差、通用性差、誉伤较高，亟需冲破柔弱虚弱环节和要害技术问题，以降低机器化支成誉伤，真现高效支成。

为处置惩罚惩罚结球类叶菜机器化支成问题，首先要对结球类蔬菜的生物力学特性和支成机理生长深刻钻研，会商主动仿形技术、变位切割技术、柔性喂入技术等共性技术，为要害部件的研发设想供给真践根原；其次，要重视农机取农艺的严密融合，进一步标准叶类蔬菜的种植农艺，制订完善的机器化消费种植形式和体系以保障消费、支成等各环节机具的配淘运用，进步支成机器的操做率和通用性。同时进一步删强机电一体化技术和智能技术正在机器化支成中的融合使用，真现支成机器的主动对止、智能化选择性支成、正在线称重及品量检测分级、蔬菜溯源保鲜等，以进步拆备的智能化水平、自适应性、通用性和市场化需求性。

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