刘剑君1，邓明俐2，贾世通2，贺智涛2
（1河南省烟草公司郑州市分公司，郑州450001；2河南科技大学农业工程学院，河南洛阳471003）
摘要：马铃薯是中国主要的农作物之一，种植面积大，产量高，适应性强，在食品和工业领域都具有非常高的经济价值和实用价值，因此马铃薯的生产具有很大的市场前景，收获马铃薯便成为一项重要的任务。笔者通过介绍和对比国内外马铃薯收获机械的主要类型和应用现状，着重阐述了中国马铃薯发展的趋势及所面临的问题，论述了马铃薯收获的机械化和自动化会大大提高马铃薯的收获效率，降低工作强度，使得国内马铃薯的产业经济不断提高。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：马铃薯；收获机械；现状；发展趋势；智能化
中图分类号：S225.7+1 文献标志码：A 论文编号：2014-0356
The Present Situation of Potato Harvester and Its Development Trends
Liu Jianjun1, Deng Mingli2, Jia Shitong2, He Zhitao2
(1Zhengzhou Filiale, Tobacco Company of Henan Province, Zhengzhou 450001, Henan, China;2College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan, China)
Abstract: The potato is one of the major crops in our country which has very big planting areas, high yield andstrong adaptability, it has very high economic value and practical value in food and industry fields, thereforethe potato production has great market prospects, harvesting the potatoes has become an important task. In thispaper, through the introduction and contrast about main types and application status of potato harvestmachinery at home and abroad, it stated emphatically the development trend of the potato harvest and theproblems we were facing in our country, and pointed out that the application of mechanization and automationof potato harvest machinery would greatly improve the efficiency of potato harvesters, reduce working intensity,also it could improve potato industry in China economy.
Key words: Potato; Harvesting Machinery; Current Situation; The Development Trend; Intelligent
0 引言
马铃薯是一种广泛种植的粮食作物和经济作物，具有生长期短、适应性强、产量高、用途广、产业链长且加工增值潜力大等优点，被誉为21 世纪十大热门营养健康食品和最有发展前景的经济作物之一[1]。马铃薯除可食用外，还用于蔬菜、饲料和工业原料[2]。目前马铃薯是世界上仅次于小麦、水稻和玉米的第四大粮食作物，在中国是仅次于水稻、玉米、小麦与大豆的第五大粮食作物[3]。2012年中国马铃薯种植面积521万hm2，总产量8154 万t，单产15.7 t/hm2，产量占世界马铃薯总产量的1/4[4]，预计到2015 年全国马铃薯种植面积将达到800 万hm2。随着市场经济快速发展和农业产业结构的深入调整，马铃薯及衍生产品所形成的经济产业链将进一步向规模化和产业化方向发展[5]。
马铃薯种植过程中，收获环节的用工量占其整个种植周期总用工量的半数以上[6]，马铃薯机械化收获技术水平是直接影响马铃薯单产水平和品质的关键因素[7]。随着马铃薯向规模化种植的发展，农民要求机械化收获的愿望日趋强烈。因此，加强马铃薯收获机械的研发，提高种植生产效率，降低劳动强度，减少收获损失，增加农民收入，对发展中国马铃薯产业具有非常重要的意义。
1 马铃薯收获机械的国内外发展现状
马铃薯收获过程主要由挖掘、分离、捡拾、清选、分级和装运等工序组成。根据收获作业中的机械化程度不同，马铃薯收获方式可分为人工收获、畜力收获和机械化收获3 种[8]。其中机械化收获又可细分为联合收获、分别收获和分段收获，联合收获是指一次性完成挖掘、输送、清选、提运、装卸等项作业，其特点是机械化作业程度高，损失率低，作业效果好，适应大面积种植[9]；分别收获是指以挖掘→分离→捡拾→清选分级工艺路线进行的工作；分段收获法则指收获由2 个阶段组成：第1 阶段包括挖起土垡、土块、作物残株和杂质，并将若干行薯块集铺成一个狭窄条铺，第2 阶段是捡拾、分离土壤并进行装运。后2 种方法适合于小田地作业，效率相对较低。不论采用哪种方法，对收获机械都提出如下要求：高生产率，高质量，劳动强度低，薯挟损失小[10]。
1.1 国外马铃薯收获机械的发展概况
国外发达国家的马铃薯收获机械起步早，发展技术水平高[11]。20 世纪初，欧美等国家就开始用畜力代替人力进行马铃薯挖掘作业，随后改为由拖拉机牵引或悬挂作业。20 世纪40 年代，前苏联和美国开始研制、推广应用马铃薯收获机械，到50 年代就已经实现了机械化[12-13]；随后日本，意大利，德国、韩国和瑞士等国家也相继实现了马铃薯收获的机械化作业[14]。到20世纪90 年代，马铃薯收获机械由传统的挖掘机向联合收获机发展，目前联合收获机逐渐占据市场的主导地位。
随着马铃薯产业的发展，其收获的机械化程度不断提高，很多新技术也逐渐应用到马铃薯收获机械中，使得马铃薯的收获自动化和便捷化程度更高。
1.1.1 大型马铃薯收获机械的概况根据作业环境和机械化程度不同，国外马铃薯收获机械大体可分为2类。一类以美国和前苏联为代表，其作业区域都是大规模农场，主要采用大型自走式联合收获机作业。机具特点是机型功率大、体积大、工作效率高、集约化程度高。例如俄罗斯20世纪90年代中期研制的KKY-2、KKP-2、KOK-2 等多种型式的自走式联合收获机，以及多种型号半悬挂式机型[15-17]。这些机具虽然机体笨重，但是生产效率高，适应性强，机械化程度高，大大降低了农民的劳动强度。又如美国的Double-L 973 型马铃薯回流收获机（图1），其配备了回流收获技术，使得田间作业具有更大的弹性和更高的效率。运用这项技术，973 型4 行收获机可以边收获边换卡车。回流收获系统还大大提高了收获过程的清洁能力，提高了收获效率。另外，973 型收获机的高效率、高品质和优化配置，缩短了收获期，保证了马铃薯的完整度。
德国格力莫(GRIMME)生产的一款GT-170 的马铃薯收获机（图2）。该机最大特点是采用全新的底盘传动设计，为作业状态提供了良好的环境。另外由于设计合理，维护要求和磨损较少，经营成本得到了降低，该机型还可以方便地调整刀具的位置来适应不同的地况。同时采用新颖的terra-control 深度控制系统，提高了马铃薯的收获质量；设计出的multisep 分离器，提高了马铃薯的输出效率。
比利时公司研制的Spirit 6200 双行偏移仓收获机（图3）采用了先进的转向技术，并利用先进分离技术使得马铃薯在收获过程中不仅质量完好，而且实现了收获最大化。机具可以通过一个中心曲柄轴调整挖掘的深度，切割片则有效地防止了秸秆的堵塞。蓄电池和电液压力控制系统的使用，确保了顶部压力最小。另外在收获过程中，其采用了2 级振动器，并配备PUR驱动轮动力，可靠耐用，而且在第2 个筛网中安装了1个茎叶网，可以有效地去除茎叶。此外分离系统中旋转梳齿上方的横销带的使用，有效地对土块、石头和马铃薯进行了分离。
1.1.2 中小型马铃薯收获机械的概况另一类马铃薯收获机以日本、意大利为代表，其特点是生产的马铃薯收获机械功率小、生产效率高、劳动强度低、自动化程度高，特别适合于中小型田地作业，如图4 所示的意大利公司生产的两行偏置式马铃薯收获机以及图5 所示的韩国马铃薯收获机械。日本马铃薯收获机的特点是自动化程度高，生产效率高，注重新技术的运用。日本SANEL-MS系列马铃薯收获机，是与拖拉机配套使用的牵引式块茎、块根类作物收获机，其采用ON·OFF操作系统及电磁液压阀门，操作方便省力；采用无滑动链驱动式旋转斗，维护保养方便，作业安全；薯块落口处设有海绵垫，避免破损；采用摇动式锁定板，土、薯分离效果好，对土地适应性强。
另外，国外一些马铃薯收获机械还融入了不少高新技术，例如振动技术、液压技术、传感技术、气流技术和光电技术等，使得马铃薯收获机械化、自动化水平得到了很大提高。
1.2 国内马铃薯收获机械的发展概况
1.2.1 国内初期马铃薯收获机械发展状况20 世纪60年代，中国的马铃薯收获机械开始逐步发展，在引进借鉴国外先进机型的基础上，自主研制了能使薯块与泥土分离的升运链式马铃薯收获机，但是由于客观条件限制，在实际生产中未能得到大面积推广应用。直至90 年代，随着国内马铃薯种植面积的扩大，拖拉机保有量的增加，马铃薯收获机械的需求也与日俱增，国内先后研发出多种马铃薯收获机械。
山西省忻州市农机推广站引进开发并委托内蒙古农大农牧机械厂研制生产的4SW-40 型马铃薯收获机，是在意大利Checchi&Magli 公司生产的SP100 型马铃薯挖掘机的基础上进行改进设计而成，具有结构紧凑的特点，大挖掘深度可达到21 cm、幅宽40 cm，可将薯块全部挖起，符合当地马铃薯生长特性及农艺要求，收净率达98%以上，明薯率为95%，伤薯率小于2%，实际生产中主粱易出现裂纹或断裂破坏[18-21]。
中国农业机械化科学研究所下辖的中机美诺科技有限公司生产了一种适应与沙土、砂壤土和中粘性土的收获机，其可一次性完成挖掘、输送分离、集条作业，收净率高，破损率低，成本回收快。它采用分离筛，强制振动，分离效果好，适应性强；采用组合挖掘机构，保证挖掘深度一致，浮动圆盘刀设计，更有效切断杂草，减少挖掘阻力；采用国际先进工艺，铸胶皮带驱动轮，减少链条磨损，提高了机器的使用寿命。
1.2.2 国内新型马铃薯收获机械的发展随着马铃薯收获机的不断发展和中小型拖拉机的推广和使用，中国一些地区开始自主研发马铃薯收获机，与拖拉机配套使用的各种机型的悬挂式或牵引式的马铃薯收获机逐渐发展起来，例如黑龙江力农农机制造有限公司生产的4SW-130Ⅱ型、4SW-160 型[22-24]、河北承德福悦达生产的4UM-900 型马铃薯收获机、4UM-1700A分秧式马铃薯收获机、山西农机研究公司与曲阜圣泰机械有限公司合作生产的ST-08 型马铃薯收获机等。图6 为山东富邦农业机械装备有限公司生产的4U-2 型马铃薯收获机，其可调性强、适应性强、破损率低、工作效率高，关键部位采用特制钢材，延长了机器的使用寿命。图7 为山东青岛洪珠农机生产的4U-83 型马铃薯收获机，该设备可以较好地适应于国内马铃薯种植农艺和生长特性要求，可实现挖掘、清土、铺放等功能，破损率低。其采用挖掘装置入土角与输送分离装置升运角相一致设计，有效解决了铲后积土问题；采用随行限深机构，有效减少阻力，提高作业顺畅性；运转轻快无震动，不堵草，漏土快，结构简单，使用寿命长；该机体可以直接从土壤中提取残留的农膜，不影响下一季的作物生长[25]。
然而由于中国面积辽阔，不同区域马铃薯的种植方式和生活环境、气候条件等的差异，使得马铃薯收获机械的性能要求各不相同，因此适应性强、性能可靠、作业质量高的马铃薯收获机并未真正出现。
2 中国马铃薯收获机械发展存在的问题
2.1 配套动力问题
马铃薯收获机械由于要实现掘土收获、振动筛分等作业，导致机型功耗较大，往往需要大型拖拉机才能拖带作业，这与国内目前农村主要以中小型拖拉机为主的现状很不适应。同时由于目前马铃薯播种时主要采用犁翻人工点播的作业方式，导致行距、株距和播深等均无法有效控制，进一步提高了马铃薯收获的动力消耗。
因此为了进一步推广马铃薯的机械化收获，应当首先普及马铃薯的机械化播种。同时对马铃薯收获机械的掘土部件、筛分部件和输运机构等进行详细研究，找出合理的配置方式，减少机具的动力消耗，尽量实现中型拖拉机能够拖带作业，为马铃薯机械化收获的全面普及提供基础。
但目前马铃薯播种机的发展滞后，主要采用犁翻人工点播，既保证不了行距，也很难控制播深，给马铃薯机械收获造成了困难。因此，推广普及机械播种是发展马铃薯收获机械的基础。
2.2 机具工作可靠性和适应性有待提高
马铃薯生产具有很强的地域性，在全国形成了各具特点的栽培方式和栽作类型。目前中国有4 个马铃薯栽培区，分别为北方一作区、中原二作区、南方二作区和西南一、二季作垂直分布区[26]，不同区域的气候、土壤和马铃薯生长方式均有很多不同，使马铃薯收获机械的发展受到了一定的限制。目前现有的马铃薯收获机械一般只适用于单一的环境条件下工作，适应性较差，无法进行大面积推广。
就现有机具而言，也存在较多问题：（1）工作可靠性较差，故障较多，收获前需要调整的辅助时间长，生产效率低；（2）针对沙质土壤收获效果较好，针对粘土等土壤的作业效果不佳；（3）作业效果难以完全满足需要，或者薯土分离效果不好，或者伤薯率较高，需要进一步改进。
2.3 生产成本高，工作效率低
目前多数马铃薯收获机械的研究处在经验设计阶段，对马铃薯收获过程中的土壤-马铃薯-机具之间的相互受力关系和运动关系缺乏深入研究，往往凭经验对机具进行修改完善，缺乏科学理论的分析指导，设计参数依据外国产品选取，与国内马铃薯实际情况不适应，导致机型开发时进度缓慢，研发费用较高，效率较低。
2.4 马铃薯收获机械机械化水平低，智能化程度偏低中国自20 世纪60 年代开始自行研制马铃薯收获机，到80 年代，国外各种规格的先进机型被逐步引入，自主研发能力也不断加强。目前，国内马铃薯收获机型式较多，马铃薯联合收获机研制成功不久；农村中小种植户主要以分段收获的马铃薯挖掘机为主。总体而言，中国马铃薯作业机械整体水平相当于国外20 世纪70年代左右的水平。
马铃薯收获机械的智能系统发展还不够完善，智能化程度远不能达到农业生产的需求，各种识别和智能控制手段目前还停留在实验室阶段，机具实际使用前需要大量调整，特殊地域只能采取人机结合的方法来完成任务。
3 结语
马铃薯产业的发展迅速，马铃薯收获机械的需求量也在不断加大。在发达国家，马铃薯收获机械的应用比较早，其在推动城市化进程和解放劳动力方面发挥了巨大的作用，提高了生产效率，降低了生产成本，为农民增益不少。中国的马铃薯收获机械研制工作起步较晚，相比于发达国家，其机械化程度低，技术水平差，而且由于中国不同地区马铃薯种植环境差异较大，对马铃薯收获机械的性能和工作可靠性要求较高，从而导致马铃薯收获机械的发展较为缓慢。近几年，中央加大对农机开发的扶持力度和投入，为农业机械的发展提供了一个很好的平台，中国的农业机械正迎来高速蓬勃的发展期。目前，马铃薯收获机械正在逐步地改进和完善，并研制新的机型，以适应不同的农艺需求。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
[1] 周蓓.马铃薯研究现状与产业发展对策[J].上海农业学报,2008,24(3):89-92.
[2] 吕世安.中国马铃薯产业发展现状与趋势[J].湖北民族学院学报:自然科学版,2002,20(4):29-34.
[3] 王学军,蒋金琳.小型薯类联合收获机设计与田间试验[J].农机化研究,2014(2):176-178.
[4] 中国食品报. 中国马铃薯产业保持较快增长[EB/OL]. http://www.21food.cn/html/news/35/928124.htm,2013-08-30.
[5] 贾晶霞,杨德秋,李建东,等.中国与世界马铃薯生产概况对比分析与研究[J].农业工程,2011,1(2):84-86.
[6] 刘宝,张东兴,李晶.马铃薯收获机主要问题机理分析及其对策[J].农机化研究,2009(1):14-16,28.
[7] 王景华.我国马铃薯休闲食品的发展概况及市场前景[J].农业技术与装备,2010(9):78-79.
[8] 王福义.马铃薯收获机械发展研究[J].农业科技与装备,2012,198(12):83-85.
[9] 于波,隋向军,侯敏杰.内蒙古自治区马铃薯收获机械研发现状[J].农村牧区机械化,2005(2):19-20.
[10] 单爱军,刘俊杰,崔冰冰.马铃薯收获机现状与发展趋势[J].农机化研究,2006(4):19-20.
[11] 史明明,魏宏安,刘星.国内外马铃薯收获机械发展现状[J].农机化研究,2013(10):213-217.
[12] 张建.马铃薯联合收获机优化设计与仿真[D].兰州:甘肃农业大学,2008.
[13] 李宝筏.农业机械学[M].北京:中国农业出版社,2003:252.
[14] 曾山.马铃薯收获机械现状及发展趋势[J].贵州农业科学,2009,37(12):233-235.
[15] Sorokin A A Z, Rei?ngart E? S. Stages in the modernization of theKKU- 2A combine[J].Traktory iSel´skokhozyai?stvennye Mashiny,2000(6):5-7.
[16] Lovkis Z V, Shuvaev V P; Smirnov L P, et al. Results of testing aKKU-2A hydraulic drive combine Potato harvesting machine.1[J].Mekhanizatsiia i elektrifikatsiia sel´skogo khoziaistva,1980(10):10-11.
[17] Sinkevich P N. Improvement of bearing properties of the KKU-2Acombine Potato harvesting machine.1[J]. Mekhanizatsiia ielektrifikatsiia sel´skogo khoziaistva,1981(10):59-60.
[18] 杨莉,王春光.基于虚拟样机技术的4SW-130 型马铃薯挖掘机分离筛的仿真优化[J].农业机械,2009(11):89-91.
[19] 邵世禄,万芳新,魏宏安.我国马铃薯收获机械研制与发展的研究[J].中国农机化,2010(3):34-36,50.
[20] 王旭元,张松宇.马铃薯挖掘机主梁载荷测试方案设计[J].内蒙古石油化工,2011(5):45-46.
[21] 闫建英.4SW-40 型马铃薯挖掘机的设计[J].山西农机,2001(6):32.
[22] 闫建英.4SW-40 型马铃薯挖掘机简介[J].农业机械,2002,1:52-53.
[23] 郗福兵,童淑敏.基于ADAMS的4SW-40 型马铃薯收获机仿真研究[J].阴山学刊,2008,22(3):40-42.
[24] 王旭元.4SW-40 型马铃薯挖掘机分离筛的振动及其对主梁动载作用的测试研究[D].内蒙古农业大学,2003.
[25] 山东青岛洪珠农机.4U-83 马铃薯收获机使用说明书.http://www.hznyjx.com/Html/Service_225.html. (2011-11-18).
[26] 腾宗璠,张畅,王永智.我国马铃薯适宜种植地区的分析[J].中国农业科学,1989,22(2):35-44.