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摘要:韭菜是一種葉菜類蔬菜，在蔬菜種植和供應中占有極其重要的地位，尤其是反季節韭菜，種植面積正在不斷增加。我國加入WTO后，韭菜作為一種特色蔬菜，成為我國具有國際競爭力的葉菜類蔬菜之一。隨著韭菜種植面積逐年增加，在韭菜的生產和收獲上需要更多的人力和時間，極大地增加了韭菜生產的成本，所以實現韭菜生產收割機械化勢在必行。目前，國內外市場上已經出現一些韭菜收割機，但收割效果并不理想，在行走、傳送及打捆等關鍵部分仍然存在許多問題。所以，必須深入分析韭菜的種植特點，對國內外的韭菜收獲機械進行分析，提出改進意見，設計一款割茬較低又能輸送的中小型韭菜收割裝置，使之高效、高質量地實現韭菜的拔禾、扶正、切割及輸送等功能。

關鍵詞:韭菜;收割機械;現狀;發展趨勢

0引言

我國占地面積大，土壤條件好，近年來蔬菜的產量和產值均很大程度超過糧食［1］，蔬菜的總產量已經達到世界總產量60%左右［2］。我國顯然已經成為世界上最大的蔬菜種植生產大國，伴隨而來的就是對蔬菜生產機械化的要求越來越迫切。近年來，國內種植的韭菜也一步步走向了國際市場［3－4］，出口量不斷加大。正常情況下，韭菜每年收割4～5次左右，通過查閱資料［5－6］和對遼寧省附近的葉菜種植大棚實地調研相結合發現:蔬菜的品種不相同，其種植收獲機械化水平也存在很大的差距。像蘿卜、馬鈴薯等塊根類蔬菜的收獲機械化發展很快、水平很高;相比之下，葉菜類的收獲機械化水平則很低，中國數萬公頃種植韭菜的土地中，最終的收割作業多數靠人工來完成，基本不會依靠機器［7］。由于韭菜特殊的種植特點與一些生長特性，使得在收割韭菜的過程中耗費了大量的人力、物力與時間，加大了韭菜種植的成本，甚至出現了有錢也雇不到工人來收割韭菜的狀況，嚴重影響了菜農種植韭菜等葉菜類蔬菜的積極性，也妨礙了韭菜產業鏈的更好、更快發展。隨著農業機械化的不斷發農作物收割機械化成為農業生產過程中的不可或展，缺的環節。由于農作物和蔬菜等季節性強，且易遭受自然條件的影響等特點，使得收獲過程時間緊、任務重，所以農業機械化的推廣變得非常必要。由于菜農對韭菜收割機械認識不足，且需要花費資金購買機器，并擔心出現機器質量問題，所以購買機器的積極性并不高。實踐證明:蔬菜的機械化收割可大大提高勞動生產率、減低菜農的勞動強度且使收割的損失降到最低，保證了菜農種植者自身的收益，提高菜農種植的積極性和對機器使用的積極性，對韭菜等葉菜類的種植和收獲具有極其重要的意義。韭菜屬于含水率可以達到90%的莖稈作物，種植范圍廣，近10年來韭菜系列新產品的不斷出現在人們的生活中，韭菜種植所應用的生產栽培技術也日漸完善［8］。由農藝可知:韭菜等葉菜類都有正常的種植季節，但人們更希望在一年四季里都可以吃到新鮮的韭菜，因而在韭菜露地種植不斷發展的同時，大面積地反季節韭菜也陸續出現在人們的生活里，且因市場需求大、效益好，得到了迅速的發展。在韭菜整個的生產作業過程中，收割作業約占整個作業量的50%，是耗費精力最大、耗費時間最多的一個作業環節［9］。收割作業部分的效果將直接影響到韭菜的加工與銷售，進一步影響到銷售價格和獲得的收益。目前，國內韭菜的收割作業還是主要依靠人工完成，勞動強度大，且工人的傭金高，甚至有時有錢也找不到工作人員。因此，發展機械化收割技術，盡早研究開發韭菜收割機械，以使韭菜種植者擺脫困境，具有重要意義［10－12］。

1韭菜生長種植情況及發展前景

1．1設計原理韭菜的植物特性

韭菜是多年生草本植物，一般高度為20～50cm，具有一種特殊的氣味。韭菜葉由兩部分組成，分別是葉片和葉鞘。韭菜葉既是光合作用的主要進行部分，也是主要的食用部分。韭菜葉片形狀扁平窄長，且葉面有薄薄的蠟質部分，蠟質層內有角質層，角質層內有一定數量的氣孔，所以耐寒性比較好;葉鞘在莖盤上分層無規則排列成圓柱形，稱為“假莖”，葉鞘得部分進一步增大形成鱗莖，具有保護韭菜生長、貯藏養分的功能。在不同光照條件下，韭菜生長狀況也不盡相同，陽光直射的部分葉片會呈現綠色，進一步成長成為青韭;在遮光條件下，由于光合作用不能正常進行，導致葉綠素無法正常形成，葉片會出現黃色或淡黃色的現象，利用韭菜根和莖內儲藏的養分可形成韭黃。韭菜的生長過程存在一定的規律性，葉鞘生長要晚于葉片的生長，當葉片生長到一定程度不再生長時，葉鞘仍然會繼續生長。一般來說，葉片的分化速度受兩個因素的影響，即溫度和品種。在一定的溫度范圍內，葉齡隨溫度的上升會有一定程度的縮短。一般情況下，新葉分化得快，老葉衰老得也快。葉片的反復分化、衰亡使韭菜的單株有效葉片常保持在6片左右。

1．2韭菜的種植特點

由于韭菜適應的溫度范圍比較大，所以無論南方和北方均種植了大面積的韭菜，南方四季均可露地栽培。由于北方冬季溫度較低，韭菜會進入休眠期，但近年來北方也有一些地區利用大棚四季種植韭菜。種植面積最多的地方甚至可以達0．67萬hm2左右，每年收割韭菜的人力成本約為0．30元/kg。大棚種植韭菜存在一些問題:空間相對狹窄，棚室內需要立許多柱子，韭菜收獲機械可作業空間小;由于大棚一般都是由菜農自行建設，所以種植韭菜的規模小，機器可作業時間比較短，并且需要頻繁轉移，大大增加了不必要的時間，沒有把機械化的水平完全發揮出來［13－14］。我國不同地區種植韭菜的土地也不相同，北方多采用壟栽培，南方則更多在高畦地區栽植［15］。韭菜株高大約在200mm左右，種植期應盡量避開高溫雨季，高畦栽培，每穴8～10株，行距200～250mm，穴距120～150mm;壟栽每穴20～30株，行距250～350mm，穴距180～200mm。韭菜種植的高度及寬度等重要參數是選擇韭菜收割刀高度、大小的主要依據，也是設計行距調整機構的主要參考［16］。

1．3韭菜生產機械化的前景

韭菜整個種植過程投資少，在生長過程中面臨的風險也小，效益高且比較穩定，適合大量反季節種植。

1．3．1投資小，效益高，風險少

由于韭菜突出的抗寒特性，與其他蔬菜相比保護地設施相對簡單，小型大棚即可保證冬季韭菜種植生產的需求，投資較小。由于每年韭菜可種植收割4～5次，產量60000kg/hm2左右，按市場均價1．6元/kg計算，產值96000元左右，相對其他類別蔬菜來說效益高。由于韭菜抵御自然風險能力強，如2009年的冬天溫度極低，60%以上的黃瓜、番茄等蔬菜遭受霜凍災害，造成了極大的減產，而韭菜受到的影響并不大，只是生長速度變得遲緩了一些，產量影響特別小，所以2009年冬季韭菜單價達5元/kg左右。韭菜耐儲藏，冬季常溫下用塑料袋簡單包裝，可以貯藏半個月左右。同時，韭菜的收割期范圍比較大，可根據市場需要更改收割、上市的時間，所以種植韭菜風險相對小［17］。

1．3．2市場潛力大

最近幾年，保護地蔬菜的種植有了很快的發展，但不同品種的發展水平差別很大，尤其是果菜類面積較大，而葉菜類面積則是少之又少。韭菜種植的面積少，造成了供不應求的現象，尤其在節假日期間，鮮韭市場的需求表現得更加明顯。北方廣大地區的人民都喜歡吃韭菜，用來包餃子、炒菜等，特別是東北地區需求量很大。

2韭菜收割機械的國內外研究現狀

2．1國外韭菜收割機研究現狀

由于國外對韭菜、茼蒿、空心菜等葉菜收割機械的研究起步較早，技術也更加成熟，許多國家及地區已實現了葉菜的機械化收割。例如，加拿大HRDC公司研制的甘藍收獲機可單行收獲，應用液壓控制系統控制割刀高度來改變升運機構的高度，可以確保整齊、精確地切割。與此相比，美國的甘藍收獲機更受甘藍種植者的青睞，該收獲機操作簡單，可以一次性完成切割、除葉等工序18］。意大利HORTECH公司研制的葉菜收割機械采用環形帶刀的切割方式對葉菜進行切割，利用電機液壓馬達傳動的方式，既使整機結構簡單，又可調整機器工作過程中的行進速度，可謂一舉兩得。該公司的SLIDETW型葉菜收割機，將切割后的蔬菜通過夾持帶進行輸送，將葉菜由豎直改為平放，再由人工進行打捆。其優點是實現了行播種植蔬菜的高效并且有順序的收割，缺點是機構較為復雜，制造及操作起來難度都很大，適用于大棵青菜、莖稈類蔬菜的收割。SLIDEFW型韭菜收割機將切割后的蔬菜利用推力及輸送帶和蔬菜的之間的摩擦力將蔬菜推送到輸送帶上，具有結構簡單、適用范圍大、作業效率高的優點，且適應多種葉菜(小青菜、茼蒿、空心菜、沙蔥)的無序收割。此外，還有SLIDEVALERI-ANA型葉菜收割機，采用的是復合輸送方式—振動和推送，將切割后的蔬菜通過蔬菜的“作物墻”推力輸送到振動篩上。經振動篩可以將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潔［19］。日本川崎公司的風送型葉菜收割機，將切割后的蔬菜通過高壓氣流的方法吹到收集袋中，適用于體型小、質量小的葉類蔬菜;切割后的蔬菜通過輸送帶上的釘齒將蔬菜揀拾到輸送帶上，適用于莖稈類蔬菜，如茼蒿、莧菜等;缺點是輸送帶制造過程復雜，且無法將泥土除掉。韓國播蘭特公司研制的MT－200型半自動收割機，采用上下兩片收割刀、左右交錯切斷的切割方式，割幅能達到700mm，機器功率300kW，動力類型是汽油，工作效率約667hm2/h，傳送帶寬680mm，傳送角度30°，采用回旋轉動式收集:回旋輥660mm×180mm，適合葉菜(小青菜、茼蒿、空心菜、韭菜)收獲使用。此款為經濟款，適合中小型農場使用，具有手推行進、電機方式切割、結構簡易、結實耐用等優點，但動力類型主要是汽油，會對葉菜和土地造成一定程度的污染。

2．1．1韓國韭菜收割機存在的問題

因為我國和韓國同處在亞洲，距離較近、地形地貌比較相似，韭菜種植方式和韭菜的生長特點也極為相似，所以我國從國外引進的韭菜收割機主要以韓國為主。韓國的韭菜收割機在結構上雖比國內的韭菜收割機有很大優勢，并且大大提高了韭菜收獲的效率及質量，但依然存在以下不足:①傘齒輪帶動硬鏈接形式。前端錐形筒調整范圍小，由于種植韭菜壟寬不一的情況，可能對韭菜扶持時出現漏扶現象，傘齒部位夾韭菜有夾傷人的危險，如圖1所示;②末端傳動皮帶易脫落，如圖2所示;③車輪是充氣輪，路面不平作業容易漏氣，補充氣體浪費時間和人力，且車輪的掏槽可以拐彎，很容易將充氣嘴擋住，導致充氣困難。

2．1．2改進意見

基于韭菜收割機存在的問題，將傳動部分的硬連接改進成軟連接，可以使結構更加簡單、穩定，大大提高機器的傳動效率，也可以更適用于沙土較多的種植土地;充氣車輪部分更換為實心輪，可以防止由于顛簸導致氣嘴處漏氣的現象出現;傳送帶部分的皮帶改成了帶鉆石紋的，可增大摩擦力，以防止韭菜滑落，且將皮帶用一種材料做成整體，防止皮帶外層脫落的更換，可以節省更多的人力和財力;韭菜收割機器自身寬度改為450mm，可保證收割380～400mm寬的韭菜;原裝電路過載能力差，易把電路板燒毀，需要重行計算進一步設計控制電路。

2．2國內研究現狀

2．2．1國內韭菜收割研究現狀

我國葉菜收割機械化的研究起步相對較晚，但發展速度很快，目前葉菜收割的成熟機具很少，大都是進口機具［20］。近年來，我國出現了一些機械化收割機具，如割茬為零的韭菜收割機［21］、多功能韭菜收割機［22］、4G200型收割機［23］及KS30C－1型韭菜收割機［24］等。同時，從韓國成功引進了專用韭菜收割機與葉菜種植和收獲相關的機器，與國內企業聯合研制出了韭菜打捆機及韭菜自動清洗消毒機器，完成了從播種到包裝環節的機械化生產線。目前，我國仍然沒有制造出成熟的專用收割韭菜收割的機器，一些地方采用小麥、水稻等其它收割機代替韭菜收割機使用，但效率不高，造成了極大浪費。對于韭菜這種高度較低的簇生植物來說，用鋸齒刀或圓盤刀等切割方式收割會使作物排列雜亂無章，為后續的打捆工作增加了工作量和難度。由于韭菜種植面積相對于水稻、玉米等還是較小的，所以大型收割機不能滿足小面積山地韭菜的收割。目前，我國有許多韭菜種植基地，對于韭菜的收割90%以上采用人工收割，效率很低，且費時費力。人工收割的方式也一直制約著韭菜種植的發展，一些韭菜收割機8h可收割0．5hm2左右的韭菜，是人工收割速度的10倍左右，且具有價格適宜、割放整齊、效率高等特點，受到了廣大菜農的青睞。近兩年，國內也有個別韭菜收割機的專利，但由于技術或其它原因未能得到更好的推廣應用，因此亟需一款廉價、可靠、易推廣的韭菜收割機脫穎而出。

2．2．2國內韭菜收割機仍存在的問題及改進

韭菜等葉菜類的機械化收獲本身對收獲之前的工藝(即播種、移栽、澆灌等)機械化程度要求相對較高，但是目前對于韭菜等葉菜類的播種、移栽等，我國的機械化程度并不能達到要求，種植比較粗放隨意，農藝不規范，這就對收獲機械的適應能力提出了更高的要求。此外，農民認為蔬菜種植、收獲是一種勞動密集型產業，更愿意通過手工來完成，對韭菜收割機械并不能完全信任。目前，我國韭菜收割機多以單行收割為主，且不能調節割茬高度與割幅寬度，收割過程中易對韭菜造成損傷，相比于人工難以保證被收割韭菜的品質。國內韭菜收割機以中小型產品為主［25］，雖然收割質量與收割效率較人工高出很多，但價格昂貴。收獲韭菜等葉菜類蔬菜的過程中，韭菜的葉梗、泥土等很容易堆積在機器的死角，對機器造成堵塞，影響了機器的收獲效率。針對韭菜的種植行距不固定、生長高度不相同、在收割過程中韭菜的留茬高度也不相同等情況，以及不能對收割行距與割茬高度進行調整等問題，需要研究一種新型的韭菜收割機，可以滿足以下特性:增加割幅調整機構;可以調節割刀和行走輪高度的機構，韭菜的收獲機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，將蔬菜的損傷降到最低，提高收割質量和效率。

國內通過從國外引進的韭菜收割機械進行改進及自主研究，開發出許多品牌的韭菜收割機械，且價格較低，比較受種植韭菜用戶的青睞。但是，在實際應用中卻發現了大量的問題:傳送帶特別長，從開始夾持韭菜到韭菜通過輸送帶傳輸，韭菜從豎直轉化到水平只有一根特別長的皮帶，沒有任何擋板及緩沖裝置，造成韭菜大量掉落及收割損失;收割后的韭菜會變得雜亂無章，不易進一步收集，加大了人工的工作量;機器框架大多用鐵制品構成，韭菜的汁水會對鐵產生腐蝕，對機器造成一定的損壞，縮短機器使用壽命;選用3個割刀，會使韭菜在收割過程中出現割不斷的現象或是切割不整齊的情況，對成批量的加工造成非常大的困擾。前方扶持裝置由于設置成三角形的形狀，在夾持過程中會對韭菜和操作者造成一定的傷害，如圖5所示。國內有的韭菜收割需要在割刀土層以下完成，鋸片插入土中會因為阻力過大出現卡住不動的現象。曾經嘗試將電池驅動的改成燒油提供動力，但會造成污染，影響韭菜質量，所以現在仍然使用電池驅動。為此，應加大電路板負載能力及增加離合裝置等，可以在卡死時自動打滑;海綿皮帶外表面與內側延展性不同，容易發生脫離，壽命較短，需改進為內外表面延展性相同的同種材料;韭菜傳送到后方后，接菜裝置過長，機器操作起來不方便，需要將長度適當減短;自動打捆設備在如今還沒有研制成功，目前的技術難點在于體積控制及電量消耗，嘗試用重力傳感器進行控制，實現收割和自主打捆的完美結合。

3安全問題及擴展應用

3．1安全性問題

在韭菜收割機性能改進后，需要解決和注意的就是安全問題:收割刀具固定好，不要出現松動以致飛出去造成人身傷害的問題;機體上部需要加防護罩，防止頭發過長卷到傳送部分的情況發生;藍色夾持帶作業時，一定不要用身體任何部位觸碰，防止夾傷;機器開啟鋸片旋轉時，與鋸片保持一定的安全距離，更換鋸片需要帶安全手套，防止鋸齒鋒利劃傷;電瓶接線柱切勿用金屬觸碰，防止電傷操作人員。

3．2改進韭菜收割機械

應用到其他葉菜類因為空心菜、沙蔥、茼蒿等葉菜類與形狀高度上與韭菜相似，所以可以對現有韭菜收割機械進行一部分改進，進一步實現其他葉菜類的收割機械化。

3．2．1改進為收空心菜

因為空心菜的壟寬相對于韭菜來說有所增加，且高度也有一定改變，所以要對機器進行一定改進:機體寬度改為650mm，整體也需加寬。由于機體加寬，機身質量增加，空心菜菜葉經過傳動部位，阻力增加，所以需要把負載電壓從24V改為36V，二輥之間的橫輥改成可調。空心菜單株相對韭菜來說比較粗大，左側擋需去掉;為防止輥子粘住菜葉，輥子后上方需加擋板。由于空心菜有葉子，所以機器后方的收集部分改為筐，且將助手電機去掉，使設備更優化，耗電量減少，功耗更低。

3．2．2改進為收割沙蔥

沙蔥的壟寬相對于韭菜來說寬度減少了很多，可將機體寬度改為150mm。由于沙蔥莖比較圓，阻力較小，容易滑落，所以后面傳送部分坡度要改小一些，防止沙蔥滑落;前方扶持部分改短一些，錐形筒改為機械手形狀，可以更有利于沙蔥收割。

4發展趨勢

農村勞動力的不斷減少與韭菜需求量的日益增長，要求我國韭菜等葉菜類蔬菜的收獲必須向機械化方向發展。隨著韭菜新品種的不斷推廣，未來幾年內品質高的韭菜生產覆蓋率將會提高達到80%以上，無公害高質量的韭菜將充實蔬菜市場;全國韭菜種植面積將有飛快的發展，且以規模化的反季節栽培韭菜為主，實現韭菜產業化機械化［26］。韭菜收割機械的發展趨勢和韭菜種植的現狀及對韭菜的需求量有著緊密聯系。在我國，韭菜收割成本占整個韭菜種植成本的30%左右，收割作業量占整個作業量的50%以上，勞動強度大、人工成本高且耗時長，因而韭菜收割機械化或早或晚將完全代替人工。根據韭菜種植特點及地形等條件，設計出如圖6所示的韭菜收割機械。本設計可以實現機器邊走邊工作，其分為兩種操作方式:可以手動，也可以自動完成行走及收割。機架改為鋼制，可有效地防止韭菜汁水對機架造成的腐蝕;后撥裝置可以防止韭菜都堆放在堆放箱的頂部，通過撥動使韭菜滾動到箱子底部;收集箱可以調節高度，加塑料板改變高度裝更多的韭菜;將韭菜放在具有一定傾斜角度的輸送帶上，逐步調整傾斜角，當韭菜處于滑動的臨界狀態時，輸送帶與水平方向成角度30°，此時設定輸送帶長度700mm、寬度440mm，可保證韭菜在向上輸送過程中不至于過長，防止向下滑動的現象出現，寬度上也超過韭菜的長度，但又不至于過寬，以節省材料。

機器后輪和機器前輪都用實心輪，防止充氣掏槽處的漏氣現象出現;調高裝置可以根據地形起伏通過螺栓調節機器前輪高度，從而改變割刀的高度;扶持裝置可以將韭菜扶起來等待割刀切割，且兩個錐形筒之間的距離可以根據韭菜種植情況調節。割刀的選擇65Mn鋼作為割刀材料，并進行一定的處理，采用回轉式割刀，既可以保證在切割韭菜根莖時可以完全切斷，又可以保護韭菜的根莖［27］。通過軟連接與前方的扶持裝置連接，可以使結構更加簡單、穩定，大大地提高了機器的傳動效率。針對韭菜的種植現狀，未來韭菜收割機械的發展趨勢將體現在如下幾個方面:1)以中小型收割機為主，以滿足目前我國韭菜種植的現狀。2)輸送方式為夾持型。通過傳送帶將韭菜由豎直變成平放，夾持型收割機對大多數蔬菜收割都有較好適應性。3)使用圓回轉式割刀，結構簡單，可應用到多種蔬菜切割。4)收割干凈，鋪放較為整齊，操作簡單。5)成本回收快，收割韭菜以450～600元/hm2計，幾天即可回收全部投資。6)換上相應的刀具，裝上上下托板和安全的防護罩，可以用于收割韭菜、茼蒿、沙蔥、空心菜等葉菜類作物。7)收割機械將能夠實現收割和打捆一體化。

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作者：宮元娟1a；馮雨龍1a；李創業2；郭娜1a；劉玉鳳1b；寧曉峰1a 單位：1．沈陽農業大學a．工程學院;b．園藝學院，2．沈陽晨智科技有限公司