李维华，焦伟，李永武，岳吉祥，王宁，杨化伟

（1.250100 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院；2.250100 山东省 济南市 山东省农业科学院；3.257061 山东省 东营市 山东石油化工学院；4.266033 山东省 青岛市 青岛理工大学；5.250300 山东省 济南市 山东交通学院）

0 引言

莲藕是我国种植面积和产量最大的水生蔬菜品种，具有良好的经济效益和营养价值[1-2]。莲藕种植环境和生长条件的特殊性，造成莲藕收获环境恶劣，以人工采收为主，从而增加了莲藕的生产成本，降低了经济效益，导致农民种植莲藕意愿越来越低[3-4]。为了推进莲藕产业的高效规模化发展，国内外对莲藕收获机械进行了大量的研究，本文对其进行了归纳总结，阐述了莲藕收获的工作原理、功能特点，并提出了我国莲藕收获机械的发展方向。

1 工作原理

现有莲藕收获机主要是依靠水射流对莲藕所在的泥塘进行冲刷，莲藕失去泥土控制后浮出水面。典型的莲藕收获机主要由动力系统、传动及行走系统、水射流系统和控制系统等组成。如图1 所示。

图1 莲藕收获机工作原理图（以液压自走式莲藕收获机为例）Fig.1 Working principle diagram of lotus root harvester (taking hydraulic self-propelled lotus root harvester as an example)

1.1 动力系统

一般采用的动力包括船用柴油机或者大功率电机。根据实际情况选用其中的一种或者混合使用。

1.2 传动及行走系统

动力传递给底盘及行走系统，实现机具的行走、转弯等；动力传递给水泵，为低压水射流系统提供动力；动力传递给吸水装置，为水泵提供足量的水，是工作装置顺利运行的保障。

1.3 射流系统

射流系统是收获机的工作部件，是整个机具的核心。根据莲藕的特点，一般选用0.3～0.7 MPa 低压水射流系统；同时，水射流系统一般具有摆动功能，能更好实现莲藕收获的功能。

1.4 控制系统

控制系统一般包括液压控制系统和电子控制系统，为莲藕采收服务。

2 研究现状

莲藕原产于印度及亚洲南部，除中国外，日本、俄罗斯、印度、斯里兰卡、印度尼西亚、澳大利亚等国均有种植[5-6]。欧美国家对莲藕的认知度和认可度不高，没有相关的设备资料。对采/挖藕机需求量大的主要集中在亚洲，特别是东南亚地区。截至目前，国外只有日本研究了挖藕船，研制出牵引式Ⅰ型、宽幅Ⅱ型和水泵定置式型，其中Ⅰ型和Ⅱ型的作业效率为0.020～0.027 hm2/h，Ⅲ型作业效率为0.017 hm2/h，作业效率较低，并且需要较多的人力劳动加以辅助[7-8]。

经过30 多年的不断探索，国内的莲藕收获机研究取得了长足发展，但整体技术水平仍不高，大多数尚未完全实现机械化，人工劳动强度较大，作业效率不高，应用范围较小[9]。目前国内莲藕采收机主要有以下几类：

2.1 自走式水压莲藕掘取机

2001 年南通江华机械有限公司研制的4OZ-3型自走式水压莲藕掘取机[10]，如图2 所示，由田间自走式水力作业机和岸边水泵机组2 部分组成，其间由供水软管连结，行走轮采用密封结构，保证作业机的低接地压力，以适应淤泥土壤。

图2 4oz-3 型自走式水压莲藕掘取机Fig.2 4oz-3 self-propelled hydraulic lotus root excavator

水泵机组从藕田取得循环水供作业机主辅喷管喷射作用（主喷嘴规格有φ30、φ25、φ20）。喷杆在液压电器控制下左右自行摆动，摆幅在3 m 内任意调节，也可手动控制喷杆状态控制开关，控制喷杆停留在任意位置、任意高度。当喷杆摆动到左右极限位置后，自动控制作业机按作业行进方向步进一段距离，喷杆的摆动速度及作业机的步进距离可以任意调节。通过各参数的调节，可获得满意的组合，适应不同莲藕品种、不同土壤条件及不同生长状况等。

2.2 船式挖藕机

2009 年公开的4CW-2.6 型船式挖藕机[11]由动力机械、高压水泵、喷射装置、挖藕支架、行走控制系统、液压操作机构和船身等组成。工作时，船体悬浮或半悬浮于水中，在船内完成吸水、加压喷射、挖深控制、行走等全部工序。具体工作原理：利用机械动力使挖藕支架底部减速机旋转，带动铲泥板铲除莲藕上方的泥土，同时利用高压水枪产生的水柱冲击力破泥、冲刷藕体，使藕浮上水面。作业时需要3 人作业，1 人水下控速导向，2 人水下辅采。该装置可有效降低采藕作业劳动强度，提高劳动效率，采用高压水柱与铲泥板组合采挖技术，填补了国内空白。但该挖藕机存在的主要问题有：（1）机械化程度有待提升；（2）制造工艺水平较低，加工精度不高，外观设计不美观，整体造型粗糙；（3）没有安装灯光设备，夜间无法进行采挖作业。

2.3 船式自动挖藕机

2008 年华中农业大学研制的4CWO-3.2 型船式挖藕机[12]由船体和安装在船体上的动力驱动装置、水力装置、传动装置、挖掘装置、行走装置以及操纵装置等组成（图3）。具体工作原理：入水前，将行走导向轮卸除。发动机动力经分动箱一部分传递给水泵，另一部分经锥齿轮箱传递给变速箱。水泵从田间或池塘中吸水并泵出至喷嘴，喷嘴深入水下贴近淤泥表面，往复移动，对泥土进行切割、粉碎、推移，从而使净藕挖出并浮出水面。变速箱将动力传递给行走叶轮和双螺旋器，行走叶轮回转，驱动船体在水面上转移；双螺旋器回转，通过滑道和滑杆带动吊杆下端的喷嘴做往复移动。为提高工作效率，喷嘴在水下位置、移动频率和角度均可调整。该种机型采用的“螺旋传动”系统，采用对称布置的双组双向螺旋传动与摇杆机构，驱动对应的双组喷嘴，有效地实现了两组喷嘴的互逆往复运动，保证了工作部件的运动精度，大大简化了相关结构，提高了采挖工作部件的可靠性和平稳性；此外采用的“叶轮驱动”方式，能有效地参与作业速度的调整和提高水上作业的机动性。

图3 船式自动挖藕机结构简图Fig.3 Structure diagram of boat-type automatic lotus digging machine

2.4 浮桶鸭嘴式挖藕机

2010 年武汉兴盛农机公司开发的W-FPZ-1200C 型浮桶鸭嘴式挖藕机[13]（图4）主要包括底盘架、动力水泵室、泵机固定架、进水管、高压管、高压喷嘴。挖藕机左右设置有密封浮桶，在浮桶之间设有工作仓，在工作仓外侧与左右密封浮桶之间均焊接有底部、前后及顶面过滤网；底盘架与左右密封浮桶、工作仓、泵机固定架、操作架抬杠焊接为一个整体。该机具有以下特点：（1）全不锈钢全封闭式，经久耐用，包括4.75 kW（6.5 HP）泵机在内总质量53 kg。作业时具有自行功能，操作轻便灵活；（2）体积小，可以装进内室宽度1.1 m的微型面包车，亦可一人推行，两人抬起即可方便地越沟过坎下田上路；（3）设置多个喷嘴，适用于不同深度的挖藕要求。

图4 W-FPZ-1200C 型浮桶鸭嘴式挖藕机Fig.4 W-FPZ-1200C floating bucket duckbill lotus root digger

2.5 自旋射流式挖藕机

2018 年华中农业大学开发的射流式挖藕机[7,14]（图5）由4 kW 汽油机水泵驱动，水泵规定点流量为35 m3/h，扬程为17.3 m。机器底部旋转管路两端装有出水喷嘴，喷嘴中心距离为1 000 mm，即喷嘴旋转圆周直径为1 000 mm。田间作业时，高压水流从喷嘴喷出，冲击泥土，旋转管路受到反作用力绕机器中心轴线旋转，机器前进时，喷嘴运动轨迹为螺旋运动。工作过程中，从喷嘴喷射出高压射流，覆盖莲藕上方的泥土受到射流冲击破碎后被水流带走，直至莲藕完全裸露在水底，受自身浮力作用浮出水面，由人工打捞，完成莲藕采挖作业。

图5 射流式挖藕机Fig.5 Jet type lotus root digging machine

3 总结与发展展望

通过对莲藕收获机国内外发展现状的介绍和分析，可以发现手扶式（浮筒式）、自旋射流式等小型采收机虽然结构小巧，行走方便，但需要大量人工作业，在冬天作业极不方便；船式采收机结构复杂、机器笨重、作业效率低、不适合冬季无水环境作业。因影响采收效果因素众多，制约瓶颈没有得到较好的解决，莲藕收获机所用的水泵、喷嘴等尚未标准化，目前的研究机型仍然处于半机械化的状态。随着莲藕种植规模的不断扩大、农村劳动力资源短缺和用工成本的快速提高，研究开发适于家庭农场、专业合作社和大型种植户等经营主体的规模化种植的莲藕高效智能采收装备的需求日益迫切。建议下一步研发重点方向：

（1）莲藕收获机应具备自行走装置，可进行前进、后退、转弯、调头等作业。

机具前方应具有藕秆切割装置以减小行走阻力，切割装置根据工作参数和莲藕茎秆力学特性选择合适的切割力度和切割功率；设备质量与履带面积应依据莲藕表面抗压特性合理设计，不应在行走过程中因压力损伤莲藕。

（2）冲水射流系统应具有上下高度自动调节和前后左右摆动的功能，实现对淤泥的充分冲刷，从而使干净的莲藕自身浮力的作用下浮出水面。莲藕收获机后方带有莲藕收集装置，实现无人下水收获莲藕的目的，为防止藕叶茎毛刺划伤莲藕影响销售，研究具有图像识别技术的收获机实现精准抓取，同时剪短连接藕茎。

（3）设计采用自主导航系统，实现路径规划和无人驾驶作业，避免莲藕采收时的重采和漏采，同时可计算采收面积，实现莲藕采收的精准化和智能化。整机采用液电联控，通过对柴油机启停、行走机构和射流动力系统自动控制改进，实现遥控；将射频识别技术、WSN 技术和北斗导航技术融合实现自动路径规划和避障规划。开发三维声波立体成像系统，自动识别挖藕机前方170°扇角内的成藕分布，控制作业速度，提升作业效率和采藕净率。

4 结语

莲藕收获技术对莲藕产业的发展至关重要，目前漂浮式和自走式挖藕机普遍存在操作复杂、工作不稳定和采收效果不理想等问题，尚无定型理想机型可实际应用。随着社会的发展，莲藕收获机械必将朝着智能化、高效化和标准化的方向发展。