大蒜收獲機的優(yōu)化設計,大蒜,收獲,優(yōu)化,設計 畢業(yè)設計（論文） 外文翻譯 大蒜的機械化收獲之回顧 宋建軍，碩士 中國，北京市，中國農(nóng)業(yè)大學，郵編：100083，郵箱：songjn@cau.edu.cn 劉建軍 中國，北京市，中國農(nóng)業(yè)大學，郵編：100083，郵箱：ljj9751@126.com 為2004年北京國際農(nóng)業(yè)工程委員會（CIGR）國際會議撰稿，該會議由國際農(nóng)業(yè)工程委員會、加拿大航空醫(yī)學會（CSAM）和加拿大農(nóng)業(yè)工程學會（CSAE）聯(lián)合贊助。 中國北京 2004年10月11日至14日 摘要 大蒜是中國的主要經(jīng)濟作物之一。最近幾年大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。國內(nèi)生產(chǎn)的大蒜在國際上占有一席之地。本文介紹的是海內(nèi)外大蒜的基本情況，并分析了國內(nèi)大蒜產(chǎn)業(yè)的問題。本文通過分析一些機械收獲設備的功能，與一些花生和塊莖類作物的生物特性及機械化收獲方法，提出了可行的大蒜機械化收獲工藝。 關鍵詞：大蒜；機械化收獲；討論；分析 簡介 大蒜的種植可追溯到中國2000年前的歷史，其蒜頭和蒜苗都是有益健康的蔬菜，所以廣受消費者青睞。中國的可持續(xù)發(fā)展也離不開大蒜。隨著黨的一號文件的執(zhí)行，“農(nóng)村，農(nóng)業(yè)，農(nóng)民”三農(nóng)問題亟待解決，并被推上了戰(zhàn)略的高度。約一千萬的農(nóng)民在大蒜種植及附屬產(chǎn)業(yè)中工作，進一步推動了國家復興，維護了社會穩(wěn)定，繁榮了主要大蒜生產(chǎn)區(qū)的經(jīng)濟，增加了農(nóng)民收入。 1. 國內(nèi)及國際大蒜種植的基本情況 據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）調(diào)查，世界范圍的大蒜種植面積達1135000平方公頃，產(chǎn)量達12234000噸。在中國，種植面積為630000平方公頃，占全球的56%，產(chǎn)量為8694000，占全球的71%。另外還有一些主要的大蒜種植國家，例如：印度，種植面積為120000平方公頃，產(chǎn)量為500000噸；朝鮮種植面積為37000平方公頃，產(chǎn)量為406000噸；其次是美國，種植面積為18000平方公頃，產(chǎn)量為336800噸。在美國，大蒜的種植面積是20年前的4倍，并且增長趨勢日益明顯。 中國的最早種植區(qū)在山東、江蘇、陜西、山西、新疆以及河南省。目前國內(nèi)70%的種植區(qū)在這些地方。位于山東省西南方的金鄉(xiāng)縣，地處平原，是中國最大的大蒜種植縣。其種植面積大約為40000平方公頃，農(nóng)民70%的收入來源于大蒜產(chǎn)業(yè)。成武縣、巨野縣、定陶縣、單縣、嘉祥縣、魚臺縣和微山縣，環(huán)繞著金鄉(xiāng)縣，形成了中國最大的大蒜種植區(qū)，面積達70000平方公頃。另外，還有中等水平的種植區(qū)位于蒼山縣、萊蕪市、商河縣、廣饒縣、平度市、聊城市、曲阜市等。山東的總種植面積達6700平方公頃。河南省豫東平原杞縣擁有30000平方公頃的種植區(qū)，僅次于金鄉(xiāng)縣。中牟縣的種植面積為20000平方公頃。宜陽縣、通許縣、臨潁縣等地的農(nóng)民也種植大蒜。河南省是中國第二大大蒜種植區(qū)。[1] 江蘇省的種植面積為25000平方公頃，其中射陽縣超過12000平方公頃，大豐縣為8000平方公頃。另外泰昌市、寶應縣也有種植區(qū)。以下的城市也有部分種植區(qū)：河北永年縣，安徽亳州、懷遠縣、來安縣，陜西武功縣、興平市、耀縣、洋縣，廣西桂林全州，云南大理，四川溫江，湖北枝江、當陽，上海嘉定區(qū)，甘肅天水、民樂縣，哈爾濱阿城區(qū)。 大蒜是傳統(tǒng)的出口農(nóng)產(chǎn)品，每年的出口量超過2億美元，居所有出口蔬果產(chǎn)品第一，覆蓋60%的國際市場份額。2001年，超過100個人國家和地區(qū)從中國進口大蒜。其中，印尼是最大的進口國。其進口量從1999年開始激增，從2001年163600噸到現(xiàn)在已經(jīng)是376000噸。荷蘭是第二大進口國，曾在2001年進口51600噸。其中一部分在國內(nèi)銷售，大多數(shù)轉(zhuǎn)運到其他歐洲國家。其他的進口國包括：馬來西亞，進口150700噸；日本35100噸；朝鮮30000噸；阿拉伯聯(lián)合酋長國21000噸；菲律賓17500噸。美國在2001年前很少向中國進口大蒜，當年進口了5000噸，從2003年看出進口量上升趨勢迅猛。 1.1目前中國存在的主要問題 1.機械化操作程度低。在大蒜的種植、田間管理、收獲和加工過程中，幾乎沒有機械運作，基本全由手工完成，因此勞動力緊張，產(chǎn)量低下。這些因素都制約著大蒜產(chǎn)量的提升。 2.長期以來，由于無序的競爭和走私，企業(yè)依靠降價來贏得消費者，結(jié)果就是價格一年不如一年。比如2001年，中國大蒜在國際市場上是0.38美元/千克，而平均國際市場價格是0.58美元/千克。這樣的低價使得美國、加拿大、朝鮮、墨西哥、巴西等國抵制中國的大蒜并征收高額的稅款，歐洲的國家實行定額限制。 3.科學研究的投入資金不足，因此缺乏高附加值的產(chǎn)品。目前，大蒜的加工讓停留在簡單的工作上，如腌制、切片和曬干，附加值極其低。進一步加工的產(chǎn)品比例較低。大蒜油的生產(chǎn)還不成規(guī)模?？茖W研究的投入不夠，新產(chǎn)品的研發(fā)也無力。[2] 4.產(chǎn)品商標意識低，使產(chǎn)品在國際市場上的競爭力不足。大蒜基本要通過二次出口才能進入國外市場，即外國客戶用小包裝再次打包并出口。[3]  2. 國外大蒜種植的最新進展 國外的種植面積遠遠不及國內(nèi)。研究主要針對以下方面。 1. 對新品種的大蒜進行選種育種。目前，世界范圍內(nèi)有種類繁多的大蒜育種研究主要針對高質(zhì)量、特殊口味、防攀緣植物、防蟲這幾個方面。新的育種方式在傳統(tǒng)的育種方式上引進了高新科技。據(jù)報道，并未產(chǎn)生難聞氣味的大蒜種類。[4] 2. 大蒜的標準化育種生產(chǎn)。大蒜產(chǎn)品開始專門化、標準化和精細化。發(fā)達國家開始實行大蒜的專業(yè)化生產(chǎn)。標準流程是這樣的：用莖培育出基本種子，在寒冷的區(qū)域加速它的繁殖，在產(chǎn)品的病毒檢測中形成嚴格的規(guī)程，建立優(yōu)質(zhì)大蒜品種系統(tǒng)。收獲的大蒜會經(jīng)過清洗、分類、打包和存儲。[5] 3. 大蒜的防毒技術。大蒜的病蟲害是減產(chǎn)的主要原因，因此造成的損失從30%上升到50%。我們把防止和治愈病毒的有效技術應用于組織培育、病毒檢查、無毒生產(chǎn)。[6] 4. 大蒜的培育管理機械化。每個地區(qū)有各自的播種、收獲、儲存曬干方法。大多數(shù)國家開始研究大面積的覆膜技術、可行的種植技術、均勻的施肥技術以及灌溉管理技術等。許多國家正在研究播種時令、播種密度、品種數(shù)量、肥料種類、肥料數(shù)量、噴霧灌溉、滴灌技術，提出了管理條例、施肥量、灌溉指標。  3. 國內(nèi)國外大蒜收獲地位的發(fā)展 收獲是種植的最重要一環(huán)，也是目標實現(xiàn)機械化的地方。這一工作直接影響商業(yè)價值和農(nóng)民收入。傳統(tǒng)的方法是用特制的挖掘鏟將大蒜從土里挖出，按田的走向鋪放，后收獲的大蒜葉覆蓋之前收獲的大蒜頭，避免陽光灼射。在田間工作5天后，農(nóng)民將蒜頭的泥土抖落，打捆，鋪在架子上，用草覆蓋避免陽光直射。另外，人們常用塑料棚來防雨。機械化程度非常低，人力投入極其大，允許的作業(yè)時間非常短。由于收獲季時間段，最好的收獲時間大約2天。緊張的收獲時間給農(nóng)民帶來了很大的不便；人們時常錯過了好時機，因此不得不延遲收獲。這與大規(guī)模種植的矛盾日益尖銳。 3.1國外大蒜收獲的發(fā)展 萊玻里（Lepori）曾用風扇來吹洋蔥，剪除洋蔥葉。相比于大蒜，蒜頭比莖稈大得多。如果采用這種方法，風扇可能把大蒜從田里整個卷起。，所以不適于大蒜收獲。[7]伯克哈特（Burkhardt）曾研究帶藤蔓的甘薯的收獲，用一個振動機構將塊莖從藤蔓上分離出來。用到大蒜上來卻不能去除莖稈。[8]達岡（Dagan）的研究是將甘薯地犁松，夾緊運送至上方的振動鏈條，塊莖就掉落到下方的鏈條上。莖稈就運送至切碎機構。由于這種方法采用了夾緊裝置，如果夾緊大蒜，其莖稈就會彎折，切碎就會很不方便且不均勻。[9]卡納福吉斯卡將甜菜地犁松，用鏈平衡裝置調(diào)整夾緊位置，用旋轉(zhuǎn)刀具切碎葉片。我們可以參考運輸速度和行進速度來設計大蒜收獲機。無疑，它將在切碎裝置上耗費大量能源。 總之，現(xiàn)存的收獲機不能直接用于收獲大蒜。大蒜收獲機必須重新設計。 3.2國內(nèi)大蒜收獲的發(fā)展 在國內(nèi)，大蒜收獲機大約有10項發(fā)明和專利。以其中的主要幾個為例，列如下： 1.4DS-2型收獲機由山東農(nóng)業(yè)大學發(fā)明，由12馬力的輪式拖拉機驅(qū)動。[11]工作過程中，大鏈輪通過張緊輪驅(qū)動小鏈輪旋轉(zhuǎn)，以此來傳遞動力。同時，小鏈輪通過錐齒輪使拋擲輪轉(zhuǎn)動。啟動后，挖掘鏟一預先設置好的深度將蒜頭從土里挖出，旋轉(zhuǎn)拋擲輪將大蒜從土里分離出來，把蒜頭拋向機器右方。限深輪的作用是調(diào)整挖掘深度。 2.4DS-75A型由山東省農(nóng)業(yè)機械局制造，由11kw的拖拉機驅(qū)動。[12]該機器不僅能用于大蒜的收獲，還能用于花生、土豆的收獲。全車由四部分組成。挖掘部分裝在前部，由限深輪、挖掘鏟、網(wǎng)格輸送裝置組成。水平運輸部分用網(wǎng)格將土里的大蒜篩選出來。垂直運輸帶在運輸過程中使大蒜與地面脫離，并把大蒜運到拖拉機后面。升降部分采用液壓系統(tǒng)，負責整個機器的起落。 3.山東農(nóng)業(yè)工程學院正在研究收獲和培育機器。它與12馬力的拖拉機配套使用。它的前部就像個小型協(xié)同工作的機器它安裝在拖拉機的緩沖器上，依靠液壓控制升降。收獲的大蒜在前方整齊排列，以避免與拖拉機碰擦產(chǎn)生磨損。 4.張昭君發(fā)明了一種收獲大蒜的機器，需12馬力的輪式拖拉機配合使用。[13]安裝在前方的挖掘裝置將大蒜從土里挖出。挖掘裝置是由冷軋鋼表面鍍鉻制成。隨著拖拉機緩慢運轉(zhuǎn)，鏟子不斷從指定深度將大蒜掘起?；旌衔镞M入運輸帶。運輸部分由4個鏈輪以及鏈條構成。它的線速度遠大于行進速度。相互嚙合的齒輪帶著鏈條深入泥土里大蒜的兩側(cè)，抖掉塵土。然后振動篩開始振動分離。之后我們就得到了干凈的大蒜。 5.鐘奮JH-3型大蒜收獲機由河南省農(nóng)業(yè)機械局研制，其配備有小功率的拖拉機。[14]大蒜由犁刨出，用帶狀裝置夾緊，抖土，切莖，留下完整的大蒜頭。 3.3塊莖類作物與塊根類作物特性的對比 人們常用塊根類和塊莖類作物的收獲機來收獲大蒜，比如收獲土豆、甘薯、胡蘿卜等的機器。但從生物特性來看，它們是不同的。 土豆是一年生草本植物，隸屬于茄科，生長在中國的大部分地區(qū)，是一種重要的食品、工業(yè)材料、飼料，莖稈直立，約有80cm高。它的葉子是綠色的，且復葉較大。它的塊根分布集中，有圓形，橢圓形、縱向等幾種。[15]收獲土豆大多采用挖掘鏟直接從土里把土豆挖出來，這樣，利用清理部分的振動篩，得到干凈的土豆。從生物特性可以看出，土豆生長得并沒有大蒜集中。如果我們將大蒜和泥土一起收上來，能源大部分消耗在抖土上，無用功很多。同時，土豆莖的抗拉能力不及大蒜莖，土豆的種植方法也與大蒜不同，所以我們不能直接用這種方法收獲大蒜。 1.甘薯是多年生蔓生草本塊根類植物，屬旋花科，遍布大江南北。它莖稈細長，在土里蔓延，有綠色的頂葉。它的果實有紡錘形、長橢圓形、掌型、片型等等。[16]對收獲甘薯的研究目前已經(jīng)少多了，大多采用虛擬的手段。收獲過程從田邊開始，農(nóng)民按照塊根的長度挖出溝，直至塊根暴露出來，然后手握上部，用鏟子切斷下面的根，小心取出，避免損傷。從生物特性來看，甘薯的塊根比大蒜大，種植深度比大蒜深，所以收獲甘薯需要更大的動力，同時甘薯表皮的抗破壞能力更好。 2.蘿卜是兩年生草本蔬菜，屬十字花科，由根頭、根莖和真根組成。它的主根能達到地下一米左右的深度，大多數(shù)旁根散布在地下20-40cm之間。前者有狹長、圓形、圓錐形等形狀。主花莖能達到1.5m高，莖節(jié)比較硬，葉片有直立、半直立以及平坦這幾種狀態(tài)。[17]因蘿卜的種植并沒有形成規(guī)模，故很少有機械化收獲蘿卜的研究。從生物特性來看，蘿卜根是最大的，較重也更深。如果直接挖掘，消耗能量巨大，故我們采用松土和握持機構。 3.胡蘿卜是兩年生草本植物，屬于傘形科。它的根蔓延非常廣，能達地下兩米，主根分布在地下20-90cm之間。莖葉有1.5米高；莖節(jié)巨大而有強度。它有綠色的葉子，但很小，表面長有細軟的絨毛。果實呈長橄欖型。[18]很少人研究機械化收獲胡蘿卜，因為其經(jīng)濟價值不高。從生物特性來看，胡蘿卜的果實比大蒜更深，較適合用握持的方法收獲。 4.洋蔥是多年生植物，屬百合科，有單套結(jié)根系。它的主根分布在30cm的土壤下，水平半徑約30cm，葉子筆直，長圓形，中空。收獲洋蔥大多采用人力，手犁，曬干，初步打捆。從生物特性來看，機械化收獲洋蔥還是比較簡單的，因為大多數(shù)果實在地表之上，適合握持，但是必須測試握持力，以免夾傷洋蔥。 5.大蒜是多年生植物，屬百合科，有單套結(jié)根系，喜暖怕寒，有馥郁氣味，必備的應季食品。它的根主要分布在土下20-25cm，水平半徑約30cm，根須較少，吸收能力弱。上部的莖呈綠色，下部呈白色或紫色，長20cm。葉子呈針狀，表面平滑，長約30cm。從生物特性可以看出，蒜頭分布集中，較淺，抗拉能力強。但是值得注意的是，收獲的時候傷蒜率大，直接影響了大蒜的價格、質(zhì)量以及品級等。  4. 機械化收獲大蒜的解決工藝 以大蒜的生物學特性為基礎，結(jié)合機械化分析，我們試圖找出可行的方案。 1. 我們采用松土工藝來減少夾緊力。同時，這種方法也有助于減少大蒜頂部的傷害。分析了松土部件后，我們發(fā)現(xiàn)了松土工藝的重要性。另外，在優(yōu)化設計中，我們可以減少動力損耗，減輕蒜頭與泥土之間的力，然后就可以放下可行的松土工藝。 2. 我們找出了大蒜的重心，計算出植株的慣性參數(shù)，把它作為夾持部位、夾持高度以及牽引部位的依據(jù)。通過對方差的分析，我們確定，頂部要盡量少破壞。同時，我們考慮采用可調(diào)整的方式來適用于不同種類的大蒜。 3. 通過力學分析，我們測試了大蒜的夾持力，以及握持角度，牽引角度，牽引高度。同時，必須考慮夾持設計的穩(wěn)定性以及傷蒜問題。 4. 精準定位以及排列好之后，我們必須清理蒜頭周圍的粘土。 5. 我們能切去大蒜的莖稈，并把干凈的蒜頭輸送回地面來為收集做準備。綜合所有的工藝順序，我們得出結(jié)論：一個可行的收獲工藝，包括松土、夾持、清土、按長度排列，切除莖稈等。 來源： Jiannong Song，Jianjun Liu. Mechanized Harvest of Garlic: A Review.[A]. Collection of Extent Abstracts of 2004 CIGR International Conference Volume.2[C].2004