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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
外文翻譯
大蒜的機(jī)械化收獲之回顧
宋建軍，碩士
中國(guó)，北京市，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，郵編：100083，郵箱：songjn@cau.edu.cn
劉建軍
中國(guó)，北京市，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，郵編：100083，郵箱：ljj9751@126.com
為2004年北京國(guó)際農(nóng)業(yè)工程委員會(huì)（CIGR）國(guó)際會(huì)議撰稿，該會(huì)議由國(guó)際農(nóng)業(yè)工程委員會(huì)、加拿大航空醫(yī)學(xué)會(huì)（CSAM）和加拿大農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)（CSAE）聯(lián)合贊助。
中國(guó)北京
2004年10月11日至14日
摘要
大蒜是中國(guó)的主要經(jīng)濟(jì)作物之一。最近幾年大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的大蒜在國(guó)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(guó)內(nèi)大蒜產(chǎn)業(yè)的問題。本文通過分析一些機(jī)械收獲設(shè)備的功能，與一些花生和塊莖類作物的生物特性及機(jī)械化收獲方法，提出了可行的大蒜機(jī)械化收獲工藝。
關(guān)鍵詞：大蒜；機(jī)械化收獲；討論；分析
簡(jiǎn)介
大蒜的種植可追溯到中國(guó)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(fèi)者青睞。中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展也離不開大蒜。隨著黨的一號(hào)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(jìn)一步推動(dòng)了國(guó)家復(fù)興，維護(hù)了社會(huì)穩(wěn)定，繁榮了主要大蒜生產(chǎn)區(qū)的經(jīng)濟(jì)，增加了農(nóng)民收入。
1. 國(guó)內(nèi)及國(guó)際大蒜種植的基本情況
據(jù)聯(lián)合國(guó)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(dá)1135000平方公頃，產(chǎn)量達(dá)12234000噸。在中國(guó)，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(guó)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(guó)，種植面積為18000平方公頃，產(chǎn)量為336800噸。在美國(guó)，大蒜的種植面積是20年前的4倍，并且增長(zhǎng)趨勢(shì)日益明顯。
中國(guó)的最早種植區(qū)在山東、江蘇、陜西、山西、以及河南省。目前國(guó)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(guó)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(tái)縣和微山縣，環(huán)繞著金鄉(xiāng)縣，形成了中國(guó)最大的大蒜種植區(qū)，面積達(dá)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(dá)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(yáng)縣、通許縣、臨潁縣等地的農(nóng)民也種植大蒜。河南省是中國(guó)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(yáng)縣超過12000平方公頃，大豐縣為8000平方公頃。另外泰昌市、寶應(yīng)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(yuǎn)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(dāng)陽(yáng)，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(guó)際市場(chǎng)份額。2001年，超過100個(gè)人國(guó)家和地區(qū)從中國(guó)進(jìn)口大蒜。其中，印尼是最大的進(jìn)口國(guó)。其進(jìn)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(jìn)口國(guó)，曾在2001年進(jìn)口51600噸。其中一部分在國(guó)內(nèi)銷售，大多數(shù)轉(zhuǎn)運(yùn)到其他歐洲國(guó)家。其他的進(jìn)口國(guó)包括：馬來西亞，進(jìn)口150700噸；日本35100噸；朝鮮30000噸；阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)21000噸；菲律賓17500噸。美國(guó)在2001年前很少向中國(guó)進(jìn)口大蒜，當(dāng)年進(jìn)口了5000噸，從2003年看出進(jìn)口量上升趨勢(shì)迅猛。
1.1目前中國(guó)存在的主要問題
1.機(jī)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(jī)械運(yùn)作，基本全由手工完成，因此勞動(dòng)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(zhǎng)期以來，由于無序的競(jìng)爭(zhēng)和走私，企業(yè)依靠降價(jià)來贏得消費(fèi)者，結(jié)果就是價(jià)格一年不如一年。比如2001年，中國(guó)大蒜在國(guó)際市場(chǎng)上是0.38美元/千克，而平均國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格是0.58美元/千克。這樣的低價(jià)使得美國(guó)、加拿大、朝鮮、墨西哥、巴西等國(guó)抵制中國(guó)的大蒜并征收高額的稅款，歐洲的國(guó)家實(shí)行定額限制。
3.科學(xué)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(jiǎn)單的工作上，如腌制、切片和曬干，附加值極其低。進(jìn)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。科學(xué)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(biāo)意識(shí)低，使產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力不足。大蒜基本要通過二次出口才能進(jìn)入國(guó)外市場(chǎng)，即外國(guó)客戶用小包裝再次打包并出口。[3]
2. 國(guó)外大蒜種植的最新進(jìn)展
國(guó)外的種植面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及國(guó)內(nèi)。研究主要針對(duì)以下方面。
1. 對(duì)新品種的大蒜進(jìn)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(duì)高質(zhì)量、特殊口味、防攀緣植物、防蟲這幾個(gè)方面。新的育種方式在傳統(tǒng)的育種方式上引進(jìn)了高新科技。據(jù)報(bào)道，并未產(chǎn)生難聞氣味的大蒜種類。[4]
2. 大蒜的標(biāo)準(zhǔn)化育種生產(chǎn)。大蒜產(chǎn)品開始專門化、標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)化。發(fā)達(dá)國(guó)家開始實(shí)行大蒜的專業(yè)化生產(chǎn)。標(biāo)準(zhǔn)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(cè)中形成嚴(yán)格的規(guī)程，建立優(yōu)質(zhì)大蒜品種系統(tǒng)。收獲的大蒜會(huì)經(jīng)過清洗、分類、打包和存儲(chǔ)。[5]
3. 大蒜的防毒技術(shù)。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(shù)應(yīng)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(jī)械化。每個(gè)地區(qū)有各自的播種、收獲、儲(chǔ)存曬干方法。大多數(shù)國(guó)家開始研究大面積的覆膜技術(shù)、可行的種植技術(shù)、均勻的施肥技術(shù)以及灌溉管理技術(shù)等。許多國(guó)家正在研究播種時(shí)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(shù)，提出了管理?xiàng)l例、施肥量、灌溉指標(biāo)。
3. 國(guó)內(nèi)國(guó)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(biāo)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的地方。這一工作直接影響商業(yè)價(jià)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(yáng)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(yáng)光直射。另外，人們常用塑料棚來防雨。機(jī)械化程度非常低，人力投入極其大，允許的作業(yè)時(shí)間非常短。由于收獲季時(shí)間段，最好的收獲時(shí)間大約2天。緊張的收獲時(shí)間給農(nóng)民帶來了很大的不便；人們時(shí)常錯(cuò)過了好時(shí)機(jī)，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(guó)外大蒜收獲的發(fā)展
萊玻里（Lepori）曾用風(fēng)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(fēng)扇可能把大蒜從田里整個(gè)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(gè)振動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dá)岡（Dagan）的研究是將甘薯地犁松，夾緊運(yùn)送至上方的振動(dòng)鏈條，塊莖就掉落到下方的鏈條上。莖稈就運(yùn)送至切碎機(jī)構(gòu)。由于這種方法采用了夾緊裝置，如果夾緊大蒜，其莖稈就會(huì)彎折，切碎就會(huì)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(yùn)輸速度和行進(jìn)速度來設(shè)計(jì)大蒜收獲機(jī)。無疑，它將在切碎裝置上耗費(fèi)大量能源。
總之，現(xiàn)存的收獲機(jī)不能直接用于收獲大蒜。大蒜收獲機(jī)必須重新設(shè)計(jì)。
3.2國(guó)內(nèi)大蒜收獲的發(fā)展
在國(guó)內(nèi)，大蒜收獲機(jī)大約有10項(xiàng)發(fā)明和專利。以其中的主要幾個(gè)為例，列如下：
1.4DS-2型收獲機(jī)由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)明，由12馬力的輪式拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)。[11]工作過程中，大鏈輪通過張緊輪驅(qū)動(dòng)小鏈輪旋轉(zhuǎn)，以此來傳遞動(dòng)力。同時(shí)，小鏈輪通過錐齒輪使拋擲輪轉(zhuǎn)動(dòng)。啟動(dòng)后，挖掘鏟一預(yù)先設(shè)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(jī)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(jī)械局制造，由11kw的拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)。[12]該機(jī)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(yùn)輸部分用網(wǎng)格將土里的大蒜篩選出來。垂直運(yùn)輸帶在運(yùn)輸過程中使大蒜與地面脫離，并把大蒜運(yùn)到拖拉機(jī)后面。升降部分采用液壓系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)器的起落。
3.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院正在研究收獲和培育機(jī)器。它與12馬力的拖拉機(jī)配套使用。它的前部就像個(gè)小型協(xié)同工作的機(jī)器它安裝在拖拉機(jī)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(jī)碰擦產(chǎn)生磨損。
4.張昭君發(fā)明了一種收獲大蒜的機(jī)器，需12馬力的輪式拖拉機(jī)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(jī)緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)，鏟子不斷從指定深度將大蒜掘起?；旌衔镞M(jìn)入運(yùn)輸帶。運(yùn)輸部分由4個(gè)鏈輪以及鏈條構(gòu)成。它的線速度遠(yuǎn)大于行進(jìn)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(dòng)篩開始振動(dòng)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(jī)由河南省農(nóng)業(yè)機(jī)械局研制，其配備有小功率的拖拉機(jī)。[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(duì)比
人們常用塊根類和塊莖類作物的收獲機(jī)來收獲大蒜，比如收獲土豆、甘薯、胡蘿卜等的機(jī)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(zhǎng)在中國(guó)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(fù)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(dòng)篩，得到干凈的土豆。從生物特性可以看出，土豆生長(zhǎng)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(shí)，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(xì)長(zhǎng)，在土里蔓延，有綠色的頂葉。它的果實(shí)有紡錘形、長(zhǎng)橢圓形、掌型、片型等等。[16]對(duì)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(zhǎng)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(dòng)力，同時(shí)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(dá)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(zhǎng)、圓形、圓錐形等形狀。主花莖能達(dá)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(jī)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(jī)構(gòu)。
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(dá)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(qiáng)度。它有綠色的葉子，但很小，表面長(zhǎng)有細(xì)軟的絨毛。果實(shí)呈長(zhǎng)橄欖型。[18]很少人研究機(jī)械化收獲胡蘿卜，因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)價(jià)值不高。從生物特性來看，胡蘿卜的果實(shí)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(zhǎng)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(jī)械化收獲洋蔥還是比較簡(jiǎn)單的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)果實(shí)在地表之上，適合握持，但是必須測(cè)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(yīng)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(zhǎng)20cm。葉子呈針狀，表面平滑，長(zhǎng)約30cm。從生物特性可以看出，蒜頭分布集中，較淺，抗拉能力強(qiáng)。但是值得注意的是，收獲的時(shí)候傷蒜率大，直接影響了大蒜的價(jià)格、質(zhì)量以及品級(jí)等。
4. 機(jī)械化收獲大蒜的解決工藝
以大蒜的生物學(xué)特性為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)械化分析，我們?cè)噲D找出可行的方案。
1. 我們采用松土工藝來減少夾緊力。同時(shí)，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(shè)計(jì)中，我們可以減少動(dòng)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(jì)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(duì)方差的分析，我們確定，頂部要盡量少破壞。同時(shí)，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(xué)分析，我們測(cè)試了大蒜的夾持力，以及握持角度，牽引角度，牽引高度。同時(shí)，必須考慮夾持設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性以及傷蒜問題。
4. 精準(zhǔn)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(zhǔn)備。綜合所有的工藝順序，我們得出結(jié)論：一個(gè)可行的收獲工藝，包括松土、夾持、清土、按長(zhǎng)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