夏先飞，杨光，陈巧敏，宋志禹，梅松，金月

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

食用豆是人类三大食用作物之一(禾谷、食用豆及薯类)，在粮食作物中的数量仅次于禾谷类，在保障粮食安全方面发挥着重要作用。其具体是指除大豆外，以收获籽粒为主，供人类食用的豆科作物总称，如蚕豆、芸豆、豌豆、绿豆、小豆等，我国种植面积最高时近7 000 khm2，种植种类和面积均居全球之首。食用豆具备高蛋白、低脂肪、中淀粉的特点，可粮菜兼用、药食同源，是人类理想的保健食品和优质饮食品加工原料[1-2]。同时，与食用豆根系共生的根瘤能固定空气中的氮素进而培肥土壤，被誉为“养人、养畜、养地”的三养作物，在人类生活和国民经济发展中占有重要地位[3-4]。鉴于其独特的生理特性，食用豆是因地制宜实施豆类与玉米等作物间作、轮作种植制度和发展绿色农业的理想作物，在解决老少边区粮食安全、保障农牧民增收致富、改善广大居民膳食结构、保护农业多样性等方面具有重要意义。

食用豆种类多、地域分布广、种植模式多样，当前其机械化生产水平较为低下，与之对应的高效生产装备缺乏，特别是收获环节，机收损失高，部分豆种大都依靠人工割晒和脱粒，核心产区因机械化水平落后而出现了种植面积萎缩的情况，极大限制了产业发展。习近平总书记在党的十九大报告中提出“要实施乡村振兴战略，就是要彻底解决农村产业和农民就业问题，确保当地群众长期稳定增收、安居乐业”。在“十四五”全国农业机械化发展规则中也特别提出“要补齐粮食全程机械化短板，构建粮食全程机械化高效生产体系”。食用豆生产机械化是粮食作物生产中的短板，其机械化收获更是“短板中的短板”。因此本文结合当前国内外食用豆产业的生产发展及研究现状，在此基础之上开展了食用豆机械化收获特性分析，提出了食用豆机械化收获适用的减损技术与策略。研究结论对解决当前产业“掉链子”、突破机械化生产“卡脖子”问题具有重要的参考价值。通过减损技术的应用可有效促进产业发展提质增效，对实施乡村振兴战略中产业新旺和农业农村现代化具有重要意义。

1.1 国内外食用豆机械化生产现状

世界上食用豆主要生产国为中国、加拿大、美国、澳大利亚等，其中加拿大、美国、澳大利亚等国经过较长时间的联合科研攻关，其生产在品种选育、宜机化栽培、高效田间管理及机械化收获等方面均有成熟的技术及生产机具应用，农机农艺实现了较高程度的融合。其规模化种植适合大型机械作业，目前国外的农机企业已研发出豌豆等多类品种适用的播种和收获大型生产装备，实现了较高程度的全程机械化生产，机具适应性强、生产效率高。而东南亚国家的绿豆等食用豆生产受制于生产规模分散及农机研发投入少等因素，目前仍以人工或者半机械化生产为主，总体机械化水平较低。

我国食用豆长期处于中小规模生产阶段，且多分布在边远地区，实现机械化生产作业难度大，相关专用机具研发起步晚。长期以来食用豆生产基本上停留在人工劳作为主的阶段，人工作业费用约占整个生产成本的50%以上。部分产区采用适度改进的稻麦收获机进行作业，机收破损率和损失率极高，无法满足高效生产要求。随着我国种植业结构调整的深化及集约化农业生产的推进，目前粮食生产已逐步向专业化、规模化方向发展。食用豆由于其旺盛的市场需求，种植面积逐年增加，且作为我国重要的食用作物，在保障粮食安全方面发挥着重要作用。当前食用豆生产中的耕作、播种和田间管理等环节已初步实现机械化，但收获阶段仍缺乏高效适用的专用化装备，已成为制约其产业快速发展的主要障碍。

1.2 食用豆机械化收获技术研究现状

国内食用豆机械化收获主要采用分段收获和联合收获两种技术模式[5]，经调研，目前联合收获是食用豆机械化生产的主流技术方向，相关研究也主要围绕该技术路径进行。赵继云等分析了豌豆机械化生产技术路径与发展趋势，其团队研发出豌豆分段收获机具用于生产。申晓庆等在稻麦联合收割机技术原理之上优化研发出绿豆联合收割机，并进行相关田间试验。张燕青[6]、侯华铭[7]对杂粮作物的机械化收获茎秆切割力学特性、联合收获清选动力学特性进行分析，建立了相应的力学模型。史瑞杰等[8]研发出自走式杂粮联合收割机，田间试验取得良好效果。杨光等[9]研发出新型蚕豆联合收割机，填补了该类专用机械的技术空白。由于与食用豆密切相关的研究成果不多，但相对成熟的与稻麦、大豆和玉米联合收获相关的技术成果可借鉴，目前研究热点主要集中在低损防堵割台、大喂入量脱粒清选、切纵轴组合脱粒和智能化技术等方面[10-14]。

国外方面，当前智能化农机发展迅速[15]，荷兰某公司研发出EPD540型鲜豌豆收割机，高度集成了先进的自动化和信息化技术，在欧洲、美国、加拿大等地区的豆类种植农场中使用广泛[16]。美国某公司生产的2430多功能收获机，可用于青豆角、毛豆、鲜豌豆的收获，在进行收割作业时具有较高的自动化[17]。这种高效率、智能化的收获机械在收割豌豆时极大地减轻了劳动力负担，提高了收获质量，对促进农业发展和农民增收起到了重要作用。但是，这种大型收割机械只适合于国外的农场环境收割，对我国山区丘陵和中小规模种植环境不适合，且这种大型收割机械制造成本和服务极高。

对于杂粮联合收获装备，要实现低损高效作业，需对仿形割台、低破损脱粒装置和高效清选系统等新机构和部件进行研究开发。下面从割台减损和脱粒清选技术两个方面总结国内外相关研究成果。

1.3 割台减损技术研究现状

李灿[18]针对谷子联合收获中存在割台损失大的问题，设计了谷子收获适用的专用低损割台，并进行了拨禾和分禾过程的机理和试验研究。陈进等[19]设计了一种联合收获机割台参数调节装置，实现了联合收获机割台参数的电动调节，对减小谷物割台损失和降低机器故障率具有积极意义。刘羊[20]针对油葵机械化收获需求，研发出链式拨禾油葵割台，设计了滑切角恒定的回转式切割器，并通过台架试验确定了切割装置较优工作参数。为解决谷物联合收割机割台损失和残留问题，李毅念等[21]设计了一种气吹式割台，经试验表明采用该结构型式割台残留量少、总损失率低。李海同等[22]为解决喂入量波动导致油菜联合收割机割台堵塞的问题，设计了一种割台螺旋输送器间隙自适应调节机构，实现了喂入量变化时自动调节输送器与底板之间的间隙，从而避免割台堵塞，降低割台损失。姚艳春等[23]针对联合收割机作业时割台振动剧烈、故障率较高等问题，对割台振动特性及其影响规律进行了研究，提出了有效减振措施。张聪[24]针对联合收割机割台高度无法实时快速调整带来的机收损失问题，开发出一种割台仿形测控系统，并对其数据处理方法和自动控制策略进行了深入研究。刘巍等[25]针对现有油葵联合收割机割台易堵、物料堆积以及拨禾轮回带等问题，设计了一种新型油葵联合收割机专用割台，并经试验得到了较优工作参数，结果表明该结构型式的割台显著降低了割台堵塞和缠绕现象。针对联合收割机作业时的共振问题，李耀明等[26]对割台机架进行了模态试验验证及理论分析，并进行了结构优化，试验表明优化结构有效避免了割台共振。耿爱军等[27]通过试验研究了玉米收割机割台拉茎辊空转功率与工作功率的关系，明确了拉茎辊转速、摘穗板间隙对断茎率、果穗损失率、损伤率的影响规律。

割台是作物进入联合收获机的第一步，总结已有研究成果，降低联合收获机割台作业损失的主要技术路径：采用新型结构，包括新的拨禾和输送形式等；
采用仿形装置，包括机械仿形和液压仿形等；
割台高度等自适应调节技术，通过相关传感器检测作业条件，实现参数自动调节；
割台作业参数及核心机构优化，降低割台振动和作业损失。

1.4 脱粒清选技术研究现状

脱粒技术方面，宁小波等[28]对脱粒装置的运动机构进行了理论和试验研究，建立了脱粒系统动力学模型，并通过试验进行了验证。基于碰撞理论和能量平衡原理，王显仁等[29]对水稻脱粒碰撞过程进行了理论分析，建立了脱粒元件线速度和脱粒破碎率之间的数学模型。金诚谦等[30]研究了不同滚筒结构对大豆联合收获质量的影响，得出了在不同作业条件下较优的脱粒组合结构。笪强[31]对谷物联合收割机脱粒理论、结构及性能仿真试验方面进行了研究，得到了较优的脱粒组合结构。针对高含水率玉米联合收获问题，王镇东等[32]设计了一种纹杆式脱粒元件，并通过仿真和试验分析，得出较优纹杆参数组合，经试验发现对降低破碎率效果显著。清选分离方面，为解决联合收获机因喂入量波动而导致作业性能下降及滚筒堵塞，李耀明等[33]设计了一种凹板间隙调节系统和脱粒滚筒负荷监测装置，分析了喂入量和凹板间隙对油压力以及脱粒分离性能的影响规律。唐小涵等对联合收割机脱粒分离装置的脱粒原理、结构以及关键部件设计等方面进行了研究，指出脱粒分离装置未来将朝着高效率、广适应性和智能化方向发展。徐立章等[11]对谷物联合收获清选装置的结构、内部气流场和物料运动及清选装置智能化技术的研究进展进行了归纳总结，指出高性能、高效率、高可靠性、通用性和智能化将是该项技术的发展方向。王立军等[34]对谷物联合收获筛分装置的研究现状和方法进行了分析，指出筛分装置将向大喂入量、高效率、高质量方向发展，并能实现实时控制与精准智能筛分。针对传统式油菜风筛清选装置的不足，廖庆喜等[35]设计了一种油菜适用的旋风分离清选系统，并得到了较优参数组合。陈巧敏等[36]设计了一种食用豆联合收割机所用的输送机构，通过采用刮板和平置输送带代替水平和垂直绞龙输送，有效缓解绞龙输送引起的籽粒破碎问题。

农业农村部南京农业机械化研究所研发出一种新型食用豆收获适用的低损脱粒和清选机构，如图1、图2所示。图1所示的脱粒试验装置主要由开式脱粒滚筒和闭式脱粒滚筒组成，前端为闭式滚筒，脱粒元件按不同脱粒需求布置的长、短纹杆；
后端为开式滚筒，脱粒元件为钉齿和长纹杆，与脱粒分离相关的核心装置为间隙可调的凹板筛，脱粒滚筒转速、钉齿和纹杆与凹板筛间隙可调。该组合装置前端的闭式脱粒可以使豆粒在搓揉作用下从豆荚中脱出，降低脱粒破碎；
后端开式机构一方面可使籽粒和秸秆快速分离，另一方面可将未脱出的豆粒进一步击打分离，提高脱净率。

图1 组合低损脱粒机构

图2所示的横置式清选装置核心部件主要由横置振动筛体、多类导料板、网格式上筛面、可换下筛面、负压排杂风机等组成。拟通过不同筛面结构、筛体变振幅复合运动、多层筛分分离和动态负压清选等技术方案实现粗杂余和籽粒上筛面分离清选、中小杂余下筛面负压清选和小杂余下筛过滤等功能，同时通过可调倾斜角度的横置筛面及振动运动，进行籽粒由脱粒滚筒下落后到进入粮仓通道的横向输送。

图2 横置式风力清选机构

脱粒清选属于作物联合收获的核心环节，对控制机收减损作用重大。当前谷物联合收获在脱粒和清选方面的研究成果可用于食用豆机械化收获，但其适用性还需进一步研究，特别是针对异型籽粒、高含水率品种的机械化收获，需进一步创新设计相关机构或应用新的脱粒清选方法，以达到降低脱粒、输送破碎和清选损失，提高机收质量。

2.1 食用豆机收特殊性

当前我国农作物耕种收综合机械化率已超过70%，其中小麦机收率达97%，逐步适应了重质量、降成本、提效率的现代农业生产需要。食用豆作为杂粮作物，受重视程度尚不够，对于其专用生产机具的研发更是少之又少，已有机具收获作业损失普遍偏高。相对于水稻、小麦和玉米等主要粮食作物，食用豆机械化收获又存在以下的特殊性。

1) 食用豆品种多、籽粒不规则。我国种植面积较大的食用豆有10余种，籽粒尺寸从小到大均有，多数豆种籽粒形状不规则且几何尺寸差异极大，在脱粒清选环节中存在物料组分复杂、籽粒脱粒输送破损高、各组分物料分离难度大等特点。例如芸豆、豇豆的长宽比最大可达5，蚕豆形状平扁比大于3，在机收过程中，籽粒损伤和损失特别高，部分机型综合损失率(仅脱粒破碎及清选损失)高于20%。

2) 有效结荚位偏低、易炸荚。食用豆为结荚类作物，目前的品种选育已逐步向宜机化方向发展，但大部分食用豆在成熟后，豆荚会下垂，从而使有效结荚位降低，给机械化收获带来难度。例如红小豆荚长一般在7～9 cm左右，成熟后会下垂，此时荚底端距地面较近，机器作业时割刀很容易切割豆荚，造成裂荚。同时部分品种在完熟期后，豆荚抗裂荚能力低，且种植密度较大时各分枝间会相互缠绕，在受到拨禾轮的作业扰动时，豆荚极易炸裂，带来损失。如遇倒伏情况，该类豆种机收难度更大。

3) 成熟期不一致，部分豆种收获时枝叶含水率高。绿豆等豆种大都为无限花序，即一边成熟一边收获，为保障较高的产量和降低收获损失，在部分籽粒没达到完全成熟时便需进行收获，此时豆叶大都未脱落，物料含水率较高。机收时会造成清选分离困难，小籽粒豆种极易和秸秆、豆荚夹杂混合，脱粒清选损失高，同时高含水率收获会使机收籽粒品质降低，影响销售价格。

4) 部分区域农艺配套不足。部分产区食用豆为起垄种植，豆荚成熟后，结荚底端可能低于垄面，如品种直立性不好，则大部分豆荚在垄面以下，机械化收获损失极高或者很难进行。另外，不同产区的种植行距不统一，对收割机割幅规格要求复杂。同时部分豆种还存在撒播现象，种植密度不科学，太密会使分枝交叉过于紧密，不利于分禾，太稀则会在收获期较易形成草害，增加机收难度。

2.2 现有谷物联合收获技术适用性分析

谷物联合收获技术历经近百年的研究探索，已较为成熟，当前正朝着自动化、智能化方向发展，其现有的技术基础为解决食用豆机械化收获问题提供了较好的方案，例如底盘、割台、轴流脱粒技术等。但食用豆多为中小适度规模生产，当前中小型谷物联合收割机上多采用开式钉齿单纵轴流脱粒、风筛式清选和绞龙物料输送，结合食用豆生产的实际特点，现有技术方案对于实现其高质低损机械化收获仍有一定局限。

主要体现在以下几个方面：开式高速钉齿脱粒会造成不规则籽粒豆种高破碎，特别是大粒型和不规则籽粒豆种，即使在拆除部分谷物收获机脱粒装置的脱粒元件后，高破碎现象仍难以解决；
绞龙输送会对不规则籽粒带来损伤，经试验对于大粒型豆种仅绞龙单次输送带来的破碎率就超过5%，部分机型有应用链板式结构进行垂直提升，但水平方向仍采用绞龙输送；
食用豆收获时含水率高，特别是叶片和秸秆在脱粒和输送过程破碎后形成的浆状物极易在收获籽粒表面形成“泥花脸”，从而降低籽粒商品性，用户接受程度低；
食用豆荚壳多，在高含水率情况下，脱出籽粒同秸秆、豆荚易粘黏，采用风筛式清选会带来夹带损失偏高；
另外，食用豆产量普遍在4 500 kg/hm2以内，在相同作业速度下，收获机作业的喂入量远低于稻麦收获过程，如选用合理的脱粒清选元件，往往脱净率较高，不需要复脱环节。

国家对粮食减损工作愈发重视，减少机收环节损耗是增加粮食产量的重要措施，降低机收损耗就是增加粮食产量，在此背景下需更进一步推进食用豆机收提质减损工作，力争“颗粒归仓”。食用豆机械化收获损失主要包括割前损失、割台损失、脱粒损失和清选损失几部分。割前损失与气候、品种、种植模式和收获时间等关联，割台损失、脱粒损失和清选损失与机械装备条件和机械操作密切相关，是当前食用豆机收工作中需重点关注和解决的问题。融合农机农艺，从收获装备技术条件出发，解决食用豆机收损失偏大的问题需要从以下几个方面综合考虑。

3.1 宜机化品种筛选及种植农艺

宜机化品种筛选应用和适宜的配套种植农艺及收获前条件准备是实现食用豆高效低损收获的首要前提，也是规模化食用豆生产需优先考虑的问题，这类问题的解决能有效降低割前损失，同时为机械化收获创造良好的作业条件。

1) 宜机化品种筛选及应用。适宜的品种是降低机收损失、提高产量的重要前提。株型紧凑、抗倒伏，结荚位高且集中，成熟期一致、耐裂荚，籽粒规则，成熟期落叶性能好是理想的机收品种。因此，需进一步完善食用豆适宜机械化收获评价标准体系，对选育的食用豆优势品种进行机械化收获试验，获取其机械化生产特性数据，并提出与之匹配的机械化生产技术模式。并绿系列绿豆和青蚕系列蚕豆是优异的宜机化品种，显著特点是结荚位高且集中，成熟一致性好，且收获期豆叶均自然脱落。

2) 适宜的种植农艺及收前准备。对于结荚位较低或者成熟后豆荚易下垂品种，不建议高垄种植，可考虑覆膜等手段进行保墒，种植行距、密度在同一产区进行规范。根据气候情况对成熟期进行预判，适期收获。避免收获过早，籽粒成熟少、影响产量，收获过晚，裂荚掉粒多，同时加强田间管理，避免收获前草害影响。对于成熟后不易落叶品种，建议在收获前适期喷洒脱叶剂，经试验表明草铵膦或乙烯利复合组剂对食用豆机收前脱叶效果较好，且在机收籽粒中无药剂残留。施用乙烯利复合组剂的中绿5号绿豆前后对比，发现脱叶不落荚，对提高机械化收获性能效果显著。

3.2 联合收获各环节协同减损

联合收割机是实现食用豆低损收获的重要载体，且要使用食用豆专用收获机具，这样可在更大程度上降低收获损失、提高机收品质。低损收获割台、高效脱粒清选和物料低损输送技术是实现机械化减损收获的三大核心技术。

1) 低损收获割台。采用低损割台是降低割台损失的有效措施，主要包括可调速低损拨禾机构和挠性仿形装置。相对谷物联合收割机，食用豆联合收获拨禾轮转速要低，不宜采用金属拨齿，经试验表明柔性梳刷或低密度排列组合的塑料拨齿在拨禾喂入时会显著降低裂荚现象。挠性仿形装置可使割台在前进作业过程中根据地形条件自行调节割台高度，相对刚性割台可使切割作业高度稳定一致，避免因地形突变或机手操作不当造成割台铲土、低位荚切割不到位和割台高度频繁变化带来裂荚损失等情况。

2) 低损脱粒清选技术。脱粒清选属于作物联合收获过程的核心环节，食用豆机收在脱粒清选环节中物料组分复杂、籽粒脱粒破损高、各组分物料清选分离难度大。应用新型脱粒清选机构并实现对脱粒清选环节各参数的有效调控是实现低损脱粒清选的有效技术路径。通过对脱粒方式、脱粒滚筒型式、脱粒元件组合及分布、脱粒间隙和清选方式、清选风速和清选物料输送等方面进行的多轮试验研究和机构优化，提出了一种食用豆低损脱粒清选方案，经试验验证，脱粒清选效果达到预期效果，脱粒破碎率、清选含杂率和损失率均大幅降低，以“通蚕鲜”系列大粒型蚕豆为例，破碎率低于3%，含杂率低于2%。

3) 物料低损输送技术。常规谷物联合收割机水平及垂直输送多采用绞龙型式，对于不规则豆种，输送破碎高。在食用豆机收实践中，对比水平带式输送、垂直斗式提升和垂直风力输送等几类物料输送形式。其中水平带式输送在籽粒清选净度高、含水率低的情况下，输送效果好；
垂直斗式提升输送能力强，适应高含杂情况输送，但结构欠紧凑；
风力输送效率高、籽粒破损少，是较为高效的输送方式。通过采用横置式振动清选和垂直风力输送的组合方案，能适用于不同粒型食用豆联合收获过程中的清选和输送综合作业，该项技术目前已在蚕豆联合收割机上进行应用。

3.3 机手收获技能减损

实现食用豆低损收获的另一重要途径是加强驾驶人员操作技能培训。通过进行收获机具驾驶人员技能培训，明确与常规谷物联合收获机操作的差异性，这对减损收获有直接作用。利用技术培训使操作机手能自主选择适宜的收获时机，并能根据气候、作物生长趋势和试收的损失和破碎情况，及时调整收获机行走速度、留茬高度、拨禾轮转速、发动机转速、清选风量和脱粒钉齿间隙等机具作业参数，能根据地块条件决策较优的收获行走路线等，降低机收作业损失。

食用豆是我国重要的食用和创收作物，实现其机械化低损收获是促进产业发展、保证粮食安全的重要手段，目前国内开展的相关研究较为缺乏，是当前食用豆生产中的短板技术问题。实现食用豆机械化低损收获具有一定的技术特殊性，其品种多、籽粒不规则、结荚位低、易炸荚、成熟期不一致且部分产区农艺配套不足，当前谷物联合收获技术方案不能完全适用。降低食用豆收获损失需要解决宜机化品种筛选及配套种植农艺、联合收获各环节协同减损和加强人员技能培训等几方面问题，以降低割前损失、割台损失、脱粒损失和清选损失。通过集成应用机械化低损收获技术，可大幅降低食用豆收获损失率，减损效果显著。

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