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中国农机化学报
Journal of Chine Agricultural Mechanization Vol.42No.5 May.2021
第42卷第5期
2021年5月
DOI：10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2021.05.32
菜用大豆收获机械化发展现状
巴拿巴刘志远，金诚谦，冯玉岗，袁文胜
（农业农村部南京农业机械化研究所，南京市$10014）
摘要：菜用大豆作为一种健康食品不仅在亚洲深受喜爱，在北美地区也逐渐风靡。伴随我国菜用大豆产业快速发展，传统手工采摘模式已经不能满足收获需求，急需高效率高质量的采摘机器&通过阐述国内外菜用大豆收获机器的发展历程$总结相关机器的工作原理及主要装置的研究现状，结合国内不同种植区域对菜用大豆收获机械的需求差异，对国内菜用大豆收获机械进行分类比较分析，得出目前我国菜用大
豆收获机械存在机械化率低、关键采摘装置研究不足、收获质量低、地形适应性差的问题&通过系统总结和分析我国目前菜用大豆种植特点和机器发展趋势，提出菜用大豆收获机械化的发展重点在于深入研究采摘装置作用机理、增加机器对丘陵山区的地形适应能力、进一步深度融合农机农艺，以期为菜用大豆收获机械化发展提供参考依据&
关键词：菜用大豆；弹齿；采摘效率；豆荚损失
中图分类号：S225.6文献标识码：A文章编号：2095-5553（2021）05-0228-09
刘志远$金诚谦，冯玉岗$袁文胜.菜用大豆收获机械化发展现状+，中国农机化学报$2021,42（5）：228—236
Liu Zhiyuan,Jin Chengqian,Feng Yugang,Yuan Wensheng.Current status of soya bean harvest mechanization［J,Journal of Chine Agricultural Mechanization,2021,42（5）：228—236
0引言
菜用大豆，俗称毛豆，也称鲜食大豆或青大豆，在北美通常叫"Vegetable soybean”，日本称之为“枝豆”，英译为“Edamame”（日文音译）或者“Maodou”（中文译音）［1\菜用大豆是种子未完全成熟，处于鼓粒盛期至初熟期已经发育到80%〜90%豆荚宽度，作为一种蔬菜来采摘的大豆类型23&人们对
于菜用大豆的需求和大豆不同，大豆主要用来榨取油分，剩下的豆粕可以用于养殖业，而菜用大豆含有丰富的植物蛋白质、矿物质等营养成分，作为蔬菜在甜度、鲜度、口感和糯性等方面深受人们喜爱亚洲地区食用菜用大豆由来已久，在宋代（12世纪左右）已经有记录摘青豆荚作为菜用在日本，菜用大豆主要是在盐水中煮过作为小吃食用，在中国用来和肉及其他蔬菜一起炖煮做成多种菜品&随着亚洲饮食文化对美国的影响，食用菜用大豆在美国也越来越流行日，我国菜用大豆出口有着不错的增长空间&
亚洲是世界上最大的菜用大豆生产地和消费地&菜用大豆作为现代产业发展，兴起于日本和中国台湾省，日本每年进口速冻菜用大豆量占世界80%以上，并且每年还在以7%左右的速度增长20世纪80年代以来，国内外市场对菜用大豆的需求量不断增加，日本和中国台湾省劳动力价格不断上涨，从事相关菜用大豆生产的产业逐渐迁移到中国大陆⑺&到2014年我国菜用大豆种植面积约为19万hm2，年产量约为170万t89，是最大的菜用大豆出口国，出口比重占世界的52%&但中国菜用大豆产业发展起步较晚，菜用大豆品种多为引进，急需为菜用大豆产业研发专用品种，以及完善产业标准［10&在收获环节受制于人力收获，研发适合国内不同地区的收获机械十分迫切&菜用大豆的经济效益要比普通大豆高两倍，加工出口后经济效益会更大&在2009年农业农村部对中国大豆种植区域进行了规划，适合种植菜用大豆的河北、山东、河南、江苏和安徽两省的沿淮及淮河以北、山西省西南地区作为黄淮海高蛋白大豆优势区，南方地区着力发展菜用大豆［11七〕。2019年发布的《大豆振兴计划实施方案》
又强调了发挥我国菜用大豆优势、扩大种植面积、实施农机农艺融合提高机械化率的目标&菜用大豆种植面积扩大，劳动力成本逐年增加&近年
收稿日期：020年7月14日修回日期：021年4月13日
"基金项目：现代农业产业技术体系建设专项（CARS—04—PS26）；中国农业科学院科技创新工程项目（农科院办（2014）216号）
第一作者：刘志远，男，1996年生，河南夏邑人，硕士研究生；研究方向为主要农作物生产机械化&
通讯作者：袁文胜，男，1978年生，山东曹县人，硕士，硕导，副研究员；研究方向为主要农作物生产机械化&E-mail:
第5期刘志远等：菜用大豆收获机械化发展现状229
人工采摘成本达0.8元/kg，按每667-2产量700kg 计算，每667-2采摘的劳动力成本为560元，且随着农村劳动力的不断流失，收获期更加难以找到劳动力「⑷。依靠传统手工采摘豆荚费时长，效率低，菜用大豆豆荚的适宜采摘期很短，因此用机械化收获替代手工采摘十分必要&
curtains本研究拟对国内外菜用大豆收获机具种类、具体结构和主要采摘装置的研究现状及进展进行梳理和总结，阐述不同收获方式的原理并进行分类和比较，介绍了不同收获方式各自适用区域，提出了菜用大豆机械化收获存在的问题，并给出相关建议&
1菜用大豆收获机械化发展现状
1.1国内外菜用大豆收获机械化概况
美国农业机械化程度在20世纪40年代就已经达到很高的水平，在20世纪50年代就研制出食用豆类机械化采摘装备+15]，但是美国国内菜用大豆种植少，用来专门收获菜用大豆的机器很少，多用相似的食用豆类大型联合收割机进行收获&美国食用豆类是大面积种植模式，所用联合收割机等机械装备均为大型机具，而且在智能化上程度很高，但在菜用大豆收获方面损失率较高&
现代菜用大豆产业在日本兴起，菜用大豆机械化收获在日本发展较中国要早&90年代为采摘豆荚研发了一些小型菜用大豆收获机，适合在山地等不方便大型机械收获地区使用，但受限于日本地形，效率更高的大型菜用大豆联合收割机相对缺少研发&
欧洲地区食用豆类大型联合收割机发展程度也很高，但和美国机器一样，体型大价格昂贵，进行菜用大豆收获损失大，中国从法国等国家进口的相关机器，收效不理想&
我国菜用大豆机械化收获现状虽然不同区域有差异，但整体仍处于起步阶段，大部分收获方式仍然是传统手工采摘豆荚，费时费力+16,&目前国内也逐渐进行相关收获机械的研究，结合各地情况自主研发生产了一些机械装备&按照适合工作的地形，可简单分为大型联合收获机、用于分段收获的脱荚机和小型采摘机（表1）。各种机型在收获效率、损失率和价格平衡方面，还不能很好满足需求，菜用大豆收获机械化在国内还需进一步发展&
表1菜用大豆收获机械类型（按适用区域分类）
Tab.1Types of vegetable soybean harvesters（classified by applicable area）
类型收获效率适用地区特点
大型联合收割机0.(〜1hm2/h平原地区较大规模种植脱荚机100〜（00kg（豆荚）/h丘陵山区较小规模种植小型采摘机01〜0(hm2/h丘陵山区较大规模种植一次性完成收割，脱荚，清选等作业过程，效率高需要先进行收割作物，再进行机器脱荚，相对费时费力
更好适应田间地形，但效率上限不高、功能不全（部分只有摘荚功能）
1.2菜用大豆收获方式及配套机具发展概况
1.2.1分段收获脱荚机yohan
在部分山区，田间直接收获难度很大，一般采用分段收获方式，可以先用割晒机把植株从根部割断或者用人工拔起植株，集中起来，再利用脱荚机进行脱荚处理&脱荚机主要是由机架、电机（或柴油机）、夹持传送机构、脱荚机构、清选机构（有的机型不具备）等构成，工作时需要人工喂料&
新潟是日本种植毛豆面积最大的地区，在相关采摘机械研究方面起步较早&Yoshio Imai等设计出由机架、夹持机构、脱荚机构、输送清选机构等构成的自动摘荚脱荚机（图1）。脱荚车昆上安装4片柔性板，车昆和夹持机构送料方向保持一定角度，通过旋转实现植株从株顶到株根脱荚，脱下豆荚和叶片经过风机和圆筒的分流进行清选&Naoto I等「1Q，又对脱荚机构做了调整，采用一对脱荚车昆结构，车昆上直板改用螺旋形柔性板，后续不断对脱荚机进行优化实验，为设计生产小型采摘机提供数据和技术支撑&
图1自动摘荚机
Fig.1Automatic green soybean-picking machine
农业农村部南京农业机械化研究所秦广明等「19-20]在2010年进行了5TD60型青大豆脱荚机（图2）设计与机器测试，机器为人工单株喂料，植株经链式运输装置夹持，先后经过与送料方向呈45°和70°夹角的两对水平脱荚车昆进行分次脱荚，然后分拣筛、除杂风机分离杂质，每小时脱荚可达到300kg。
同期湖北省研究人员文显文「2门设计出用带刷毛
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的摘豆车昆和摘豆带进行脱荚的机器&王福义「温设计出5MDZJ-380-1400型菜用大豆摘荚机（图3），夹持机构在滚筒上方且与滚筒轴线保持一定角度，实现由滚筒上胶指从株顶到根部分离豆荚的功能，然后风机分离杂质，传送带输出豆荚&相关测试该机型平均损失率为9.4%，平均综合损伤率为27.3%，其中挤压损伤最为严重+3,&
图25TD60型菜用大豆脱荚机
Fig.25TD60type vegetable soybean
pods picking machine
1.风机
2.进料口
3.压料杆
4.下脱荚辐
5.上脱荚辐
6.输送夹持装置
7.机架8电机9.集料台10.前脱荚辐组
11.清选筛12.后脱荚辐组13.减速机14.驱动链轮
图35MDZJ-380-1400型菜用大豆脱荚机Fig35MDZ6-380-1400typevegetablesoybean
podspicking machine
1.机架及工作平台
2.夹持喂入机构
3.摘荚辐
4.茎叶输出总成
5.豆荚输出带
6.风扇7•传动系统8柴油发动机组
华中农业大学李小昱等利用调节弹簧使喂入夹持车昆和脱荚车昆可以随着喂入量变化，自动调节各自之间间距&芜湖市某公司设计出单滚筒脱荚机，滚筒圆周安装三角形橡胶脱齿［25：&德兴市某公司研发出上方进料式脱荚机，对一般结构进行调整，从上往下依次为输送带、脱荚腔、除茎腔、除叶腔、卸料口等：26：&脱荚腔内由三角橡胶齿脱荚车昆脱荚，除茎车昆和筛网在除茎腔分离茎秆和叶片，最后风机清除掺杂的碎叶&
1.2.2小型采摘机
在一些山地丘陵地区，不适合大型收获机械开展作业，又种植许多菜用大豆，经常采用小型采摘机进行收获&小型采摘机多采用单行或者双行逐行收获方式，可一次完成采摘、运输、清选功能，但有些机具只具有采摘、收集功能&其结构相对简单、体积较小、适应地形能力强&
日本菜用大豆产业起步早，其国内地形多山，更偏向于小型采摘机械研发&1991年Yoshimi等「2门设计出一种可以一次收获两行菜用大豆的小型采摘机（图4），机器中间为运输链板，两侧各有一对脱荚车昆，工作时直接从植株上刮取豆荚&1992年N3oto「28i设计了一种自走式单行菜用大豆收获机（图5），该机具采用螺旋夹持机构，把前端链条拔出的菜用大豆植株从竖直站立运送到脱荚机构时变为水平放置&脱荚装置有一对脱荚车昆，上方车昆为三角棱柱，下面为圆车昆。经过脱荚的豆荚混合物经过下方风机风选和圆筒分流完成清选&由Yoshimi等「2），研发的收获机，整体像一个挂仓，可由拖拉机提供动力，中间间距通过植株，由两边刮板进行脱荚&
图4两行式菜用大豆收获机
emmanuelle chriqui
Fig.4Double-row vegetable soybean harvester
图5单行式菜用大豆收获机
Fig.5Single-row vegetable soybean harvester 近年日本某公司生产出一种由拖拉机牵引的菜用大豆收获机械（图6），整机结构紧凑，采摘装置为滚筒弹齿形式，非工作状态可折叠移动到拖拉机正后方，工作时采摘装置由液压系统移出并展开进行采摘工作，直接从植株上脱取豆荚&机器结构小巧且能同时完成
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采摘、清选和收集工作，给山地丘陵地区采摘机器发展提供了一定的经验&
图6Mitsuwa菜用大豆收割机
资源下载
Fig.6Mitsuwa green soybean harvester
中国南方多为山地丘陵地区种植菜用大豆，进行小型采摘机研发有着重要意义&缪明、杭颂斌「述3。］研制出一种鲜食大豆采摘机，机器前端有深松刀铲起菜用大豆植株，链条夹持机构拔起并输送植株，同时脱泥装置拍掉泥土，然后大豆植株根部被夹持链条输送至毛刷车昆摘荚装置，脱下的豆荚和叶子、茎秆等进入清选装置，豆秆还田，豆荚进入存储室&
朱建锡等皿把菜用大豆采摘和土地旋耕结合在一起（图7），采摘装置通过悬挂连接在旋耕机前端，在前面经过弹齿滚筒进行摘取豆荚，收集装置收集豆荚，旋耕机在后端对剩下植株进行翻耕，同时解决采摘后土地整理问题&
8910111213
图7菜用大豆采摘旋耕机
Fig.7Vegetable soybean picking machine with
rotary tillage function
1.支撑架
中考英语阅读理解2.液压伸缩杆
3.输送带4•传送带5.护罩
6.弹齿式采摘滚筒
7.拨禾轮&液压马达9.机架
10.输送带主轴11收集箱12.连接杆13.旋耕刀
1.2.3联合收割机
联合收割机有自走式、牵引式和悬挂式&采摘方式有直接从植株分离豆荚的半喂入式和从根部收割后再进行豆荚分离的全喂入式&构成整个机器的主要装置有脱荚装置、割台装置（半喂入式割台和脱荚装置合并）、运输装置、清选装置、传动系统、动力系统（表2%可以一次性完成收割，脱荚，茎秆分离，清选等作业过程&具有效率高省时省力的特点&菜用大豆的适宜收获期比较短，因此发展菜用大豆联合收割机对于发展菜用大豆产业具有十分重要的意义&
表2菜用大豆联合收割机的
主要组成机构及功能
Tab.2Functions of main components of
vegetablesoybeancombineharvester
机构名称类型作用
采摘装置
弹齿滚筒、梳齿滚
筒、对车昆
让豆荚和植株断开连接
运输装置链式夹持、传送带检验检疫局英文
承接采摘装置、清选装置
等，输送豆荚
清选装置
风机、振动筛、清选把混在豆荚中的叶片、茎
车昆组合秆等杂物分离移出
动力装置
牵引式、自走式、悬为各个机构提供动力
挂式输出
早在1986年Nelson就进行用Hamachek豌豆收获机收获菜用大豆的试验，但是没有留下数据&1990年美国农业工程学会成员Mbuvi等「現在进行菜用大豆脱粒损伤试验时，同时进行了利用FMC豌豆联合收割机收获菜用大豆的试验，试验测得豆荚收获率平均为87.5%，豆荚平均损伤率10.8%&同期用其它豆类收获机器收获菜用大豆的数据很少，此次试验给这种收获方式提供了一定的数据&
肯塔基大学Zandonadi等「型利用2007-2009年间3个收获季节，在肯塔基大学农场用Pixall©BH-100多种豆类收割机进行菜用大豆收割试验&所用机型BH —100鲜豆收获机（图8）整机长7.52m，由拖拉机牵引提供动力进行收割，用右侧弹齿滚筒结构直接从植株上梳下豆荚并带到传送带上，经过中间吸力风扇清选，最终豆荚在包装平台装袋。该机型设计主要用来收获绿豆，用来进行菜用大豆收获，收获率最高可达85%，最低甚至不足55%&经过数据分析，得出造成收获率大幅波动主要因素是菜用大
豆品种和种植密度&种植稀疏豆荚生长位置偏下容易遗漏，植株过高容易造成堵塞&
图8Pixall BH-100鲜豆收获机
Fig.8Pixall BH―100single row bean harvester
丹麦生产的GB—1000型收获机，采摘结构和BH-100相似，由拖拉机提供动力进行单行采摘，但对传送装置进行改造，采用U型结构减少了整机长度
。
232中国农机化学报2021年
日本生产的MCBH11履带式收割机（图9），是专用于收获菜用大豆，可以进行多行收获&整机采用液压控制、弹齿滚筒采摘装置、输送装置、吸力风扇和储存室&收获效率相对较高，但售价十分昂贵&
图9MCBH11菜用大豆收获机
白金汉大学Fig.9MBCH11green soybean harvester 在国外进口机型昂贵、采摘不理想情况下，张鸿等「⑷设计了一款由细钢丝弹齿采摘车昆、收集绞龙和传送带为主要机构的联合收割机&但机器没有专门清选机构&北京林业大学张凯等「扳的收割机专利中，采摘装置采用梳齿滚筒和拨禾轮配合设计，但同样没有设置清选装置&
苗晖「3旳和Matsumoto Yoshimi+7］设计的履带式联合收割机，加装有筛选输送器和清选风扇，改进输送带让其和采摘装置同步升降&河南农业大学王显锋「金39］对自走式采摘机做了整体设计，在弹齿间距设置齿槽与采摘带啮合，减少豆荚摘掉后不能顺利掉落到传送带的情况，对液压控制机构也做了初步设计。
喻凤莲在进行履带联合收获机设计时，把采摘装置改造成弹齿和三角齿相间组合，并采用分级输送&卞建东+门在对履带联合收获机进行改进时，减轻机器重量，采用升降结构，可以在起垄种植地块实
现横向和纵向收获&
河北某公司生产的4YZ—MD全喂入式菜用大豆收割机（图10），割台把植株从根部切断，运输到后面采摘装置进行豆荚分离，清选车昆和二次风选清除杂质，并陆续对风选机构、收料漏斗、拔枝出土等进行优化+2-灯。
图104YZ-MD菜用大豆收获机
Fig.104YZ—MD vegetable soybean combine harvester
中国农业科学院果蔬茶创新团队成功研制出4GQD—160多行自走式菜用大豆收获机，该机重点突破闭式静液压行走控制技术，全液压多驱动等技术，可以在一垄三行及一垄四行种植模式下进行菜用大豆收获&
大型联合收割机收获效率高，但目前对于收获率、损伤率的研究还没有足够的数据，有待进一步加强测试工作&
1.3菜用大豆采摘装置研究现状及常见豆荚损失原因
菜用大豆进行机械化收获，影响损失率主要因素就是采摘装置&采摘装置主要分为三类：弹齿滚筒、
梳齿滚筒和脱荚车昆。试验数据显示三种装置目前遗漏率和损伤率都要高于人工采摘&相比弹齿滚筒和梳齿滚筒，脱荚车昆更容易采摘干净，也不容易堵塞，但是一般只能用于人工喂料脱荚机或者单行采摘机，效率不够高&弹齿滚筒和梳齿滚筒高效率，但造成的挤压损伤和折裂损伤较高，而脱荚车昆则是更容易造成缝合线损伤和挤压损伤
为了深入研究采摘装置对豆荚损失的影响，金月等+刃在51#60型脱荚机的基础上，单独取出脱荚车昆并
用机架安置在垂直水平面上，送料装置夹持植株根部进行喂料&改造后脱荚车昆的间距、脱荚车昆相对植株角度、植株喂料速度、车昆的类型以及车昆的转速都可以调节&研究这几种因素对脱荚效果影响，并进行了试验，得出了相关结论&赵映等「型在金月试验装置基础上进一步深入研究，通过建立力学模型确定脱荚车昆转速、车昆间距、喂料速度为主要影响因素，并对两个品种菜用大豆进行试验。得出影响脱荚效果的主次因素排列顺序为：脱荚车昆转速〉喂料速度〉车昆间距的结论&利用仿真软件进行采摘装置优化设计，北京林业大学张凯等基于Solid Edge软件建立了采摘装置的虚拟样机，并用Adams进行了运动学仿真&虚拟样机为滚筒梳齿式，仿真得出梳脱效率主要和梳脱滚筒速比、梳脱直径、梳脱齿倾斜角有关，为梳脱式菜用大豆采摘装置提供了一些基础资料&涂福泉等基于Adams设计了双弹指菜用大豆采摘装置。该装置主要由采摘滚筒、偏心轮盘和伸缩架等构成，由于偏心轮盘作用，伸缩弹指伸出采摘滚筒长度周期性变化，达到采摘和释放豆荚的目的&
2菜用大豆收获机械化存在问题
2.1机器难以适应多样的地形和菜用大豆品种
机械化收获菜用大豆就是利用机器让豆荚和植株连接点断开，并进行杂质清除、保留豆荚的过程，在这
南京新东方学校
