鲜食大豆机械化生产关键技术研究
修德龙
摘 要：近年来，随着鲜食大豆种植面积的不断扩大，对其机械化生产水平的要求也越来越高，影响鲜食大豆产业发展的关键机械化技术主要包括豆荚脱荚技术、高效清选技术、剥壳技术等。分别对上述关键技术工作原理进行了研究分析，为我国鲜食大豆生产机械化程度的提高提供了参考依据。
关键词：鲜食大豆;机械化;研究
中图分类号：S266.4 ? ? ? ?文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.08.004
鲜食大豆亦称为菜用大豆或毛豆，营养价值较高，可谓物美价廉，人们对鲜食大豆的需求量也逐年增加，随着种植面积的不断扩大，对其机械化生产水平的要求也越来越高。近年来，国内许多高校、科研院所及企业积极投身到鲜食大豆全程机械化装备的研究中，市场上也不断涌现出各式各样的鲜食大豆机械化装备，为我国鲜食大豆产业的发展提供了较强的技术保障和产品支持。
目前，我国鲜食大豆全程机械化生产中的耕整、播种、施肥和植保等机械化装备较为完善和成熟，鲜食大豆采收和成品加工等装备也得到明显的进步和发展，其中，影响鲜食大豆产业发展的关键机械化技术及装备主要包括豆荚脱荚技术、高效清选技术、剥壳技术等，本文在综合国内外文献资料的基础上，分别对上述关键技术工作原理进行了研究分析。
1 鲜食大豆豆荚脱荚技术
豆荚脱荚技术是鲜食大豆收获过程中的关键技术，它将直接影响到鲜食大豆产品品质。摘荚过程中摘净率高、摘荚损伤小、摘荚损失少，是高效摘荚技术的核心要素，广大科研人员对摘荚技术的研究主要围绕这些核心要素进行开展，主要有以下几种脱荚型式。
1.1 螺旋刷子式滾筒豆荚脱荚技术
主要工作原理是：首先滚筒前端的扶禾机构将鲜食大豆整株喂入滚筒内，在滚筒上螺旋状固定排列刚性螺旋杆，滚筒中轴线上安装焊接圆盘，滚筒内壁设有由6圈螺旋杆组成的螺旋刷子，两者旋转方向相反，组成了脱荚机构的执行部件，在进行脱荚作业时，两者由于存在速度差且方向相反，从而将喂入到滚筒内的鲜食大豆豆荚梳刷下来，实现豆荚脱荚。该技术主要是美国在21世纪初期研究的产物。
1.2 滚筒单弹齿式脱荚技术
脱荚工作原理是：在滚筒内部装配有弹齿，此脱荚弹齿围绕滚筒中轴线做旋转运动，当整株茎秆喂入进来后，其上豆荚从茎秆上被弹齿梳脱下来，豆荚与豆秆分离，滚筒后方的无损输送装置将豆荚运送至料箱，从而完成鲜食大豆豆荚脱荚。美国OXBO公司和日本勇士公司都是采用此种豆荚脱荚技术，可以实现脱荚机械化，但由于价格过高、落荚和漏采损失较大，非常不合适我国国情。
1.3 双脱荚辊式脱荚技术
脱荚机的脱荚装置主要由两个脱荚辊组构成，脱荚辊组轴线与输送方向分别呈70°和 45°的夹角，如图1所示。每个辊组由上、下脱荚辊组成，每个辊轴上安装间隔分布且90°相互交错排列延伸的柔性脱荚齿。其工作原理是：鲜食大豆植株喂入到上脱荚辊和下脱荚辊之间后，交错排列的柔性脱荚齿对其击打，豆荚脱落，实现脱荚，未脱荚的鲜食大豆植株在脱荚过程中经过两次两种方向的柔性脱荚齿击打，进一步提高了脱荚率。此项柔性脱荚技术有效解决了脱荚过程中的脱荚不净和堵塞等问题，很大程度上降低了脱荚破损率。该技术是由农业部南京农业机械化研究所的秦广明、肖宏儒、宋志禹等科研人员提出的并设计了脱荚装置，经过田间试验，进行了性能测试，对鲜食大豆脱荚机生产率、清洁度、脱净率及破碎率等性能指标进行了分别测试，均达到了设计标准。不足的是该机器是台式场上作业机，需要提前把鲜食大豆收割，增加了工序，而且该脱荚机是单株喂入式，工作效率不够高。
1.4 双弹指式鲜食大豆采摘技术
该技术采用的是双弹指结构，固定弹指和伸缩架安装在采摘滚筒上，伸缩架上安装有伸缩弹指，并在其上的固定板两端安装滚轮，滚轮设置在偏心轮盘的轮槽中，这样，偏心轮槽使得伸缩弹指与滚筒上的固定弹指不断的配合与分开，两者相对运动，仿生人工采摘，从而达到摘荚和卸载豆荚并达到无损伤毛豆荚的目的。毛豆采摘原理，如图2所示。采用双弹指式采摘装置，提高了摘净率，降低了破损率，双弹指相互作用配合不断开合，大大降低了杂物堵塞率，为后续豆、叶的分离提供了方便。武汉科技大学的涂福泉教授及其团队经过不懈努力，在分析国内外毛豆采摘机优缺点的基础上，改进创造了此项技术，并制造了相应的农机装备，经过田间试验验证，双弹指式鲜食大豆采摘装置的效果非常明显，符合设计要求。
2 高效清选技术
传统的清选系统（如图3所示）组成部分主要有振动筛、清选风机、滚轴筛及输送带等。清选类型有筛子式、气流式及气流筛子组合式等，筛子主要有冲孔筛、编织筛和鱼眼筛等类型。鲜食大豆用传统的清选装置效果普遍不好，分析其原因是鲜食大豆豆荚水分大，还有绒毛，导致其豆荚之间、豆荚与清选部件之间摩擦力相比普通物料较大，而且在采摘豆荚时，掉落的茎叶和杂草与豆荚掺杂在一起，非常不利于清杂。
河南农业大学机电工程学院的余永昌教授团队，主要从事菜用大豆收获机械化研究，设计了一种高效的清选装置，即采用滚轴筛（如图4所示）。该滚轴筛即设计一排光轴，光轴间距为11 mm，间距略大于豆荚厚度，由于光轴之间的摩擦力很小，在齿轮的带动下，落在光轴上的物料及茎叶等向后运动，同时豆荚被分散开，从光轴之间的缝隙掉落到下面的振动筛上，掉落到振动筛上的物料除了豆荚，还有小石头等，在振动筛的作用下，小石头被振动落下排出，豆荚沿倾斜筛面滑落到后面的集料箱中，完成豆荚清选，其中较大的杂草和豆茎叶随着光轴一直向后滚动，从而滑落到田里。这种清选装置使带有杂质的物料得以分开，同时把茎叶和杂草等较大尺寸杂物清除掉，能够非常近似满足传统清选装置的工作条件。
3 鲜食大豆剥壳技术
鲜食大豆剥壳机主要有割刀式和轧辊式两类。20世纪80年代，我国从日本进口割刀式鲜食大豆剥壳机，该型剥壳效果良好，也存在一些缺点，该机设计机械结构较繁琐，维修困难，价格不菲，直接制约了该机在我国的大量使用。
现阶段，我国鲜食大豆剥壳机普遍应用的产品为轧辊式鲜食大豆剥壳机。该型式鲜食大豆剥壳机的主要组成部分包括储料仓、轧辊、机架、引流板、导流板和传动装置等部件，其工作原理是首先把豆荚通过送料装置喂入到储料仓中，偏心轴在电动机的驱动下转动，由于偏心的作用，偏心轴持续发生上下浮动，豆荚均匀分布在橡胶输送带上，输送带将豆荚输送至导流板，从而掉落到轧辊之间，根据豆荚的物理特性，设置轧辊间隙，两者反向旋转，通过两轧辊对豆荚的挤压作用，对豆荚进行仿生脱壳，模拟人工，豆荚中豆粒受到轧辊的挤压，将豆粒从豆荚中挤出来，豆粒和豆壳发生分离，实现脱粒剥壳。
4 结论
重点分析了鲜食大豆豆荚脱荚技术的原理，主要包括螺旋刷子式滚筒豆荚脱荚技术、滚筒单弹齿式脱荚技术、双脱荚辊式脱荚技术和双弹指式鲜食大豆采摘技术等。通过对鲜食大豆关键机械化技术包括豆荚脱荚技术、高效清选技术、剥壳技术等技术的研究与分析，为我国鲜食大豆高效全程机械化装备的研制提供了基础技术理论，有利于我国鲜食大豆产业化程度的进一步提高。
参考文献：
[1] 童一宁，楼婷婷，姚爱萍，等.浙江省青毛豆全程機械化研究及发展建议[J].农业工程，2018，（7）：17-20.
[2] 王显锋，张红梅，徐新华，等.自走式菜用大豆摘荚机的设计[J].大豆科学，2015，34（2）：310-313.
[3] 王显锋.自走式菜用大豆摘荚机关键部件设计[D].郑州：河南农业大学，2014.
[4] 涂福泉，李恒，肖程，等.双弹指毛豆采摘装置的设计与试验[J].农机化研究，2020（3）： 89-93.
[5] 秦广明，肖宏儒，宋志禹.5TD60 型青大豆脱荚机设计与试验[J].中国农机化，2011，237（5） ： 81.
[6] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册： 下册 [K].北京： 中国农业科学技术出版社，2007.
[7] 蔡耿健，管珣，李佳玲，等. 毛豆剥壳机的机构设计[J]. 江苏农机化，2015（4）： 24-26.
