任甲輝，武濤，莫王玉潔，李珂，樊秋菊，胡平

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州市，510642； 2. 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州市，510642)

0 引言

劍麻是世界上第六大纖維作物，主要分布在南美洲、非洲和亞洲等地區(qū)。目前，世界上有20多個(gè)國家種植劍麻，其中巴西、坦桑尼亞、肯尼亞、中國、墨西哥為主要生產(chǎn)國[1-2]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)及中國農(nóng)墾局統(tǒng)計(jì)，2019年，全球劍麻種植面積2 356.7 khm2，總產(chǎn)量206.5 kt，其中我國劍麻種植面積(256.7 khm2)位居世界第三，產(chǎn)量(13.9 kt)位居世界第四。廣東的雷州半島、湛江，廣西的玉林、南寧，海南的昌江、東方，云南、福建是我國劍麻主要生產(chǎn)基地，其種植面積占全國總種植面積的95%以上[2-3]。在劍麻生產(chǎn)過程中，劍麻收獲是工作量最大的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是最難實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的瓶頸環(huán)節(jié)。

目前，世界上劍麻機(jī)械化收獲水平極低，劍麻葉片的采摘仍以人工為主。人工收割時(shí)，要求鐮刀鋒利，切口平滑，不能傷害劍麻主干，而劍麻葉片斜向上散射生長，邊緣長有利刺，成熟葉片長度可達(dá)90 cm以上。因此，人工收割難度大、效率低，從而導(dǎo)致收割成本增加[4-6]。勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)成本高，越來越成為劍麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[7]。劍麻機(jī)械化收獲有利于降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率、節(jié)約成本，是未來劍麻收獲的必然趨勢，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入分析。

本文首先介紹國內(nèi)外劍麻收獲機(jī)的研究現(xiàn)狀，然后分析當(dāng)前阻礙我國劍麻收獲裝置研發(fā)及推廣應(yīng)用的主要原因，最后結(jié)合劍麻收獲機(jī)設(shè)計(jì)思路的分析，提出劍麻機(jī)械化收獲的發(fā)展建議，對(duì)促進(jìn)我國劍麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有參考意義。

1 國內(nèi)外劍麻收獲機(jī)的研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

劍麻主要用途有提供天然纖維和提取乙醇，根據(jù)用途不同收獲方式也不同。

巴西劍麻收獲以人工為主，生產(chǎn)工具簡單落后，近50年無主要更新。收獲方式采用人工割葉、打捆+機(jī)械化田間運(yùn)輸，整個(gè)過程機(jī)械化程度低，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，導(dǎo)致劍麻生產(chǎn)成本不斷升高，因此，自2012年以來巴西劍麻產(chǎn)量總體呈下降趨勢[8]。

坦桑尼亞受傳統(tǒng)劍麻收獲方法及勞動(dòng)力短缺等因素的影響，自20世紀(jì)60年代以來，劍麻一直在減產(chǎn)[9]。早在20世紀(jì)80年代，該國相關(guān)學(xué)者就開始對(duì)劍麻收獲方法及設(shè)備進(jìn)行研究，Bhandari等[10]設(shè)計(jì)了一種手持式劍麻收割裝置，該裝置將一個(gè)簡單的桿上安裝三角刀片，采用空壓驅(qū)動(dòng)，通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的工具比傳統(tǒng)工具收割效率高。Majaja等做了劍麻力學(xué)性能切割試驗(yàn)，對(duì)葉片抗彎性、摩擦系數(shù)和質(zhì)量分布進(jìn)行測量，以幫助相關(guān)人員進(jìn)行劍麻收獲裝置的設(shè)計(jì)。Majaja[11]提出一種自走式劍麻聯(lián)合收獲機(jī)(圖1)，該機(jī)由橫向切割元件、垂直輸送機(jī)、水平輸送機(jī)組成，工作時(shí)，橫向切割元件將葉片從劍麻莖干上移開，垂直輸送機(jī)將新切割的葉片移動(dòng)到水平輸送機(jī)上，水平輸送機(jī)再將葉片輸送至田間運(yùn)輸車內(nèi)。1997年Majaja等[12]通過詳細(xì)分析劍麻葉片切割過程，同時(shí)對(duì)人工輔助工具與機(jī)械化設(shè)備收獲作業(yè)進(jìn)行仿真模擬，得出當(dāng)前劍麻機(jī)械化收獲最高效的方式是人工輔助工具割葉+機(jī)械化收集、打捆+田間車葉片運(yùn)輸，為今后收獲機(jī)械化或改進(jìn)手動(dòng)割葉操作提供參考。結(jié)合以上研究，為解決勞動(dòng)力短缺，收獲效率低，成本高等問題，目前坦桑尼亞劍麻種植區(qū)，在田間大規(guī)模使用裝載機(jī)已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化集葉和運(yùn)輸[13]。

圖1 自走式劍麻聯(lián)合收獲機(jī)Fig. 1 Self-propelled sisal hemp combine harvester1.橫向切割單元 2.垂直輸送機(jī) 3.水平輸送機(jī) 4.劍麻

墨西哥劍麻主要種植于瓜納華托州，劍麻收獲時(shí)，僅保留菠蘿(劍麻又稱菠蘿麻，去除劍麻葉片后中間的莖干稱為菠蘿)并將葉片留在田間，收獲的劍麻中，97%用于生產(chǎn)酒精飲料[14]。目前劍麻整個(gè)收獲環(huán)節(jié)均由手工完成，收獲成本占劍麻生產(chǎn)成本的75%。為了提高劍麻生產(chǎn)生物乙醇的經(jīng)濟(jì)可行性，有必要通過機(jī)械化收獲降低生產(chǎn)成本。Castillo等[15]提出一種前叉式劍麻聯(lián)合收割機(jī)，該機(jī)由切割叉、斜鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)、旋轉(zhuǎn)滾筒三個(gè)部分組成。切割叉為鉗形裝置，內(nèi)部有刀口，連接到農(nóng)用拖拉機(jī)前部，用于將劍麻植株從地面上切割；斜鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)由梳狀鉸接式起動(dòng)器組成，由拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，用于將劍麻移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)滾筒中；旋轉(zhuǎn)滾筒由矩形框架與框架內(nèi)部的兩個(gè)刀片系列組成，一個(gè)刀片系列以螺旋布置并固定在框架上，另一個(gè)刀片系列由可動(dòng)刀片組成，固定在旋轉(zhuǎn)滾筒結(jié)構(gòu)的橫梁上，可以相對(duì)于水平傾斜15°～45°，用于切除劍麻葉片。Robles等[16]通過試驗(yàn)確定了劍麻的物理特性及葉片切割需要的能量。Noé Saldaa Robles等[17]提出一種劍麻收獲方式，即將劍麻進(jìn)行去葉—壓碎—運(yùn)輸，與劍麻收獲機(jī)(圖2)配套使用的還有劍麻菠蘿破碎機(jī)(圖3)。Saldaa等[18-19]設(shè)計(jì)了劍麻切割設(shè)備，并建立了切割劍麻纖維的有限元模型，該模型模擬了劍麻纖維切割過程中刀片與纖維之間的相互作用。

圖2 劍麻收獲機(jī)Fig. 2 Sisal hemp harvester1.水平除顫器 2.二級(jí)升降機(jī) 3.初級(jí)升降機(jī)4.除葉滾筒 5.進(jìn)料斗

圖3 劍麻破碎機(jī)Fig. 3 Sisal hemp crusher

綜上，幾個(gè)劍麻種植大國機(jī)械化收獲進(jìn)程緩慢，現(xiàn)在主要以人工割葉為主，但在研究方面也取得了一定成果。通過對(duì)劍麻收獲過程分析，機(jī)械化有助于改善劍麻收獲的兩個(gè)環(huán)節(jié)：割葉和收集運(yùn)輸。目前，田間收集運(yùn)輸劍麻與已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的其他作物并無不同，切割葉片因?yàn)槠鋸?fù)雜性和困難性，國外尚未完成機(jī)械化。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國劍麻機(jī)械化收獲水平很低，市場上沒有成熟的劍麻收獲機(jī)，劍麻葉片的采摘全部依靠人工切割完成。從劍麻的整個(gè)生產(chǎn)過程來看，一般需要用到整地機(jī)、田間管理機(jī)、割葉機(jī)和加工機(jī)械等，從各個(gè)環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平來看，僅割葉環(huán)節(jié)機(jī)械化水平幾乎為零，仍需大量人工作業(yè)[20-21]，能夠運(yùn)用到實(shí)際作業(yè)中的工具，僅僅是一些簡單的輔助工具，像鐮刀、電動(dòng)割葉手鋸等，因此實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲劍麻葉片是當(dāng)前急需解決的技術(shù)難題。

國內(nèi)研究劍麻產(chǎn)業(yè)的科研機(jī)構(gòu)具有很強(qiáng)的地域性，大多集中在南方，主要研究單位有農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、廣東農(nóng)墾、廣西農(nóng)墾、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院、兩廣有關(guān)院校及劍麻生產(chǎn)企業(yè)等[22]。2015年廣東農(nóng)墾等企業(yè)聯(lián)合研制出了1臺(tái)劍麻收獲樣機(jī)，并在湛江農(nóng)墾東方紅農(nóng)場進(jìn)行初步試用[22]。2015年海南大學(xué)張琪琪等[23]從劍麻切割應(yīng)力力學(xué)性能出發(fā)，采用單因素試驗(yàn)法測得不同影響因素下劍麻葉片的最大切割應(yīng)力，并分析含水率、切割部位、切割葉面、切割方式、切割速度、切割角度、對(duì)切割應(yīng)力的影響，為今后劍麻收獲機(jī)研制時(shí)刀具切割位置、切割時(shí)間及刀具的設(shè)計(jì)、電動(dòng)機(jī)功率的選取等方面提供數(shù)據(jù)支持。近年來，研究人員設(shè)計(jì)了各種劍麻收獲裝置，主要有手持式、手推式、自走式、搭載式。

1.2.1 手持式劍麻收獲裝置

鄭戰(zhàn)光等[24]設(shè)計(jì)一種自動(dòng)調(diào)節(jié)刀頭方向的劍麻收割機(jī)，該機(jī)由手持部分和切割部分組成。工作時(shí)，手持部分可進(jìn)行長短調(diào)節(jié)，切割刀具能根據(jù)受力自動(dòng)調(diào)節(jié)方向，對(duì)成熟劍麻葉片進(jìn)行根部切割，如圖4所示。盧易達(dá)[25]設(shè)計(jì)一種刀頭固定式手持劍麻收割裝置，該裝置由手柄部分和切割刀頭組成。工作時(shí)，人工手持該裝置利用圓型刀具旋轉(zhuǎn)切割葉片，如圖5所示。目前，手持式劍麻收獲裝置主要分為刀頭可調(diào)式和刀頭固定式，是人工手臂的一種延伸，屬于輔助類機(jī)械采摘裝置，該類裝置結(jié)構(gòu)簡單，普遍笨重，不能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度[24-27]。

圖4 一種自動(dòng)調(diào)節(jié)刀頭方向的劍麻收割機(jī)Fig. 4 Sisal hemp harvester capable of automaticallyadjusting cutter head direction

圖5 一種刀頭固定式手持劍麻收割裝置Fig. 5 Hand-held sisal hemp harvestingdevice with fixed cutting head

1.2.2 手推式劍麻收獲裝置

任曉智等研制了一臺(tái)多自由度劍麻收割裝置，該機(jī)由動(dòng)力部分、進(jìn)給部分、擺動(dòng)角度和高度調(diào)節(jié)部分組成。工作時(shí)，通過調(diào)節(jié)桿進(jìn)行進(jìn)給量、左右擺動(dòng)量、上下高度的調(diào)節(jié)，通過電機(jī)帶動(dòng)一對(duì)錐齒輪旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割，如圖6所示。萬榮知等[28]設(shè)計(jì)了一種爪式開合劍麻收割機(jī)，該機(jī)由小推車、盤型鋸片、兩個(gè)工作爪等組成。工作時(shí)，兩個(gè)工作爪閉合之后剛好形成一個(gè)正六邊形的環(huán)形閉合且具有切削能力的封閉區(qū)域，這個(gè)環(huán)形的切削部分從下往上勻速進(jìn)給，向上的過程中切掉麻株上的麻葉，如圖7所示。

圖6 一種多自由度劍麻收割裝置Fig. 6 Multi freedom sisal hemp harvesting apparatus1.刀具 2.錐齒輪 3.擺動(dòng)角度與高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)4.工作電機(jī) 5.調(diào)節(jié)桿 6.推桿 7.進(jìn)給機(jī)構(gòu)8.進(jìn)給導(dǎo)軌 9.蓄電池 10.電池罩 11.底盤

圖7 一種爪式開合劍麻收獲機(jī)Fig. 7 Claw-type open-close sisal hemp harvester1.小推車 2.盤型鋸片 3.工作爪

目前，手推式劍麻收獲裝置主要分為單刀切割式[29-30]和多刀環(huán)繞切割式[28, 31]，該類裝置采用手推式小車作為支撐，整機(jī)運(yùn)動(dòng)要靠人工推動(dòng)前行，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高收割效率，但切割的高度和靈活性受限。

1.2.3 自走式劍麻收獲裝置

賈志成等[32]設(shè)計(jì)了一種多機(jī)械臂劍麻采割機(jī)，該機(jī)由履帶車、升降臺(tái)、連桿、上蓋板、下蓋板以及若干割葉爪等組成。工作時(shí)，機(jī)械臂自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)劍麻，割葉爪張開包裹住劍麻形成環(huán)形切割區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行割葉，如圖8所示。

圖8 一種多機(jī)械臂劍麻采割機(jī)Fig. 8 Multi-mechanical-arm sisal hemp harvester1.履帶車 2.上蓋板 3.下蓋板 4.割葉爪5.連桿 6.升降臺(tái)

蔡毅等設(shè)計(jì)了一種平臺(tái)式劍麻收獲機(jī)。該機(jī)主要由工作平臺(tái)、分葉機(jī)構(gòu)、割葉機(jī)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部分組成。該平臺(tái)由拖拉機(jī)牽引，平臺(tái)上安裝的分葉機(jī)構(gòu)可將未成熟的麻葉收攏包裹成圓柱狀，由割葉機(jī)構(gòu)控制旋轉(zhuǎn)刀具的割葉運(yùn)動(dòng)軌跡，從上往下切，保證麻葉機(jī)的安全，如圖9所示。

圖9 一種平臺(tái)式劍麻收獲機(jī)Fig. 9 Platform-type sisal hemp harvester1.分葉手 2.環(huán)型刀具 3.刀架 4.刀架支撐板 5.中心主軸6.中間板 7.液壓缸支撐板 8.中心液壓缸 9.同步液壓缸組10.支撐架 11.工作平臺(tái) 12.平臺(tái)升降液壓缸

田昆鵬等[33-34]設(shè)計(jì)了一種劍麻收獲機(jī)及自動(dòng)對(duì)株系統(tǒng)，該機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括切割裝置、移動(dòng)裝置以及機(jī)車。工作時(shí)，機(jī)車搭載移動(dòng)裝置和切割裝置到劍麻處，移動(dòng)裝置帶動(dòng)切割裝置到切割位置，切割裝置對(duì)劍麻進(jìn)行切割，如圖10所示。

圖10 一種劍麻收獲機(jī)Fig. 10 Sisal hemp harvester1.第一手柄 2.第三手柄 3.遙控信號(hào)發(fā)生器 4.第五手柄5.支撐架 6.割刀 7.進(jìn)環(huán)口 8.切割環(huán) 9.調(diào)節(jié)電機(jī)10.切割裝置 11.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 12.上下移動(dòng)組件13.縱向移動(dòng)組件 14.橫向移動(dòng)組件 15.移動(dòng)裝置16.第四手柄 17.第二手柄 18.機(jī)車

該類劍麻收獲機(jī)采用機(jī)車作為支撐，一般配有傳感器和自動(dòng)對(duì)株系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，自動(dòng)化程度高。從理論上看，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)劍麻的機(jī)械化收割，相比于人力收割，能夠大大降低人力成本，且收割效率更高。

1.2.4 搭載式劍麻收獲裝置

樊軍慶等[35]設(shè)計(jì)一種劍麻收割裝置，該裝置以拖拉機(jī)作為車載，固定工作臺(tái)可進(jìn)行360°圓周旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)上設(shè)有升降液壓缸和支架，支架下設(shè)有麻葉抱籠機(jī)構(gòu)，抱籠麻葉的機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)刀具，該機(jī)構(gòu)抱籠麻葉后，刀具可徑向切割，如圖11所示。該機(jī)整體設(shè)計(jì)可用于地勢平坦，單株間距較大的劍麻收割，對(duì)于地勢坑洼，種植密集的劍麻，無法高效的運(yùn)用于實(shí)際。

圖11 一種搭載式劍麻收割裝置Fig. 11 Mounted-type sisal harvesting device1.切割刀具 2.切割液壓缸 3.刀架 4.小連桿 5.抱籠麻葉液壓缸6.抱籠麻葉機(jī)構(gòu) 7.中間連桿 8.垂直微調(diào)液壓缸9.水平調(diào)整液壓缸 10.支架 11.高度調(diào)整液壓缸

從現(xiàn)有成果來看，我國劍麻收割裝置的研發(fā)和創(chuàng)新主要體現(xiàn)在劍麻收割裝置的結(jié)構(gòu)上，研究成果以專利為主，成果轉(zhuǎn)化率低，能夠?qū)嶋H運(yùn)用的效果整體較差。

2 存在問題

2.1 研究成果實(shí)際運(yùn)用效果差

手持式劍麻收割裝置一般設(shè)有電池、電機(jī)、刀具，長而笨重，不利于降低勞動(dòng)力，且電池續(xù)航時(shí)間短，田間無處充電。手推式劍麻收割裝置一般以小推車為載體，其上設(shè)有電池、電機(jī)、刀具，推車上可裝載電池有限，裝載蓄電池續(xù)航時(shí)間短且較重，裝載鋰電池續(xù)航能力增加，但成本較高，不利于推廣；小推車適應(yīng)地形能力差，刀具在推車上使用時(shí)自由度受限，不夠靈活。自走式與搭載式劍麻收獲機(jī)適用性差。首先，該機(jī)器是一種機(jī)械化程度較高的設(shè)備，設(shè)計(jì)難度大，成本較高；其次，由于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的融合程度低，每個(gè)地區(qū)的種植模式不統(tǒng)一，尤其是行距、株距等關(guān)鍵參數(shù)因地型而異，導(dǎo)致該機(jī)在不同地形之間通用性差。

2.2 劍麻自身的特性決定了其機(jī)械化收獲難度大

我國劍麻多種于廣東、廣西、海南、福建等熱帶地區(qū)，種植已成一定規(guī)模，但仍有部分地區(qū)種植多而分散，不少劍麻是種植在山地丘陵地形，無法像其他麻類一樣機(jī)械化統(tǒng)一收割。劍麻呈螺旋式生長，蓮花式散開，葉片帶刺，種植散亂密集，且收割時(shí)不能一次性割完，不能碰傷主干，因此劍麻割葉時(shí)不僅要考慮下刀方式、割葉方式、割葉路徑，還要考慮到運(yùn)載機(jī)械適應(yīng)劍麻種植地形和田間規(guī)劃的能力，這給割葉機(jī)構(gòu)的研發(fā)增加了困難[36-37]。

2.3 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝不融合

農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)機(jī)械化離不開農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的有效結(jié)合，目前劍麻產(chǎn)業(yè)的研究領(lǐng)域，新品種的選育、栽培與劍麻機(jī)械研究之間缺少有機(jī)結(jié)合。在育種時(shí)，重點(diǎn)考慮優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的情況下，未把適合機(jī)械化收獲的種植密度、植株的大小高度等作為參考量。在栽培時(shí)，布局和密度未考慮機(jī)械化收獲過程，導(dǎo)致機(jī)械下地難，刀盤下刀難，更談不上機(jī)械化收獲[38-39]。

3 劍麻收獲機(jī)的設(shè)計(jì)思路

3.1 刀具切削性能的對(duì)比

目前，劍麻切割方式大致分為：徑向切割式(刀具垂直于葉片面或成一定角度進(jìn)行切割)、切向切割式(刀具通過葉片邊緣進(jìn)行切割)、剪切式。刀具形狀大致分為：月牙刀型、圓刀片型、鋸型、剪切型，如圖12所示。Majaja等[12]對(duì)劍麻葉片切割力學(xué)性能分析，得到了不同使用場景下刀具所受的平均切削力，如表1所示。不同的刀具適用的收割設(shè)備不同，采用的切割方式不同，從而產(chǎn)生的割葉效果也不同，將三者進(jìn)行合理的組合有利于劍麻收獲機(jī)的設(shè)計(jì)。

(a) 月牙刀型

(b) 圓刀片型

(c) 鋸型

(d) 剪切型圖12 不同類型刀具Fig. 12 Different types of cutting tools

表1 不同刀具的切削性能對(duì)比Tab. 1 Comparison of cutting performance ofdifferent cutting tools

3.2 切割關(guān)鍵技術(shù)

劍麻收獲機(jī)最核心的部件是切割裝置，切割裝置的核心部件是刀盤和刀具，刀盤和刀具的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于選擇合理的下刀方式和切割方式。下刀是劍麻收割的第一步，主要分為開合夾持式、剪切式、切割式，直接影響著切割方式和收割路徑的選擇；切割方式是劍麻收割的第二步，決定著劍麻收割的效果，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用徑向切割或切向切割；切割路徑是劍麻收切割的最后一步，決定著一次下刀后劍麻的收割量，直接影響著收割效率。例如：采用剪切式的下刀方式只能選擇剪切的切割方式，決定著切割路線只能一片一片地收割；采用開合夾持式的下刀方式可選擇徑向切割或切向切割，可一次收割多葉，決定著切割路線可設(shè)計(jì)為自下而上逐層切割。后者自動(dòng)化程度高、收割效率高，但設(shè)計(jì)困難。

綜上，刀盤的設(shè)計(jì)取決于下刀方式的選擇，刀具的設(shè)計(jì)取決于切割方式的選擇。切割裝置設(shè)計(jì)時(shí)，先合理選擇下刀方式和切割方式，進(jìn)行刀盤和刀具的設(shè)計(jì)，再選擇切割路徑進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。最后根據(jù)劍麻的種植格局和地形設(shè)計(jì)運(yùn)載機(jī)構(gòu)，從而完成整機(jī)設(shè)計(jì)。

3.3 設(shè)計(jì)思路

劍麻種植布局一般分為單排、雙排、散亂種植。從國外種植經(jīng)驗(yàn)看，雙排種植最流行，只有少部分地區(qū)小規(guī)模散亂種植[12]。從收割和產(chǎn)量的角度看，單排種植有利于機(jī)械化收割，但是產(chǎn)量稍低；雙排種植產(chǎn)量高，但是不利于機(jī)械化收割；散亂種植產(chǎn)量低，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化困難。

雙排種植時(shí)，每兩排間種植距離較近，可考慮將承載機(jī)械設(shè)計(jì)為車輪矩形布局，車架采用升降式龍門架結(jié)構(gòu)，既能隨時(shí)根據(jù)地形改變重心穩(wěn)定車身，又能使收割車在田間自由穿行[40-41]。在收割刀盤的設(shè)計(jì)方面，劍麻成壟種植，收割路線固定，有利于刀盤、刀具的整體設(shè)計(jì)。根據(jù)劍麻的自身特性，刀盤可設(shè)計(jì)成開合式，其上布置刀具；根據(jù)人工割葉姿態(tài)，一般鐮刀傾斜于水平地面15°～45°切向切割，故刀具可采用傾斜于水平地面30°切向割葉的方式，采用鏈條式鐮刀結(jié)構(gòu)，安裝于刀盤上[42-45]。

單排種植時(shí)，兩排間距較遠(yuǎn)，可考慮將承載機(jī)械設(shè)計(jì)為四輪機(jī)，其上搭載一個(gè)具有伸縮臂的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，伸縮臂用鉸鏈連接，以保證所需要的自由度。伸縮臂上安裝開合式機(jī)械手作為刀盤，其上安裝斜切式刀具[46-48]。

3.4 設(shè)計(jì)方案

雙排種植時(shí)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種劍麻收獲機(jī)末端執(zhí)行裝置，主要包括圓周進(jìn)給機(jī)構(gòu)、圓心進(jìn)給機(jī)構(gòu)、開合式鏈刀機(jī)構(gòu)，如圖13所示。裝置的工作原理：本劍麻收割末端執(zhí)行裝置通過連接板安裝在機(jī)械臂上，收割時(shí)，機(jī)械臂將該裝置送至劍麻附近，開合式刀盤張開手臂，通過圓心進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)后刀盤夾住劍麻，然后啟動(dòng)鏈刀進(jìn)行割葉，機(jī)械臂上移，完成一次割葉。一次割葉完成后，開合式刀盤張開，機(jī)械臂下移，圓周進(jìn)給裝置帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)至未收割到的部分，然后刀盤夾住劍麻，機(jī)械臂上移，完成剩余部分的割葉。

圖13 開合式鏈刀劍麻收割刀盤Fig. 13 Open-ended chain knife sisal hemp harvesting knife1.連接板 2.圓周進(jìn)給機(jī)構(gòu) 3.開合式刀盤4.圓心進(jìn)給機(jī)構(gòu) 5.刀鏈

單排種植時(shí)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種自走式劍麻收獲機(jī)主要由切割裝置、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮連接機(jī)構(gòu)(第一液壓缸和第二液壓缸)、水平轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、駕駛室及四輪行走底盤等組成，切割裝置主要有機(jī)械手機(jī)構(gòu)和刀具機(jī)構(gòu)組成，如圖14所示。收割時(shí)，伸縮機(jī)構(gòu)將切割刀盤送至劍麻根部，調(diào)整姿態(tài)后，刀盤夾住劍麻，驅(qū)動(dòng)垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)切割裝置完成自下而上的收割，收割后，切割裝置的機(jī)械臂打開，伸縮機(jī)構(gòu)收縮，垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)切割裝置下降，切割裝置復(fù)位，保持此狀態(tài)，前進(jìn)移動(dòng)到下一個(gè)劍麻進(jìn)行工作。

圖14 雙向式劍麻收獲機(jī)Fig. 14 Two-way type sisal hemp harvester1.切割裝置 2.垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu) 3.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 4.伸縮鏈接機(jī)構(gòu)5.水平轉(zhuǎn)向 6.駕駛室 7.四輪行走底盤

4 發(fā)展建議

4.1 開發(fā)輔助類收割裝置，緩解勞動(dòng)強(qiáng)度

目前，人工收割劍麻最大的困難就是勞動(dòng)強(qiáng)度大，需要彎腰割葉，還要防止被扎傷的危險(xiǎn)。要解決劍麻收割難的問題，第一步建議各科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一些高效的輔助類工具，解決人工收割彎腰和易被刺傷的問題，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)前輔助類裝置有手持式和手推式兩種，手持式一般由于桿臂長，頭部有電機(jī)和刀具，有些笨重，所以使用時(shí)十分不便，手持式割葉裝置設(shè)計(jì)時(shí)，建議減輕頭部重量，桿臂設(shè)計(jì)成電動(dòng)伸縮式，電機(jī)安裝靠近桿臂前段；手推式一般以小推車作為載體，車的前端加一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是省力，缺點(diǎn)是適應(yīng)性差，不夠靈活，手推式劍麻收割裝置設(shè)計(jì)時(shí)，建議增加末端切割機(jī)構(gòu)的自由度，桿臂設(shè)計(jì)成電動(dòng)伸縮式。當(dāng)人工采用高效的輔助工具割葉后，再配合田間集葉和運(yùn)輸小車，就可大大的節(jié)省人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2 積極推進(jìn)各專業(yè)技術(shù)融合

劍麻收割要想實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，是一個(gè)艱難的過程，除了積極對(duì)收割裝置結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新外，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)其他技術(shù)的融合，像深度學(xué)習(xí)和機(jī)械視覺[48-49]，建議通過深度學(xué)習(xí)和機(jī)械視覺，設(shè)計(jì)一個(gè)劍麻收割定位系統(tǒng)，讓機(jī)械自動(dòng)判別劍麻哪部分應(yīng)該收割，從而控制機(jī)械刀盤定位此處進(jìn)行收割，這個(gè)過程真正實(shí)現(xiàn)了劍麻收割的全自動(dòng)化，對(duì)促進(jìn)劍麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著巨大幫助。

4.3 加強(qiáng)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝技術(shù)的緊密融合

農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝緊密結(jié)合是未來劍麻機(jī)械化收割的重要研究內(nèi)容之一，在育種、栽培時(shí)，將農(nóng)機(jī)裝備考慮進(jìn)去，互相適應(yīng)，互相促進(jìn)，是解決劍麻收割難的重要一步。在育種時(shí)，育種專家除單獨(dú)考慮培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品質(zhì)之外，還可根據(jù)劍麻收割作業(yè)的要求，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)育種目標(biāo)，選育植株的大小高度整齊等，以適應(yīng)機(jī)械化收割。在栽培時(shí)，栽培人員在考慮產(chǎn)量的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)研究適合機(jī)械化收割的模式，采用條狀播種、固定行距和間距等方式，創(chuàng)建劍麻標(biāo)準(zhǔn)化種植示范田。

5 結(jié)論

1) 近年來國內(nèi)外劍麻生產(chǎn)設(shè)備，尤其是劍麻收獲機(jī)研究進(jìn)展緩慢，研究成果整體實(shí)際運(yùn)用效果差?，F(xiàn)有的輔助類收獲裝置適應(yīng)性差、靈活性差，很難推廣使用；機(jī)械化劍麻收割裝置自動(dòng)化程度高，能夠大大降低人力成本，且收割效率高，但是僅處于設(shè)計(jì)和理論層面，設(shè)備未能推廣使用。

2) 目前市場上尚無成熟的劍麻收獲機(jī)和機(jī)械化收獲系統(tǒng)。如果要開發(fā)這樣一個(gè)系統(tǒng)，建議用單排種植代替現(xiàn)在流行的雙排種植。對(duì)于劍麻收獲機(jī)械化第一目標(biāo)是解決人工收割時(shí)彎腰的問題，以開發(fā)輔助類機(jī)械為主；第二目標(biāo)是人工收割輔助裝置+集葉、打捆系統(tǒng)，配合田間麻葉運(yùn)輸車；第三目標(biāo)是機(jī)械化收割、集葉、打捆，配合田間麻葉運(yùn)輸車。

3) 根據(jù)對(duì)劍麻收獲過程的分析，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了適用于單排和雙排種植的劍麻收獲裝置，該裝置機(jī)動(dòng)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)劍麻葉片的無死角切割。提出了發(fā)展建議，為劍麻收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考。