陳立創(chuàng)

（柳州職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545000）

1 國內(nèi)甘蔗收獲機應用的概況

我國甘蔗種植面積約1 800萬畝，位居世界第3位，但總體生產(chǎn)成本是巴西、美國、澳大利亞、泰國等世界其他主要甘蔗種植國家的3～5倍[1]，嚴重削弱了我國蔗糖在國際市場的競爭力，制約著我國制糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。甘蔗生產(chǎn)過程的人工成本占到總成本的50%以上[2]，在農(nóng)村勞動力短缺、勞動力成本持續(xù)大幅上漲的情況下，提高甘蔗生產(chǎn)綜合機械化率是降低成本極為重要而且較為有效的路徑之一。國內(nèi)耕作環(huán)節(jié)、種植環(huán)節(jié)的機械化率分別達到95%和30%以上，但收獲環(huán)節(jié)的機械化一直存在瓶頸，2020—2021年榨季的甘蔗機械化收獲率不足12%，大大低于主要甘蔗種植國的甘蔗收獲機械化水平。而收獲環(huán)節(jié)的人工成本已經(jīng)占到總?cè)斯こ杀镜?5%以上?？梢?，提高甘蔗生產(chǎn)綜合機械化率的關鍵是提高甘蔗收獲機械化率。

2 國內(nèi)甘蔗收獲機技術發(fā)展及其應用

按收獲方式分，當前應用的甘蔗收獲機械主要有分段式收獲和聯(lián)合式收獲兩種類型，聯(lián)合式收獲方式目前主要有切段式收獲和整桿式收獲兩種形式。我國甘蔗收獲技術的研究始于20世紀50年代，通過對國外技術的引進、吸收和創(chuàng)新開發(fā)，分別研制出割鋪機、整桿臥式收獲機和切段式收獲機等[3-5]，特別是近十幾年來，在國家政策支持、市場需求驅(qū)動和先進技術引領下，自主研發(fā)的甘蔗收獲機逐漸成長為系列化、品牌化和國際化產(chǎn)品。

2.1 分段式甘蔗收獲機械

廣西農(nóng)業(yè)機械研究院在20世紀70年代最先研制出具有實用性能的系列小型甘蔗割鋪機和剝?nèi)~機。這種收獲方式是對甘蔗的收獲過程進行分階段處理，首先將甘蔗從根部割倒，鋪放在甘蔗壟的側(cè)面，然后再利用人工或機械對割倒的甘蔗進行收集，運送到集中存放處，利用配套的切稍、脫葉機械對甘蔗進行除雜處理。根據(jù)運用條件，甘蔗割鋪機可以做成側(cè)置或前置的形式安裝在拖拉機或其他動力機械上，也可以做成自帶動力實現(xiàn)自行走對甘蔗進行切割。分段式收獲模式比較適合應用在勞動力充足、甘蔗種植規(guī)模小、地塊分散的區(qū)域。與人工收割相比，割鋪機在收割效率上的優(yōu)勢是十分明顯的。切稍、脫葉機械對于甘蔗的除雜、脫葉效果也十分理想。常見甘蔗割鋪機的技術參數(shù)如表1所示。

表1 常見甘蔗割鋪機的技術參數(shù)

2.2 聯(lián)合式甘蔗收獲機械

2.2.1 整桿臥式甘蔗收獲機

整桿臥式甘蔗收獲機能夠?qū)φ收徇M行切稍、根切、脫葉、臥式輸送、收集等一體化作業(yè)，比起分段式收獲模式，是一種巨大的技術進步，極大地解放了輔助生產(chǎn)力，減少了勞動力的投入，提高了收獲效率。整桿臥式甘蔗收獲機采用壓輥往前傾倒甘蔗后進行切根，甘蔗頭部先入輥輸送，對于收獲直立、單行密度小、長勢好以及田間雜草少的甘蔗，有很好的效果。甘蔗在被壓倒前應當先進行切稍和脫葉處理。常見整桿式臥式甘蔗收獲機的技術參數(shù)如表2所示。

表2 常見整桿式臥式甘蔗收獲機的技術參數(shù)

2.2.2 切段式甘蔗收獲機

切段式甘蔗收獲機是目前技術上最為成熟可靠的一種機型，在國內(nèi)保有量占總量的93%以上。它的優(yōu)點是裝機功率大、行駛速度快、生產(chǎn)效率高，具有連續(xù)穩(wěn)定地自動完成甘蔗的扶倒、切段、除雜、清選、裝載等功能，非常適合應用在地塊平坦開闊、甘蔗連片種植面積大、種植規(guī)范、單行密度大、產(chǎn)量高的場合，在示范性甘蔗種植區(qū)得到很好的應用，是當前能夠規(guī)?；茝V應用最廣泛的機型。常見切段式甘蔗收獲機的技術參數(shù)如表3所示。

表3 常見切段式甘蔗收獲機的技術參數(shù)

3 國內(nèi)甘蔗收獲機推廣應用的技術問題

我國甘蔗收獲機難推廣應用的局面已經(jīng)持續(xù)很長時間了。農(nóng)機購置補貼公示的數(shù)據(jù)顯示，2019年國內(nèi)甘蔗收獲機銷售僅361臺，其中切段式收獲機銷售349臺，2020年銷售量提高到了708臺，銷售量維持在較低水平，實際使用率也比較低。

對于甘蔗收獲機械化率低的原因，韋崇新[6]研究認為，農(nóng)民個體購買意愿不高、農(nóng)機推廣站實際推廣力度不夠、國家相關政策落實力度不足等是主要因素；區(qū)穎剛[7]研究認為，地塊小、生產(chǎn)組織難統(tǒng)籌，并且糖廠、蔗農(nóng)、農(nóng)機服務組織和政府的關系難協(xié)調(diào)，是甘蔗全程機械化發(fā)展遲緩的主要原因；覃寧等[8]研究認為，機收甘蔗損失大、糖廠制糖設備不配套、收獲機械增加與作業(yè)面積不足、機收時間集中度不均衡是甘蔗收獲機械化發(fā)展的主要矛盾；魯化[9]研究認為，甘蔗種植生產(chǎn)經(jīng)營模式、種植農(nóng)藝不配套以及甘蔗種植區(qū)天氣因素對于甘蔗收獲機械的推廣應用影響較大?？陀^上來說，我國南方甘蔗種植區(qū)域分散、地塊小、種植地形復雜、土壤土質(zhì)差異較大、山地丘陵面積占比高、基礎設施差、冬季雨水多、甘蔗少量倒伏、種收過程管理不夠細化等，以及產(chǎn)業(yè)鏈相關環(huán)節(jié)問題，諸如蔗農(nóng)、農(nóng)業(yè)合作社、采收服務公司、糖廠和機主的利益及訴求相異，是影響甘蔗收獲機械化和集約化的重要因素。

甘蔗機械化收獲是一個系統(tǒng)性工程，涉及地理、氣候、甘蔗生長狀態(tài)等要素和產(chǎn)業(yè)鏈的每一個環(huán)節(jié)，也涉及收獲機械自身技術裝備和運用的適應性、實用性、可靠性等[10]。

3.1 “割鋪機+除葉機”分段收獲模式總體效率低

“割鋪機+除葉機”分段式甘蔗收獲方式屬于分散式工作模式，實際上是將甘蔗收獲過程分為收割、轉(zhuǎn)運、剝?nèi)~、除雜等多個銜接環(huán)節(jié)，造成工作流程拉長，時間維度延長，空間范圍也拓寬了，在轉(zhuǎn)運和除雜工序所需的輔助設備、勞動力數(shù)量與工作量也相對較大，輔助作業(yè)時間較長，總體生產(chǎn)成本也比較高。從實際情況來看，分段式甘蔗收獲方式只是起到局部改善工作條件、減輕人工作業(yè)強度的作用，仍然沒能夠從根本上解決勞動力短缺和成本高的問題，不利于規(guī)?；度敫收崾斋@的生產(chǎn)應用。

3.2 整桿臥式甘蔗收獲機應用可靠性亟待提高

整桿臥式甘蔗收獲機在工作過程中，首先要將直立生長的甘蔗順勢壓倒，然后整根切割送入輸送通道，并在輸送過程中完成脫葉和除雜。甘蔗按照切割順序一根一根地前后銜接進入輸送通道，一定程度上影響了收獲效率。此外，在實際應用過程中，由于受到收獲機自身輸送通道結(jié)構和通過性的制約，以及殘留甘蔗葉子纏繞的影響，倒伏、交錯、彎曲、雜草混生，并且產(chǎn)量高、密度大、叢生的甘蔗在輸送過程中容易出現(xiàn)折斷、堵塞和卡死等情況，導致工作過程不穩(wěn)定，故障率高，實用性不是十分理想，所以整桿臥式甘蔗收獲機市場占有率一直不高。

3.3 切段式甘蔗收獲機含雜率和總損失率偏高

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的農(nóng)業(yè)機械推廣鑒定大綱DG/T 117—2021《甘蔗收獲機》對切段式甘蔗收獲機在總損失率和含雜率兩項重要指標中賦予了更寬松的參數(shù)約束。切段式甘蔗收獲機械的總損失率和含雜率分別為7%和8%，與整桿式甘蔗收獲機械相比，總損失率提高43%，含雜率提高25%。對切段式甘蔗收獲機而言，依附在甘蔗鞘基的原生葉鞘和切除不干凈的尾稍隨切段的甘蔗一起進入落料裝置，增高了含雜率。常態(tài)下規(guī)?；鳂I(yè)過程中，由于受到甘蔗長勢、天氣、地理條件和機手操作技能等諸多因素影響，切段式甘蔗收獲機的總損失率和含雜率普遍在10%以上，導致甘蔗種植農(nóng)戶對其產(chǎn)生較大的抵觸情緒。

切段式甘蔗收獲機所切段的甘蔗長度為20 mm～40 mm，分段長度短，切面多，切面容易受雨水、泥塵、雜質(zhì)等外來異物污染，也是含雜率高的一個來源。特別是下雨天，切段的甘蔗在周轉(zhuǎn)過程中裝卸、堆放，很容易混雜泥沙。切段的甘蔗超長時間存放時，其切面也容易滋生細菌、加速退糖等，影響出糖率。另外，切段的甘蔗在轉(zhuǎn)運過程中容易夾帶大量泥沙進入糖廠壓榨流水線，甚至損害榨糖機，額外增加制糖成本。廣西區(qū)內(nèi)糖廠規(guī)模普遍不大，日均處理甘蔗壓榨產(chǎn)量有限，甘蔗在收割24小時內(nèi)必須進入壓榨的工藝流程，對甘蔗收割方式影響大。如果為了滿足切段甘蔗壓榨需求對壓榨槽進行改造，企業(yè)額外投資成本大，也不現(xiàn)實。

2020年11月，廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳對在廣西區(qū)內(nèi)推廣應用率高的中聯(lián)重機、廣西柳工、江蘇沃得、洛陽辰漢等品牌切段式甘蔗收獲機作業(yè)質(zhì)量進行了抽樣和入戶調(diào)查，結(jié)果顯示，其存在機械收獲總損失率大、蔗莖掉落多、切根破頭率高、操控性能不良等諸多問題。

4 甘蔗收獲機技術突破的可行性分析

就國內(nèi)糖蔗產(chǎn)業(yè)生態(tài)而言，要在根本上提高甘蔗的機收率，最可行的方式應該是從技術層面改進現(xiàn)有甘蔗收獲機械的結(jié)構與性能，或者創(chuàng)新甘蔗收獲機械的收獲方式。綜合分析來看，甘蔗整桿式采收將是最適合國情的一種機械收獲方式。鑒于整桿臥式甘蔗收獲機和“割鋪機+除葉機”收獲方式存在諸多局限性，近年來，一些高校、制造商另辟蹊徑，研究開發(fā)了整桿立式甘蔗收獲機。

4.1 整桿立式甘蔗收獲機面臨的技術難題及解決措施

整桿立式甘蔗收獲機，顧名思義就是使甘蔗保持在直立狀態(tài)下對甘蔗進行收獲的機械。在這一過程中，需要設立不同的機械裝置分別對甘蔗進行夾持、切割、脫葉、輸送和落料，重點解決甘蔗生長狀態(tài)非直立、甘蔗輸送速度與收獲機行進速度協(xié)調(diào)以及甘蔗在直立狀態(tài)下脫葉除雜等諸多關鍵問題。

4.1.1 扶立倒伏的甘蔗

由于受到雨水、臺風和生長過程管護等因素影響，我國南方地區(qū)種植的甘蔗存在一定的倒伏現(xiàn)象，其中大多數(shù)倒伏甘蔗往甘蔗壟的兩側(cè)呈現(xiàn)擴散性斜倒狀態(tài)，也有一部分倒伏甘蔗往甘蔗壟縱向斜倒。對于往兩側(cè)倒伏的甘蔗，在甘蔗收獲機前端兩側(cè)分別設置合理的扶蔗器就能將倒伏的甘蔗扶正。對于往甘蔗收獲機前進方向逆向倒伏的甘蔗，由于輸送通道在切割刀盤的正上方，倒伏的甘蔗在兩側(cè)扶蔗器和輸送通道的共同作用下，整根甘蔗從尾部開始逐漸抬升也能被扶立起來。但是，對于順著甘蔗收獲機前進方向正向倒伏的甘蔗，如果不首先被扶起，由于其根部先接觸刀盤，在甘蔗被切割后，就會順勢倒落在刀盤前方的地面上，阻礙刀盤對前方甘蔗的切割，或者妨礙刀盤的正常工作，甚至損壞刀盤。所以，如何科學扶立前方正向倒伏的甘蔗，是整桿立式甘蔗收獲機首要解決的關鍵難題。

4.1.2 甘蔗的輸送速度與機械的行駛速度之間保持協(xié)調(diào)

整桿立式甘蔗收獲機需要確保隨著甘蔗連續(xù)不斷地進入輸送通道的同時，還要對直立輸送的甘蔗進行脫葉和除雜。如果甘蔗收獲機輸送甘蔗的速度與行進速度不協(xié)調(diào)，就有可能造成甘蔗在輸送通道內(nèi)擁堵，影響甘蔗脫葉效果，或者可能造成輸送故障。例如，當收獲機的行駛速度大于輸送速度時，進入輸送通道的甘蔗就會發(fā)生積聚擠壓的現(xiàn)象；當叢生的甘蔗瞬間同時進入輸送通道，就會形成堆積的現(xiàn)象；當?shù)狗母收徇M入輸送通道，如果角度調(diào)整不完全直立，就會造成甘蔗呈現(xiàn)交錯雜亂的現(xiàn)象。在這些情形下，有必要對甘蔗收獲機的行駛速度和輸送速度進行適時調(diào)整。當然，正常情況下，應使得甘蔗收獲機的輸送速度與行駛速度維持一致，同時也要保證當甘蔗收獲機因故停止行駛時，輸送裝置仍然能夠正常工作。

4.1.3 甘蔗在直立狀態(tài)下可靠地脫葉和除雜

對直立狀態(tài)下的甘蔗進行脫葉和除雜具有很大的挑戰(zhàn)性。如果甘蔗單行排列，均勻分株生長，在直立進入甘蔗收獲機輸送通道時，可以按照原生次序有規(guī)律地往后輸送，并且保證甘蔗在輸送過程中彼此留有適當?shù)目臻g，便于脫葉除雜裝置進行梳理和除葉。但實際上，甘蔗種苗分蘗并不能單純地強求單行均株分布，為了提高甘蔗產(chǎn)量，反而要適當提高密植度。同時，甘蔗的叢生和非直立狀態(tài)的交錯生長也不可避免。所以，為了提高甘蔗在輸送過程中脫葉和除雜的可靠性，這就要求整桿立式甘蔗收獲機具備對進入輸送通道前的甘蔗進行預切稍、脫葉、撥散、分離或分流的功能。

4.1.4 合理提高甘蔗的收獲效率

甘蔗的收獲效率與甘蔗的輸送通道容量、輸送速度有關，但是，如果片面追求提高甘蔗的輸送容量和輸送速度，反而會降低甘蔗的凈葉率和凈雜率。也就是說，提高整桿立式甘蔗收獲機的甘蔗收獲效率，其前提是必須保證甘蔗能夠得到可靠地脫葉和除雜，盡量降低含雜率。在此條件下，提高甘蔗收獲效率的措施包括布設雙輸送通道或多輸送通道，適當延長輸送通道的長度及提高輸送速度等。

4.2 整桿立式甘蔗收獲機的優(yōu)勢

4.2.1 整桿收獲可以提高甘蔗從收獲到壓榨過程的總體經(jīng)濟效益

對甘蔗采用整桿收獲，一方面，可以有效保持甘蔗新鮮度，延長甘蔗的停放、貯存時間，降低甘蔗染菌霉變的風險，減少甘蔗水分和糖分流失的程度，提高甘蔗壓榨的出糖率；另一方面，也可以提高甘蔗碼放、捆扎的密實度，提高甘蔗轉(zhuǎn)運、裝車效率，減少甘蔗在中途停放或轉(zhuǎn)運過程受雨水、泥沙、灰塵等的污染，避免甘蔗黏附過多的雜質(zhì)，提高甘蔗收獲機全天候作業(yè)的能力；再者，實現(xiàn)甘蔗收獲與甘蔗轉(zhuǎn)運分離，可以將滿裝的甘蔗從收獲機械上卸落下來暫時堆放在田間，再由專門的車輛轉(zhuǎn)運至糖廠，這樣做既保證甘蔗收獲機能夠自主地連續(xù)順暢作業(yè)，又使得甘蔗運輸車輛獨立專注于轉(zhuǎn)運，從而減少甘蔗運輸車輛的配套數(shù)量。

4.2.2 立式輸送能夠減少甘蔗在運動過程中發(fā)生擁堵的情況

甘蔗收獲機的甘蔗輸送通道是連貫、同步的，在甘蔗輸送速度與甘蔗收獲機作業(yè)速度協(xié)調(diào)一致的情況下，甘蔗在被扶立、分離之后以直立的狀態(tài)有序、單根地進入輸送通道，并且在直立輸送過程中彼此之間保持相對隔離的位置關系，基本上不會發(fā)生甘蔗交錯、擠壓的情況，所以甘蔗擁堵的概率極小。對于大面積倒伏或彎曲嚴重的甘蔗，在甘蔗收獲機作業(yè)時會有一定的影響，需要適時調(diào)整甘蔗收獲機的作業(yè)速度。

4.2.3 在輸送過程中剝?nèi)~可以進一步降低甘蔗含雜率

分別在甘蔗輸送通道沿線不同的高度位置、不同的角度位置布設多個分級的剝?nèi)~裝置，對輸送的甘蔗在全長范圍內(nèi)進行有效剝?nèi)~，將剝離的甘蔗葉子通過專門的導葉槽往外引，就能夠?qū)⒏收崛~子清除得比較干凈。由于甘蔗在進入甘蔗收獲機輸送通道之前，已經(jīng)切除了尾稍，如果在甘蔗收獲機前端增加一個剝?nèi)~裝置，那么就可以減輕輸送通道剝?nèi)~的負擔，從而提高甘蔗收獲機的除雜率。

5 整桿立式甘蔗收獲機的開發(fā)與應用

由于甘蔗在輸送過程中剝?nèi)~，一定程度上制約了整桿立式甘蔗收獲機的作業(yè)速度，影響了甘蔗收獲的生產(chǎn)率，所以，整桿立式甘蔗收獲機一般只適合做成中小型。下面介紹一種中小型整桿立式甘蔗收獲機，如圖1所示。

圖1 一種中小型整桿立式甘蔗收獲機

5.1 主要技術參數(shù)

為了適應在陡坡多、地塊小、種植面積零星分散的甘蔗種植區(qū)域作業(yè)，甘蔗收獲機采用輕量化、小體積的結(jié)構型式，其技術參數(shù)如表4所示。

表4 一種整桿立式甘蔗收獲機的技術參數(shù)

5.2 主要結(jié)構及功能

為了實現(xiàn)甘蔗的立式輸送和在輸送過程中剝?nèi)~，甘蔗收獲機設置了以下關鍵裝置。

5.2.1 往復式扶立裝置

甘蔗收獲機的扶立裝置采用伸縮式往復運動棘爪分格機構，隨著甘蔗收獲機往前行駛，扶立裝置對單行甘蔗依次進行分撥和隔離，然后在甘蔗切根之后順利喂入輸送裝置。它對于扶起往甘蔗收獲機行駛前方向相向倒伏的甘蔗尤其有效。

5.2.2 多級彈性脫葉裝置

在甘蔗收獲機前端以及輸送通道沿途設置多個抽打式剝?nèi)~裝置，利用藤條式鞭打元件產(chǎn)生的動量剝除并撕碎甘蔗葉子，然后通過導向通道將打下的甘蔗葉子往外排放。

5.2.3 柔性夾持裝置

設置單通道輸送裝置，采用彈性輸送帶對直立的甘蔗進行夾持，然后往后輸送。輸送帶具有很強彈性和張力，可以隨甘蔗直徑大小產(chǎn)生形變，自由調(diào)節(jié)甘蔗的夾持力。

5.2.4 履帶式行駛裝置

行駛裝置采用履帶結(jié)構型，設置控制單元分別對履帶行駛速度、扶立裝置運動速度和輸送裝置運動速度進行比例控制，確保三者運動的協(xié)調(diào)。

5.3 主要應用及效果

整桿立式甘蔗收獲機作業(yè)狀態(tài)如圖2所示。其中，圖2（a）為處于稍微彎曲的甘蔗在扶立之后即將被喂入輸送通道的狀態(tài)，此時甘蔗上仍留有尾稍和葉子；圖2（b）為甘蔗處于輸送通道的狀態(tài)，此時的甘蔗已經(jīng)切稍和剝?nèi)~，到達了輸送通道后端，并且形成往后傾斜的角度，即將被放倒水平地卸落到料斗里面。

圖2 整桿立式甘蔗收獲機作業(yè)圖

6 小結(jié)

為了解決國內(nèi)甘蔗收獲過程中的問題，提高甘蔗收獲機械化水平，從技術角度創(chuàng)新甘蔗機械的收獲方式，研究和發(fā)展整桿立式甘蔗收獲機不失為一個重要的途徑。