譚紹輝 ，孫超然 ，李軍政 ，肖名濤 ，艾文可 ，劉昊源 ，鄧 佳

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410428）

煙葉生產(chǎn)機(jī)械化主要分為旋耕起壟、育苗、移栽、中耕培土、采收以及烘烤。近年來(lái)，我國(guó)煙葉生產(chǎn)機(jī)械化工作取得長(zhǎng)足進(jìn)步，除采收過(guò)程外，其他生產(chǎn)過(guò)程均可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)[1]，但部分機(jī)型存在故障率高、使用成本高等問(wèn)題，與煙農(nóng)對(duì)機(jī)械化的迫切需要相比尚有一定差距。目前來(lái)看，煙葉機(jī)械化生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)均有較大提升空間，尤其是收獲環(huán)節(jié)。南方丘陵地區(qū)是我國(guó)煙草的主要種植區(qū)域[2]，地勢(shì)起伏不平，不利于機(jī)械化作業(yè)，煙葉采收環(huán)節(jié)主要依靠人工完成，采收效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，阻礙了煙草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，在丘陵地區(qū)發(fā)展和提高煙葉機(jī)械化收獲水平，能夠提高采收效率，降低煙農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加煙農(nóng)的收入[3]，對(duì)推進(jìn)煙草產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的意義。

1 煙葉收獲農(nóng)藝

2 煙葉收獲現(xiàn)狀

目前煙葉收獲主要依靠人工完成，收獲時(shí)期正值酷暑，作業(yè)環(huán)境惡劣。日出以后煙葉會(huì)變韌，為了保證煙葉品質(zhì)，煙農(nóng)是凌晨作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。一名煙農(nóng)采收一畝煙葉需花費(fèi)4 h~5 h，收獲效率低[6]。近年來(lái)，高?？蒲性核囍屏硕嗫畈煌臒熑~收獲機(jī)嘗試機(jī)械化作業(yè)，但是多數(shù)煙葉收獲機(jī)仍然存在易損傷煙葉、適應(yīng)性差等問(wèn)題，未能有效提升煙葉收獲效率，煙農(nóng)接受度較低，煙葉收獲機(jī)械一直沒(méi)能得到廣泛推廣應(yīng)用[7]。

3 國(guó)內(nèi)外煙葉收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀

煙葉收獲是指將葉片從其主動(dòng)脈與煙莖相連處斷開完成采摘，然后集中運(yùn)往烤房進(jìn)行烘烤。人工采摘主要是利用大拇指在煙葉主動(dòng)脈與煙莖相連處施加下壓力，使煙葉與莖稈分離，達(dá)到采摘的目的。煙葉成熟度和完整度是影響煙葉質(zhì)量的主要因素，保證烘烤質(zhì)量的前提是收獲成熟且完整的煙葉[4-5]，由于煙葉的成熟速度不一致，一般為從下至上逐漸成熟，導(dǎo)致在收獲時(shí)需要根據(jù)其成熟時(shí)間的不同進(jìn)行多層分批采收，收獲農(nóng)藝復(fù)雜、煩瑣。

國(guó)外煙葉收獲機(jī)械研究起步較早，發(fā)展至今已經(jīng)形成一套較為完整的機(jī)械化、智能化煙草生產(chǎn)體系，實(shí)現(xiàn)了煙葉的全自動(dòng)機(jī)械化收獲，極大地提高了采收效率。我國(guó)針對(duì)煙葉機(jī)械化采收的研究起步較晚，而且烘烤工藝復(fù)雜，制約著前端采收環(huán)節(jié)的機(jī)械化程度。目前，幾乎沒(méi)有機(jī)型能夠應(yīng)用在實(shí)際的作業(yè)過(guò)程中，采收工作仍然需要人工完成。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)也開始重視煙葉收獲裝備的研發(fā)，高校、科研院所和企業(yè)先后試制了多種不同型號(hào)的煙葉收獲機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)外在煙葉機(jī)械化裝備研究過(guò)程中，針對(duì)不同農(nóng)藝和使用場(chǎng)景制造了多種不同的機(jī)型，根據(jù)作業(yè)過(guò)程是否需要人工協(xié)助采摘，可分為半自動(dòng)煙葉收獲機(jī)和全自動(dòng)煙葉收獲機(jī)；根據(jù)采摘及烘烤方式的不同，可分為葉片采收機(jī)和帶莖采收機(jī)。

3.1 國(guó)外煙葉收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀

美國(guó)、意大利等國(guó)家根據(jù)不同種植農(nóng)藝要求，研制了多款高性能全自動(dòng)葉片采收機(jī)，具有代表性的如美國(guó)MarCo 公司研制的6360 型煙葉采收機(jī)、意大利DeCloet 公司研制的2TTH 型采收機(jī)以及SPAPPERI公司生產(chǎn)的RA632 等型號(hào)采收機(jī)[7]，這些機(jī)型均搭載高功率的約翰迪爾發(fā)動(dòng)機(jī)，采用三輪全液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，自動(dòng)化程度高，可同時(shí)跨兩壟作業(yè)，采收效率高，如圖1 所示。這些機(jī)型均屬于葉片采收機(jī)，采用“機(jī)械拍打式”采摘方式，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的異形采摘刀，使其高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)作業(yè)范圍內(nèi)的煙葉從莖稈上拍下完成采摘。但是這些機(jī)型都較為龐大，田間轉(zhuǎn)向和掉頭比較困難，并且“機(jī)械拍打式”采摘方式對(duì)煙葉的損傷較大，該機(jī)型在我國(guó)不適用。

圖1 全自動(dòng)自走式煙葉采收機(jī)

法國(guó)KIRPY公司設(shè)計(jì)制造的RMTD自動(dòng)裝載式煙草收獲機(jī)[7]，如圖2所示，其特點(diǎn)是對(duì)煙草進(jìn)行整稈帶莖收獲，屬于全自動(dòng)帶莖采收機(jī)。作業(yè)過(guò)程中，底盤和采收機(jī)具前進(jìn)方向與煙葉莖稈方向垂直，在靠近地面的根莖位置時(shí)，切割刀把煙葉莖稈切斷，通過(guò)夾持裝置將切下的煙株垂直向后輸送至運(yùn)輸車上完成收獲，無(wú)需人工干預(yù)，作業(yè)速度可達(dá)1 800桿/h~2 500桿/h，作業(yè)效率高，但作業(yè)過(guò)程中需要一臺(tái)裝載車同步完成，增加了勞動(dòng)力和使用成本。

圖2 法國(guó)RMTD自動(dòng)裝載式煙草收獲機(jī)

法國(guó)SOMAREF 公司研制的M20 帶框架的自動(dòng)煙草收獲機(jī)[7]，如圖3 所示，該機(jī)型與KIRPY 公司設(shè)計(jì)制造RMTD 型相似，屬于全自動(dòng)帶莖采收機(jī)。在作業(yè)過(guò)程中，割刀在莖稈底部把整株煙割斷，再通過(guò)機(jī)器上的夾持裝置夾住煙株將其運(yùn)輸?shù)胶蠓降目蚣苌?，收獲機(jī)一次可以裝7 個(gè)收納框架，每框約可收納450 株煙，當(dāng)煙框集滿后可直接放在田上晾曬，降低了勞動(dòng)力和成本，田間最高行駛速度可達(dá)9.5 km/h，作業(yè)效率極高。

圖3 法國(guó)M20自動(dòng)煙草收獲機(jī)

帶莖收獲方式的效率非常高，可以較好地保證煙葉的完整度，便于運(yùn)輸和整理，但是由于煙葉的成熟過(guò)程并不是一次性完成的，所以帶莖采收無(wú)法保證采下的煙葉成熟度一致，對(duì)煙葉的烘烤質(zhì)量會(huì)有一定的影響。目前，我國(guó)帶莖烘烤技術(shù)還不太成熟，未能在實(shí)際生產(chǎn)中使用，所以這類機(jī)型無(wú)法在國(guó)內(nèi)得到推廣應(yīng)用。

3.2 我國(guó)煙葉收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀

山東五征集團(tuán)有限公司研制的五征4TZ-3煙葉采收機(jī)，如圖4 所示，該機(jī)為半自動(dòng)煙葉采收機(jī)，具有高地隙作業(yè)特性，滿足三壟同時(shí)采收，整機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有道路和田間兩種行駛模式；作業(yè)過(guò)程中，采收人員乘坐在下方的座椅上，采摘方式仍然需要人工完成，采下的煙葉可集中收納在上方的平臺(tái)上，便于運(yùn)輸，煙葉收獲效率有一定程度的提升，但是效果不明顯，煙農(nóng)對(duì)其接受度差。

圖4 五征4TZ-3煙葉采收機(jī)

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)朱晨輝等[8]研制的履帶式全自動(dòng)煙葉采收機(jī)，如圖5 所示，采用雙泵-雙定量馬達(dá)液壓驅(qū)動(dòng)，解決了履帶式煙葉采收機(jī)在丘陵地區(qū)作業(yè)時(shí)因路面不平造成的行走不穩(wěn)問(wèn)題，轉(zhuǎn)彎半徑＜3 m，在一定程度上解決了國(guó)外大型設(shè)備難以適應(yīng)我國(guó)煙田的困擾。由于采收方式仍然使用“機(jī)械拍打式”對(duì)葉片進(jìn)行收獲，未能解決對(duì)煙葉的損傷問(wèn)題，推廣應(yīng)用難度較大。

圖5 履帶式煙葉采收機(jī)

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)王秀山、李智廣等[9-10]提出利用機(jī)器視覺(jué)原理研制出仿生機(jī)器采摘手，該仿生機(jī)器手可以模擬人手進(jìn)行采摘煙葉，作業(yè)時(shí)攝像頭對(duì)目標(biāo)煙葉進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)機(jī)械采摘手對(duì)煙株莖稈進(jìn)行夾取，隨后通過(guò)采摘手的向下運(yùn)動(dòng)完成對(duì)煙葉的采摘。這種收獲方式極大地降低了對(duì)煙葉的損傷，保證了煙葉的品質(zhì)，對(duì)煙葉收獲智能化發(fā)展有一定的參考價(jià)值，但是該仿生機(jī)器采摘手的采摘效率偏低，無(wú)法滿足煙農(nóng)需求。

4 存在的問(wèn)題

4.1 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝不融合

南方丘陵地區(qū)，煙草種植多數(shù)采用“煙稻輪作”方式，煙稻輪作可以有效改善土壤生態(tài)，減少病蟲害，但因水稻種植需要保水，田埂無(wú)法去除，田塊較小，形狀不一，不利于機(jī)械化作業(yè)。目前市面上大型的煙葉收獲機(jī)龐大的機(jī)身導(dǎo)致其轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大，無(wú)法在田間轉(zhuǎn)彎、掉頭，作業(yè)過(guò)程容易損傷煙葉，煙民接受度不高。農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝不融合，嚴(yán)重阻礙了煙葉收獲機(jī)械化的發(fā)展。

4.2 采收烘工藝要求嚴(yán)格

煙葉烘烤工藝要求采收的煙葉完整有序，收獲煙葉質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響到烤煙的品質(zhì)。目前市面上主流的煙葉收獲機(jī)大多數(shù)采用“機(jī)械拍打式”的采摘方式，盡管在旋轉(zhuǎn)葉片材料上做了很多研究，使用柔性材料盡可能降低破損率，但是效果并不理想，破損率仍然較高[11]，煙農(nóng)無(wú)法接受。帶莖采摘可以保證煙葉的完整度，但是無(wú)法保證采摘煙葉的成熟度，目前帶莖烘烤技術(shù)還不太成熟，帶莖采摘難以推廣使用。煙草收獲及烘烤農(nóng)藝的復(fù)雜性，加大了煙葉收獲機(jī)的研制難度。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，適應(yīng)難度大

煙草在我國(guó)南北各省區(qū)均有廣泛種植，目前我國(guó)共有24 個(gè)省區(qū)市進(jìn)行煙葉的種植與生產(chǎn)，已經(jīng)形成了六大煙草主要生產(chǎn)區(qū)域。我國(guó)疆域范圍廣闊，地形復(fù)雜多樣，地勢(shì)高低起伏，氣候差異較大，導(dǎo)致各個(gè)煙區(qū)種植的品種不同，種植及采收的農(nóng)藝也不同，未能形成一個(gè)較為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煙葉收獲機(jī)的適應(yīng)性造成巨大的挑戰(zhàn)。對(duì)于南方丘陵地區(qū)，此問(wèn)題尤為突出。

4.4 缺乏技術(shù)創(chuàng)新

近年來(lái)，高?？蒲性核跓熑~采收機(jī)械的研制上開展了大量科研攻關(guān)，推出了多款樣機(jī)，但是多數(shù)沿用了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)路線，缺乏創(chuàng)新，并不能滿足我國(guó)煙草種植的農(nóng)藝要求。例如，動(dòng)力機(jī)械多，配套機(jī)械少，生產(chǎn)上缺少與烤煙生產(chǎn)相配套的揭膜、中耕、葉片采收、編煙等環(huán)節(jié)的實(shí)用機(jī)械。另外，小型拖拉機(jī)多，大型拖拉機(jī)少；小型農(nóng)機(jī)具多，大中型綜合性能的農(nóng)機(jī)具跟不上生產(chǎn)發(fā)展需要。

5 建議和對(duì)策

5.1 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合發(fā)展

要以農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合為突破口，推進(jìn)農(nóng)藝技術(shù)集成、作業(yè)場(chǎng)景重構(gòu)、區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，為煙葉機(jī)械化收獲提供基礎(chǔ)。促進(jìn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合發(fā)展，構(gòu)建宜機(jī)化標(biāo)準(zhǔn)體系，通過(guò)農(nóng)藝的標(biāo)準(zhǔn)化，加強(qiáng)煙草機(jī)械化收獲技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，提高煙葉收獲機(jī)械化水平。

5.2 加大技術(shù)創(chuàng)新力度

加大技術(shù)創(chuàng)新力度是推進(jìn)煙葉機(jī)械化收獲的重要途徑。需要加強(qiáng)煙葉機(jī)械化收獲技術(shù)的創(chuàng)新，提高裝備的先進(jìn)性和適應(yīng)性。我國(guó)煙草種植環(huán)境復(fù)雜、采收條件苛刻，對(duì)煙葉收獲裝備的要求高，高校、科研院所和企業(yè)要加強(qiáng)合作和技術(shù)創(chuàng)新，在學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，要始終結(jié)合我國(guó)煙草生產(chǎn)農(nóng)藝，因地制宜，研發(fā)適合我國(guó)丘陵地區(qū)的煙草收獲機(jī)，提高煙葉收獲機(jī)的先進(jìn)性和適應(yīng)性。

5.3 完善農(nóng)機(jī)配套設(shè)施

加強(qiáng)農(nóng)機(jī)配套設(shè)施建設(shè)是推進(jìn)煙葉機(jī)械化收獲的重要保障。要改善農(nóng)機(jī)作業(yè)配套設(shè)施條件，積極推進(jìn)農(nóng)機(jī)報(bào)廢更新，加快淘汰老舊農(nóng)機(jī)裝備，提高農(nóng)機(jī)作業(yè)便利程度，按照高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、農(nóng)村土地綜合整治和農(nóng)田“宜機(jī)化”要求，改善農(nóng)機(jī)通行和作業(yè)條件，提高農(nóng)機(jī)適應(yīng)性和安全性，加快補(bǔ)齊農(nóng)業(yè)機(jī)械化基礎(chǔ)條件的短板，為煙葉收獲機(jī)械的使用提供便捷的作業(yè)環(huán)境。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)丘陵地區(qū)煙葉收獲機(jī)械化發(fā)展不理想，存在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝不融合、采收路線不明確等問(wèn)題，制約了煙葉收獲機(jī)械的裝備研發(fā)和推廣應(yīng)用。對(duì)此，應(yīng)加快推進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合發(fā)展，著力解決機(jī)械下田難、作業(yè)難等問(wèn)題，集中力量研發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)、可靠度高的丘陵地區(qū)煙葉機(jī)械化收獲裝備，實(shí)現(xiàn)煙葉收獲減工降本、提質(zhì)增效。