一、設(shè)計(jì)背景

甘蔗在廣西、廣東、四川、海南和云南等南方熱帶地區(qū)大面積種植，這些產(chǎn)區(qū)的蔗糖產(chǎn)量在全國食糖總產(chǎn)量中占比超 90‰ 其中，廣西作為關(guān)鍵種植區(qū)域，地位尤為突出。發(fā)展甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化是優(yōu)化經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局、提高區(qū)域經(jīng)濟(jì)質(zhì)量的前提，是推動廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)品牌化建設(shè)關(guān)鍵舉措。此外，也是落實(shí)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的必要措施。目前，廣西甘蔗機(jī)械化收割水平相對較低，這阻礙了蔗糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。廣西甘蔗種植區(qū)多處在丘陵地形區(qū)域，例如桂西的一些地方，地塊破碎且坡度起伏大，大型收割設(shè)備難以施展，多依賴人工收割。蔗農(nóng)們手持砍刀，逐株砍伐，勞動強(qiáng)度極大且效率低下。即便有小型便攜的收割工具，也只是在一定程度上緩解人力壓力，整體機(jī)械化推進(jìn)艱難。

而在平原地帶，如桂中部分地勢平坦的區(qū)域，大型聯(lián)合收割機(jī)得以順利運(yùn)作。它們能夠快速地?cái)財(cái)喔收崆o稈，自動清理葉梢并裝載，極大地提高了收割效率，節(jié)省了大量人力成本與時(shí)間。然而，機(jī)械收割也并非盡善盡美，收割后的甘蔗含雜率較高，在送往糖廠時(shí)會面臨更嚴(yán)格的扣雜處理，影響蔗農(nóng)收益。同時(shí)，機(jī)器的自重以及作業(yè)過程可能會損害甘蔗根部，對來年的甘蔗種植與生長產(chǎn)生潛在不利影響，使得甘蔗種植的長期效益面臨挑戰(zhàn)。因此，筆者將設(shè)計(jì)切入點(diǎn)聚焦于廣西地形下的甘蔗智能收割機(jī)設(shè)計(jì)，旨在切實(shí)提升甘蔗在復(fù)雜地形中的收割效率，讓甘蔗收割更加便捷。希望通過對甘蔗智能收割機(jī)的研究與設(shè)計(jì)，能夠在適應(yīng)廣西復(fù)雜地形的同時(shí)，保證良好的收割質(zhì)量，提高收割效率，滿足不同時(shí)間段的收割需求。

二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著國家越來越重視鄉(xiāng)村振興發(fā)展，農(nóng)業(yè)得到快速發(fā)展，在廣西的一些地區(qū)還使用著以人工收割的方式進(jìn)行收割，部分地區(qū)甘蔗收割機(jī)械化程度較低，影響效率。我國科研院所與企業(yè)通過借鑒國外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究，從而研發(fā)出適合本國甘蔗生產(chǎn)環(huán)境的收割機(jī)械。從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行甘蔗收割機(jī)的研究，機(jī)型主要為切段式和整稈式甘蔗收割機(jī)，以參考國外技術(shù)為主，并沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行開發(fā)與研究。以凱斯（CASE）和約翰迪爾（JOHNDEERE）為代表的國外收割機(jī)主要用于在地勢平坦、面積較大、農(nóng)藝管理較為完善的作業(yè)地塊對直立性較好的甘蔗進(jìn)行收割，不能完全適用于我國的甘蔗生產(chǎn)環(huán)境，在收割倒伏嚴(yán)重的甘蔗較為困難，因此需要再結(jié)合國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，研制適用于我國甘蔗生產(chǎn)的收獲機(jī)械。在通過對整稈分段的方式的收割研究中，研發(fā)了一系列的小型甘蔗收割機(jī)和剝?nèi)~機(jī)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)HN4GZL-132型整稈式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)，生產(chǎn)效率 8t/h ，配套動力 132kW 。湖北國拓重工4GL-1-Z92A型，有節(jié)能電液控系統(tǒng)，作業(yè)效率 15t/h ，配套動力92kW。湖北神譽(yù)重工4GL-1型，全液壓驅(qū)動，配套動力 95kW 。嚴(yán)格意義上來說我國的甘蔗收割機(jī)的研發(fā)還存在著許多的不足，還存在著比較大的發(fā)展空間。

20世紀(jì)60至70年代，澳、美等國實(shí)現(xiàn)甘蔗機(jī)械化收割，收割方式有整稈式與切段式。通過機(jī)械化收割提升了生產(chǎn)效率，減輕收割勞動強(qiáng)度并降低成本。如1920年發(fā)明首臺履帶式整稈甘蔗收割機(jī)用于火燒蔗收割、1928年有以特定拖拉機(jī)為動力的整稈式收割機(jī)；同期也有青稈蔗整稈收割機(jī)，且1923年試驗(yàn)的第一款帶有剝?nèi)~功能。對比國外的甘蔗收割機(jī)，我們還有許多值得學(xué)習(xí)的地方。

同時(shí)，在我國智能化農(nóng)機(jī)開發(fā)與應(yīng)用也有著意義重大的影響。在生產(chǎn)效率上，可自動化作業(yè)并多機(jī)協(xié)同，大幅縮短農(nóng)時(shí)。例如北大荒勝利農(nóng)場堪稱典范，投人大量資金對傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)進(jìn)行改造，引人國產(chǎn)先進(jìn)的CVT智能拖拉機(jī)，并構(gòu)建起完善的監(jiān)測體系與管控云平臺。通過創(chuàng)新變量施肥等新農(nóng)藝，實(shí)現(xiàn)了耕種管收全程無人化作業(yè)，有力推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“三減三提\"目標(biāo)。延慶區(qū)積極引進(jìn)氣吹式智能精量播種機(jī)等新型設(shè)備，同時(shí)對原有播種機(jī)進(jìn)行改良，并在多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建立示范田，構(gòu)建“五統(tǒng)一”服務(wù)體系，在提高播種精密度、作業(yè)效率與出苗率方面成效顯著。彰顯出智能化農(nóng)機(jī)在不同地區(qū)、不同作物種植場景下的強(qiáng)大助力作用，為我國農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

從現(xiàn)有的產(chǎn)品調(diào)研中可知，隨著市場與社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，蔗農(nóng)對甘蔗收割作業(yè)的需求不斷增長，可對甘蔗智能收割機(jī)的了解僅約 30% 。此前多采用傳統(tǒng)人工收割方式，雖近年農(nóng)業(yè)機(jī)械化有所進(jìn)步，出現(xiàn)了少許智能化收割設(shè)備，但多數(shù)集中于部分地區(qū)，在甘蔗種植大省也只是小范圍應(yīng)用，未全面普及。這意味著我國甘蔗智能收割機(jī)發(fā)展不足，仍處于傳統(tǒng)作業(yè)模式。傳統(tǒng)的方式耗費(fèi)人力且效率低，不像智能收割機(jī)可高效自動收割。如果找不到人工隊(duì)伍或傳統(tǒng)設(shè)備，收割作業(yè)難以開展，從而無法保證全天作業(yè)，遇到下雨天、寒冷天容易停工，致使甘蔗難以及時(shí)收割，影響品質(zhì)與產(chǎn)量。

三、設(shè)計(jì)方案構(gòu)想與探究

（一）設(shè)計(jì)構(gòu)想

針對廣西地形及對智能化自動化甘蔗收割機(jī)的需求，筆者進(jìn)行了相關(guān)甘蔗智能收割機(jī)的設(shè)計(jì)與研究，讓用戶體驗(yàn)到屬于甘蔗收割領(lǐng)域的特色機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。以高效的收割速度和處理能力，大幅提升作業(yè)效率，憑借智能的自動化操作系統(tǒng)與精準(zhǔn)監(jiān)測功能，實(shí)現(xiàn)智能化的甘蔗收割流程，通過簡約耐用的機(jī)身結(jié)構(gòu)與外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)長時(shí)間、高強(qiáng)度的田間收割環(huán)境，為用戶帶來全新的甘蔗收割體驗(yàn)，有效地推動甘蔗種植業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。

本項(xiàng)甘蔗智能收割機(jī)設(shè)計(jì)方案秉持科技智能等理念，滿足甘蔗收割高效需求。以智能便捷無損收割為目標(biāo)，通過先進(jìn)技術(shù)精準(zhǔn)切割，減少植株損傷，保障甘蔗品質(zhì)。智能感應(yīng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測甘蔗生長參數(shù)，自動調(diào)整收割參數(shù)，適配不同環(huán)境。通過融入智能操控面板支持遠(yuǎn)程遙控與預(yù)設(shè)程序，方便用戶操作。通過使用衛(wèi)星定位和地理信息技術(shù)助力自動導(dǎo)航，提升收割作業(yè)與土地利用效率。便捷的運(yùn)輸模塊與收割緊密配合，將甘蔗有序運(yùn)輸。使用履帶式的運(yùn)輸車可讓種植在丘陵地區(qū)甘蔗便捷地運(yùn)輸出來，防止甘蔗品質(zhì)下降。借助物聯(lián)網(wǎng)，可遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備、收割進(jìn)度與運(yùn)輸情況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供有力依據(jù)，有效推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，讓甘蔗收割更智能、高效、科學(xué)。

通過優(yōu)化并加入昆蟲進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，最終采用農(nóng)田常見的髏蛄進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。該昆蟲體型狹長，這樣的體型使得它在土攘中行動靈活。然后甘蔗智能收割機(jī)器人設(shè)計(jì)成類似的狹長結(jié)構(gòu)，以便在甘蔗田間穿梭自如，減少對甘蔗植株的碰撞和損傷。收割機(jī)的整體尺寸是根據(jù)甘蔗田的行距和株距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保能夠順利進(jìn)人甘蔗行間進(jìn)行收割作業(yè)。

在尺寸方面：通過考量甘蔗田的行距、株距后，對收割機(jī)整體尺寸進(jìn)行優(yōu)化，確保其能進(jìn)甘蔗行間，進(jìn)行精準(zhǔn)、高效地收割。相對于傳統(tǒng)收割機(jī)容易碰傷甘蔗和破壞田地的弊端，該款仿生智能收割機(jī)可以貼合甘蔗田的實(shí)際工況，減少收割損耗，提升收割流暢度，為甘蔗的收割難題提供了新的方法。

（二）產(chǎn)品操作與功能分析

甘蔗智能收割機(jī)，可通過遠(yuǎn)程操控來進(jìn)行收割作業(yè)，為收割甘蔗收割帶來極大便利與革新。操作員無需在田間進(jìn)行控制，可坐在裝有專業(yè)操控軟件的電腦前，或者是打開手機(jī)專屬APP進(jìn)行收割機(jī)控制，從而實(shí)時(shí)掌握收割機(jī)的動態(tài)。

作業(yè)時(shí)，可憑借高清攝像頭回傳的畫面，精準(zhǔn)捕捉甘蔗的生長之態(tài)，從而遠(yuǎn)程調(diào)整收割高度與切割速度，適配不同田塊與甘蔗品種。在遇見突發(fā)故障時(shí)，系統(tǒng)可迅速預(yù)警，操控者可根據(jù)故障信息進(jìn)行遠(yuǎn)程排查，問題一鍵修復(fù)。大的故障也能即刻鎖定位置，安排人員進(jìn)行維修，大幅縮減收割機(jī)停機(jī)時(shí)間，保障收割機(jī)正常工作。

（三）材料與制作工藝研究

甘蔗智能收割機(jī)主體采用高強(qiáng)度輕質(zhì)鋁合金，方便收割機(jī)在泥濘、潮濕的蔗田進(jìn)行移動，降低收割機(jī)能源消耗。在切割部件方面，甘蔗智能收割機(jī)的刀片選用的是高硬度合金鋼，經(jīng)過淬火與回火處理，刃口變得比較鋒利，瀕繁使用不容易崩刃。同時(shí)，甘蔗智能收割機(jī)機(jī)身表面采用陽極氧化處理，從而形成致密的保護(hù)膜，可以隔絕水汽、農(nóng)藥等有害物體侵蝕，保障收割機(jī)機(jī)身安全。

四、結(jié)論

智能化甘蔗收割機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為廣西甘蔗產(chǎn)業(yè)帶來新契機(jī)。將先進(jìn)的智能化和信息化技術(shù)融人甘蔗切割機(jī)的設(shè)計(jì)與改良，意義重大。對此可以提升甘蔗收割的效率，廣西甘蔗種植面積廣闊，傳統(tǒng)收割的方式依賴大量人力，效率低下。智能化收割設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)，能快速精準(zhǔn)地切割甘蔗，大幅縮短收割周期，在甘蔗成熟的最佳時(shí)段完成大規(guī)模收割，確保甘蔗品質(zhì)，提高整體生產(chǎn)效率。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)高精度、高效率的智能切割機(jī)，能夠大幅提升甘蔗收割效率，降低旁動強(qiáng)度，甘蔗收割工作強(qiáng)度大、環(huán)境艱苦。智能化收割的系統(tǒng)減少了人工直接操作環(huán)節(jié)，蔗農(nóng)無需長時(shí)間彎腰砍伐、搬運(yùn)甘蔗，降低了身體負(fù)擔(dān)和疲勞感，也能吸引更多年輕勞動力投身甘蔗產(chǎn)業(yè)，緩解勞動力短缺問題。緊密結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦?、土壤特點(diǎn)，為蔗農(nóng)提供高效收割工具，切實(shí)提升生產(chǎn)效率。

通過智能化與信息化技術(shù)，增強(qiáng)切割機(jī)性能。利用傳感器和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，精準(zhǔn)監(jiān)測甘蔗生長狀況，為收割決策提供科學(xué)依據(jù)。提高甘蔗質(zhì)量智能設(shè)備憑借精準(zhǔn)的傳感器與先進(jìn)算法，能根據(jù)甘蔗成熟度、莖稈粗細(xì)等參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化收割，避免過度砍伐未成熟甘蔗或損傷成熟甘蔗，保證入廠甘蔗質(zhì)量穩(wěn)定，為制糖業(yè)提供優(yōu)質(zhì)原料，提升廣西蔗糖產(chǎn)品在市場上的競爭力。實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展理念，推進(jìn)甘蔗收割智能化是產(chǎn)業(yè)走向現(xiàn)代化、增加農(nóng)民收入的必然選擇。

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（作者單位：廣西民族師范學(xué)院）