經濟類甘蔗小型收獲機設計

何焯亮 王 濤 林世坤 羅洪峰

（海南大學機電工程學院，海南 海口 570228）

甘蔗品種眾多，按商業用途來分無非只有兩類——制糖類甘蔗和經濟類甘蔗。它們的收割要求不同：制糖類甘蔗收獲過程可以不顧忌埋在泥土下的頭部，收割時只要沿著地表砍斷即可，收割條件良好，易于實現機械化、規模化；經濟類甘蔗的收獲要求比較高，它不能沿地表直接砍斷，要保留完整干凈的頭部，以確保甘蔗在市場上流通時保鮮時間更長，加之經濟類甘蔗的主產地大多為低洼碎離的地理特征，使其難以實現機械化［1－4］。中國在甘蔗收獲機械方面的研究大部分是針對制糖類甘蔗的，僅有少量有關經濟類甘蔗收割機械的研究成果，目前已知廣西農機研究所研制的4GZ-1A型甘蔗收獲機［5］，需要配套中型輪式拖拉機工作；采用夾持切割、夾持運輸。但由于輸送流程長，結構復雜，對彎曲和倒伏甘蔗適應性較差，不能滿足當下的農業生產。孫秀花等［6］的基于柔性化的甘蔗收獲機械利用ANSYS軟件將甘蔗進行網格劃分變成柔性體，并利用ADAMS軟件模擬了小型甘蔗收獲機對甘蔗的收獲過程。根據甘蔗的實際物理特性將其劃分為相應柔性體更切合實際，但模擬收獲機的收獲過程僅僅是一種虛擬環境中的簡化試驗，缺乏細節，并未設計出更具形象化的收獲機械。因此，研發高效、價廉、實用的，集傳統手工松土與削根為一體的經濟類甘蔗收獲機，將跨越式地提升經濟類甘蔗產業的發展。

1 設計思路

由于相關機具少且落后，經濟類甘蔗的收獲多數通過純手工的方式收割。這種收割方式分為2個步驟：①先用鋤頭把甘蔗頭連根帶土挖出；② 用柴刀將甘蔗頭上的根和泥削干凈。本研究設計的基于PLC自動控制的小型甘蔗收獲機，采用機械刀楸模仿這種傳統手工收割的方法，借鑒韓浩定等［7］運用液壓驅動和PLC數字控制技術設計的香蕉秸稈切片裝置，通過PLC芯片指令和限位開關操作各個電機運行，指導刀具的正確精準動作，對甘蔗頭部進行松土削根，最終實現甘蔗收獲過程的自動控制。

2 主體結構及其功能

2.1 基本結構

甘蔗收獲機由動力機構、控制元件和執行元件三大部分組成，其三維結構見圖1。其中，動力機構由伺服電機a、伺服電機b及伺服電機c組成，3個伺服電動機均由PLC模塊及其相應的限位開關控制。動力機構負責提供動力，伺服電機a功率較大，其輸出軸經鏈傳動與前輪13相連，帶動收獲機器前進或后退；伺服電機b用以控制刀架的上下移動；伺服電機c則控制兩刀楸間的相向運動。控制元件由左右限位開關5、夾緊限位開關7、前進限位開關8、上下限位開關10等組成，其任務是讓工作機構相互精確配合，使機器按一定的步驟有序工作。執行元件則由刀楸9、后輪11、前輪13等組成，刀楸是該甘蔗收獲機的核心元件，在伺服電動機b、c的帶動下夾緊甘蔗并向下運動，迅速松土并削凈甘蔗（保留頭部）；前后輪的作用則使機器沿一定路徑行駛。

圖1 小型經濟類甘蔗收獲機的基本結構圖Figure 1 The basic structure of small economic type sugarcane harvester

刀架是收獲機的主要結構，用于對甘蔗的夾持、莖葉的剔除以及甘蔗根部的削凈，它由刀楸、支承架、限位開關、伺服電機組成，見圖2。從圖2中可以看到，刀楸由兩個半圓形刀具組成，刀具下端加工成堅硬鋒利的刀鋒；兩伺服電機的主軸帶有螺紋并與刀楸的支承套配合，實現螺紋螺桿連接。

圖3為圖2所示刀架的俯視圖，從圖3中可以看到，當伺服電機帶動主軸旋轉，刀楸就會在螺紋螺桿的帶動下相向運動，夾住甘蔗。相向運動不可能無止境地進行，當刀楸靠近到一定程度，被夾緊的甘蔗就會觸碰到刀楸上的夾緊限位開關6（見圖2），使相向運動停止，進行下一個工步。

2.2 自動收獲工作過程及工作原理

收獲機的工作過程可分步表示如下：① 當人為觸發啟動按鈕時，伺服電機a接通，電機轉動，通過鏈傳動驅動收獲機向前前進；② 車子在前進的過程中，前方的甘蔗觸及壓力傳感器，機器停止前進同時伺服電機c正轉，刀楸中的兩半圓柱形刀具便相向移動，將甘蔗夾緊；③ 刀具觸及甘蔗時夾緊限位開關斷開，刀具停止相向運動，此時甘蔗被夾緊，伺服電機b正轉，刀具開始下行，刀楸在削除甘蔗葉的同時深入泥土，削根挖土，最終達到整株甘蔗與泥土分離的目的；此時，定時器T0開始激發，定時3s（是考慮人身安全和工作效率的綜合結果），在此期間，人工將已削干凈的甘蔗從土里迅速移除，這里需要說明的是，定時期間刀楸在泥土里，距離人手較遠，同時甘蔗已整株挖出，移除較易；④ 定時一到，電機b開始反轉，刀具上升并觸及上行限位開關，電機c反轉，刀具迅速分離，等待下一次的插割工作；⑤ 當刀具分離到位后，觸及收割機前行啟動開關，電機a再次接通，收獲機繼續前行，收割下一顆甘蔗。以上所述為一個工作流程，收獲機以此為單位不間斷工作。甘蔗收獲機的自動工作流程圖及對應的PLC順序功能見圖4。

圖2 刀架示意圖Figure 2 Schematic diagram of turret

圖3 刀楸觸發相向運動示意圖Figure 3 Schematic diagram of tools’relative motion

3 行程反饋及PLC控制系統

3.1 限位開關的行程反饋控制

在實際生產中，將行程開關［8］安裝在預先安排的位置，當裝于生產機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現電路的切換。收獲機的前進與停止、刀楸的上行與下行、甘蔗的夾緊與松開，都需要各個相對應的行程開關與伺服電機有機配合，根據運動部件的行程位置進行反饋控制而切換電路的電器，從而實現對每個運動部件運動行程的精準控制，實現刀具對甘蔗的精準切削動作。

圖4 自動工作流程圖Figure 4 Automatic work flow chart

3.2 PLC控制系統的程序設計及I/O接線

由于PLC采用“順序掃描，不斷循環”的工作方式［9］，用它控制收獲機的運行，圖4所示的自動工作流程就變得可行。為了實現整個甘蔗收獲機系統精準有效的自動控制，收獲機的控制系統核心將采用日本三菱公司生產的FX2N－32M系列PLC［10］來完成。先用STL（步進梯形指令）方法編寫甘蔗收獲機自動收割的控制程序，再將程序導入PLC芯片中，最后將芯片接入主電路中對收獲機進行實時控制。其I/O接線圖見圖5。其中轉換條件和輸出分別為：

X0：收獲機檢測正常，人為啟動，主電機a接通；

X1：甘蔗觸及車的前進限位開關，電機a斷開，電機c接通正轉；

X2：甘蔗觸到刀具的夾緊限位開關，電機c斷開，電機b接通正轉；

X3：刀具下行到位觸及下行限位開關，電機b斷開，時間繼電器T0接通開始計時；

X4：刀具上行到位觸及上行限位開關，電機b斷開，電機c接通反轉；

X5：刀具觸及左右限位開關，電機c斷開，電機a接通；

X6：延時時間到了，延時開關閉合，接通電機b反轉；

Y0：電機a接通車子前行；

Y1：電機c正轉，刀具相向移動；

Y2：電機b正轉，刀具下行；

Y3：電機b反轉，刀具上行；

Y4：電機c反轉，刀具分離；

Y5：時間繼電器T0接通，開始延時3s；

COM、COM1：電源接口。

圖5 甘蔗收獲機PLC外部接線圖Figure 5 Sugarcane harvester PLC external wiring diagram

4 結論

（1）中國地少人多的人文特點以及東南地帶低洼碎離的地理特征，很大程度限制了中國甘蔗種植業的機械化發展。此款小型經濟類甘蔗收獲機以中國目前小規模小經營的甘蔗生產模式為基礎而設計，簡單輕便，基本能實現對經濟類甘蔗的合理收獲，為經濟類甘蔗的收獲機械化提供了參考依據。

（2）當然，此甘蔗收獲機在自動的循環工作中，其本身的精準控制以及性能穩定性比較難把握；加上其本身的精準控制及其容易受到甘蔗地平整狀況和甘蔗生長狀態等外在因素的影響，因此收獲機在運作時很有必要實現收獲機的自動反饋控制以及施以必要的人為校正。另外，由于缺乏實際操作數據，收獲機模型有待進一步完善。制作樣機并投入生產，獲取試驗數據將是下一步亟需完成的工作。而在甘蔗收獲機的研制過程中不僅要提高其性能，還要利用先進工藝、先進技術和材料降低制造成本，從而實現甘蔗收割的機械化、智能化。總之，高經濟效益和高社會效益的甘蔗收割機必將成為未來發展的主流。

1 張華，羅俊，袁照年，等.甘蔗機械化種植的農藝技術分析［J］.中國農機化學報，2013（1）：78～81.

2 莫建霖，劉慶庭.我國甘蔗收獲機械化技術探討［J］.農機化研究，2013（3）：12～18.

3 鄭文秀.廣西甘蔗生產機械化技術的應用現狀與發展思路［J］.農機科技推廣，2003（3）：28～29.

4 孫登峰，朱燕，邱燁.淺談我國甘蔗種植機械化技術應用［J］.農機市場，2013（9）：37～38.

5 王光炬，喬艷輝，呂勇.甘蔗收獲機械的現狀及發展［J］.農業技術與裝備，2007（8）：21～22.

6 孫秀花，梁式，胡珊珊.基于柔性化的小型甘蔗收獲機的仿真技術［J］.機械設計與制造，2005（7）：62～64.

7 韓浩定，張燕，閆二樂.香蕉秸稈切片裝置及其控制系統設計［J］.食品與機械，2014，30（2）：106～108.

8 羅圣國，黃少顏，龔溎義，等.機械設計課程設計手冊指導書［M］.第2版.北京：高等教育出版社，2012.

9 廖常初，可編程序控制器應用技術［M］.第5版.重慶：重慶大學出版社，2012.

10 李艷，鄭鳳翼.輕松解讀三菱FX2N系列PLC原理與應用［M］.第1版.北京：機械工業出版社，2011.