全自動煙葉采收機方案設計

于 潔，褚金奎，吳中心，王云力

(1.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024；2.鄭州容大科技發展有限公司，鄭州 450000)

0 引言

煙草是一種重要的經濟作物，在我國的國民經濟中占有重要地位，產量占世界總產量的67%，是世界上主要的產煙大國之一。在煙葉生產過程中，采收是基礎性的工作，煙葉的采收時期和采收方法關系到煙葉產量和煙葉質量，所以科學、及時地采收煙葉是保證煙葉品質的關鍵[1]。在國外，如美國、意大利、加拿大等發達國家，煙草機械化采收發展較快，半自動、全自動化的煙葉采收機械已批量生產且投入使用，效果良好。然而，目前我國絕大多數煙農還是手工采收，不僅需要消耗大量的勞動力和時間，且采收效率低，很難保證及時采收。當需要在大面積煙田上進行采收作業時，手工采收顯然已經不能滿足農業要求，而機械化的煙葉采收機采收效率高，能夠及時完成采收作業。因此，研發適應我國國情的全自動煙葉采收機具有重要意義。

1 國內外發展現狀

美國、意大利、加拿大等國家的煙葉采收機械化相對成熟，已經開發出了多種不同類型的煙葉采收機。加拿大DeCloet公司在1979年制造了世界上第1臺全自動自走式煙葉采收機，在此基礎上又研發了較為先進的2TTH型煙葉采收機，實現了完全機械化采收，1人操作1臺采收機，1次采收兩行煙葉。另外，美國MarCo公司生產了6360型自走式煙葉采收機，意大利SPAPPERI公司針對煙葉采收部位的不同生產了RA341等型號的煙葉采收機[1]。

雖然我國是煙葉生產大國，但煙葉采收機械化發展卻相對落后，煙葉采收一直處于人工作業階段。由于各個國家和地區間煙草種植行間距、煙草特性等煙田情況的不同，從國外直接引進的煙葉采收機械并不適宜國內的煙田種植情況。國內很多高校和企業也在積極研發適合我國國情的煙葉采收機，如山東曲阜匯眾機械設備有限公司生產的小型半機械化煙葉收割機，適用于小地塊的煙葉收割；吉林大學陶永蘭等老師設計的“自適應行距煙葉收獲機[2]”，懸掛在拖拉機等小型機械上完成收割作業，屬于半自動煙葉收獲機。隨著國內人工費用的提高和大塊煙田種植面積的增加，一種高效、適合我國煙田的全自動煙葉采收機的研發迫在眉睫。

2 全自動煙葉采收機總體方案設計

2.1 煙草植株及其采收原理

煙草屬一年生草本植物，種植范圍較廣，煙葉具有較高的經濟價值，采收煙葉時根據其成熟時間不同而進行分時采收[3]。

煙葉采收的目標是分離煙草植株的莖和葉，而且要做到不損傷莖皮和煙葉，避免影響煙株的生長和烘烤質量。機械采收參考人工采收的動作，利用采收機械產生的外力完成采收作業，結合煙葉的傳送與收集，完成煙葉采收機械化過程。

2.2 總體結構方案

1.駕駛室 2.主機架 3.風機 4.煙筐 5.傳送機構 6.采收機構

2.3 總體動力方案

在工程機械中，主要有以下4種傳動方式：機械傳動、液力傳動、液壓傳動和電力傳動。

1)機械傳動。純機械傳動通常只能進行有級變速，且它的布置方式有局限[4]；但機械傳動制造成本低，早期收獲機械常采用機械傳動。

2)液力傳動。液力傳動采用液力變矩器或液力耦合器實現了發動機與變速器的離合，液力變矩器使傳動系統獲得自動、無級變速和變矩能力[5]，突出優點是有近似雙曲線的輸出扭矩—轉速的特點；但其布置方式有局限，變矩范圍窄、制動能力較差、效率低，不適用于需求速度穩定的情況。

3)液壓傳動。液壓傳動使用液體(一般為礦物油)作為工作介質傳遞動力和信號，相比于機械傳動和液力傳動，液壓傳動更易控制其運動參數和動力參數，有優良的低速負載特性[6]。由于液壓元件功率大、易于受控、安裝方便、操作簡單且故障率低，因此十分適用于結構多變、大功率傳遞及工作條件惡劣的大型收獲機械。其結合電子技術，更易調節和控制，進一步提高了收獲機械的操縱性、舒適性、方便性和智能化水平[7]。

4)電力傳動。電力傳動由內燃機驅動發電機，調速范圍廣，便于遠距離自動控制；但由于技術受限、成本高，適用于行走機械的功率電元件還沒有成熟和普及。

綜上所述，相對于其它幾種傳動方式，液壓傳動易于實現自動化控制，適用性廣，經濟性較好，更適合用于工作條件惡劣的農用收獲機械。

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3 關鍵部件方案設計

3.1 關鍵部件機構方案

3.1.1 煙葉采收機構

煙葉采收相對于其它作物采收有其特殊性，煙葉具有易破損的特點，采收時要保證其較小的破損率，否則其經濟價值會大大下降。由于煙草植株各個高度的煙葉成熟時間不同，需要分時、分部采收，類比人工采收煙葉的動作，采用1對相對旋轉的柔性采收刀來采收煙葉，如圖2所示[8-13]。

1.采收馬達 2.采收刀

煙葉采收的重要指標一個是破損率，另一個是采凈率。為了提高煙葉采凈率和降低煙葉破損率，從采收刀的形狀、材料和安裝位置三方面來考慮。

1)采收刀的形狀。采收刀形狀會對煙葉采凈率有一定影響，相比于矩形采收刀，采用波形的采收刀能增大采凈率。

2)采收刀的材料。刀片材質對采凈率和破損率都有一定影響，偏硬的材料更容易采凈煙葉，但容易造成煙葉的破損，因此選用合適的塑膠等柔性材料。

3)采收刀的安裝位置。河南農業大學的張秀麗等人發表的“下部煙葉機械采收的最佳施力方式實驗[14]”一文中表明，成熟煙葉最佳施力方式為斜向施力，安裝采收刀時若與地面有一定夾角，采收效果會更佳。

3.1.2 煙葉傳送機構

為了將采摘下的煙葉傳送到煙筐中，需要一套適應整機的煙葉傳送系統。采摘下的煙葉需要傳送到機器上部的煙筐，因此需要提升傳送裝置。采用輥輪加傳送帶的方式可以保證采摘的煙葉準確地輸送至煙筐。云南昆船電子設備有限公司設計了一種垂直提升機構，由固定輸送帶和下端由拉伸彈簧連接的可活動的輸送帶組成，當煙葉由輸送輥輪送至提升機構時，被兩條輸送帶夾住向上提升[15-17]，這種傳送機構的方案能夠準確實現煙葉的傳送，但煙葉需要完全克服重力輸送至煙筐。為此，本文提出了一種改進方案，增加一條水平傳送帶，并在機器允許的空間內將提升傳送帶設置一定的傾斜角度，使煙葉能夠更順利地輸送到煙筐，如圖3所示。

1.水平傳送帶 2.活動提升傳送帶 3.鏈輪傳動 4.固定提升傳送帶 5.鏈輪傳動

3.1.3 其他機構

除了采收機構和傳送機構外，全自動煙葉采收機還需要一些輔助機構，如煙筐收集機構和采收臺升降機構。這兩種機構普遍存在于其他農用收獲機械中，屬于農用機械通用部分，方案都比較成熟。

農用機械的卸料系統通常采用升降機構或翻轉機構來實現，因此采用煙筐升降機構或煙筐翻轉機構將煙葉轉移。由于煙草植株各個高度的煙葉成熟時間不同，因此將煙葉劃分為上中下三部分來進行分時分部采收，針對農作物不同高度的收割，通常采用升降機構來實現。對于農用機械的升降機構和翻轉機構，目前國內外大都采用液壓缸實現，其優點為結構簡單、操縱省力、動作平穩、故障率低，十分適用于大功率、工作條件惡劣的農用機械。

3.2 關鍵部件動力方案

3.2.1 全液壓行走驅動系統

設計全自動煙葉采收機的行走驅動系統時，借鑒了其他較成熟農用機械。在張志起等人發表的“4YX-4型全液壓自走式玉米收獲機液壓系統設計[18]”一文中，其收獲機液壓行走系統由1個液壓泵驅動1個液壓馬達組成，具有較好的無級調速能力。在此基礎上，為使煙葉收獲機械更好地適應多種作業環境的要求，選用如圖4所示的三輪液壓驅動的容積調速回路，其優點為調速范圍大，被廣泛用于大功率液壓傳動系統。

1.低壓溢流閥 2.變量液壓泵 3～6.單向閥 7～9.前后輪變量液壓馬達 10.高壓溢流閥 11.補油液壓泵

3.2.2 收獲機液壓轉向系統

液壓轉向系統中的全液壓轉向器根據工作原理，可分為開芯轉向系統、閉芯轉向系統、無反應轉向系統、有反應轉向系統和負荷傳感轉向系統。其中，閉芯轉向系統主要用于重載大型行走機械，有反應轉向系統油缸必須采用雙桿結構形式，負荷傳感轉向系統較其他系統有節能降耗、響應靈敏等優點，但系統復雜、成本高昂。因此，在全自動煙葉采收機中選擇開芯無反應轉向系統是一種性價比較高的方案，不僅能夠滿足使用要求，而且系統簡單、成本低。

3.2.3 收獲機液壓操縱系統

對全自動煙葉采收機而言，其液壓操縱系統控制煙葉采收、傳送、收集和采收臺升降，通過液壓馬達和液壓缸實現。

對于煙葉的采收和傳送，采用液壓馬達控制。采收刀馬達串聯連接，實現采收刀的相向轉動，并且轉速相同。在此基礎上，考慮到采收刀與傳送系統同時工作，將傳送馬達并入采收回路中，不僅能夠簡化油路，還能保證煙葉采收和傳送的協作性能，如圖5所示。

1.傳送馬達 2～5.采收馬達

對于煙葉的收集與采收臺的升降，采用鎖緊回路，如圖6所示。雙向液壓鎖的鎖緊回路的優點是活塞可在任意位置被鎖緊，能夠防止停止運動后因外界因素而發生竄動。由于液控單向閥是錐閥式結構，所以密封性好，泄露極少，常用在工程機械、汽車起重機支腿和飛機起落架等回路上。

1.液壓缸 2.液壓鎖圖

4 田間試驗與結果

4.1 試驗基本條件

鄭州容大科技發展有限公司試制的全自動煙葉采收機樣機田間性能試驗在河南省許昌市襄城縣雙廟鄉煙田和河南省禹州市小呂鄉煙田進行，試驗用煙為中煙100，株距平均為50cm。2017年7月20日至2017年9月20日進行煙葉收獲作業，每次采收2～3片煙葉，一次采收兩行，作業速度為70～90m/min，如圖7所示。

圖7 田間試驗Fig.7 Field test

4.2 試驗結果與分析

試制的全自動煙葉采收機在田間通過性良好，主要針對煙葉采凈率和煙葉破損率兩個技術指標進行了測定，結果如表1所示。

表1 全自動煙葉采收機試驗性能結果Table 1 Experimental performance results of the automatic tobacco harvester

從試驗結果來看，煙葉采凈率和破損率在一個合理的范圍內，滿足農藝要求，但仍有改進的空間。煙葉采凈率和破損率不僅與采收刀的形狀、材料、安裝位置有關，還與采收刀的轉速、喂入速度等有很大關系，不合適的轉速和喂入速度也會導致煙葉的漏摘和破損。

5 結論與展望

整機采用全液壓傳動，實現了煙葉的全自動采收，節省了人力，提高了效率，并且結構簡單、性能穩定、操作方便。柔性采收刀的設計保證了較高的煙葉采凈率和較低的煙葉破損率。水平傳送帶與提升傳送帶的結合，實現了煙葉從采收裝置到煙筐的傳送。

在未來的研究中，需要完善我國各個地區煙草莖、葉的物理特性研究，獲得煙葉的低損傷機理，為煙葉采收機械的結構設計提供理論基礎。為提高收獲機的智能性，還需進一步研究其機電液一體化技術，可引入機器視覺系統實現智能識別煙葉成熟度。在滿足使用要求的前提下，還可進一步簡化與優化機械結構，提高市場競爭力。