4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)與分析

黃偉鳳，曾伯勝，莫建霖，楊子增，蒙德鈞

(廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

甘蔗是我國重要的糖料作物，2018/2019榨季甘蔗種植面積達(dá)120多萬hm2，主要集中在廣西、云南和廣東等地，其中廣西甘蔗種植面積約87萬hm2，占全國總種植面積的60%以上[1-3]。我國甘蔗機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程緩慢，主要在于甘蔗種植在丘陵山區(qū)，蔗地起伏，中小規(guī)模蔗地居多[4-5]。隨著“雙高”基地建設(shè)、適度規(guī)模經(jīng)營路線的推廣及農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合作業(yè)示范，已逐漸形成單行種植和寬窄行種植兩種主流模式，種植行距以0.9、1.2和1.4 m為主[6-7]。目前市場上甘蔗收獲機(jī)有74～257 kW不同配套功率，其中以132～189 kW的甘蔗收獲機(jī)居多，其匹配動(dòng)力、喂入量大，收獲效率高[8-9]。130 kW以上的大中型甘蔗收獲機(jī)在面積足夠大、寬行距種植和比較平緩的蔗地作業(yè)時(shí)，具有比較優(yōu)良的作業(yè)性能，而在小地塊、行距較窄和坡度較大的蔗地作業(yè)時(shí)，作業(yè)效果不佳。因此，小機(jī)型的甘蔗收獲機(jī)需求緊迫。

針對(duì)以上問題，研發(fā)了一款機(jī)身較小、輕量化和采用履帶式行走底盤的4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)，其配套動(dòng)力為97 kW，適應(yīng)小行距、中小地塊甘蔗收獲作業(yè)。以該機(jī)為研究對(duì)象，在行距為1.2 m的單行種植蔗地進(jìn)行收獲作業(yè)，對(duì)比132、194 kW兩種機(jī)型的甘蔗收獲機(jī)，研究測定其作業(yè)性能指標(biāo)及其對(duì)甘蔗種植農(nóng)藝的融合效果。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)采用集蔗斗式集蔗裝置、兩級(jí)短輸送通道和履帶底盤行走裝置設(shè)計(jì)[10]。其主要結(jié)構(gòu)包括切梢器、扶倒器、根切器、一級(jí)輸送通道、二級(jí)輸送通道、切段裝置、履帶行走裝置、風(fēng)機(jī)裝置和集蔗斗裝置等。4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

1.切梢器 2.扶倒器 3.壓蔗輥 4.根切器 5.駕駛室 6.一級(jí)輸送通道 7.二級(jí)輸送通道 8.切段裝置 9.履帶行走底盤10.風(fēng)機(jī)裝置 11.集蔗裝置圖1 4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 4GQ-1C sugarcane harvester

收獲作業(yè)時(shí)，由切梢器對(duì)甘蔗生長點(diǎn)以上的蔗梢進(jìn)行切斷，并通過切梢刀片的旋轉(zhuǎn)作用把梢部甩到已收獲區(qū)，避免葉梢再次喂入到收割機(jī)內(nèi)。由左右兩對(duì)相向轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋扶倒器對(duì)倒伏甘蔗進(jìn)行扶正及分行，使待收獲區(qū)甘蔗順利進(jìn)入喂入口。通過壓蔗輥的壓蔗作用，甘蔗以一定傾斜角度喂入輸送通道，并由一對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的根切器把甘蔗根部切斷，經(jīng)由一級(jí)輸送通道調(diào)整甘蔗輸送方向后，輸送到二級(jí)輸送通道，并由切段裝置將甘蔗切成長度為20～30 cm的蔗段。在切段刀輥和拋蔗輥筒的作用下，蔗段以拋物線軌跡拋入風(fēng)機(jī)負(fù)壓區(qū)，由風(fēng)機(jī)風(fēng)選除雜，蔗葉及雜質(zhì)通過風(fēng)機(jī)口吹出，蔗段直接落入集蔗裝置內(nèi)。

4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)機(jī)型小巧，作業(yè)時(shí)可在小行距蔗地中靈活作業(yè)。收獲機(jī)總質(zhì)量7 t，機(jī)身輕量化設(shè)計(jì)可以有效減少收獲機(jī)對(duì)蔗地的碾壓作用。“一”字履帶行走裝置的設(shè)計(jì)使整機(jī)重心低，可適應(yīng)丘陵坡地、雨后松軟地面和小地塊等蔗地環(huán)境收獲作業(yè)，對(duì)甘蔗宿根影響較小，在無機(jī)耕道地頭轉(zhuǎn)彎半徑較小，調(diào)頭靈活。集蔗裝置采用兩級(jí)液壓缸分別實(shí)現(xiàn)向后方托舉和翻斗動(dòng)作，一次作業(yè)可承載約1 t甘蔗量，集滿蔗段后可一鍵卸蔗，通過小型鏟斗車進(jìn)行接駁，減少隨行接蔗車環(huán)節(jié)，降低成本。4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)理論工效10 t/h，可滿足中小規(guī)模甘蔗收獲作業(yè)需求。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

樣機(jī)試驗(yàn)于2020年4月在廣西南寧市武鳴區(qū)寧武鎮(zhèn)雷諾村甘蔗種植基地進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)天氣晴朗，溫度23～25 ℃。該基地甘蔗種植面積約150 hm2，蔗地起伏平緩，蔗壟長度約300 m，蔗區(qū)有機(jī)耕道。

2.2 試驗(yàn)材料

甘蔗品種為桂糖55號(hào)，系2019年6月采用甘蔗種植機(jī)播種的甘蔗，單行種植，行距1.2 m。甘蔗大多為直立狀態(tài)，生長狀態(tài)良好。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在田間進(jìn)行，設(shè)備主要有由廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司自主研發(fā)的4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)、4GZQ-180型甘蔗收獲機(jī)和4GZQ-260型甘蔗收獲機(jī)，以及測定基本參數(shù)時(shí)用到的堅(jiān)實(shí)度儀、切土環(huán)刀、帆布、卷尺和電子秤等。

2.4 試驗(yàn)方法

土壤的基本參數(shù)如堅(jiān)實(shí)度和含水率的測定根據(jù)GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件 測試方法的一般規(guī)定》進(jìn)行；甘蔗基本參數(shù)、倒伏程度及機(jī)收作業(yè)性能參數(shù)的測定根據(jù)JB/T 6275—2007《甘蔗收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法》進(jìn)行[11-12]。

2.4.1土壤基本參數(shù)

土壤堅(jiān)實(shí)度和土壤含水率的測定采用5點(diǎn)測定法。按照農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合作業(yè)規(guī)程，甘蔗機(jī)械化種植深度10～15 cm，因此通過堅(jiān)實(shí)度儀測定0～15 cm土壤層的堅(jiān)實(shí)度。土壤樣品通過取土環(huán)刀獲取，采用烘干法測定土壤的絕對(duì)含水率。

2.4.2甘蔗基本參數(shù)

甘蔗倒伏程度測定通過隨機(jī)選取5個(gè)測試點(diǎn)，各量取10 m蔗壟段，剔除無效蔗株(蔗筍和高度<65 cm的蔗株)，計(jì)算有效蔗株數(shù)量、不倒伏(蔗株基部莖稈與地面垂直線的夾角在0°～30°)、中等倒伏(30°～60°)和嚴(yán)重倒伏(>60°)株數(shù)，并計(jì)算倒伏程度。在其中一個(gè)測試點(diǎn)隨機(jī)選取10株有效蔗株，測定甘蔗基本參數(shù)，包括蔗莖長度、質(zhì)量和直徑等，并計(jì)算葉莖比，同時(shí)預(yù)估甘蔗產(chǎn)量[13]。

2.4.3機(jī)收作業(yè)性能指標(biāo)

作業(yè)性能試驗(yàn)主要測定4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)、4GZQ-180型甘蔗收獲機(jī)和4GZQ-260型甘蔗收獲機(jī)以正常收獲速度進(jìn)行作業(yè)時(shí)的指標(biāo)參數(shù)，根據(jù)JB/T 6275—2007《甘蔗收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法》測定作業(yè)性能指標(biāo)，如切割高度合格率、宿根破頭率、蔗段合格率、含雜率和總損失率，每種機(jī)型作業(yè)3次，計(jì)算平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 土壤基本參數(shù)

土壤堅(jiān)實(shí)度和土壤含水率的測定結(jié)果如表1～2所示。

表1 土壤堅(jiān)實(shí)度Tab.1 Soil compactness

表2 土壤含水率Tab.2 Soil moisture content

由表1和表2可以看出，試驗(yàn)區(qū)甘蔗地土壤0～15 cm土壤層的平均堅(jiān)實(shí)度主要在0～1 135.6 MPa，土壤層越深，堅(jiān)實(shí)度越大。而土壤平均含水率15%，滿足甘蔗機(jī)收作業(yè)條件。

3.2 甘蔗基本情況

甘蔗倒伏程度測定結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，該試驗(yàn)地甘蔗平均不倒伏率、中等倒伏率和嚴(yán)重倒伏率分別為89.2%、8.83%和1.98%，總體狀態(tài)為不倒伏，利于機(jī)收作業(yè)。

甘蔗基本參數(shù)測定結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，試驗(yàn)甘蔗平均單根總質(zhì)量1.932 kg，蔗莖質(zhì)量1.568 kg，蔗莖長度2 173 mm，甘蔗直徑32.71 mm，葉莖比23.86%。以1.2 m行距計(jì)算，預(yù)估該蔗區(qū)產(chǎn)量75.96 t/hm2。

3.3 作業(yè)性能指標(biāo)測定結(jié)果分析

3.3.1測定結(jié)果

機(jī)收試驗(yàn)以3款收獲機(jī)相繼進(jìn)行收獲作業(yè)。4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)以集蔗斗的方式集蔗，一次作業(yè)完畢后再將甘蔗段傾卸在帆布上；4GZQ-180型甘蔗收獲機(jī)、4GZQ-260型甘蔗收獲機(jī)以升運(yùn)輸送方式集蔗，作業(yè)過程中直接將收集的蔗段輸送到帆布上。每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，手工分揀合格蔗段、蔗葉和其他雜質(zhì)，根據(jù)甘蔗試驗(yàn)方法測定作業(yè)性能指標(biāo)。作業(yè)過程如圖2所示，作業(yè)性能指標(biāo)測定結(jié)果如表5所示，性能指標(biāo)對(duì)比如圖3所示，各收獲機(jī)3次作業(yè)數(shù)據(jù)如圖4所示。

表5 作業(yè)性能指標(biāo)結(jié)果Tab.5 Results of operation performance of sugarcane harvesters 單位：%

圖2 甘蔗收獲機(jī)田間收獲作業(yè)Fig.2 Field harvesting of sugarcane harvesters

圖3 收割機(jī)作業(yè)性能均值對(duì)比Fig.3 Comparison of operation performance of sugarcane harvesters

圖4 甘蔗收獲機(jī)3次作業(yè)性能數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Comparison of three operation performance data of sugarcane harvester

3款收獲機(jī)在田間收獲作業(yè)試驗(yàn)過程中，4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)由于整體機(jī)型較小，在標(biāo)準(zhǔn)的1.2 m行距中作業(yè)，可以很順暢地進(jìn)行收獲作業(yè)，分行效果好，對(duì)待收獲區(qū)甘蔗基本不會(huì)發(fā)生機(jī)體與甘蔗的剮蹭，通過性好，可靠性高；由于采用集蔗斗收集蔗段，甘蔗段經(jīng)過風(fēng)機(jī)除雜后直接落入集蔗裝置中，因此蔗段損失率較低；收獲后蔗段合格率、含雜率等指標(biāo)都較好。該機(jī)型配置合理、工作穩(wěn)定，符合甘蔗收割機(jī)收獲作業(yè)質(zhì)量要求。

4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收獲機(jī)由于采用升運(yùn)輸送集蔗方式，甘蔗段經(jīng)過風(fēng)機(jī)除雜后，通過升運(yùn)刮板輸送到帆布上，輸送過程中難免有甘蔗段掉落地上，因此蔗段損失率均高于4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)。此外，兩款機(jī)器由于機(jī)型較大，在收獲1.2 m單行甘蔗時(shí)，與待收獲區(qū)甘蔗發(fā)生了一定程度的剮蹭，導(dǎo)致部分甘蔗傾斜或倒伏，影響到下一輪機(jī)收質(zhì)量。因此，4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收獲機(jī)更適合在較大行距或?qū)捳姓釁^(qū)進(jìn)行收獲作業(yè)。

3.3.2結(jié)果分析

從圖3a可以看出，3款收獲機(jī)的切割高度合格率都是100%，這與試驗(yàn)過程中采用入土切割的收獲方式有重要聯(lián)系。入土切割后的甘蔗宿根不僅僅表現(xiàn)在切段高度合格率高，而且由于入土切割，蔗壟上層土壤疏松，宿根蔗發(fā)芽率和發(fā)芽質(zhì)量都能得到很好的保障。

從圖3b可以看出，4GQ-1C、4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收獲機(jī)作業(yè)的宿根破頭率分別為3.87%、5.16%和7.45%，均滿足宿根破頭率低于10%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合圖4b，4GQ-1C型的宿根破頭率最低，其次是4GZQ-180型，這說明在1.2 m行距蔗地收獲作業(yè)，小機(jī)型對(duì)宿根破壞程度更低。

從圖3c可以看出，4GQ-1C、4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收獲機(jī)收獲的蔗段合格率分別為96.27%、94.00%和91.51%，均滿足90%以上的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。總體而言，4GQ-1C型的蔗段合格率表現(xiàn)更佳，但從圖4c可以看出，3款機(jī)型的蔗段合格率都基本滿足要求，都具有較好的蔗段質(zhì)量。

從圖3d可以看出，4GQ-1C、4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收獲機(jī)收獲甘蔗的含雜率分別是4.17%、6.24%和6.22%，均滿足含雜率<8%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從圖4d可以看出，4GQ-1C型3次試驗(yàn)的含雜率均低于其他兩款機(jī)型，而4GZQ-180和4GZQ-260型3次試驗(yàn)含雜率相差不大，說明小機(jī)型含雜率效果良好，中大型收獲機(jī)除雜效果相當(dāng)。

從圖3e可以看出，4GQ-1C、4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收獲機(jī)收獲甘蔗的總損失率分別為0.65%、1.81%和1.40%，均滿足總損失率<5%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從圖4e可以看出，4GQ-1C型3次試驗(yàn)的總損失率均低于其他兩款機(jī)型，說明在其他條件相同或相近的情況下，集蔗斗式甘蔗收獲機(jī)在收獲作業(yè)時(shí)損失較小。但是在實(shí)際作業(yè)過程中，損失率關(guān)聯(lián)因素還包括轉(zhuǎn)運(yùn)車接收甘蔗，以及甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車與集蔗大卡車之間接駁過程中甘蔗損失，還有倒伏、漏割和機(jī)手水平等多個(gè)方面。

4 結(jié)論

(1)4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)采用97 kW級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、履帶式行走系統(tǒng)和集蔗斗集蔗方式，機(jī)型小、作業(yè)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，適合小地塊、行距較窄、坡度較大和比較分散的蔗地機(jī)收作業(yè)。

(2)對(duì)比132、194 kW級(jí)甘蔗收獲機(jī)，通過田間試驗(yàn)研究了4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)對(duì)中小行距種植地塊的適應(yīng)性和可靠性。結(jié)果表明，4GQ-1C型甘蔗收獲機(jī)的切割高度合格率、宿根破頭率、蔗段合格率、含雜率和總損失率分別為100%、3.87%、96.27%、4.17%和0.65%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且相比較為成熟的大中型甘蔗收獲機(jī)，該機(jī)在小行距蔗地作業(yè)時(shí)具有較好的收獲質(zhì)量，滿足中小地塊甘蔗收獲需求。