一種小型輔助人力甘蔗收割裝置

江正勇，毛羿茹，馬少春

(中國農業大學工學院，北京100083)

0 引言

甘蔗是熱帶和亞熱帶地區的一種多年生宿根作物。在中國，甘蔗種植主要集中在廣東省粵西地區、廣西西南部、云南省南部和海南省等優勢地區[1]。但目前我國的甘蔗收割仍靠人工[2]。大面積種植的甘蔗可用于制糖的主要部分是蔗莖，因此在砍下甘蔗后還需除去甘蔗桿表面的雜葉以及糖分含量較少的蔗梢。在傳統人工作業中，往往是先將甘蔗砍下，再進行除葉、去梢，即分步進行。甘蔗根切需要蔗農彎下腰進行勞作，長期的彎腰不僅勞動強度大，對人的身體健康也有非常大的影響。同時由于甘蔗的收割處理分為3步，效率非常低，使用人力的費用較高，相比澳大利亞、巴西等機械化程度高的蔗糖生產大國，我國甘蔗生產成本要高近 1倍[1]。廣西在2014/15年榨季甘蔗機械收割量為21.02萬t，收割機的數量119臺[2]，到了2019/20年榨季，甘蔗機械收割量為174.58萬t，甘蔗收割機的數量達1158臺[3]。因此，近年來，國內對于甘蔗收割機的研究日益增多，也已經有了很多成果，實驗證明，甘蔗收割機的效率非常高，但是也存在著很多問題。例如宿根破頭率可能會增加，宿根的破損會導致宿根壞死、不發芽，影響下一年的發芽率。同時機械收獲的甘蔗含雜率比人工收獲高是不可避免的，人工收獲時，含雜率一般為0.2%～3.0%；機械收獲方式下，切斷式甘蔗收獲機的作業質量要求為含雜率≤8%，但由于其作業特性及環境因素等綜合影響，含雜率一般為 7%～20%[4-6]。此外，我國甘蔗主產區地形復雜，在甘蔗種植大省的廣西，80%的面積都為山和丘陵[3]，丘陵山地地形不適于大型收割機的作業，根據我國目前情況，甘蔗地適合大型機械化模式的面積只占10%左右[4]。在廣西等甘蔗生產區，甘蔗收獲主要在1～3月，近幾年在該時間段經常會陰雨連綿，影響收割機下田作業[5]。因此盡管甘蔗收割機的效率十分高，我國的甘蔗收割機械化程度仍較低。在甘蔗種植面積占據全國60%以上的廣西，2018/19年榨季的平均機收量僅為1315 t/臺，按60天榨季適宜機收時間計算約折合為每天21.92 t/臺，遠低于收割機單機設計收割能力，反映出行業內普遍存在的單機作業效率不高的問題[7]。在未來 5年或者10年，人工收割甘蔗仍然占據一定的地位，所以設計一種小型輔助人力甘蔗收割裝置很有必要。基于現狀，我們設計了一種可以減輕人力勞動強度、提高生產率的輔助人工裝置，以期為甘蔗收割的發展提供參考。

1 甘蔗收割機的設計與分析

1.1 整機結構與工作原理

1.1.1 整機結構

裝置主要由切割裝置、支撐底殼裝置、推拉桿、齒條、齒輪和踏板裝置、束腳腳環裝置組成，裝置三維圖和裝配圖分別見圖1和圖2。

圖1 裝置三維圖

圖2 裝配圖

1.1.2 工作原理

動力輸入為人的重力，通過腳踩踏板裝置輸入，踏板裝置和踏板裝置下表面中部推拉桿一起向下運動，此時推拉桿為壓縮桿，動力輸入給齒輪，由于支撐底殼裝置與齒條的限位及配合作用，齒輪將實現向后的滾動從而帶動齒輪上的繞繩，給切割裝置后部一個合并力實現剪切甘蔗，從而達到切割裝置合并，即剪切效果。當復位時即通過束腳腳環裝置與踏板裝置連接抬起踏板，推拉桿一起向上運動，此時推拉桿為拉桿，齒輪向前運動，切割裝置及鋼繩在復位彈簧及此運動作用下實現復位。

1.2 剪切功能仿真驗證

1.2.1 模型處理

在現有的模型如圖1和圖2所示上進行一些簡要的處理刪減后，可以運用如圖3所示的簡化模型進行仿真；模型處理有圖2中的踏板裝置簡化為圖3中的壓桿1；鋼繩簡化為圖3中的連接桿2，實現傳力，即鋼繩在結構中的作用為傳導動力，即用此代替并不影響最終受力結果分析；圖2中的齒輪簡化為圖3中的圓滾，圖2中的齒條簡化為圖3中的平板，即齒輪配合副轉化為接觸副，不影響所需處受力結果，進行仿真。

1.2.2 參數釋義

如圖4所示，主要鉸點作用力有Y軸方向作用力F1、X軸方向作用力F2、合力F及合力F與壓桿的角度α；推拉桿長度L。

如圖5所示，標注為切刀的最大切徑d，既切刀達到最大剪切張角，即在滑槽的限位下有此最大張角，此參數用于切刀能剪切甘蔗的最大直徑。

如圖6所示，標注為踏板最大升角θ，此踏板最大升角θ在確定槽位置尺寸后即能確定推拉桿長度L。

圖3 簡化模型

圖4 作用力絞點及推拉桿長度

圖5 切刀最大切徑

圖6 踏板最大升角

1.2.3 結構仿真

設計尺寸過程中，在一些基本參數確定后可以利用其余的尺寸分析得到合理的整體結構尺寸，達到設計目標要求。

改變推拉桿長度L，可以改變踏板的最大升角θ、切刀的最大張徑d及切刀的閉合狀態，結果如圖7、圖8及表1所示。根據圖7、圖8結合表1可以分析得出，結合甘蔗根部一般直徑變換范圍(17～34 mm)[8]及切刀的弧度設計，在推拉桿長度L=85 mm時，可以得到較為合理的最大切刀張徑d=64 mm，在最大切刀張徑下便于切刀定位到甘蔗根徑，及在最大處張徑d=64 mm時，由三角形中位線定理可知，弧度設計的切刀不僅可以克制切刀切割時的滑刀現象，還可以擴大中部主要切刀位置的切割直徑d′＞32 mm。考慮到直徑較為偏大的甘蔗，設計過程中也合理地優化整體結構尺寸的緊湊和較小的踏板最大升角為24°，有利于穿戴使用時的舒適性及操作時輸入力的節約性。

圖7 推拉桿長度-切刀最大切徑曲線

圖8 推拉桿長度-踏板最大升角曲線

表1 推拉桿長度-切刀閉合狀態

1.2.4 力學仿真

如圖9所示，在壓桿上添加一驅動實現切刀的合并剪切過程。圖10所示，在切刀剪切面處施加一剪切反向阻力f，表示切割甘蔗時所受的反向阻力，其值根據查閱文獻值取最大值來進行實時仿真計算，一般的根切甘蔗力最大約為500 N左右[8]，本次取此參數作為最小值進行一定的增力進行仿真；即如圖9所示位置在桿上添加一往復驅動實現運動實時仿真，其它結構參數由上可知選取推拉桿L=85 mm，踏板最大升角θ=24°進行力學仿真比較合適。

圖9 復驅動示意圖

圖10 切割阻力f受力示意圖

首先在施加一助力f=800 N時，可以得到鉸點的各向作用力(鉸點Y軸向力即F1、鉸點Z軸向力即F2)與踏板角度θ的關系曲線如圖11所示，據此可以計算出鉸點的合力作用力(即F)及所需輸入力與踏板角度θ的關系曲線如圖12所示。據圖11分析可得，在初始θ=23°時，鉸點的作用力主要作用在在Y軸方向上，Z軸向的較小，在鉸點兩方向的作用力的交點后作用力在Z軸向的作用比較明顯，其鉸點作用力的合力也是如此，但是隨著角度的變化可以得出所需的輸入力并非如此，圖12可以看出輸入力是在有一個遞減的趨勢，所以在角度較小時 Z軸向作用力比較突出，但是角度的變化帶來的影響更加明顯，從而導致力矩的變小，所以才有輸入力的一個遞減趨勢，也符合設計時的一個考慮角度，所以取初始值加以分析可以得出一個比較省力的參數性能驗證。

圖11 踏板角度-絞點各向作用力曲線

圖12 踏板角度-絞點合力作用力曲線

通過改變切割阻力f的大小可以得到不同阻力下的鉸點初始時各向作用力及合力的大小，并且據此分析計算出需要的鉸點作用力合力及所需輸入的人力。圖13的F1曲線及圖14的F2曲線可以看到鉸點的2個方向的主要作用力的大小關系(圖15和圖16)，根據上一步的分析在此主要分析鉸點的 Y軸方向的力曲線關系及鉸點合力作用力的關系曲線，以及所需的輸入力關系曲線。通過數據曲線可以得出在切割阻力f的變化下，鉸點初始的各向作用力也隨之變化，在Y軸作用力方向變化比較規律，符合一定的比例，在Z軸方向上是出現波動的，但是其力比較小，波動影響不大。圖15顯示鉸點的合力也是比較規律的變化，也符合在Y軸方向的作用力的變化。圖16可見所需的輸入力的曲線變化也是比較規律，其重點也是所需的輸入力大小，在曲線的一個比例關系可以得出一個省力的K值，K=0.299，即此為省力系數，在切割阻力比較大的情況下所需的輸入力會較好的減小，達到一個減輕勞動強度的設計目標。

1.3 參數設定

圖13 剪切阻力-鉸點Y軸方向力曲線

圖14 剪切阻力-鉸點Z軸方向力曲線

圖15 剪切阻力-鉸點合力曲線

圖16 剪切阻力-輸入力曲線

1.3.1 殼體參數的確定

本裝置旨在能像鞋子一樣，人們只要穿上它，即可進行收割甘蔗工作，故裝置的設計必須符合人機工程學，能較好地貼合腳的形狀且穿上后能夠方便地收割甘蔗，這對裝置的外觀及材料提出了要求。裝置的外殼體必須要能容納成年男性的腳掌，我國成年男性平均腳長為249.72 mm[9]，故外殼體的長度采用260 mm。

外殼體必須有足夠的寬度來容納剪刀下端展開，根據前文分析，只需要轉動24°即可使剪刀具有足夠的強度，故外殼體的寬度采用210 mm。為了使用該裝置時能更加方便舒服，外殼體應在能實現功能的情況下盡可能矮，甘蔗收割時有效切割距離為離地80 mm，再加上剪刀的厚度及外殼體的厚度，裝置總體的高度設置為120 mm。

1.3.2 機體便攜性的確定

我國蔗區地形復雜，60%屬于丘陵坡地。廣西是中國最大的甘蔗種植基地，種植面積和蔗糖產量均占全國約60%，坡度小于15°的甘蔗地占總面積的87.6%。在丘陵坡地上進行甘蔗收割作業時，為了能提高生產效率，機體必須有很好的便攜性，以減少人使用裝置時的體力損失。整體機體設計時應盡可能輕盈，故主要部件考慮鋁合金材料，既有一定的強度，又有較輕的質量。

2 小結

本文設計了一種小型輔助人力甘蔗收割裝置，它的優點主要有：

⑴本裝置在使用時，腳部完全獨立使用本發明進行甘蔗收割時的根切步驟，不僅可以避免勞動人員的一個彎腰砍切甘蔗的一個高強度勞動過程，還可以讓操作人員的雙手得以空出，同時進行甘蔗的剝葉、去梢收割，從而簡化了收割甘蔗的步驟，可以提高作業效率、雙重減少人力輸出。

⑵本裝置采用杠桿原理，利用操作人員自身的重力實現對甘蔗的根切，有效地利用人力的輸出。人員砍切甘蔗需要大約420 N[10]的切力，而本裝置則僅需要約150 N的輸入力，進而有效減少勞動力的輸入。