劍麻收獲機械研究現狀與展望*

任甲輝，武濤，莫王玉潔，李珂，樊秋菊，胡平

(1. 華南農業大學工程學院，廣州市，510642； 2. 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州市，510642)

0 引言

劍麻是世界上第六大纖維作物，主要分布在南美洲、非洲和亞洲等地區。目前，世界上有20多個國家種植劍麻，其中巴西、坦桑尼亞、肯尼亞、中國、墨西哥為主要生產國[1-2]。據聯合國糧農組織(FAO)及中國農墾局統計，2019年，全球劍麻種植面積2 356.7 khm2，總產量206.5 kt，其中我國劍麻種植面積(256.7 khm2)位居世界第三，產量(13.9 kt)位居世界第四。廣東的雷州半島、湛江，廣西的玉林、南寧，海南的昌江、東方，云南、福建是我國劍麻主要生產基地，其種植面積占全國總種植面積的95%以上[2-3]。在劍麻生產過程中，劍麻收獲是工作量最大的一個環節，也是最難實現機械化的瓶頸環節。

目前，世界上劍麻機械化收獲水平極低，劍麻葉片的采摘仍以人工為主。人工收割時，要求鐮刀鋒利，切口平滑，不能傷害劍麻主干，而劍麻葉片斜向上散射生長，邊緣長有利刺，成熟葉片長度可達90 cm以上。因此，人工收割難度大、效率低，從而導致收割成本增加[4-6]。勞動強度大、勞動成本高，越來越成為劍麻產業發展的瓶頸[7]。劍麻機械化收獲有利于降低勞動強度、提高作業效率、節約成本，是未來劍麻收獲的必然趨勢，因此有必要對其進行深入分析。

本文首先介紹國內外劍麻收獲機的研究現狀，然后分析當前阻礙我國劍麻收獲裝置研發及推廣應用的主要原因，最后結合劍麻收獲機設計思路的分析，提出劍麻機械化收獲的發展建議，對促進我國劍麻產業的發展具有參考意義。

1 國內外劍麻收獲機的研究現狀

1.1 國外研究現狀

劍麻主要用途有提供天然纖維和提取乙醇，根據用途不同收獲方式也不同。

巴西劍麻收獲以人工為主，生產工具簡單落后，近50年無主要更新。收獲方式采用人工割葉、打捆+機械化田間運輸，整個過程機械化程度低，生產效率低，勞動強度大，導致劍麻生產成本不斷升高，因此，自2012年以來巴西劍麻產量總體呈下降趨勢[8]。

坦桑尼亞受傳統劍麻收獲方法及勞動力短缺等因素的影響，自20世紀60年代以來，劍麻一直在減產[9]。早在20世紀80年代，該國相關學者就開始對劍麻收獲方法及設備進行研究，Bhandari等[10]設計了一種手持式劍麻收割裝置，該裝置將一個簡單的桿上安裝三角刀片，采用空壓驅動，通過田間試驗發現使用壓縮空氣驅動的工具比傳統工具收割效率高。Majaja等做了劍麻力學性能切割試驗，對葉片抗彎性、摩擦系數和質量分布進行測量，以幫助相關人員進行劍麻收獲裝置的設計。Majaja[11]提出一種自走式劍麻聯合收獲機(圖1)，該機由橫向切割元件、垂直輸送機、水平輸送機組成，工作時，橫向切割元件將葉片從劍麻莖干上移開，垂直輸送機將新切割的葉片移動到水平輸送機上，水平輸送機再將葉片輸送至田間運輸車內。1997年Majaja等[12]通過詳細分析劍麻葉片切割過程，同時對人工輔助工具與機械化設備收獲作業進行仿真模擬，得出當前劍麻機械化收獲最高效的方式是人工輔助工具割葉+機械化收集、打捆+田間車葉片運輸，為今后收獲機械化或改進手動割葉操作提供參考。結合以上研究，為解決勞動力短缺，收獲效率低，成本高等問題，目前坦桑尼亞劍麻種植區，在田間大規模使用裝載機已實現機械化集葉和運輸[13]。

圖1 自走式劍麻聯合收獲機Fig. 1 Self-propelled sisal hemp combine harvester1.橫向切割單元 2.垂直輸送機 3.水平輸送機 4.劍麻

墨西哥劍麻主要種植于瓜納華托州，劍麻收獲時，僅保留菠蘿(劍麻又稱菠蘿麻，去除劍麻葉片后中間的莖干稱為菠蘿)并將葉片留在田間，收獲的劍麻中，97%用于生產酒精飲料[14]。目前劍麻整個收獲環節均由手工完成，收獲成本占劍麻生產成本的75%。為了提高劍麻生產生物乙醇的經濟可行性，有必要通過機械化收獲降低生產成本。Castillo等[15]提出一種前叉式劍麻聯合收割機，該機由切割叉、斜鏈式輸送機、旋轉滾筒三個部分組成。切割叉為鉗形裝置，內部有刀口，連接到農用拖拉機前部，用于將劍麻植株從地面上切割；斜鏈式輸送機由梳狀鉸接式起動器組成，由拖拉機液壓系統驅動，用于將劍麻移動到旋轉滾筒中；旋轉滾筒由矩形框架與框架內部的兩個刀片系列組成，一個刀片系列以螺旋布置并固定在框架上，另一個刀片系列由可動刀片組成，固定在旋轉滾筒結構的橫梁上，可以相對于水平傾斜15°～45°，用于切除劍麻葉片。Robles等[16]通過試驗確定了劍麻的物理特性及葉片切割需要的能量。Noé Saldaa Robles等[17]提出一種劍麻收獲方式，即將劍麻進行去葉—壓碎—運輸，與劍麻收獲機(圖2)配套使用的還有劍麻菠蘿破碎機(圖3)。Saldaa等[18-19]設計了劍麻切割設備，并建立了切割劍麻纖維的有限元模型，該模型模擬了劍麻纖維切割過程中刀片與纖維之間的相互作用。

圖2 劍麻收獲機Fig. 2 Sisal hemp harvester1.水平除顫器 2.二級升降機 3.初級升降機4.除葉滾筒 5.進料斗

圖3 劍麻破碎機Fig. 3 Sisal hemp crusher

綜上，幾個劍麻種植大國機械化收獲進程緩慢，現在主要以人工割葉為主，但在研究方面也取得了一定成果。通過對劍麻收獲過程分析，機械化有助于改善劍麻收獲的兩個環節：割葉和收集運輸。目前，田間收集運輸劍麻與已經實現機械化的其他作物并無不同，切割葉片因為其復雜性和困難性，國外尚未完成機械化。

1.2 國內研究現狀

目前，我國劍麻機械化收獲水平很低，市場上沒有成熟的劍麻收獲機，劍麻葉片的采摘全部依靠人工切割完成。從劍麻的整個生產過程來看，一般需要用到整地機、田間管理機、割葉機和加工機械等，從各個環節的機械化水平來看，僅割葉環節機械化水平幾乎為零，仍需大量人工作業[20-21]，能夠運用到實際作業中的工具，僅僅是一些簡單的輔助工具，像鐮刀、電動割葉手鋸等，因此實現機械化收獲劍麻葉片是當前急需解決的技術難題。

國內研究劍麻產業的科研機構具有很強的地域性，大多集中在南方，主要研究單位有農業農村部南京農業機械化研究所、廣東農墾、廣西農墾、中國熱帶農業科學院、兩廣有關院校及劍麻生產企業等[22]。2015年廣東農墾等企業聯合研制出了1臺劍麻收獲樣機，并在湛江農墾東方紅農場進行初步試用[22]。2015年海南大學張琪琪等[23]從劍麻切割應力力學性能出發，采用單因素試驗法測得不同影響因素下劍麻葉片的最大切割應力，并分析含水率、切割部位、切割葉面、切割方式、切割速度、切割角度、對切割應力的影響，為今后劍麻收獲機研制時刀具切割位置、切割時間及刀具的設計、電動機功率的選取等方面提供數據支持。近年來，研究人員設計了各種劍麻收獲裝置，主要有手持式、手推式、自走式、搭載式。

1.2.1 手持式劍麻收獲裝置

鄭戰光等[24]設計一種自動調節刀頭方向的劍麻收割機，該機由手持部分和切割部分組成。工作時，手持部分可進行長短調節，切割刀具能根據受力自動調節方向，對成熟劍麻葉片進行根部切割，如圖4所示。盧易達[25]設計一種刀頭固定式手持劍麻收割裝置，該裝置由手柄部分和切割刀頭組成。工作時，人工手持該裝置利用圓型刀具旋轉切割葉片，如圖5所示。目前，手持式劍麻收獲裝置主要分為刀頭可調式和刀頭固定式，是人工手臂的一種延伸，屬于輔助類機械采摘裝置，該類裝置結構簡單，普遍笨重，不能減輕勞動強度[24-27]。

圖4 一種自動調節刀頭方向的劍麻收割機Fig. 4 Sisal hemp harvester capable of automaticallyadjusting cutter head direction

圖5 一種刀頭固定式手持劍麻收割裝置Fig. 5 Hand-held sisal hemp harvestingdevice with fixed cutting head

1.2.2 手推式劍麻收獲裝置

任曉智等研制了一臺多自由度劍麻收割裝置，該機由動力部分、進給部分、擺動角度和高度調節部分組成。工作時，通過調節桿進行進給量、左右擺動量、上下高度的調節，通過電機帶動一對錐齒輪旋轉從而帶動刀具旋轉進行切割，如圖6所示。萬榮知等[28]設計了一種爪式開合劍麻收割機，該機由小推車、盤型鋸片、兩個工作爪等組成。工作時，兩個工作爪閉合之后剛好形成一個正六邊形的環形閉合且具有切削能力的封閉區域，這個環形的切削部分從下往上勻速進給，向上的過程中切掉麻株上的麻葉，如圖7所示。

圖6 一種多自由度劍麻收割裝置Fig. 6 Multi freedom sisal hemp harvesting apparatus1.刀具 2.錐齒輪 3.擺動角度與高度調節機構4.工作電機 5.調節桿 6.推桿 7.進給機構8.進給導軌 9.蓄電池 10.電池罩 11.底盤

圖7 一種爪式開合劍麻收獲機Fig. 7 Claw-type open-close sisal hemp harvester1.小推車 2.盤型鋸片 3.工作爪

目前，手推式劍麻收獲裝置主要分為單刀切割式[29-30]和多刀環繞切割式[28, 31]，該類裝置采用手推式小車作為支撐，整機運動要靠人工推動前行，可以降低勞動強度，提高收割效率，但切割的高度和靈活性受限。

1.2.3 自走式劍麻收獲裝置

賈志成等[32]設計了一種多機械臂劍麻采割機，該機由履帶車、升降臺、連桿、上蓋板、下蓋板以及若干割葉爪等組成。工作時，機械臂自動對準劍麻，割葉爪張開包裹住劍麻形成環形切割區域，在區域內做圓周運動進行割葉，如圖8所示。

圖8 一種多機械臂劍麻采割機Fig. 8 Multi-mechanical-arm sisal hemp harvester1.履帶車 2.上蓋板 3.下蓋板 4.割葉爪5.連桿 6.升降臺

蔡毅等設計了一種平臺式劍麻收獲機。該機主要由工作平臺、分葉機構、割葉機構和液壓控制系統等關鍵部分組成。該平臺由拖拉機牽引，平臺上安裝的分葉機構可將未成熟的麻葉收攏包裹成圓柱狀，由割葉機構控制旋轉刀具的割葉運動軌跡，從上往下切，保證麻葉機的安全，如圖9所示。

圖9 一種平臺式劍麻收獲機Fig. 9 Platform-type sisal hemp harvester1.分葉手 2.環型刀具 3.刀架 4.刀架支撐板 5.中心主軸6.中間板 7.液壓缸支撐板 8.中心液壓缸 9.同步液壓缸組10.支撐架 11.工作平臺 12.平臺升降液壓缸

田昆鵬等[33-34]設計了一種劍麻收獲機及自動對株系統，該機結構主要包括切割裝置、移動裝置以及機車。工作時，機車搭載移動裝置和切割裝置到劍麻處，移動裝置帶動切割裝置到切割位置，切割裝置對劍麻進行切割，如圖10所示。

圖10 一種劍麻收獲機Fig. 10 Sisal hemp harvester1.第一手柄 2.第三手柄 3.遙控信號發生器 4.第五手柄5.支撐架 6.割刀 7.進環口 8.切割環 9.調節電機10.切割裝置 11.驅動電機 12.上下移動組件13.縱向移動組件 14.橫向移動組件 15.移動裝置16.第四手柄 17.第二手柄 18.機車

該類劍麻收獲機采用機車作為支撐，一般配有傳感器和自動對株系統，機械結構較為復雜，自動化程度高。從理論上看，可以實現對劍麻的機械化收割，相比于人力收割，能夠大大降低人力成本，且收割效率更高。

1.2.4 搭載式劍麻收獲裝置

樊軍慶等[35]設計一種劍麻收割裝置，該裝置以拖拉機作為車載，固定工作臺可進行360°圓周旋轉，工作臺上設有升降液壓缸和支架，支架下設有麻葉抱籠機構，抱籠麻葉的機構內設刀具，該機構抱籠麻葉后，刀具可徑向切割，如圖11所示。該機整體設計可用于地勢平坦，單株間距較大的劍麻收割，對于地勢坑洼，種植密集的劍麻，無法高效的運用于實際。

圖11 一種搭載式劍麻收割裝置Fig. 11 Mounted-type sisal harvesting device1.切割刀具 2.切割液壓缸 3.刀架 4.小連桿 5.抱籠麻葉液壓缸6.抱籠麻葉機構 7.中間連桿 8.垂直微調液壓缸9.水平調整液壓缸 10.支架 11.高度調整液壓缸

從現有成果來看，我國劍麻收割裝置的研發和創新主要體現在劍麻收割裝置的結構上，研究成果以專利為主，成果轉化率低，能夠實際運用的效果整體較差。

2 存在問題

2.1 研究成果實際運用效果差

手持式劍麻收割裝置一般設有電池、電機、刀具，長而笨重，不利于降低勞動力，且電池續航時間短，田間無處充電。手推式劍麻收割裝置一般以小推車為載體，其上設有電池、電機、刀具，推車上可裝載電池有限，裝載蓄電池續航時間短且較重，裝載鋰電池續航能力增加，但成本較高，不利于推廣；小推車適應地形能力差，刀具在推車上使用時自由度受限，不夠靈活。自走式與搭載式劍麻收獲機適用性差。首先，該機器是一種機械化程度較高的設備，設計難度大，成本較高；其次，由于農機農藝的融合程度低，每個地區的種植模式不統一，尤其是行距、株距等關鍵參數因地型而異，導致該機在不同地形之間通用性差。

2.2 劍麻自身的特性決定了其機械化收獲難度大

我國劍麻多種于廣東、廣西、海南、福建等熱帶地區，種植已成一定規模，但仍有部分地區種植多而分散，不少劍麻是種植在山地丘陵地形，無法像其他麻類一樣機械化統一收割。劍麻呈螺旋式生長，蓮花式散開，葉片帶刺，種植散亂密集，且收割時不能一次性割完，不能碰傷主干，因此劍麻割葉時不僅要考慮下刀方式、割葉方式、割葉路徑，還要考慮到運載機械適應劍麻種植地形和田間規劃的能力，這給割葉機構的研發增加了困難[36-37]。

2.3 農機與農藝不融合

農業的生產機械化離不開農機農藝的有效結合，目前劍麻產業的研究領域，新品種的選育、栽培與劍麻機械研究之間缺少有機結合。在育種時，重點考慮優質高產的情況下，未把適合機械化收獲的種植密度、植株的大小高度等作為參考量。在栽培時，布局和密度未考慮機械化收獲過程，導致機械下地難，刀盤下刀難，更談不上機械化收獲[38-39]。

3 劍麻收獲機的設計思路

3.1 刀具切削性能的對比

目前，劍麻切割方式大致分為：徑向切割式(刀具垂直于葉片面或成一定角度進行切割)、切向切割式(刀具通過葉片邊緣進行切割)、剪切式。刀具形狀大致分為：月牙刀型、圓刀片型、鋸型、剪切型，如圖12所示。Majaja等[12]對劍麻葉片切割力學性能分析，得到了不同使用場景下刀具所受的平均切削力，如表1所示。不同的刀具適用的收割設備不同，采用的切割方式不同，從而產生的割葉效果也不同，將三者進行合理的組合有利于劍麻收獲機的設計。

(a) 月牙刀型

(b) 圓刀片型

(c) 鋸型

(d) 剪切型圖12 不同類型刀具Fig. 12 Different types of cutting tools

表1 不同刀具的切削性能對比Tab. 1 Comparison of cutting performance ofdifferent cutting tools

3.2 切割關鍵技術

劍麻收獲機最核心的部件是切割裝置，切割裝置的核心部件是刀盤和刀具，刀盤和刀具的設計關鍵在于選擇合理的下刀方式和切割方式。下刀是劍麻收割的第一步，主要分為開合夾持式、剪切式、切割式，直接影響著切割方式和收割路徑的選擇；切割方式是劍麻收割的第二步，決定著劍麻收割的效果，現有結構設計大多采用徑向切割或切向切割；切割路徑是劍麻收切割的最后一步，決定著一次下刀后劍麻的收割量，直接影響著收割效率。例如：采用剪切式的下刀方式只能選擇剪切的切割方式，決定著切割路線只能一片一片地收割；采用開合夾持式的下刀方式可選擇徑向切割或切向切割，可一次收割多葉，決定著切割路線可設計為自下而上逐層切割。后者自動化程度高、收割效率高，但設計困難。

綜上，刀盤的設計取決于下刀方式的選擇，刀具的設計取決于切割方式的選擇。切割裝置設計時，先合理選擇下刀方式和切割方式，進行刀盤和刀具的設計，再選擇切割路徑進行整體設計。最后根據劍麻的種植格局和地形設計運載機構，從而完成整機設計。

3.3 設計思路

劍麻種植布局一般分為單排、雙排、散亂種植。從國外種植經驗看，雙排種植最流行，只有少部分地區小規模散亂種植[12]。從收割和產量的角度看，單排種植有利于機械化收割，但是產量稍低；雙排種植產量高，但是不利于機械化收割；散亂種植產量低，實現機械化困難。

雙排種植時，每兩排間種植距離較近，可考慮將承載機械設計為車輪矩形布局，車架采用升降式龍門架結構，既能隨時根據地形改變重心穩定車身，又能使收割車在田間自由穿行[40-41]。在收割刀盤的設計方面，劍麻成壟種植，收割路線固定，有利于刀盤、刀具的整體設計。根據劍麻的自身特性，刀盤可設計成開合式，其上布置刀具；根據人工割葉姿態，一般鐮刀傾斜于水平地面15°～45°切向切割，故刀具可采用傾斜于水平地面30°切向割葉的方式，采用鏈條式鐮刀結構，安裝于刀盤上[42-45]。

單排種植時，兩排間距較遠，可考慮將承載機械設計為四輪機，其上搭載一個具有伸縮臂的旋轉平臺，伸縮臂用鉸鏈連接，以保證所需要的自由度。伸縮臂上安裝開合式機械手作為刀盤，其上安裝斜切式刀具[46-48]。

3.4 設計方案

雙排種植時，團隊設計了一種劍麻收獲機末端執行裝置，主要包括圓周進給機構、圓心進給機構、開合式鏈刀機構，如圖13所示。裝置的工作原理：本劍麻收割末端執行裝置通過連接板安裝在機械臂上，收割時，機械臂將該裝置送至劍麻附近，開合式刀盤張開手臂，通過圓心進給機構進行微調后刀盤夾住劍麻，然后啟動鏈刀進行割葉，機械臂上移，完成一次割葉。一次割葉完成后，開合式刀盤張開，機械臂下移，圓周進給裝置帶動刀盤轉至未收割到的部分，然后刀盤夾住劍麻，機械臂上移，完成剩余部分的割葉。

圖13 開合式鏈刀劍麻收割刀盤Fig. 13 Open-ended chain knife sisal hemp harvesting knife1.連接板 2.圓周進給機構 3.開合式刀盤4.圓心進給機構 5.刀鏈

單排種植時，團隊設計了一種自走式劍麻收獲機主要由切割裝置、垂直進給機構、旋轉機構、伸縮連接機構(第一液壓缸和第二液壓缸)、水平轉向機構、駕駛室及四輪行走底盤等組成，切割裝置主要有機械手機構和刀具機構組成，如圖14所示。收割時，伸縮機構將切割刀盤送至劍麻根部，調整姿態后，刀盤夾住劍麻，驅動垂直進給機構帶動切割裝置完成自下而上的收割，收割后，切割裝置的機械臂打開，伸縮機構收縮，垂直進給機構帶動切割裝置下降，切割裝置復位，保持此狀態，前進移動到下一個劍麻進行工作。

圖14 雙向式劍麻收獲機Fig. 14 Two-way type sisal hemp harvester1.切割裝置 2.垂直進給機構 3.旋轉機構 4.伸縮鏈接機構5.水平轉向 6.駕駛室 7.四輪行走底盤

4 發展建議

4.1 開發輔助類收割裝置，緩解勞動強度

目前，人工收割劍麻最大的困難就是勞動強度大，需要彎腰割葉，還要防止被扎傷的危險。要解決劍麻收割難的問題，第一步建議各科研團隊研發出一些高效的輔助類工具，解決人工收割彎腰和易被刺傷的問題，降低勞動強度。當前輔助類裝置有手持式和手推式兩種，手持式一般由于桿臂長，頭部有電機和刀具，有些笨重，所以使用時十分不便，手持式割葉裝置設計時，建議減輕頭部重量，桿臂設計成電動伸縮式，電機安裝靠近桿臂前段；手推式一般以小推車作為載體，車的前端加一個執行機構，優點是省力，缺點是適應性差，不夠靈活，手推式劍麻收割裝置設計時，建議增加末端切割機構的自由度，桿臂設計成電動伸縮式。當人工采用高效的輔助工具割葉后，再配合田間集葉和運輸小車，就可大大的節省人工勞動強度。

4.2 積極推進各專業技術融合

劍麻收割要想實現全自動化，是一個艱難的過程，除了積極對收割裝置結構上的創新外，還應當加強專業領域內其他技術的融合，像深度學習和機械視覺[48-49]，建議通過深度學習和機械視覺，設計一個劍麻收割定位系統，讓機械自動判別劍麻哪部分應該收割，從而控制機械刀盤定位此處進行收割，這個過程真正實現了劍麻收割的全自動化，對促進劍麻產業發展有著巨大幫助。

4.3 加強農機與農藝技術的緊密融合

農機與農藝緊密結合是未來劍麻機械化收割的重要研究內容之一，在育種、栽培時，將農機裝備考慮進去，互相適應，互相促進，是解決劍麻收割難的重要一步。在育種時，育種專家除單獨考慮培育優質高產品質之外，還可根據劍麻收割作業的要求，適當的調節育種目標，選育植株的大小高度整齊等，以適應機械化收割。在栽培時，栽培人員在考慮產量的同時，應當研究適合機械化收割的模式，采用條狀播種、固定行距和間距等方式，創建劍麻標準化種植示范田。

5 結論

1) 近年來國內外劍麻生產設備，尤其是劍麻收獲機研究進展緩慢，研究成果整體實際運用效果差?，F有的輔助類收獲裝置適應性差、靈活性差，很難推廣使用；機械化劍麻收割裝置自動化程度高，能夠大大降低人力成本，且收割效率高，但是僅處于設計和理論層面，設備未能推廣使用。

2) 目前市場上尚無成熟的劍麻收獲機和機械化收獲系統。如果要開發這樣一個系統，建議用單排種植代替現在流行的雙排種植。對于劍麻收獲機械化第一目標是解決人工收割時彎腰的問題，以開發輔助類機械為主；第二目標是人工收割輔助裝置+集葉、打捆系統，配合田間麻葉運輸車；第三目標是機械化收割、集葉、打捆，配合田間麻葉運輸車。

3) 根據對劍麻收獲過程的分析，團隊設計了適用于單排和雙排種植的劍麻收獲裝置，該裝置機動靈活，適應性強，可實現劍麻葉片的無死角切割。提出了發展建議，為劍麻收獲機的設計與優化提供了參考。