我國甘蔗收獲機扶蔗器的研究進展

施非凡，陳秀生，譚耀嘉，張同帥，呂國棟

（濟南大學機械工程學院，山東 濟南 250022）

甘蔗是我國重要的經濟作物，2020年廣西甘蔗的播種面積達874.8 khm2，產量達7 412.47×104t。

中國的甘蔗種植區受亞熱帶季風氣候影響，尤其是在持續5個多月的榨季，多有臺風，使得甘蔗倒伏嚴重，對甘蔗的機械化收獲造成巨大的影響[1]。扶蔗器能夠將雜亂倒伏的甘蔗分行并扶起，保證甘蔗根部的切割質量，降低宿根蔗的破頭率和收獲損失率，其工作效率對甘蔗的收獲效率和收獲質量具有重要的影響。

近年來，針對國內甘蔗倒伏情況的現狀，國內外研究人員研發了多種扶蔗機構，力求提高扶蔗器的扶蔗效率，同時降低收獲機在收獲過程中甘蔗的損失率，保證之后切割工序的切割質量和甘蔗提升機構輸送的順利進行。

1 扶蔗器的發展

甘蔗收獲機械最早源于19世紀80年代，早期的甘蔗收獲機械僅能完成對直立甘蔗的收獲，生產效率不高，能夠輔助收割倒伏甘蔗的機構成為當時甘蔗收獲機械的迫切需求。

JimSimpton發明了一款適用于收獲倒伏甘蔗的螺旋機構，該螺旋機構一方面能夠撿拾倒伏的甘蔗，另一方面還可以將切割下來的甘蔗完成進一步的輸送。1963年，由Toft兄弟設計的新型甘蔗收獲機，設置了撿拾系統，能夠收獲倒伏和直立的甘蔗[2]。

自20世紀60年代至今，甘蔗收獲機不斷發展，產品逐漸趨于成熟，例如美國的CASE公司生產的CASE7000、CASE 4000和英國的TOFT生產的T7000、T7700，國內廣西農機研究院研制的4GZ-140、4GZ-35等[3]。

在甘蔗收獲機械不斷發展的過程中，扶蔗機構也在逐步優化完善，相繼出現了各種不同結構的扶蔗器，逐漸形成了以撥指鏈式扶蔗器與螺旋式扶蔗器為主的兩類扶蔗機構，目前大多數的新型扶蔗器都是在這兩種扶蔗機構基礎上開發出來的。

2 扶蔗器的分類

近些年來，甘蔗收獲機械上普遍使用的扶蔗器多為撥指鏈式扶蔗器和螺旋式扶蔗器。

2.1 撥指鏈式扶蔗器

2.1.1 撥指鏈式扶蔗器結構與工作原理

撥指鏈式扶蔗器主要由導軌、撥指、鏈條和液壓馬達等組成，其中撥指是主要的工作元件，見圖1。撥指鏈式扶蔗器的動力由液壓電機提供，主動輪旋轉帶動撥指鏈條在導軌內旋轉，當收獲機工作時，倒伏的甘蔗在撥指帶動下沿導軌向上運動，完成一個工作循環，即摟蔗、扶蔗和縮指空行。

圖1 撥指鏈式扶蔗器Fig.1 The finger chain type sugarcane lifter

2.1.2 撥指鏈式扶蔗器的關鍵技術

撥指鏈式扶蔗器在收獲機上的最優安裝角（撥指鏈導軌與水平地面的夾角）為60°[4]。

撥指鏈式扶蔗器的上部（遠離地面的一端）扶指與撥指鏈導軌徑向方向所形成角度應逐漸增大，以保證甘蔗在被扶起之后，甘蔗稈能夠以近乎豎直的狀態喂入，并與扶指在運動的同時逐漸脫離，確保在甘蔗輸送的過程中不會發生纏繞蔗葉造成堵塞的問題。

撥指鏈旋轉的線速度應與收獲機前進速度相適應，如果撥指鏈旋轉的線速度相對收獲機前進速度過大，則撥指鏈上撥指在旋轉時產生的沖擊力越大，會造成撥指與甘蔗接觸時，由于沖擊力大，而造成甘蔗的破壞；如果撥指鏈旋轉的線速收獲機前進速度相對撥指鏈旋轉的線速度過大，則在扶蔗過程中，會造成甘蔗從扶蔗器上滑脫。通過大量的試驗研究得到撥指鏈鏈輪旋轉的轉速與收獲機前進速度的關系式為[5]：

式中：n——撥指鏈鏈輪旋轉的轉速，n/s；vm——收獲機前進速度，m/s。

2.1.3 撥指鏈式扶蔗器的局限性

撥指鏈式扶蔗器扶蔗范圍大、結構簡單、制造成本低，對倒伏程度較輕的甘蔗扶蔗效果好，并且不存在蔗葉纏繞扶蔗器的情況。但撥指鏈式扶蔗器對處于嚴重倒伏狀態下的甘蔗扶蔗效果差，存在扶蔗不到位和漏扶等問題，并且為了防止甘蔗在機器上滑脫，撥指鏈需要保持相對較慢的轉速，甘蔗收獲機工作效率低。

2.2 螺旋式扶蔗器

2.2.1 螺旋式扶蔗器的結構與工作原理

螺旋式扶蔗器主要由帶螺旋葉片的輥軸構成，輥軸布置在割臺的兩側。根據單側輥軸的數量，螺旋扶蔗器可分為單螺旋扶蔗器和雙螺旋扶蔗器見圖2。螺旋式扶蔗器的動力由液壓電機提供，驅動輥軸繞軸線旋轉，倒伏的甘蔗在受到沿著螺旋葉片切線方向向上和向前的作用力下，被扶蔗器扶起。

圖2 螺旋式扶蔗器Fig.2 The screw type sugarcane lifter

2.2.2 螺旋式扶蔗器的關鍵技術

切段式聯合收割機上螺旋式扶蔗器的安裝角（即扶蔗器的輥軸與地面的夾角）一般為60°，而整桿式聯合收割機上的螺旋式扶蔗器的安裝角一般為45°。

確定合理的輥軸形狀和尺寸是設計螺旋式扶蔗器的重要參數[6]。通常認為，輥軸上螺旋葉片與甘蔗的相互作用是螺旋式扶蔗器能夠扶起甘蔗的主要原因，但通過研究甘蔗從倒伏到被扶起的整個過程后發現，輥軸相比螺旋葉片起到更為積極的作用，不同倒伏狀態下的甘蔗更多的是由輥軸扶起。

當甘蔗處于側倒伏或者順倒伏狀態時，收獲機作業中要使扶蔗器將甘蔗扶起至一定高度，且甘蔗的姿態要保持略微前傾或者直立于割臺中，因此就要求螺旋式扶蔗器滾筒螺旋上升的水平分速度略小于或等于機車的前進速度；當甘蔗處于順倒伏時，則要使得螺旋式扶蔗器滾筒的螺旋上升的水平分速度大于或等于收獲機的前進速度[7]。所以，為了能夠高效率的完成收獲作業，應適當調整螺旋式扶蔗器輥軸的轉速和收獲機的前進速度，以滿足對不同倒伏狀態下甘蔗的收獲，其工作示意圖見圖3。

圖3 螺旋扶蔗器的工作示意圖Fig.3 The schematic diagram of the spiral sugarcane lifter

2.2.3 螺旋式扶蔗器的局限性

螺旋式扶蔗器結構簡單，動力傳遞容易，輥軸的轉速相對較高，扶起甘蔗的效率高，扶蔗效果好。但螺旋式扶蔗器工作范圍小，僅能對甘蔗壟兩側倒伏的甘蔗有效好的扶起效果，并且在扶蔗后程，甘蔗容易從扶蔗器上滑脫，導致甘蔗的損失率較高。

3 研究現狀

3.1 前端錐形螺旋扶蔗器

2003年，廣西大學鄧勁蓮等[8]通過TRIZ創新設計方法，為解決傳統的螺旋扶蔗器對嚴重順倒伏和倒伏程度較輕的側順倒伏和側逆倒伏甘蔗較難扶起的問題，設計了一種新型的前端錐形螺旋扶蔗器，見圖4。

圖4 前端錐形螺旋扶蔗器Fig.4 The front tapered spiral sugarcane lifter

該設計是在傳統螺旋式扶蔗器的下端，即貼近地面的一端，加裝一段錐形螺旋，兩段螺旋均在同一平面內。整個機構由圓錐螺旋段和錐形螺旋段以及兩段之間的動力傳動機構所構成。

錐形螺旋段不僅能夠起到分蔗的作用，而且在扶蔗過程中能夠先將甘蔗扶起一定高度，并通過錐形螺旋段的旋轉提供給甘蔗一個向上的速度，從而能夠實現甘蔗從錐形螺旋段到圓柱段螺旋的過渡銜接，對嚴重順倒伏和倒伏程度較輕的側順倒伏和側逆倒伏的甘蔗起到良好的扶蔗果。

3.2 組合式扶蔗器

2010年，華南農業大學解福祥等[9]針對傳統扶蔗器對嚴重倒伏甘蔗扶蔗效果不理想的問題，設計了一種由圓錐形螺旋滾筒和撥指鏈組成的扶蔗機構，見圖5。

圖5 組合式扶起裝置原理圖Fig.5 The schematic diagram of combined lifting device

組合式扶蔗器的圓錐螺旋滾筒在作業時與水平地面緊密貼行，避免因扶蔗器最低點與地面存在過大空隙，而漏扶甘蔗。并且圓錐形螺旋上螺旋葉片采用自小端到大端螺距逐漸增大，消除了甘蔗莖稈積壓、折斷和堵塞等問題。

組合式扶起器扶起甘蔗的整個過程由36個階段組成：第一階段，即圓錐螺旋滾筒的扶蔗階段，圓錐螺旋滾筒伸入甘蔗根部將倒伏的甘蔗扶至一定高度；第二階段，即撥指鏈式扶蔗機構的摟蔗階段，將甘蔗由圓錐螺旋滾筒輸送至撥指鏈式扶蔗機構的撥指上；第三階段，即撥指鏈式扶蔗機構的扶蔗階段，甘蔗在撥指的運動下，進一步向上扶起，最后由夾持裝置輸送喂入。

3.3 不等螺距螺旋扶蔗器

2010年，廣西大學董振等[10]為能夠實現甘蔗在收獲的整個過程中甘蔗始終與螺旋式扶蔗器緊密接觸，解決在甘蔗被扶起過程中，隨著甘蔗的倒伏角不斷增大，輥軸上螺旋葉片上的螺旋升角（螺旋葉片與輥軸軸線所成的夾角）保持不變，從而甘蔗與螺旋葉片的接觸狀態變差，造成甘蔗的滑脫的問題。

不等螺距螺旋扶蔗器在設計時其輥軸上的螺旋葉片上的螺旋升角自下而上不斷增大（扶蔗器接近地面的一端為下），見圖6，目的是保證在收獲過程中，不斷去適應倒伏角的增大。不僅如此，為了更好地提高甘蔗與扶蔗器之間的接觸效果，設計時螺旋葉片與輥軸之間的夾角＜90°，使整個螺旋葉片向內卷起，呈內斂狀。

圖6 不等距螺旋螺旋葉片Fig.6 The unequally spaced spiral blades

3.4 兩段圓錐式螺旋扶蔗機構

2011年，國內學者宋春華等[11]設計了一種兩段圓錐式螺旋扶蔗機構，見圖7，其中δm為輸送段安裝角，φ為葉片傾角。整個機構由兩段大小不一的螺旋滾筒組成，小段為撿拾段，大段為輸送段，兩段螺旋滾筒不在同一個平面中。

圖7 兩段圓錐式螺旋扶蔗機構Fig.7 The two section conical spiral sugarcane lifter mechanism

輸送段工作的最低點位于揀拾段工作水平面之下，這樣的布置有利于甘蔗收獲時在兩端螺旋滾筒的銜接轉運。滾筒的轉速與收獲機的前進速度是影響兩段圓錐式螺旋扶蔗機構扶起效果的主要因素，其次是輸送段安裝角度及揀拾段的安裝角度。

揀拾段通過螺栓連接可以實現對揀拾段螺旋滾筒0°～15°角度的調節，從而對倒伏角0°～15°的甘蔗扶蔗效果理想。當輸送段安裝角在30°～60°，甘蔗在扶起過程中不發生滑脫，其中當輸送段安裝角為60°，倒伏甘蔗從開始扶起至扶起的最高點所用時間最短，扶蔗的效率也最高[12]。

4 研究趨勢

4.1 撥指鏈式扶蔗器漏扶問題的研究

2009年,國內學者張揚等[13]針對傳統的撥指鏈式扶蔗器在工作時存在漏扶甘蔗的問題，通過試驗研究，得出了扶蔗器不漏扶甘蔗的條件，其倒伏甘蔗的位置圖見圖8。

圖8 倒伏甘蔗的位置圖Fig.8 The location of lodging sugarcane

式中：λ——甘蔗的側偏角；β——扶蔗器在水平面內的投影與前進方向的夾角；a——甘蔗倒伏高度；r——下鏈輪轉角半徑；ωt——撥指轉過的角度；α——扶蔗器傾角；ha——撥指尖的離地高度。

從判斷甘蔗在被切割前的扶起角度可知，隨著撥指鏈導軌下部的撥指尖端距離地面高度的不斷增加，甘蔗在被切割前扶起的角度也逐漸減小；此外，撥指尖端距離水平地面的距離越近，則扶蔗器的工作范圍越大，因要考慮蔗田地面起伏不平的情況，所以撥指鏈導軌的安裝高度不能過低，避免撥指在工作時與地面接觸，造成撥指的損壞。

4.2 關于螺旋式扶蔗器振動與力學問題的研究

2017年，宋春華[14]通過對兩段圓錐式螺旋扶蔗器進行力學仿真和扶起性能的試驗，分析扶蔗器與甘蔗之間作用力的關系。通過仿真與試驗得出，當揀拾段與甘蔗最先接觸時，甘蔗根部受到的約束力矩最大，由揀拾段上的螺旋葉片所產生的軸向推力也最為明顯；當甘蔗傳遞至輸送段時，揀拾段上的螺旋葉片對甘蔗產生一個向上提升的力，對甘蔗的約束力矩變小，提升甘蔗的力也變小且在過程中無突變的力，整個過程運行平穩。

2018年，宋春華又通過建立兩段圓錐式螺旋扶蔗器的振動模型，分析了扶蔗器振動對扶蔗效果的影響[15]。他指出扶蔗器的轉速對振動影響最大，揀拾段螺旋滾筒的轉速低，產生的輕微振動恰好能夠起到分蔗的作用，將蔗壟中相互交錯的倒伏的甘蔗分開。輸送段螺旋滾筒的轉速太慢，則會造成甘蔗的扶起高度不夠，影響下一步工序的進行；螺旋滾筒的轉速太快，則會引起較大的振動，造成甘蔗的滑脫。

5 結語

隨著國家甘蔗機械化生產的推廣以及市場對甘蔗收獲機械性能要求的不斷提高，使得國內的生產廠商對扶蔗器的研發投入也不斷加大。扶蔗器作為甘蔗收獲機械的重要工作部件之一，能夠提高甘蔗收獲的效率和質量，對我國甘蔗機械化生產具有重要的現實意義。本文從結構、工作原理、關鍵技術出發論述了目前技術較為成熟的2種扶蔗器，簡要闡明了各自的優劣之處，概括了扶蔗器針對嚴重倒伏甘蔗扶起效果研究的發展趨勢。近些年來，扶蔗器的研究成果著重表現在解決漏扶與扶蔗不到位等方面的問題。未來，隨著甘蔗收獲機械研究的不斷深入，扶蔗器也將更加趨向于實用化、簡便化、經濟化。