整稈式高效智能甘蔗收割機的設計與研發

摘要：開展整稈式高效智能甘蔗收割機設計與研發工作，為解決整稈式甘蔗收割機收獲效率低、整機智能化水平不高問題提供參考依據。在現有整稈式甘蔗收割機功能的基礎上，設置扶蔗、剝葉、升降切割和收割暫存等自動化控制關鍵模塊，實現在線一體化自動扶蔗、導入、夾固、切根（刀盤自動升降）、斷尾、傳送、剝葉（自動調整）、甘蔗收集和暫存等功能，可一次性完成甘蔗的扶起、切梢、切根、提升、剝葉、集斗和田間轉運工作。其中，甘蔗切根過程中依據自行設計研發的割臺自動仿地形系統，可控制割臺根據地形變化自動保持在入土20.0 mm左右切割，最大程度降低甘蔗的破頭率和損失率；甘蔗剝葉結構可進行高效脫葉和粉碎分離，并有效降低其含雜率。本研究設計研發的整稈式高效智能甘蔗收割機智能化水平較高，適用于不同田間地形開展甘蔗收割作業，并有效提高收割效率。

關鍵詞：甘蔗收割機；整稈式；設計與研發；高效智能；收割效率

中圖分類號：S225.53

0" 引言

甘蔗具有喜熱和含糖量高等特點，大面積種植于我國廣西、廣東、海南和云南等?。▍^），蔗糖產量占我國食糖總產量的90%以上，因此，甘蔗產業已成為我國制糖產業健康發展的重要保障[1-2]。目前，我國大部分蔗區的甘蔗收割以傳統人工收割為主，存在勞動強度大和收割效率低等問題[3-4]，推動甘蔗收割生產全面機械化、產業化和智能化發展已成為解決上述問題的核心要素。市場上流通的甘蔗收割機分為切段式高效智能甘蔗收割機和整稈式高效智能甘蔗收割機2種類型[5]，其中，切段式甘蔗收割機通過扶蔗、切梢、收割、切段、清選、裝載和蔗葉切碎還田等工序完成甘蔗收割和切斷，但其現收割和現切斷的機械化作業特點容易引發宿根破頭率高和含雜率高等問題，且對榨糖加工時效性要求較高[4]，因而適用范圍較??；整稈式甘蔗收割機通過在線扶蔗、導入、夾固、切根、斷尾、傳送、剝葉、甘蔗收集和暫存等工序完成整根甘蔗收割[6]，具有收割甘蔗含雜率低、甘蔗損失量小和不易變質的機械化收割作業特點，在甘蔗收割機械化設備中占據主要地位，也已成為蔗農收割甘蔗的首選機械化設備[7]，但我國在引入國外中大型整稈式高效智能甘蔗收割機時，未充分考慮我國各地甘蔗種植分散和田間小塊種植等特點[8]，在使用過程中存在機器系統配套不合理、農機與農藝技術不匹配等問題[9]。具體表現為：國內多數蔗農種植甘蔗的農藝技術（行距）非標準化，中大型整稈式高效智能甘蔗收割機無法實現收割，同時，不能適應小地塊作業要求[10]；甘蔗收割機切根裝置無法自動調節以適應甘蔗種植地形高度，很容易產生宿根破頭率過大問題[11-12]；甘蔗剝葉裝置實現甘蔗與蔗葉分離程度不高，剝葉不徹底，甘蔗與蔗葉糾纏在一起，造成含雜率過高和除雜通道堵塞[13]；甘蔗收割機整機作業智能化水平不高，不能在線一次性完成甘蔗的扶起、切梢、切根、提升、剝葉、集斗和田間轉運工作[14]。為此，在國家政策的大力支持下，自主設計契合我國甘蔗農藝要求的甘蔗收獲機得以研發并迅速發展。迄今，我國自主研發的整稈式甘蔗收割機機型仍存在重量較重不適合分散種植的田間作業、地形感知智能控制應用性不強、機型作業適應性差和對倒伏甘蔗有效作業程度低等問題[15-16]。因此，本研究在整稈式甘蔗收割機的基礎上，通過設置和完善整稈式甘蔗收割機整機及關鍵作業部件的智能控制模塊，實現在線智能一體化自動扶蔗、導入、夾固、切根（刀盤自動升降）、斷尾、傳送、剝葉（自動調整）、甘蔗收集和暫存等功能，旨在為滿足我國甘蔗復雜多樣化的農藝要求并兼顧提高甘蔗收割效率和質量提供技術支持。

1" 整稈式高效智能甘蔗收割機的整體結構

1.1總體結構

從圖1可看出，設計的整稈式高效智能甘蔗收割機總體結構包括底盤系統、動力系統、集成化智能駕駛系統和工作作業機構（含扶蔗機構、仿地形切割機構、雙層夾持提升裝置、液壓切梢機構、甘蔗剝葉除雜機構和自卸式料倉）。此外，還設置和完善甘蔗收割過程關鍵作業工序的自動化控制關鍵模塊，以一次性完成甘蔗的扶起、切梢、切根、提升、剝葉、集斗和田間轉運工作，從而提升整稈式高效智能甘蔗收割機的收割效率和收割質量。

在甘蔗收割過程中，底盤系統用于帶動整稈式高效智能甘蔗收割機移動，動力系統用于為底盤系統移動和各作業機構提供驅動力，集成化智能駕駛系統用于調節甘蔗割堆機的移動方向和移動速度，扶蔗機構用于對甘蔗進行撥離和扶起，液壓切梢機構用于對甘蔗進行切梢，仿地形切割機構用于對甘蔗根部進行整齊切斷，雙層夾持提升裝置用于對甘蔗進行柔性夾持，甘蔗剝葉除雜機構用于對甘蔗進行剝葉除雜，自卸式料倉用于對收割完成的甘蔗進行收集并自動卸料。由此可見，通過配置相互配合的底盤系統、動力系統和集成化智能駕駛系統，配備設計開發自動化智能控制工作作業機構（含扶蔗機構、仿地形切割機構、雙層夾持提升裝置、液壓切梢機構、甘蔗剝葉除雜機構和自卸式料倉），兼顧提高甘蔗收割效率和收割質量，整稈式高效智能甘蔗收割機可實現智能化在線一次性完成甘蔗整稈式聯合收割工作流程。

1.2工作流程

整稈式高效智能甘蔗收割機采用整稈式收割，可完成整條甘蔗的收獲和運輸，避免糖分流失并降低含雜率，其具體收割流程見圖2。

從圖2可看出，整稈式高效智能甘蔗收割機收割甘蔗時，首先利用液壓電動馬達帶動皮帶傳動已能自動捋直、夾緊甘蔗并導入切割機構部件中，依據蔗地地形高度的變化自動調整切割臺高度，控制割臺根據地形變化自動保持在入土20mm左右切割，最大程度降低甘蔗的破頭率和損失率，實現甘蔗整齊切根和斷尾。隨后，利用甘蔗剝葉組件對甘蔗進行上、中、下全方位剝葉，進行高效脫葉并粉碎分離，有效降低含雜率。最后，剝葉的甘蔗被收集暫存至料倉，等待田間轉運和裝卸。

2" 關鍵智能控制模塊的設計與研發

2.1自動扶蔗模塊

為提高甘蔗整體收割效率，需自動調節扶蔗部件與地面的距離在甘蔗根部附近，因此需設計開發整稈式甘蔗收割機的自動扶蔗模塊。

首先，通過第一液壓馬達帶動第一皮帶輪轉動，第一皮帶輪帶動第二皮帶輪轉動，第二皮帶輪帶動固定稈和第一導蔗齒輪盤轉動。此時，第一導蔗盤上的齒塊依次將捋直的甘蔗逐條往切割部件方向移送，可有效避免牽引車主體前進時將捋直的甘蔗全部涌入切割機構部件中，減少后續工序發生堵塞。隨后，通過在支撐框架和懸掛架2側均設置導入稈，能擴大將地上甘蔗導入支撐框架與懸掛架間的范圍，從而使更多甘蔗得到捋直切割，提高甘蔗整體收割效率。最后，設置調節部件以帶動支撐框架和懸掛架向上、下移動，調節扶蔗部件與地面的距離，以避讓地面障礙物并使扶蔗部件處于甘蔗的根部附近，便于扶蔗部件帶從甘蔗底部向上梳捋，從而使甘蔗捋直效果更好，收割更穩定。

2.2自動剝葉模塊

為提高甘蔗剝葉自動化程度，增強實用性，需設計開發整稈式甘蔗收割機自動剝葉模塊。該模塊主要由斜鏈板線、喂蔗膠輥、剝葉通道和除雜風機等部件組成（圖3）。其中，斜鏈板線用于將甘蔗輸送給喂蔗膠輥；喂蔗膠輥用于依次將甘蔗輸送給剝葉通道；除雜風機用于再次對甘蔗葉進行分離以確保剝葉干凈。

在自動剝葉模塊安裝過程中，設置液壓動力系統于甘蔗剝葉組件后端、甘蔗葉切割組件和甘蔗葉打捆組件的上端，甘蔗輸送組件設置于甘蔗剝葉組件、甘蔗葉切割組件、甘蔗葉收集打捆組件和液壓動力系統的兩側，通過甘蔗輸送組件將甘蔗輸送至甘蔗剝葉組件處進行剝葉，再通過甘蔗葉切割組件和甘蔗葉收集打捆組件對剝落的甘蔗葉進行切割和打捆整合，最后通過甘蔗輸送組件將剝葉后的甘蔗輸送至外部。此外，自動剝葉模塊采用甘蔗剝葉組件、甘蔗葉切割組件和甘蔗葉打捆組件的結構設計對收割的甘蔗進行剝葉處理。其中，甘蔗剝葉組件進行上、中、下全方位剝葉，并將剝落的甘蔗葉進行切割和打捆處理。打捆后的甘蔗葉堆通過出料口放置于田間，后續甘蔗葉還可再次作為飼料及環保原料加工利用，極大促進甘蔗整體的充分應用。

2.3自動升降切割模塊

在整稈式甘蔗收割機中設置自動升降切割模塊以適應不同甘蔗種植地形高度下收割，能有效實現多地形、蔗地起伏高度多變化的甘蔗整齊切割。該模塊主要包括機械部分和控制部分。其中，機械部分根據實際甘蔗收割機切割部分原理制作，并對收割機切割系統的壓馬達、液壓缸、切割刀盤和升降機構等部件進行適當還原；切割刀盤能模擬收割機進行土壤和甘蔗切割，液壓缸可對刀盤進行自動升/降調節；控制部分功能可實現依據甘蔗種植土壤高度變化來控制液壓缸升/降，達到自動調節刀盤高度適應及確定甘蔗最佳收割位置的目的。

2.4自動收集暫存模塊

結合壓力傳感器的甘蔗暫存量限重檢測和甘蔗收集暫存集蔗料倉接觸頂部橡膠層防滑設置特點，設置整稈式甘蔗收割機的自動收集暫存模塊，以實現在線對已收割甘蔗的收集、暫存和傾倒。

首先，通過設置液壓馬達以實現在線對已收割甘蔗的集中收集，其流程為：（1）閉合外部電源啟動液壓馬達，利用壓力傳感器檢測接觸板上甘蔗質量，當甘蔗質量小于100.0 kg時，壓力傳感器內部轉換元件將檢測出的數值轉換為電信號，并將電信號傳輸至液壓馬達，液壓馬達接收電信號后驅動輸出軸帶動第一齒輪順時針轉動一定角度；（2）第一齒輪、第二齒輪和第三齒輪轉動時，第二齒輪帶動第一轉稈和第一弧形夾逆時針轉動一定角度，第三齒輪帶動第二轉稈和第二弧形夾順時針轉動一定角度，第一弧形夾與第二弧形夾向下處于張開狀態，此刻傳送機構將甘蔗倒入第一弧形夾與第二弧形夾間，甘蔗以自身重力向下移動并靠在弧形夾和接觸板上；（3）當靠在接觸板上甘蔗的質量大于100.0 kg時，底部壓力傳感器檢測出的相應數值將電信號傳輸至液壓馬達，液壓馬達驅動第一齒輪逆時針轉動，帶動第一轉稈順時針、第二轉稈逆時針轉動，使第一弧形夾和第二弧形夾向上將甘蔗夾持，從而將甘蔗進行集中收集，方便后續將收集的甘蔗進行集中捆綁。

隨后，通過設置氣缸，壓力傳感器實現對已收集的一定重量甘蔗的傾倒，具體工作流程為：（1）當壓力傳感器檢測到接觸板上甘蔗質量小于100.0 kg時，將檢測數值信息轉換為電信號，電信號被傳輸至氣缸后，氣缸將接收電信號并控制驅動稈向左移動；（2）驅動桿帶動擋塊順時針轉動一定角度與甘蔗處于垂直狀態，利用擋塊擋在甘蔗的一側，可避免進入第一弧形夾與第二弧形夾中的甘蔗傾倒至地面影響對甘蔗的集中收集。

此外，為防止甘蔗收集與傾倒過程中甘蔗易滑落問題，在接觸板頂部安裝有橡膠層增加甘蔗與接觸板間的摩檫力，可有效避免甘蔗在被接觸板支撐時滑動至地板。該方法能提高甘蔗的收集效率，減少甘蔗丟失和浪費。

3" 結語

應用現代自動控制技術推動整稈式甘蔗收割機技術專業化、智能化發展以適應甘蔗收割地形、倒伏甘蔗有效作業等多變機械化作業情況，是促進甘蔗收割生產全面機械化和制糖企業繁榮的核心要素。本研究研發的整稈式甘蔗收割機通過設計和完善自動扶蔗、剝葉、升降切割和收集暫存等關鍵作業部件的功能，使整稈式甘蔗收割機結構輕簡化，能有效滿足小塊田間分散種植甘蔗的智能高效收割，方便甘蔗流轉，更適應我國甘蔗農藝生產特點，比傳統整稈式甘蔗收割機具有更大優勢。

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（責任編輯" 思利華）