整稈式高效智能甘蔗收割機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

摘要：開展整稈式高效智能甘蔗收割機(jī)設(shè)計(jì)與研發(fā)工作，為解決整稈式甘蔗收割機(jī)收獲效率低、整機(jī)智能化水平不高問(wèn)題提供參考依據(jù)。在現(xiàn)有整稈式甘蔗收割機(jī)功能的基礎(chǔ)上，設(shè)置扶蔗、剝?nèi)~、升降切割和收割暫存等自動(dòng)化控制關(guān)鍵模塊，實(shí)現(xiàn)在線一體化自動(dòng)扶蔗、導(dǎo)入、夾固、切根（刀盤自動(dòng)升降）、斷尾、傳送、剝?nèi)~（自動(dòng)調(diào)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?nèi)~、集斗和田間轉(zhuǎn)運(yùn)工作。其中，甘蔗切根過(guò)程中依據(jù)自行設(shè)計(jì)研發(fā)的割臺(tái)自動(dòng)仿地形系統(tǒng)，可控制割臺(tái)根據(jù)地形變化自動(dòng)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?nèi)~結(jié)構(gòu)可進(jìn)行高效脫葉和粉碎分離，并有效降低其含雜率。本研究設(shè)計(jì)研發(fā)的整稈式高效智能甘蔗收割機(jī)智能化水平較高，適用于不同田間地形開展甘蔗收割作業(yè)，并有效提高收割效率。

關(guān)鍵詞：甘蔗收割機(jī)；整稈式；設(shè)計(jì)與研發(fā)；高效智能；收割效率

中圖分類號(hào)：S225.53

0" 引言

甘蔗具有喜熱和含糖量高等特點(diǎn)，大面積種植于我國(guó)廣西、廣東、海南和云南等?。▍^(qū)），蔗糖產(chǎn)量占我國(guó)食糖總產(chǎn)量的90%以上，因此，甘蔗產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)制糖產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要保障[1-2]。目前，我國(guó)大部分蔗區(qū)的甘蔗收割以傳統(tǒng)人工收割為主，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大和收割效率低等問(wèn)題[3-4]，推動(dòng)甘蔗收割生產(chǎn)全面機(jī)械化、產(chǎn)業(yè)化和智能化發(fā)展已成為解決上述問(wèn)題的核心要素。市場(chǎng)上流通的甘蔗收割機(jī)分為切段式高效智能甘蔗收割機(jī)和整稈式高效智能甘蔗收割機(jī)2種類型[5]，其中，切段式甘蔗收割機(jī)通過(guò)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(xiàn)收割和現(xiàn)切斷的機(jī)械化作業(yè)特點(diǎn)容易引發(fā)宿根破頭率高和含雜率高等問(wèn)題，且對(duì)榨糖加工時(shí)效性要求較高[4]，因而適用范圍較?。徽捠礁收崾崭顧C(jī)通過(guò)在線扶蔗、導(dǎo)入、夾固、切根、斷尾、傳送、剝?nèi)~、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(zhì)的機(jī)械化收割作業(yè)特點(diǎn)，在甘蔗收割機(jī)械化設(shè)備中占據(jù)主要地位，也已成為蔗農(nóng)收割甘蔗的首選機(jī)械化設(shè)備[7]，但我國(guó)在引入國(guó)外中大型整稈式高效智能甘蔗收割機(jī)時(shí)，未充分考慮我國(guó)各地甘蔗種植分散和田間小塊種植等特點(diǎn)[8]，在使用過(guò)程中存在機(jī)器系統(tǒng)配套不合理、農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝技術(shù)不匹配等問(wèn)題[9]。具體表現(xiàn)為：國(guó)內(nèi)多數(shù)蔗農(nóng)種植甘蔗的農(nóng)藝技術(shù)（行距）非標(biāo)準(zhǔn)化，中大型整稈式高效智能甘蔗收割機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)收割，同時(shí)，不能適應(yīng)小地塊作業(yè)要求[10]；甘蔗收割機(jī)切根裝置無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)以適應(yīng)甘蔗種植地形高度，很容易產(chǎn)生宿根破頭率過(guò)大問(wèn)題[11-12]；甘蔗剝?nèi)~裝置實(shí)現(xiàn)甘蔗與蔗葉分離程度不高，剝?nèi)~不徹底，甘蔗與蔗葉糾纏在一起，造成含雜率過(guò)高和除雜通道堵塞[13]；甘蔗收割機(jī)整機(jī)作業(yè)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?nèi)~、集斗和田間轉(zhuǎn)運(yùn)工作[14]。為此，在國(guó)家政策的大力支持下，自主設(shè)計(jì)契合我國(guó)甘蔗農(nóng)藝要求的甘蔗收獲機(jī)得以研發(fā)并迅速發(fā)展。迄今，我國(guó)自主研發(fā)的整稈式甘蔗收割機(jī)機(jī)型仍存在重量較重不適合分散種植的田間作業(yè)、地形感知智能控制應(yīng)用性不強(qiáng)、機(jī)型作業(yè)適應(yīng)性差和對(duì)倒伏甘蔗有效作業(yè)程度低等問(wèn)題[15-16]。因此，本研究在整稈式甘蔗收割機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置和完善整稈式甘蔗收割機(jī)整機(jī)及關(guān)鍵作業(yè)部件的智能控制模塊，實(shí)現(xiàn)在線智能一體化自動(dòng)扶蔗、導(dǎo)入、夾固、切根（刀盤自動(dòng)升降）、斷尾、傳送、剝?nèi)~（自動(dòng)調(diào)整）、甘蔗收集和暫存等功能，旨在為滿足我國(guó)甘蔗復(fù)雜多樣化的農(nóng)藝要求并兼顧提高甘蔗收割效率和質(zhì)量提供技術(shù)支持。

1" 整稈式高效智能甘蔗收割機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

1.1總體結(jié)構(gòu)

從圖1可看出，設(shè)計(jì)的整稈式高效智能甘蔗收割機(jī)總體結(jié)構(gòu)包括底盤系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、集成化智能駕駛系統(tǒng)和工作作業(yè)機(jī)構(gòu)（含扶蔗機(jī)構(gòu)、仿地形切割機(jī)構(gòu)、雙層夾持提升裝置、液壓切梢機(jī)構(gòu)、甘蔗剝?nèi)~除雜機(jī)構(gòu)和自卸式料倉(cāng)）。此外，還設(shè)置和完善甘蔗收割過(guò)程關(guān)鍵作業(yè)工序的自動(dòng)化控制關(guān)鍵模塊，以一次性完成甘蔗的扶起、切梢、切根、提升、剝?nèi)~、集斗和田間轉(zhuǎn)運(yùn)工作，從而提升整稈式高效智能甘蔗收割機(jī)的收割效率和收割質(zhì)量。

在甘蔗收割過(guò)程中，底盤系統(tǒng)用于帶動(dòng)整稈式高效智能甘蔗收割機(jī)移動(dòng)，動(dòng)力系統(tǒng)用于為底盤系統(tǒng)移動(dòng)和各作業(yè)機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力，集成化智能駕駛系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)甘蔗割堆機(jī)的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度，扶蔗機(jī)構(gòu)用于對(duì)甘蔗進(jìn)行撥離和扶起，液壓切梢機(jī)構(gòu)用于對(duì)甘蔗進(jìn)行切梢，仿地形切割機(jī)構(gòu)用于對(duì)甘蔗根部進(jìn)行整齊切斷，雙層夾持提升裝置用于對(duì)甘蔗進(jìn)行柔性?shī)A持，甘蔗剝?nèi)~除雜機(jī)構(gòu)用于對(duì)甘蔗進(jìn)行剝?nèi)~除雜，自卸式料倉(cāng)用于對(duì)收割完成的甘蔗進(jìn)行收集并自動(dòng)卸料。由此可見，通過(guò)配置相互配合的底盤系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和集成化智能駕駛系統(tǒng)，配備設(shè)計(jì)開發(fā)自動(dòng)化智能控制工作作業(yè)機(jī)構(gòu)（含扶蔗機(jī)構(gòu)、仿地形切割機(jī)構(gòu)、雙層夾持提升裝置、液壓切梢機(jī)構(gòu)、甘蔗剝?nèi)~除雜機(jī)構(gòu)和自卸式料倉(cāng)），兼顧提高甘蔗收割效率和收割質(zhì)量，整稈式高效智能甘蔗收割機(jī)可實(shí)現(xiàn)智能化在線一次性完成甘蔗整稈式聯(lián)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(jī)采用整稈式收割，可完成整條甘蔗的收獲和運(yùn)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(jī)收割甘蔗時(shí)，首先利用液壓電動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)皮帶傳動(dòng)已能自動(dòng)捋直、夾緊甘蔗并導(dǎo)入切割機(jī)構(gòu)部件中，依據(jù)蔗地地形高度的變化自動(dòng)調(diào)整切割臺(tái)高度，控制割臺(tái)根據(jù)地形變化自動(dòng)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(shí)現(xiàn)甘蔗整齊切根和斷尾。隨后，利用甘蔗剝?nèi)~組件對(duì)甘蔗進(jìn)行上、中、下全方位剝?nèi)~，進(jìn)行高效脫葉并粉碎分離，有效降低含雜率。最后，剝?nèi)~的甘蔗被收集暫存至料倉(cāng)，等待田間轉(zhuǎn)運(yùn)和裝卸。

2" 關(guān)鍵智能控制模塊的設(shè)計(jì)與研發(fā)

2.1自動(dòng)扶蔗模塊

為提高甘蔗整體收割效率，需自動(dòng)調(diào)節(jié)扶蔗部件與地面的距離在甘蔗根部附近，因此需設(shè)計(jì)開發(fā)整稈式甘蔗收割機(jī)的自動(dòng)扶蔗模塊。

首先，通過(guò)第一液壓馬達(dá)帶動(dòng)第一皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，第一皮帶輪帶動(dòng)第二皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，第二皮帶輪帶動(dòng)固定稈和第一導(dǎo)蔗齒輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，第一導(dǎo)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(jìn)時(shí)將捋直的甘蔗全部涌入切割機(jī)構(gòu)部件中，減少后續(xù)工序發(fā)生堵塞。隨后，通過(guò)在支撐框架和懸掛架2側(cè)均設(shè)置導(dǎo)入稈，能擴(kuò)大將地上甘蔗導(dǎo)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(shè)置調(diào)節(jié)部件以帶動(dòng)支撐框架和懸掛架向上、下移動(dòng)，調(diào)節(jié)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(wěn)定。

2.2自動(dòng)剝?nèi)~模塊

為提高甘蔗剝?nèi)~自動(dòng)化程度，增強(qiáng)實(shí)用性，需設(shè)計(jì)開發(fā)整稈式甘蔗收割機(jī)自動(dòng)剝?nèi)~模塊。該模塊主要由斜鏈板線、喂蔗膠輥、剝?nèi)~通道和除雜風(fēng)機(jī)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?nèi)~通道；除雜風(fēng)機(jī)用于再次對(duì)甘蔗葉進(jìn)行分離以確保剝?nèi)~干凈。

在自動(dòng)剝?nèi)~模塊安裝過(guò)程中，設(shè)置液壓動(dòng)力系統(tǒng)于甘蔗剝?nèi)~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(shè)置于甘蔗剝?nèi)~組件、甘蔗葉切割組件、甘蔗葉收集打捆組件和液壓動(dòng)力系統(tǒng)的兩側(cè)，通過(guò)甘蔗輸送組件將甘蔗輸送至甘蔗剝?nèi)~組件處進(jìn)行剝?nèi)~，再通過(guò)甘蔗葉切割組件和甘蔗葉收集打捆組件對(duì)剝落的甘蔗葉進(jìn)行切割和打捆整合，最后通過(guò)甘蔗輸送組件將剝?nèi)~后的甘蔗輸送至外部。此外，自動(dòng)剝?nèi)~模塊采用甘蔗剝?nèi)~組件、甘蔗葉切割組件和甘蔗葉打捆組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)收割的甘蔗進(jìn)行剝?nèi)~處理。其中，甘蔗剝?nèi)~組件進(jìn)行上、中、下全方位剝?nèi)~，并將剝落的甘蔗葉進(jìn)行切割和打捆處理。打捆后的甘蔗葉堆通過(guò)出料口放置于田間，后續(xù)甘蔗葉還可再次作為飼料及環(huán)保原料加工利用，極大促進(jìn)甘蔗整體的充分應(yīng)用。

2.3自動(dòng)升降切割模塊

在整稈式甘蔗收割機(jī)中設(shè)置自動(dòng)升降切割模塊以適應(yīng)不同甘蔗種植地形高度下收割，能有效實(shí)現(xiàn)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(jī)械部分和控制部分。其中，機(jī)械部分根據(jù)實(shí)際甘蔗收割機(jī)切割部分原理制作，并對(duì)收割機(jī)切割系統(tǒng)的壓馬達(dá)、液壓缸、切割刀盤和升降機(jī)構(gòu)等部件進(jìn)行適當(dāng)還原；切割刀盤能模擬收割機(jī)進(jìn)行土壤和甘蔗切割，液壓缸可對(duì)刀盤進(jìn)行自動(dòng)升/降調(diào)節(jié)；控制部分功能可實(shí)現(xiàn)依據(jù)甘蔗種植土壤高度變化來(lái)控制液壓缸升/降，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)刀盤高度適應(yīng)及確定甘蔗最佳收割位置的目的。

2.4自動(dòng)收集暫存模塊

結(jié)合壓力傳感器的甘蔗暫存量限重檢測(cè)和甘蔗收集暫存集蔗料倉(cāng)接觸頂部橡膠層防滑設(shè)置特點(diǎn)，設(shè)置整稈式甘蔗收割機(jī)的自動(dòng)收集暫存模塊，以實(shí)現(xiàn)在線對(duì)已收割甘蔗的收集、暫存和傾倒。

首先，通過(guò)設(shè)置液壓馬達(dá)以實(shí)現(xiàn)在線對(duì)已收割甘蔗的集中收集，其流程為：（1）閉合外部電源啟動(dòng)液壓馬達(dá)，利用壓力傳感器檢測(cè)接觸板上甘蔗質(zhì)量，當(dāng)甘蔗質(zhì)量小于100.0 kg時(shí)，壓力傳感器內(nèi)部轉(zhuǎn)換元件將檢測(cè)出的數(shù)值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將電信號(hào)傳輸至液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)接收電信號(hào)后驅(qū)動(dòng)輸出軸帶動(dòng)第一齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度；（2）第一齒輪、第二齒輪和第三齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第二齒輪帶動(dòng)第一轉(zhuǎn)稈和第一弧形夾逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，第三齒輪帶動(dòng)第二轉(zhuǎn)稈和第二弧形夾順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，第一弧形夾與第二弧形夾向下處于張開狀態(tài)，此刻傳送機(jī)構(gòu)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(dòng)并靠在弧形夾和接觸板上；（3）當(dāng)靠在接觸板上甘蔗的質(zhì)量大于100.0 kg時(shí)，底部壓力傳感器檢測(cè)出的相應(yīng)數(shù)值將電信號(hào)傳輸至液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)第一齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)第一轉(zhuǎn)稈順時(shí)針、第二轉(zhuǎn)稈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jìn)行集中收集，方便后續(xù)將收集的甘蔗進(jìn)行集中捆綁。

隨后，通過(guò)設(shè)置氣缸，壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)已收集的一定重量甘蔗的傾倒，具體工作流程為：（1）當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到接觸板上甘蔗質(zhì)量小于100.0 kg時(shí)，將檢測(cè)數(shù)值信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)被傳輸至氣缸后，氣缸將接收電信號(hào)并控制驅(qū)動(dòng)稈向左移動(dòng)；（2）驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)擋塊順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度與甘蔗處于垂直狀態(tài)，利用擋塊擋在甘蔗的一側(cè)，可避免進(jìn)入第一弧形夾與第二弧形夾中的甘蔗傾倒至地面影響對(duì)甘蔗的集中收集。

此外，為防止甘蔗收集與傾倒過(guò)程中甘蔗易滑落問(wèn)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(shí)滑動(dòng)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(fèi)。

3" 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)推動(dòng)整稈式甘蔗收割機(jī)技術(shù)專業(yè)化、智能化發(fā)展以適應(yīng)甘蔗收割地形、倒伏甘蔗有效作業(yè)等多變機(jī)械化作業(yè)情況，是促進(jìn)甘蔗收割生產(chǎn)全面機(jī)械化和制糖企業(yè)繁榮的核心要素。本研究研發(fā)的整稈式甘蔗收割機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)和完善自動(dòng)扶蔗、剝?nèi)~、升降切割和收集暫存等關(guān)鍵作業(yè)部件的功能，使整稈式甘蔗收割機(jī)結(jié)構(gòu)輕簡(jiǎn)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(zhuǎn)，更適應(yīng)我國(guó)甘蔗農(nóng)藝生產(chǎn)特點(diǎn)，比傳統(tǒng)整稈式甘蔗收割機(jī)具有更大優(yōu)勢(shì)。

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