摘要：由于煙葉手工采收效率低, 不能滿(mǎn)足現代農業(yè)要求, 因此煙葉采收機械的研發(fā)勢在必行。為此, 根據煙葉采收原理, 從機構和動(dòng)力兩方面研究了全自動(dòng)煙葉采收機的方案, 給出了全自動(dòng)煙葉采收機的整體結構及關(guān)鍵機構的方案設計, 并對比分析了全液壓驅動(dòng)的優(yōu)點(diǎn), 給出了部分液壓驅動(dòng)方案。田間試驗結果表明:該采收機采收作業(yè)質(zhì)量能夠滿(mǎn)足農藝要求。最后, 提出了煙草收獲機械未來(lái)的發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：全自動(dòng)煙葉采收機; 方案設計; 田間試驗;

　　Abstract：Due to the low efficiency of hand-harvesting of tobacco leaves, Manual work can not meet the requirements of modern agriculture, so the development of tobacco harvesting machinery is imperative. According to the principle of tobacco harvesting, the scheme of automatic tobacco harvester was studied from both institutional and dynamic. The design of the whole structure and the key mechanism of the automatic tobacco harvester are given. The advantages of the full hydraulic drive are analyzed and some hydraulic drive schemes are given. Field test shows that the machine works well.And finally the future development direction of tobacco harvesting machinery is put forward.

　　Keyword：automatic tobacco harvester; scheme design; field test;

　　煙草是一種重要的經(jīng)濟作物, 在我國的國民經(jīng)濟中占有重要地位, 產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的67%, 是世界上主要的產(chǎn)煙大國之一。在煙葉生產(chǎn)過(guò)程中, 采收是基礎性的工作, 煙葉的采收時(shí)期和采收方法關(guān)系到煙葉產(chǎn)量和煙葉質(zhì)量, 所以科學(xué)、及時(shí)地采收煙葉是保證煙葉品質(zhì)的關(guān)鍵[1]。在國外, 如美國、意大利、加拿大等發(fā)達國家, 煙草機械化采收發(fā)展較快, 半自動(dòng)、全自動(dòng)化的煙葉采收機械已批量生產(chǎn)且投入使用, 效果良好。然而, 目前我國絕大多數煙農還是手工采收, 不僅需要消耗大量的勞動(dòng)力和時(shí)間, 且采收效率低, 很難保證及時(shí)采收。當需要在大面積煙田上進(jìn)行采收作業(yè)時(shí), 手工采收顯然已經(jīng)不能滿(mǎn)足農業(yè)要求, 而機械化的煙葉采收機采收效率高, 能夠及時(shí)完成采收作業(yè)。因此, 研發(fā)適應我國國情的全自動(dòng)煙葉采收機具有重要意義。

　　1、國內外發(fā)展現狀

　　美國、意大利、加拿大等國家的煙葉采收機械化相對成熟, 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種不同類(lèi)型的煙葉采收機。加拿大De Cloet公司在1979年制造了世界上第1臺全自動(dòng)自走式煙葉采收機, 在此基礎上又研發(fā)了較為先進(jìn)的2TTH型煙葉采收機, 實(shí)現了完全機械化采收, 1人操作1臺采收機, 1次采收兩行煙葉。另外, 美國Mar Co公司生產(chǎn)了6360型自走式煙葉采收機, 意大利SPAPPERI公司針對煙葉采收部位的不同生產(chǎn)了RA341等型號的煙葉采收機[1]。

　　雖然我國是煙葉生產(chǎn)大國, 但煙葉采收機械化發(fā)展卻相對落后, 煙葉采收一直處于人工作業(yè)階段。由于各個(gè)國家和地區間煙草種植行間距、煙草特性等煙田情況的不同, 從國外直接引進(jìn)的煙葉采收機械并不適宜國內的煙田種植情況。國內很多高校和企業(yè)也在積極研發(fā)適合我國國情的煙葉采收機, 如山東曲阜匯眾機械設備有限公司生產(chǎn)的小型半機械化煙葉收割機, 適用于小地塊的煙葉收割;吉林大學(xué)陶永蘭等老師設計的“自適應行距煙葉收獲機[2]”, 懸掛在拖拉機等小型機械上完成收割作業(yè), 屬于半自動(dòng)煙葉收獲機。隨著(zhù)國內人工費用的提高和大塊煙田種植面積的增加, 一種高效、適合我國煙田的全自動(dòng)煙葉采收機的研發(fā)迫在眉睫。

　　2、全自動(dòng)煙葉采收機總體方案設計

　　2.1、煙草植株及其采收原理

　　煙草屬一年生草本植物, 種植范圍較廣, 煙葉具有較高的經(jīng)濟價(jià)值, 采收煙葉時(shí)根據其成熟時(shí)間不同而進(jìn)行分時(shí)采收[3]。

　　煙葉采收的目標是分離煙草植株的莖和葉, 而且要做到不損傷莖皮和煙葉, 避免影響煙株的生長(cháng)和烘烤質(zhì)量。機械采收參考人工采收的動(dòng)作, 利用采收機械產(chǎn)生的外力完成采收作業(yè), 結合煙葉的傳送與收集, 完成煙葉采收機械化過(guò)程。

　　2.2、總體結構方案

　　根據煙葉采收功能的要求, 一臺全自動(dòng)煙葉采收機主要由行走、采收和存儲三大部分組成。由于煙葉采收機主要是在煙田上低速行駛, 對行走系統的工況要求相對簡(jiǎn)單, 類(lèi)比其他農用機械的設計, 簡(jiǎn)化整機的懸掛系統、轉向機構和行走機構, 為采收機構和存儲機構的布置提供空間。全自動(dòng)煙葉采收機主要由駕駛室、主機架、采收機構、傳送機構、風(fēng)機和煙筐組成, 如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)煙葉采收機總體結構簡(jiǎn)圖

　　2.3、總體動(dòng)力方案

　　在工程機械中, 主要有以下4種傳動(dòng)方式:機械傳動(dòng)、液力傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電力傳動(dòng)。

　　1) 機械傳動(dòng)。純機械傳動(dòng)通常只能進(jìn)行有級變速, 且它的布置方式有局限[4];但機械傳動(dòng)制造成本低, 早期收獲機械常采用機械傳動(dòng)。

　　2) 液力傳動(dòng)。液力傳動(dòng)采用液力變矩器或液力耦合器實(shí)現了發(fā)動(dòng)機與變速器的離合, 液力變矩器使傳動(dòng)系統獲得自動(dòng)、無(wú)級變速和變矩能力[5], 突出優(yōu)點(diǎn)是有近似雙曲線(xiàn)的輸出扭矩—轉速的特點(diǎn);但其布置方式有局限, 變矩范圍窄、制動(dòng)能力較差、效率低, 不適用于需求速度穩定的情況。

　　3) 液壓傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)使用液體 (一般為礦物油) 作為工作介質(zhì)傳遞動(dòng)力和信號, 相比于機械傳動(dòng)和液力傳動(dòng), 液壓傳動(dòng)更易控制其運動(dòng)參數和動(dòng)力參數, 有優(yōu)良的低速負載特性[6]。由于液壓元件功率大、易于受控、安裝方便、操作簡(jiǎn)單且故障率低, 因此十分適用于結構多變、大功率傳遞及工作條件惡劣的大型收獲機械。其結合電子技術(shù), 更易調節和控制, 進(jìn)一步提高了收獲機械的操縱性、舒適性、方便性和智能化水平[7]。

　　4) 電力傳動(dòng)。電力傳動(dòng)由內燃機驅動(dòng)發(fā)電機, 調速范圍廣, 便于遠距離自動(dòng)控制;但由于技術(shù)受限、成本高, 適用于行走機械的功率電元件還沒(méi)有成熟和普及。

　　綜上所述, 相對于其它幾種傳動(dòng)方式, 液壓傳動(dòng)易于實(shí)現自動(dòng)化控制, 適用性廣, 經(jīng)濟性較好, 更適合用于工作條件惡劣的農用收獲機械。

　　3、關(guān)鍵部件方案設計

　　3.1、關(guān)鍵部件機構方案

　　3.1.1、煙葉采收機構

　　煙葉采收相對于其它作物采收有其特殊性, 煙葉具有易破損的特點(diǎn), 采收時(shí)要保證其較小的破損率, 否則其經(jīng)濟價(jià)值會(huì )大大下降。由于煙草植株各個(gè)高度的煙葉成熟時(shí)間不同, 需要分時(shí)、分部采收, 類(lèi)比人工采收煙葉的動(dòng)作, 采用1對相對旋轉的柔性采收刀來(lái)采收煙葉, 如圖2所示[8-13]。

圖2 采收機構簡(jiǎn)圖

　　1.采收馬達2.采收刀

　　煙葉采收的重要指標一個(gè)是破損率, 另一個(gè)是采凈率。為了提高煙葉采凈率和降低煙葉破損率, 從采收刀的形狀、材料和安裝位置三方面來(lái)考慮。

　　1) 采收刀的形狀。采收刀形狀會(huì )對煙葉采凈率有一定影響, 相比于矩形采收刀, 采用波形的采收刀能增大采凈率。

　　2) 采收刀的材料。刀片材質(zhì)對采凈率和破損率都有一定影響, 偏硬的材料更容易采凈煙葉, 但容易造成煙葉的破損, 因此選用合適的塑膠等柔性材料。

　　3) 采收刀的安裝位置。河南農業(yè)大學(xué)的張秀麗等人發(fā)表的“下部煙葉機械采收的最佳施力方式實(shí)驗[14]”一文中表明, 成熟煙葉最佳施力方式為斜向施力, 安裝采收刀時(shí)若與地面有一定夾角, 采收效果會(huì )更佳。

　　3.1.2、煙葉傳送機構

　　為了將采摘下的煙葉傳送到煙筐中, 需要一套適應整機的煙葉傳送系統。采摘下的煙葉需要傳送到機器上部的煙筐, 因此需要提升傳送裝置。采用輥輪加傳送帶的方式可以保證采摘的煙葉準確地輸送至煙筐。云南昆船電子設備有限公司設計了一種垂直提升機構, 由固定輸送帶和下端由拉伸彈簧連接的可活動(dòng)的輸送帶組成, 當煙葉由輸送輥輪送至提升機構時(shí), 被兩條輸送帶夾住向上提升[15-17], 這種傳送機構的方案能夠準確實(shí)現煙葉的傳送, 但煙葉需要完全克服重力輸送至煙筐。為此, 本文提出了一種改進(jìn)方案, 增加一條水平傳送帶, 并在機器允許的空間內將提升傳送帶設置一定的傾斜角度, 使煙葉能夠更順利地輸送到煙筐, 如圖3所示。

圖3 傳送機構運動(dòng)簡(jiǎn)圖

　　3.1.3、其他機構

　　除了采收機構和傳送機構外, 全自動(dòng)煙葉采收機還需要一些輔助機構, 如煙筐收集機構和采收臺升降機構。這兩種機構普遍存在于其他農用收獲機械中, 屬于農用機械通用部分, 方案都比較成熟。

　　農用機械的卸料系統通常采用升降機構或翻轉機構來(lái)實(shí)現, 因此采用煙筐升降機構或煙筐翻轉機構將煙葉轉移。由于煙草植株各個(gè)高度的煙葉成熟時(shí)間不同, 因此將煙葉劃分為上中下三部分來(lái)進(jìn)行分時(shí)分部采收, 針對農作物不同高度的收割, 通常采用升降機構來(lái)實(shí)現。對于農用機械的升降機構和翻轉機構, 目前國內外大都采用液壓缸實(shí)現, 其優(yōu)點(diǎn)為結構簡(jiǎn)單、操縱省力、動(dòng)作平穩、故障率低, 十分適用于大功率、工作條件惡劣的農用機械。

　　3.2、關(guān)鍵部件動(dòng)力方案

　　3.2.1、全液壓行走驅動(dòng)系統

　　設計全自動(dòng)煙葉采收機的行走驅動(dòng)系統時(shí), 借鑒了其他較成熟農用機械。在張志起等人發(fā)表的“4YX-4型全液壓自走式玉米收獲機液壓系統設計[18]”一文中, 其收獲機液壓行走系統由1個(gè)液壓泵驅動(dòng)1個(gè)液壓馬達組成, 具有較好的無(wú)級調速能力。在此基礎上, 為使煙葉收獲機械更好地適應多種作業(yè)環(huán)境的要求, 選用如圖4所示的三輪液壓驅動(dòng)的容積調速回路, 其優(yōu)點(diǎn)為調速范圍大, 被廣泛用于大功率液壓傳動(dòng)系統。

圖4 三輪液壓驅動(dòng)回路

　　3.2.2、收獲機液壓轉向系統

　　液壓轉向系統中的全液壓轉向器根據工作原理, 可分為開(kāi)芯轉向系統、閉芯轉向系統、無(wú)反應轉向系統、有反應轉向系統和負荷傳感轉向系統。其中, 閉芯轉向系統主要用于重載大型行走機械, 有反應轉向系統油缸必須采用雙桿結構形式, 負荷傳感轉向系統較其他系統有節能降耗、響應靈敏等優(yōu)點(diǎn), 但系統復雜、成本高昂。因此, 在全自動(dòng)煙葉采收機中選擇開(kāi)芯無(wú)反應轉向系統是一種性?xún)r(jià)比較高的方案, 不僅能夠滿(mǎn)足使用要求, 而且系統簡(jiǎn)單、成本低。

　　3.2.3、收獲機液壓操縱系統

　　對全自動(dòng)煙葉采收機而言, 其液壓操縱系統控制煙葉采收、傳送、收集和采收臺升降, 通過(guò)液壓馬達和液壓缸實(shí)現。

　　對于煙葉的采收和傳送, 采用液壓馬達控制。采收刀馬達串聯(lián)連接, 實(shí)現采收刀的相向轉動(dòng), 并且轉速相同。在此基礎上, 考慮到采收刀與傳送系統同時(shí)工作, 將傳送馬達并入采收回路中, 不僅能夠簡(jiǎn)化油路, 還能保證煙葉采收和傳送的協(xié)作性能, 如圖5所示。

圖5 采收傳送液壓回路

　　對于煙葉的收集與采收臺的升降, 采用鎖緊回路, 如圖6所示。雙向液壓鎖的鎖緊回路的優(yōu)點(diǎn)是活塞可在任意位置被鎖緊, 能夠防止停止運動(dòng)后因外界因素而發(fā)生竄動(dòng)。由于液控單向閥是錐閥式結構, 所以密封性好, 泄露極少, 常用在工程機械、汽車(chē)起重機支腿和飛機起落架等回路上。

圖6 液控單向閥的鎖緊回路

　　4、田間試驗與結果

　　4.1、試驗基本條件

　　鄭州容大科技發(fā)展有限公司試制的全自動(dòng)煙葉采收機樣機田間性能試驗在河南省許昌市襄城縣雙廟鄉煙田和河南省禹州市小呂鄉煙田進(jìn)行, 試驗用煙為中煙100, 株距平均為50cm。2017年7月20日至2017年9月20日進(jìn)行煙葉收獲作業(yè), 每次采收2~3片煙葉, 一次采收兩行, 作業(yè)速度為70~90m/min, 如圖7所示。

圖7 田間試驗

　　4.2、試驗結果與分析

　　試制的全自動(dòng)煙葉采收機在田間通過(guò)性良好, 主要針對煙葉采凈率和煙葉破損率兩個(gè)技術(shù)指標進(jìn)行了測定, 結果如表1所示。

表1 全自動(dòng)煙葉采收機試驗性能結果

　　從試驗結果來(lái)看, 煙葉采凈率和破損率在一個(gè)合理的范圍內, 滿(mǎn)足農藝要求, 但仍有改進(jìn)的空間。煙葉采凈率和破損率不僅與采收刀的形狀、材料、安裝位置有關(guān), 還與采收刀的轉速、喂入速度等有很大關(guān)系, 不合適的轉速和喂入速度也會(huì )導致煙葉的漏摘和破損。

　　5、結論與展望

　　整機采用全液壓傳動(dòng), 實(shí)現了煙葉的全自動(dòng)采收, 節省了人力, 提高了效率, 并且結構簡(jiǎn)單、性能穩定、操作方便。柔性采收刀的設計保證了較高的煙葉采凈率和較低的煙葉破損率。水平傳送帶與提升傳送帶的結合, 實(shí)現了煙葉從采收裝置到煙筐的傳送。

　　在未來(lái)的研究中, 需要完善我國各個(gè)地區煙草莖、葉的物理特性研究, 獲得煙葉的低損傷機理, 為煙葉采收機械的結構設計提供理論基礎。為提高收獲機的智能性, 還需進(jìn)一步研究其機電液一體化技術(shù), 可引入機器視覺(jué)系統實(shí)現智能識別煙葉成熟度。在滿(mǎn)足使用要求的前提下, 還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化與優(yōu)化機械結構, 提高市場(chǎng)競爭力。

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