李鷹航，郭家文，劉芳建，狄明利，劉赟東

(1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京 100083； 2.云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所，云南 開遠661600)

0 引言

甘蔗是主要糖料作物之一，世界甘蔗年均收獲面積約2 600萬hm2，主要分布在巴西、印度、中國、古巴和澳大利亞等國家[1]。我國甘蔗種植面積居世界第3位，約140萬hm2，主要分布在廣西、云南和廣東等省(自治區(qū))[2]。

目前，世界甘蔗種植先進國家基本實現(xiàn)生產(chǎn)全程機械化，而我國甘蔗機械化收獲技術(shù)水平低，截止到2019年，廣西、云南和廣東甘蔗主產(chǎn)區(qū)機收率不足5%。

甘蔗收獲機是實現(xiàn)甘蔗全程機械化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)裝備，扶蔗器則是甘蔗收獲機的關(guān)鍵技術(shù)與裝置之一，其主要功能是扶起行內(nèi)倒伏甘蔗，分離交叉跨行倒伏甘蔗，提高根切宿根切割質(zhì)量，減少割臺漏割等切割損失。特別是聯(lián)合收獲倒伏甘蔗時，扶蔗器的作用尤其重要。我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)常年多發(fā)臺風、季風和山風等，加之中耕培土管理不到位，種植農(nóng)藝不規(guī)范等，甘蔗生長倒伏彎曲較為嚴重，以及榨季多雨蔗葉潮濕交叉倒伏甘蔗扶起難度加大，良好的扶蔗器技術(shù)與裝置尤其重要。

1 扶蔗器結(jié)構(gòu)形式

我國從20世紀80年代開始研究甘蔗收獲機，歷經(jīng)整稈式割鋪機、拖拉機懸掛式整稈收獲機、拖拉機側(cè)掛式整稈收獲機、整稈式聯(lián)合收獲機和切段式聯(lián)合收獲機等研制歷程。扶蔗器也相繼出現(xiàn)了指式扶蔗器(圖1)、單螺旋扶蔗器和雙螺旋扶蔗器(圖2)[3-5]。

指式扶蔗器一般用于整稈甘蔗割鋪機上，扶指連接在鏈條上，扶指與鏈條回轉(zhuǎn)運動，有的扶指采用彈性柔性板塊(如橡膠帶、帆布膠帶)，雙層自然折彎后固定在回轉(zhuǎn)鏈上，作業(yè)時可防止扶指對甘蔗莖稈表面的損傷。螺旋式扶蔗器一般應用在整稈聯(lián)合收獲機上和切段式聯(lián)合收獲機上。目前切段式甘蔗聯(lián)合收獲機扶蔗器主流形式是雙螺旋扶蔗器，根據(jù)不同地區(qū)甘蔗生長情況，可增加行間切斷刀和其他配件，防止蔗莖纏繞扶蔗滾筒。

近年來，有研究針對傳統(tǒng)扶蔗器結(jié)構(gòu)提出創(chuàng)新。為改進整稈式甘蔗收割機對倒伏甘蔗的扶起能力，解福祥等[6]提出一種底部為圓錐螺旋滾筒、上部為撥指鏈的組合式扶蔗器，并通過運動學分析，給出關(guān)鍵參數(shù)方程。宋春華等[7-9]提出了兩段圓錐式螺旋扶蔗機構(gòu)，結(jié)合仿真與試驗研究，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)，提高了丘陵地帶和坡地倒伏甘蔗的扶起率。為提高扶蔗器接地仿形能力，中聯(lián)重科在扶蔗器與機架安裝結(jié)構(gòu)上，設計了油缸-鏈條平行四邊形機構(gòu)，可有效消減沖擊力，具有良好的地面仿形功能，可靠性更穩(wěn)定[10]。

圖1 指式扶蔗器Fig.1 Finger-chain type sugarcane-lifter

圖2 螺旋扶蔗器Fig.2 Spiral sugarcane-lifter

2 扶蔗器性能分析

2.1 甘蔗倒伏狀態(tài)分類

甘蔗的倒伏是相對理想直立生長狀態(tài)而言的，倒伏程度受甘蔗品種、中耕質(zhì)量、臺風或季風的頻率及強度等因素的影響，甘蔗倒伏狀態(tài)可用倒伏角β、側(cè)偏角γ和倒伏姿態(tài)角α表示。

按倒伏方向與機器前進方向的關(guān)系，甘蔗倒伏可分為5種。①倒伏方向與機器前進方向一致的為順倒伏。②倒伏方向與機器前進方向垂直的為側(cè)倒伏。③倒伏方向與機器前進方向相反的為逆倒伏。④介于側(cè)倒伏和順倒伏之間的為側(cè)順倒伏。⑤介于側(cè)倒伏和逆倒伏之間的為側(cè)逆倒伏[11]。

按照倒伏角大小，甘蔗倒伏可分為不倒伏、中等倒伏和嚴重倒伏。倒伏角在0°～30°為不倒伏，倒伏角在30°～60°為中等倒伏，倒伏角>60°為嚴重倒伏[12]。此外，在不倒伏和中等倒伏之間還引入了輕度倒伏概念，倒伏角在20°～40°為輕度倒伏。甘蔗倒伏及側(cè)偏程度影響甘蔗收獲質(zhì)量，特別是宿根切割質(zhì)量、收獲損失率等。

2.2 指式扶蔗器

2.2.1工作原理

指式扶蔗器需對行作業(yè)，扶指運動到下端時抓取甘蔗，在扶指向上運動的帶動下倒伏甘蔗被扶正。當收獲直立甘蔗時，指式扶蔗器只起抓取甘蔗、小幅度調(diào)整甘蔗姿態(tài)的作用。當收獲側(cè)向倒伏、前向倒伏和后向倒伏甘蔗時，扶指起抓取甘蔗、大幅度調(diào)整甘蔗姿態(tài)的作用，甘蔗切割后在扶指的帶動下整稈直立喂入，且由于扶指獨特的運動方式，不會發(fā)生蔗葉纏繞現(xiàn)象。

2.2.2設計要求

由作業(yè)經(jīng)驗得知，切割瞬間甘蔗倒伏角β(甘蔗與鉛垂線之間的夾角)最好為-5°～5°，即甘蔗基本處于直立狀態(tài)。扶蔗導軌傾角與水平面安裝角一般為50°～70°，若水平面安裝角較小，則扶蔗長度等于底圓盤切割器刀尖到扶蔗器下鏈輪中心距離，此時對倒伏甘蔗沒有扶正作用，只有起壟和向后喂入作用。

上部扶指與軌道徑向形成夾角應逐漸增大，保證甘蔗整稈直立喂入并與扶指逐漸脫離、不纏繞蔗葉及蔗葉不造成堵塞。

指式扶蔗器適合甘蔗需要直立切割和直立輸送的甘蔗收獲機，如甘蔗整稈割鋪機和收獲機。指式扶蔗器對行內(nèi)甘蔗有扶正能力，對不倒伏甘蔗、輕度倒伏甘蔗和中等倒伏甘蔗扶正效果較好，嚴重倒伏和行間交叉倒伏甘蔗扶正和分行能力較差，對行內(nèi)順倒或逆倒的甘蔗沒有扶正作用。

2.2.3作業(yè)指標及影響因素

國內(nèi)指式扶蔗器研究一般選最終倒伏角、最終側(cè)偏角作為性能評價指標，影響因素為甘蔗收獲機前進速度、下鏈輪轉(zhuǎn)速、扶蔗器導軌傾角和扶蔗器導軌偏角。對其運動學與動力學的研究，一般采用模擬仿真結(jié)合臺架試驗的方法[13-15]。

最終倒伏角與前進速度呈二次曲線關(guān)系、與鏈輪轉(zhuǎn)速呈三次曲線關(guān)系，且鏈輪轉(zhuǎn)速與甘蔗收獲機前進速度對扶起效果存在交互作用，應優(yōu)化二者速比，以達到最大扶起后倒伏角，否則易造成甘蔗后傾或前傾[16-17]。

由于機具小型化限制，指式扶蔗器功率消耗也是主要研究方向。研究發(fā)現(xiàn)，鏈條預張緊力、輸送速度等因素與功耗呈正相關(guān)，且影響顯著，而甘蔗種植密度、甘蔗收獲機前進速度對指式扶蔗器輸送裝置功耗影響不顯著[18]。

2.3 螺旋扶蔗器

2.3.1工作原理

螺旋扶蔗器為一倒立錐型滾筒，扶蔗葉片按設計螺距螺旋纏繞于滾筒。作業(yè)時，螺旋扶蔗器隨機器前進，同時繞自身軸線向行內(nèi)轉(zhuǎn)動，使莖稈不斷被抬起。由于倒伏方向和倒伏程度不同，扶蔗器對倒伏莖稈的作用初始位置，不論在螺旋扶蔗器軸向還是在圓周方向上都是不確定的，因此要精確分析在螺旋扶蔗器作用下倒伏莖稈的運動情況，以合理選擇設計參數(shù)。

有研究從扶蔗器與蔗莖的接觸方式作為切入點，防止隨著蔗莖的扶起，接觸變?yōu)辄c接觸，增大蔗莖滑脫的可能性，提出了變螺距的螺旋式扶蔗器，并通過仿真驗證了其可行性[19]。

螺旋扶起機構(gòu)的滾筒與甘蔗的相互作用是甘蔗被扶起的主要原因，螺旋葉片的扶起作用是次要的。對部分順側(cè)倒伏的甘蔗，螺旋葉片在扶起過程中甚至起到阻礙作用，因此滾筒形狀和螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)是必須考慮的重要因素[20]。

對于嚴重交叉倒伏甘蔗，甘蔗莖稈、蔗葉等糾纏嚴重，雙螺旋扶蔗器分離可能出現(xiàn)纏繞扶蔗輥或纏繞嚴重把蔗兜拔起的情形，需要在每側(cè)兩個單螺旋扶蔗器之間附加驅(qū)動圓盤刀，用于分離纏繞甘蔗。

2.3.2設計要求

當滾筒葉片與蔗莖接觸時，若不考慮二者之間摩擦力，葉片對莖稈作用力方向與接觸點的法線方向是一致的，即與軸線的夾角等于該點的螺旋角。在考慮摩擦力時，葉片對莖稈作用力的方向應與其法線成一摩擦角ψ。為了使螺旋扶蔗器的葉片能夠推動與其工作面接觸的倒伏莖稈沿軸向移動，螺旋葉片的螺旋角α應滿足以下條件

α=90°-ψ

(1)

式中ψ——甘蔗莖稈與螺旋葉片的摩擦角，ψ=27°～35°

甘蔗莖稈在扶蔗器上的運動分析如圖3所示，螺旋葉片上任一點的螺旋角α由式(2)確定

(2)

式中S——螺旋葉片螺距，m

d——與該點對應的螺旋葉片直徑，m

圖3 甘蔗莖稈在扶蔗器上的運動分析Fig.3 Kinematic analysis of cane contacting with lifter

螺旋扶蔗器作業(yè)狀態(tài)旋轉(zhuǎn)中心與地面夾角(設計安裝角)，一般切段式甘蔗收獲機在60°左右選擇，整稈式收獲機在45°左右設計。螺旋扶蔗器作業(yè)狀態(tài)旋轉(zhuǎn)中心與地面夾角、扶蔗器葉片螺距和轉(zhuǎn)速對甘蔗扶起姿態(tài)的變化影響最大，大部分切段式甘蔗收獲機采用壓倒式根部喂入方式，此時螺旋扶蔗器與水平面安裝角可取偏大值，螺旋葉片有效長度可取偏短；而甘蔗整稈割鋪機或收獲機采用直立輸送，螺旋扶蔗器與水平面安裝角設計盡可能小，螺旋葉片有效長度盡可能長。倒錐形單螺旋扶蔗器可較好滿足甘蔗根部在扶起瞬間盡可能輕的接觸和沖擊，以及倒伏甘蔗與螺旋扶蔗器脫離瞬間需要給予盡可能大的慣量兩種要求，以降低甘蔗扶蔗損傷。

2.3.3作業(yè)指標及影響因素

國內(nèi)研究文獻一般以扶起時間和扶起高度作為螺旋扶蔗器的性能指標[21-23]。兩指標直接影響甘蔗后續(xù)喂入，扶起時間過長易導致甘蔗滯留，造成擠壓堆疊；扶起高度不足造成甘蔗傾斜切割喂入，同樣易造成前端堵塞。

指標的主要影響因素包括螺距、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒與鉛垂線角度、作業(yè)速度等。由于不同研究側(cè)重點不同，最優(yōu)參數(shù)組合也不盡相同，但各因素對指標影響趨勢相同，且各因素間存在交互作用。

多項試驗表明，甘蔗收獲機前進速度對扶起高度影響最顯著，滾筒轉(zhuǎn)速對扶起時間影響最顯著。扶起時間整體上隨滾筒轉(zhuǎn)速有較大的下降趨勢，達到一定轉(zhuǎn)速后，下降不明顯，隨甘蔗收獲機前進速度的提升有緩慢下降的趨勢。

若甘蔗在扶起過程中受力較大，會發(fā)生從根部折斷的現(xiàn)象，影響后續(xù)喂入，一些學者針對倒伏甘蔗扶起運動的軌跡、速度和加速度進行研究。

單螺旋扶蔗器能夠扶起行內(nèi)側(cè)倒伏、順側(cè)倒伏和逆?zhèn)鹊狗母收?，而對順倒伏和逆倒伏甘蔗無扶起能力。雙螺旋扶蔗器能夠解決交叉倒伏甘蔗的分行和扶起。內(nèi)側(cè)扶蔗器扶起行內(nèi)倒伏甘蔗莖稈并以甘蔗根部為支點歸攏到工作行內(nèi)，外側(cè)扶蔗器扶起相鄰行倒伏甘蔗莖稈并以甘蔗根部為支點歸攏到相鄰行。扶蔗器底部前端配置分蔗靴或小錐式分蔗裝置能解決中耕管理不到位、壟低不明顯、甘蔗生長壟低于地塊面、嚴重交叉倒伏甘蔗、莖稈交叉?zhèn)鹊狗趦蓧胖g并與地塊表面相貼很近和很難分清甘蔗行情形的種植蔗。

3 問題與建議

(1)相關(guān)研究指標沒有考慮蔗莖在扶起過程中損傷。后續(xù)研究可在保證扶起性能的同時，優(yōu)化蔗莖損傷率，進一步提升部件性能。

(2)作業(yè)時，扶蔗器、壓倒輥和切根器3大部件在工序上有承接。在試驗研究時，可將3大部件作為整體，并考慮其交互作用，優(yōu)化作業(yè)指標。

(3)整稈式甘蔗割鋪機采用直立輸送式，在向后喂入輸送瞬間要求甘蔗姿態(tài)角小，以便于穩(wěn)定輸送，配置指式或單螺旋扶蔗器只能適應沒有倒伏或少量中等程度倒伏甘蔗地的收割，嚴重制約整稈甘蔗收獲機的推廣應用。建議改變收獲機收割喂入方式，由直立輸送式轉(zhuǎn)變?yōu)榕c切段式甘蔗收獲機相同的推倒式喂入，使用雙螺旋扶蔗器解決適應不同倒伏程度甘蔗整稈收獲的問題。