甘蔗联合收割机技术难题分析与改进

发布时间:2020-07-08 22:47:14

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广西是我国产糖业的大省,甘蔗产业已经成为广西农业经济支柱之一。但由于甘蔗生产受生产条件恶劣、作业情况复杂等特殊因素的制约,很难实现甘蔗生产的机械化和自动化,特别是收割作业过程,目前还只是停留在手工人力作业阶段,大大限制了甘蔗生产效率的提高。甘蔗收割技术成为实现甘蔗生产机械化过程中最难的技术难题。现在甘蔗的耕种收获作业还是主要是以人力为主,从播种到收获基本上完全依靠人力,不紧劳动强度大,生产效率低,还制约着整个经济产业链生产的发展。由于我国生产甘蔗的主要产区是在南方,地形主要是以山地窄地为主,加上甘蔗长形不规则,弯直大小高矮倒扶不齐,加大了机械收割工作的难度。笔者通过长时间的调查研究认为,在甘蔗机械收割中急需解决六个方面技术难题。
  1.如何实现砍蔗破头率低的技术要求
  因为甘蔗是种一次收三年作物,如果在机械收割中甘蔗根茎处切割口不平整,被打碎或撕裂都会破坏到根部的甘蔗苗,将会影响到第二年甘蔗的出芽率,减少收成,一般要求破头率要控制在5﹪的范围内。据调查,当前大多数的甘蔗收割机的收割切割方式,都是以高速旋转的多片刀片平地移动实现对蔗茎实现切割,这种切割方式的缺点是:①刀刃不能做得太锋利,否则在高速旋转的情况下碰到地中的石头都会很快磞刃,因此刀口只能做成钝口的刀刃,这样在切割蔗茎时又不利于得到平整的切口;②由于是高速旋转慢速平移刀片,同一根茎切口容易出现被多刀切割的情况,造成切口不平整。因此,传统的切割方式破头率一般都比较高,无法满足生产实际要求。
  为了减少甘蔗收割过程中的破头率,得到平整的根茎切割口,必须要求切割刀是锋利的,且每一根茎切割必须是一刀切断。因此,我们可以考虑在前进方向采用往复循环、慢速移动的切割方式,刀片可以做成鎌刀样,切口锋利,实现一刀平整切断甘蔗根茎。其原理就是模仿人工用鎌刀一刀砍断根茎的方式。此种方式的缺点是切割机构较为复杂,甘蔗机械在收割过程中前行的移动速度还要稍微降低一点,但可以基本上解决破头率的技术难题。
  2.实现蔗茎在甘蔗联合收割机内准确无误地传送
  要能自动收割,无论是高的矮的弯的直的,还是倒着的立着的,都要能顺利地实现从根部割断并收集送入剥叶机构的一系列功能。
  在现有的甘蔗收割机中,甘蔗茎的移送都是利用橡胶滚子通过挤压旋转依靠摩擦力的作用传送蔗茎,对湿的蔗茎容易出现打滑的情况。这种传送方式对于平直的蔗茎一般是不成问题的,但对于变形、弯的蔗茎却无法顺利传送,甚至发生卡死堵茎堵塞的情况。因此以此种方式工作的甘蔗收割机一般工作十多米就会发生蔗茎堵住传送入口的现象,造成无法继续工作。
  对于上述的技术难题,从一种牙签筒按压后自动挤出牙签的方式中得到启示。靠摩擦力的方式传送蔗茎会打滑,弯蔗会堵塞。如果用拉蔗茎或一根根象按挤出牙签的方式推拉蔗茎,不但直的蔗茎就是弯的湿的蔗茎也会象按压牙签筒一样被强行有序地传送进去和出来。因此对于在传送蔗茎的部位,我们可以利用按压式的牙签筒出牙签的原理,设计出类似的传送蔗茎的机构,当然要求要能同时传送多根蔗茎。
  3.自动调速合适的切割高度
  收割砍蔗时甘蔗留的根高度要能控制,以平地以下1~2公分为宜,但由于田间地形高低不平整,砍高了会造成浪费,影响产量,砍低了也会影第二年甘蔗的生长。
  解决这一技术的关键在于设计出仿形机构,仿形机构要求能带着切割机构随着地形变化以及根茎高矮作出相应的调整,以保证切出合适的根茎高度。仿形机构有机械式的和电子式的两种。机械式的仿形机构结构复杂且体积较大,电子式的仿形机构结构简单体积小但技术难度要求高。
  4.剥叶技术
  剥叶技术分机外剥叶和机内剥叶两种。剥叶要求要干净而不伤蔗,剥叶不干净糖厂又不接受,剥叶伤了蔗会造成损失浪费,蔗农更不能接受。当前大部分的甘蔗联合收割机采用的机内剥叶方式是用橡胶片拍打剥离蔗叶,这种剥叶方式会损伤蔗茎,压出糖水,造成浪费。
  机外剥叶技术,在甘蔗被收割切断之前,采用能沿蔗茎上下移动的剥叶机构迅速剥叶。剥叶机构旋转机构上采用橡胶的剥叶片,相对蔗茎自上而下地拔括蔗杆,实现机外初次剥叶。
  比较理想的机内剥叶方式是模拟人工工具剥叶方式,剥叶工具采用开合螺母的方式做成可以弹性开合的两部分,弹性开合的两部分把蔗茎四周裹住,相对着甘蔗逆行移动,一端有锋利的鎌刀口刀刃,利用牙签筒原理的传送机构,将蔗茎准确地送入人工模拟剥叶机构中,在传送机构推拉力的作用下把蔗茎强行通过模拟人工工具剥叶方式的弹性开合机构,达到剥叶的技术要求。这种剥叶机构结构较为复杂,工作速度较慢,但剥叶的效果能较好地接近人工剥叶,因此是一种比较理想的剥叶机构设计思路。
  5.蔗叶分离技术及防堵塞技术
  在剥叶中甘蔗会有大量的蔗叶残留在甘蔗联合收割机中造成整个机械的堵塞而无法进行收割工作。根据甘蔗联合收割机所在剥叶部位的不同,将甘蔗的蔗叶分离类型分为机外剥叶分离和机内剥叶分离两种,无论那一种都面临着如何将蔗茎和蔗叶分离的问题。剥叶技术中只能把蔗叶与蔗茎剥离,但如果不及时把蔗叶与蔗茎分隔开,大量的蔗叶緾绕在剥叶机构中会堵塞剥叶机构和传送机构,会发生机构被緾死卡死而无法工作的现象,因此必须解决蔗茎与蔗叶在剥叶后如何及时分开的技术问题。当前研发的甘蔗联合收割机中,基本上都是蔗茎与蔗叶同混合在一起完成剥叶、传送过程,而没有采取任何有效的蔗茎蔗叶分离措施,也没有很好地解决蔗茎蔗叶的分离问题及防止蔗叶堵塞的问题,造成甘蔗联合收割机无法长时间连续工作。
  往后的技术考量是:①机外剥叶技术和机外蔗叶分离技术,在甘蔗被收割切断之前,采用能沿蔗茎上下移动的剥叶机构迅速剥叶,尽量减少蔗叶进入机内剥叶,同时在蔗茎收割时的传送入口处设有滚动的梳状蔗叶分离机构,将蔗叶提前进行有效分离,解决传送入口的堵塞问题。②机内蔗叶分离技术,在完成机外剥叶及蔗叶分离后,进入甘蔗联合收割机内部还是有较多的蔗叶,在机内剥叶的同时需要及时地把该部份的蔗叶分离开,为此我们采用的方法是,在机内蔗茎与蔗茎之间的缝隙使用不断相对于蔗茎移动方向且旋转的锋利刀片将长的蔗叶剪切断,使蔗叶变成小块的叶片,并在强风的作用下,由甘蔗联合收割机的底部排出,解决机内堵塞的问题。
  6.要求甘蔗联合收割机要符合重量轻体积小的要求
  由于广西多地处山区丘陵,甘蔗地形高低不平,地域窄小,不适于使用大型机械作业,更何况重量过重会压坏蔗根,影响到次年的产量。但是近来所看到的国内外研制的甘蔗联合收割机都是体积庞大重量重的机型,不适于在丘陵地带作业,不但价格贵,而且也不适用,性能上也不好。因此在设计甘蔗联合收割机时,适当考虑合适功率的机型,宁可工作速度小点,工作效率低点。反对盲目追求大功率、速度快的效果。另外,一部分机构可改用电子电动驱动,可以尽量减少用机械传动等庞大的机构,减轻整机重量。
  甘蔗联合收割机的技术难题是我国也是全世界在甘蔗生产中最大的一个瓶颈,谁能首先解决甘蔗生产机械化的难题,首先研制生产出符合要求的甘蔗联合收割机,就意味着谁能在甘蔗行业生产中起到主导作用,直接影响到整个经济产业链的发展。
  发展甘蔗生产全程机械化是贯彻落实国家政策的需要。国务院《关于促进农业机械化和农机工业又好又快发展的意见》(国发〔2010〕22号)明确了甘蔗生产机械化发展目标,提出"2020年,基本解决甘蔗种植、收获机械化关键技术问题。"把"突破甘蔗收割机械化瓶颈制约,提升甘蔗耕种收机械化水平"作为一项主要任务。其必要性、紧迫性和可行性得到了广泛认同。
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