適合山地小田塊作業(yè)的煙草拔稈機(jī)的設(shè)計(jì)

肖立仁 龔道雄

(1.湖南省洞口縣農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，湖南 洞口 422300；2.北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部，北京 100124)

0 引言

我國(guó)是世界煙葉生產(chǎn)第一大國(guó)，年產(chǎn)煙葉200多萬(wàn)t，占世界煙草總產(chǎn)量的35%左右，煙草種植面積和產(chǎn)量均居世界第一位[1-3]。煙草是國(guó)家財(cái)政收入的重要來(lái)源，甚至是一些產(chǎn)煙大省的地方經(jīng)濟(jì)財(cái)政支柱，近年來(lái)我國(guó)煙草稅利總額年均超過(guò)1萬(wàn)億元[2，4]。因此，煙草種植對(duì)于國(guó)計(jì)民生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

按煙稈產(chǎn)量和煙葉產(chǎn)量1∶1粗略計(jì)算，我國(guó)每年煙稈產(chǎn)量為260萬(wàn)t[5]。在煙葉采摘之后，剩下的煙稈和煙蔸必須清除干凈，不宜作為燃料或直接粉碎還田。一方面是因?yàn)闊煻挷灰赘癄€，需要清理以方便后續(xù)其他作物的輪作；另一方面是因?yàn)闊煵菥哂凶远粳F(xiàn)象，在煙稈和煙蔸中存在著大量的病菌，如果任其腐爛在田中會(huì)感染來(lái)年種植的煙葉，滋生黑脛病、蛀眼病、角斑病、野火病、根黑腐等多種煙草疾病，造成減產(chǎn)甚至絕收[1，4，6]。同時(shí)，煙稈本身也具有重要應(yīng)用價(jià)值，是制作殺蟲(chóng)劑、活性炭、纖維板、煙堿和煙酸等多種產(chǎn)品的原材料[6，7]，回收煙稈也可以給煙農(nóng)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)收益。

1 煙草拔稈機(jī)現(xiàn)狀

我國(guó)煙區(qū)大都處于丘陵和山區(qū)地帶，其中作為我國(guó)重要優(yōu)質(zhì)烤煙產(chǎn)區(qū)的湖南、貴州、重慶等更是以山區(qū)為主。由于缺乏實(shí)用的拔稈機(jī)械，目前這些地區(qū)都只能采用傳統(tǒng)的手工挖除(圖1)方法，非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，造成大量的人力浪費(fèi)，效率低下。加之當(dāng)前農(nóng)村勞動(dòng)力緊缺，用工費(fèi)用高，開(kāi)發(fā)適合山區(qū)地形的煙草除稈機(jī)械已是發(fā)展山區(qū)煙葉種植的當(dāng)務(wù)之急[8]。

圖1 人工挖除煙蔸

煙草產(chǎn)區(qū)對(duì)拔稈機(jī)的迫切需求引起了農(nóng)機(jī)研究者們的重視，尤其是近10年來(lái)包括中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)[4]、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)[1，6]、貴州大學(xué)[3，5]等在內(nèi)的多家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)煙草拔稈機(jī)進(jìn)行了大量的研究，推出了多種煙草拔稈機(jī)設(shè)計(jì)方案，并有一些機(jī)型已經(jīng)投入到實(shí)際應(yīng)用。

這些煙桿拔稈機(jī)根據(jù)拔稈機(jī)構(gòu)的不同可以分為多種類型[4，9]，其中最有代表性的是如下2種：(1)夾持拉拔式采用V形煙稈導(dǎo)引機(jī)構(gòu)，通過(guò)彈簧調(diào)整以適應(yīng)不同的煙稈直徑，通過(guò)鏈條或圓盤(pán)機(jī)構(gòu)夾持煙稈并向上拔離煙壟，同時(shí)通過(guò)打土裝置去除煙蔸上的泥土。其缺點(diǎn)是在不松土的情況下將煙稈拔起，容易造成煙稈斷裂和煙根殘留，且在煙稈倒伏情況下無(wú)法完成拔煙稈任務(wù)。(2)刨壟挖掘式采用滾筒或桿狀耙齒將煙蔸從壟畦中刨挖掘起，然后通過(guò)打土裝置或拋扔動(dòng)作對(duì)煙蔸根茬進(jìn)行脫土，實(shí)現(xiàn)根土分離，以避免煙田土壤和肥力的損失，同時(shí)也便于煙稈的后續(xù)收集工作。由于煙田雜草叢生，這種拔稈機(jī)構(gòu)的齒梳會(huì)因纏繞雜草而不能正常工作[3]，在應(yīng)用中受到一定的限制?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)方案中的這些拔稈機(jī)構(gòu)都可以連續(xù)地完成整壟煙桿的拔除工作，作業(yè)效率較高，但是需要較強(qiáng)的動(dòng)力輸出，其配套動(dòng)力裝置主要采用中小型輪式拖拉機(jī)，體積、質(zhì)量和轉(zhuǎn)彎半徑都比較大，不適用于山地小田塊煙田的拔稈作業(yè)任務(wù)[6-10]。

針對(duì)山地?zé)焻^(qū)田塊狹小、農(nóng)機(jī)田間轉(zhuǎn)移困難的具體情況，綜合考慮煙稈拔除、根土分離等具體農(nóng)藝需求，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、成本低廉、適合山地小田塊煙田除稈清根的煙草除稈機(jī)，以期緩解當(dāng)前山地?zé)焻^(qū)勞動(dòng)力短缺和煙田除稈勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大的問(wèn)題。

2 煙草拔稈機(jī)方案設(shè)計(jì)

2.1 山地?zé)熖锾卣骱蜔焿欧N植規(guī)范

我國(guó)有大量煙田位于山地地區(qū)，如圖2所示，山區(qū)煙田通常具有如下典型的小田塊特征：(1)田塊面積小，通常田塊面積不足一畝；(2)田塊形狀不規(guī)則，通常田塊是根據(jù)地形開(kāi)墾出來(lái)的，不具有像平原地帶那樣規(guī)則的矩形形狀；(3)田塊起伏不平；(4)田塊之間有高度落差，這一點(diǎn)造成了機(jī)具的田間轉(zhuǎn)移困難。

圖2 山地小田塊的煙田和煙壟

山區(qū)煙田在種植方式上采用單壟種植(圖2)，壟行尺寸一般為：壟高20～25cm，壟寬50～60cm，壟溝寬40～50cm，株距50～60cm。煙蔸通常深入到壟土內(nèi)約15～20cm。

2.2 煙草拔稈機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述山區(qū)煙田和煙壟特征，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款如圖3所示煙草拔稈機(jī)，其具體結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程突出地具有適合山區(qū)小田塊煙田環(huán)境的特點(diǎn)。

煙草拔稈機(jī)采用手推車模式。除了挖掘耙齒采用鋼材之外，整車設(shè)計(jì)均采用鋁型材鉚接構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)，因此具有重量輕、加工簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。整車重量不足50kg，在有土路的地方一個(gè)勞力可以推著走，在沒(méi)有土路的地方2個(gè)勞力可以抬著走，便于山地田間轉(zhuǎn)移。拔稈機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，只占一個(gè)壟寬，因此既不像其他拔稈機(jī)那樣需要較寬的田間通行道路，也不需要較大的轉(zhuǎn)彎半徑和調(diào)頭空間，非常適合在山地小田塊煙田中應(yīng)用。

煙草拔稈機(jī)采用騎壟作業(yè)的挖蔸拔稈模式。工作部分是一對(duì)由鋼制弧狀耙齒構(gòu)成的耙子，采用鋰電池直流供電，通過(guò)動(dòng)力單元帶動(dòng)小型液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該液壓機(jī)構(gòu)具有重量輕、出力大的特點(diǎn)，在其驅(qū)動(dòng)下弧狀耙齒可以很容易地插入到(即使是板結(jié)的)泥土中，從田壟中挖出煙蔸。

圖3 煙草拔稈機(jī)的整體結(jié)構(gòu)圖

2.3 挖篼機(jī)構(gòu)的工作周期

煙草拔稈機(jī)的工作狀態(tài)如圖4a所示，操作者抓住扶手，將腳輪抬離地面，人力推動(dòng)拔稈機(jī)騎壟行走，當(dāng)挖篼耙子位于煙蔸兩側(cè)時(shí)，操作者松開(kāi)扶手讓拔稈機(jī)處于車輪和腳輪支撐狀態(tài)，按下手柄旁邊的挖蔸按鈕，啟動(dòng)拔稈機(jī)的一個(gè)挖篼工作周期(圖5)，完成一株煙稈的挖篼任務(wù)，然后再推動(dòng)拔稈機(jī)行走到下一株煙稈位置進(jìn)行挖篼。拔稈機(jī)的這種工作方式不會(huì)像其他的拔稈機(jī)那樣在拔稈前將煙稈推倒，拔稈效果也不受煙稈倒伏的影響。因?yàn)槭侨斯?duì)準(zhǔn)每株煙蔸之后再啟動(dòng)挖篼循環(huán)，所以不存在漏拔的現(xiàn)象。

拔稈機(jī)的一個(gè)挖篼周期包括如下幾步操作：(1)如圖4所示，挖篼機(jī)構(gòu)位于煙蔸上方的初始位置，耙子張開(kāi)；(2)挖機(jī)升降液壓缸驅(qū)動(dòng)耙子安裝架沿滑軌下行，直到觸動(dòng)安裝在滑軌旁邊的1號(hào)行程開(kāi)關(guān)，此時(shí)耙子位于煙篼根部的兩側(cè)；(3)挖機(jī)開(kāi)合液壓缸驅(qū)動(dòng)耙齒合攏，耙齒切入到田壟中將煙蔸連土挖起；(4)升降液壓缸驅(qū)動(dòng)耙子安裝架沿滑軌上行，耙齒保持合攏狀態(tài)，從而將煙蔸連土一并提起，直到觸動(dòng)安裝在滑軌旁邊的2號(hào)行程開(kāi)關(guān)，此時(shí)挖篼機(jī)構(gòu)回到初始位置的高度；(5)挖機(jī)開(kāi)合液壓缸驅(qū)動(dòng)耙齒張開(kāi)，將煙蔸連土扔下，利用落地的摔砸作用使土塊散開(kāi)，實(shí)現(xiàn)煙蔸和泥土分離，從而完成一個(gè)工作循環(huán)即一株煙蔸的拔稈任務(wù)。此外，我們?cè)谧钔鈧?cè)2根耙齒的內(nèi)側(cè)設(shè)置有刃狀邊緣，在挖機(jī)部分將煙蔸連土提起的時(shí)候，該刃口可以切開(kāi)板結(jié)的土壟并切斷壟上糾纏的雜草，從而較為便利地完成拔稈挖篼任務(wù)。

圖4 煙草拔稈機(jī)挖篼機(jī)構(gòu)的工作原理

圖5 煙草拔稈機(jī)的一個(gè)挖篼工作周期

挖篼機(jī)構(gòu)的上述工作循環(huán)過(guò)程通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，其一個(gè)工作周期的控制流程如圖6所示，通過(guò)設(shè)置行程開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)挖篼步驟的切換，從而自動(dòng)完成一株煙蔸的挖掘過(guò)程。根據(jù)煙壟的尺寸變化，可以在一定的范圍內(nèi)相應(yīng)地調(diào)整行程開(kāi)關(guān)的位置，從而在一定程度上提高拔稈機(jī)對(duì)于不同煙壟尺寸的適用性。

圖6 挖篼機(jī)構(gòu)工作循環(huán)的流程圖

3 結(jié)論

針對(duì)山地?zé)焻^(qū)對(duì)于煙稈拔除的迫切需求，本文設(shè)計(jì)了一種適合山區(qū)小田塊煙田作業(yè)的煙草拔稈機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煙桿的高效拔除，同時(shí)顯著降低人力成本和煙農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度。該機(jī)器突出地具有如下特點(diǎn)：

(1)拔稈機(jī)采用挖篼模式和耙齒前置的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)一對(duì)耙子將煙稈連根挖起，沒(méi)有機(jī)具被雜草纏住的風(fēng)險(xiǎn)，在拔稈過(guò)程中也不存在煙稈倒伏和斷蔸的現(xiàn)象(在拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)拔稈機(jī)構(gòu)后置的方案中常見(jiàn)此現(xiàn)象，并對(duì)拔稈過(guò)程造成困難)，即使是已經(jīng)倒伏的煙稈或殘存的斷篼都能夠干凈地挖除，沒(méi)有煙根殘留，拔稈效果徹底。

(2)挖篼工作循環(huán)采用液壓驅(qū)動(dòng)和單片機(jī)程序控制，一次挖篼只需要一次按鈕操作，自動(dòng)化程度高；挖出的煙蔸和附土通過(guò)扔砸效應(yīng)得到較好的分離，方便后續(xù)的煙稈收攏和運(yùn)輸，煙農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度顯著降低。

(3)采用騎壟作業(yè)和手推車模式，在人工推動(dòng)下完成煙稈對(duì)準(zhǔn)和田間轉(zhuǎn)移，不存在漏拔現(xiàn)象，同時(shí)拔稈機(jī)寬度小、重量輕，在路況較差、路面較窄的情況下都能夠容易地進(jìn)行田間轉(zhuǎn)移，甚至在沒(méi)有道路或田間高度差較大的環(huán)境中也能夠兩人抬著進(jìn)行田間轉(zhuǎn)移；拔稈機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑小，不要求在田塊的邊沿預(yù)留調(diào)頭空間，操作容易且田塊利用率高。

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的煙草拔稈機(jī)非常適合在山區(qū)小田塊煙田的拔稈作業(yè)，具有良好的應(yīng)用和推廣前景，可望在山地?zé)焻^(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械化過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。