黄伟凤，曾伯胜，莫建霖，杨子增，蒙德钧

(广西农业机械研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

甘蔗是我国重要的糖料作物，2018/2019榨季甘蔗种植面积达120多万hm2，主要集中在广西、云南和广东等地，其中广西甘蔗种植面积约87万hm2，占全国总种植面积的60%以上[1-3]。我国甘蔗机械化发展进程缓慢，主要在于甘蔗种植在丘陵山区，蔗地起伏，中小规模蔗地居多[4-5]。随着“双高”基地建设、适度规模经营路线的推广及农机农艺融合作业示范，已逐渐形成单行种植和宽窄行种植两种主流模式，种植行距以0.9、1.2和1.4 m为主[6-7]。目前市场上甘蔗收获机有74～257 kW不同配套功率，其中以132～189 kW的甘蔗收获机居多，其匹配动力、喂入量大，收获效率高[8-9]。130 kW以上的大中型甘蔗收获机在面积足够大、宽行距种植和比较平缓的蔗地作业时，具有比较优良的作业性能，而在小地块、行距较窄和坡度较大的蔗地作业时，作业效果不佳。因此，小机型的甘蔗收获机需求紧迫。

针对以上问题，研发了一款机身较小、轻量化和采用履带式行走底盘的4GQ-1C型甘蔗收获机，其配套动力为97 kW，适应小行距、中小地块甘蔗收获作业。以该机为研究对象，在行距为1.2 m的单行种植蔗地进行收获作业，对比132、194 kW两种机型的甘蔗收获机，研究测定其作业性能指标及其对甘蔗种植农艺的融合效果。

1 整机结构与工作原理

4GQ-1C型甘蔗收获机采用集蔗斗式集蔗装置、两级短输送通道和履带底盘行走装置设计[10]。其主要结构包括切梢器、扶倒器、根切器、一级输送通道、二级输送通道、切段装置、履带行走装置、风机装置和集蔗斗装置等。4GQ-1C型甘蔗收获机结构示意如图1所示。

1.切梢器 2.扶倒器 3.压蔗辊 4.根切器 5.驾驶室 6.一级输送通道 7.二级输送通道 8.切段装置 9.履带行走底盘10.风机装置 11.集蔗装置图1 4GQ-1C型甘蔗收获机结构Fig.1 Structure of 4GQ-1C sugarcane harvester

收获作业时，由切梢器对甘蔗生长点以上的蔗梢进行切断，并通过切梢刀片的旋转作用把梢部甩到已收获区，避免叶梢再次喂入到收割机内。由左右两对相向转动的螺旋扶倒器对倒伏甘蔗进行扶正及分行，使待收获区甘蔗顺利进入喂入口。通过压蔗辊的压蔗作用，甘蔗以一定倾斜角度喂入输送通道，并由一对高速旋转的根切器把甘蔗根部切断，经由一级输送通道调整甘蔗输送方向后，输送到二级输送通道，并由切段装置将甘蔗切成长度为20～30 cm的蔗段。在切段刀辊和抛蔗辊筒的作用下，蔗段以抛物线轨迹抛入风机负压区，由风机风选除杂，蔗叶及杂质通过风机口吹出，蔗段直接落入集蔗装置内。

4GQ-1C型甘蔗收获机机型小巧，作业时可在小行距蔗地中灵活作业。收获机总质量7 t，机身轻量化设计可以有效减少收获机对蔗地的碾压作用。“一”字履带行走装置的设计使整机重心低，可适应丘陵坡地、雨后松软地面和小地块等蔗地环境收获作业，对甘蔗宿根影响较小，在无机耕道地头转弯半径较小，调头灵活。集蔗装置采用两级液压缸分别实现向后方托举和翻斗动作，一次作业可承载约1 t甘蔗量，集满蔗段后可一键卸蔗，通过小型铲斗车进行接驳，减少随行接蔗车环节，降低成本。4GQ-1C型甘蔗收获机理论工效10 t/h，可满足中小规模甘蔗收获作业需求。

2 材料与方法

2.1 试验地点

样机试验于2020年4月在广西南宁市武鸣区宁武镇雷诺村甘蔗种植基地进行，试验时天气晴朗，温度23～25 ℃。该基地甘蔗种植面积约150 hm2，蔗地起伏平缓，蔗垄长度约300 m，蔗区有机耕道。

2.2 试验材料

甘蔗品种为桂糖55号，系2019年6月采用甘蔗种植机播种的甘蔗，单行种植，行距1.2 m。甘蔗大多为直立状态，生长状态良好。

2.3 试验设备

试验在田间进行，设备主要有由广西农业机械研究院有限公司自主研发的4GQ-1C型甘蔗收获机、4GZQ-180型甘蔗收获机和4GZQ-260型甘蔗收获机，以及测定基本参数时用到的坚实度仪、切土环刀、帆布、卷尺和电子秤等。

2.4 试验方法

土壤的基本参数如坚实度和含水率的测定根据GB/T 5262—2008《农业机械试验条件 测试方法的一般规定》进行；甘蔗基本参数、倒伏程度及机收作业性能参数的测定根据JB/T 6275—2007《甘蔗收获机械 试验方法》进行[11-12]。

2.4.1土壤基本参数

土壤坚实度和土壤含水率的测定采用5点测定法。按照农机农艺融合作业规程，甘蔗机械化种植深度10～15 cm，因此通过坚实度仪测定0～15 cm土壤层的坚实度。土壤样品通过取土环刀获取，采用烘干法测定土壤的绝对含水率。

2.4.2甘蔗基本参数

甘蔗倒伏程度测定通过随机选取5个测试点，各量取10 m蔗垄段，剔除无效蔗株(蔗笋和高度<65 cm的蔗株)，计算有效蔗株数量、不倒伏(蔗株基部茎秆与地面垂直线的夹角在0°～30°)、中等倒伏(30°～60°)和严重倒伏(>60°)株数，并计算倒伏程度。在其中一个测试点随机选取10株有效蔗株，测定甘蔗基本参数，包括蔗茎长度、质量和直径等，并计算叶茎比，同时预估甘蔗产量[13]。

2.4.3机收作业性能指标

作业性能试验主要测定4GQ-1C型甘蔗收获机、4GZQ-180型甘蔗收获机和4GZQ-260型甘蔗收获机以正常收获速度进行作业时的指标参数，根据JB/T 6275—2007《甘蔗收获机械 试验方法》测定作业性能指标，如切割高度合格率、宿根破头率、蔗段合格率、含杂率和总损失率，每种机型作业3次，计算平均值。

3 试验结果与分析

3.1 土壤基本参数

土壤坚实度和土壤含水率的测定结果如表1～2所示。

表1 土壤坚实度Tab.1 Soil compactness

表2 土壤含水率Tab.2 Soil moisture content

由表1和表2可以看出，试验区甘蔗地土壤0～15 cm土壤层的平均坚实度主要在0～1 135.6 MPa，土壤层越深，坚实度越大。而土壤平均含水率15%，满足甘蔗机收作业条件。

3.2 甘蔗基本情况

甘蔗倒伏程度测定结果如表3所示。由表3可以看出，该试验地甘蔗平均不倒伏率、中等倒伏率和严重倒伏率分别为89.2%、8.83%和1.98%，总体状态为不倒伏，利于机收作业。

甘蔗基本参数测定结果如表4所示。由表4可以看出，试验甘蔗平均单根总质量1.932 kg，蔗茎质量1.568 kg，蔗茎长度2 173 mm，甘蔗直径32.71 mm，叶茎比23.86%。以1.2 m行距计算，预估该蔗区产量75.96 t/hm2。

3.3 作业性能指标测定结果分析

3.3.1测定结果

机收试验以3款收获机相继进行收获作业。4GQ-1C型甘蔗收获机以集蔗斗的方式集蔗，一次作业完毕后再将甘蔗段倾卸在帆布上；4GZQ-180型甘蔗收获机、4GZQ-260型甘蔗收获机以升运输送方式集蔗，作业过程中直接将收集的蔗段输送到帆布上。每组试验进行3次，手工分拣合格蔗段、蔗叶和其他杂质，根据甘蔗试验方法测定作业性能指标。作业过程如图2所示，作业性能指标测定结果如表5所示，性能指标对比如图3所示，各收获机3次作业数据如图4所示。

表5 作业性能指标结果Tab.5 Results of operation performance of sugarcane harvesters 单位：%

图2 甘蔗收获机田间收获作业Fig.2 Field harvesting of sugarcane harvesters

图3 收割机作业性能均值对比Fig.3 Comparison of operation performance of sugarcane harvesters

图4 甘蔗收获机3次作业性能数据对比Fig.4 Comparison of three operation performance data of sugarcane harvester

3款收获机在田间收获作业试验过程中，4GQ-1C型甘蔗收获机由于整体机型较小，在标准的1.2 m行距中作业，可以很顺畅地进行收获作业，分行效果好，对待收获区甘蔗基本不会发生机体与甘蔗的剐蹭，通过性好，可靠性高；由于采用集蔗斗收集蔗段，甘蔗段经过风机除杂后直接落入集蔗装置中，因此蔗段损失率较低；收获后蔗段合格率、含杂率等指标都较好。该机型配置合理、工作稳定，符合甘蔗收割机收获作业质量要求。

4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收获机由于采用升运输送集蔗方式，甘蔗段经过风机除杂后，通过升运刮板输送到帆布上，输送过程中难免有甘蔗段掉落地上，因此蔗段损失率均高于4GQ-1C型甘蔗收获机。此外，两款机器由于机型较大，在收获1.2 m单行甘蔗时，与待收获区甘蔗发生了一定程度的剐蹭，导致部分甘蔗倾斜或倒伏，影响到下一轮机收质量。因此，4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收获机更适合在较大行距或宽窄行蔗区进行收获作业。

3.3.2结果分析

从图3a可以看出，3款收获机的切割高度合格率都是100%，这与试验过程中采用入土切割的收获方式有重要联系。入土切割后的甘蔗宿根不仅仅表现在切段高度合格率高，而且由于入土切割，蔗垄上层土壤疏松，宿根蔗发芽率和发芽质量都能得到很好的保障。

从图3b可以看出，4GQ-1C、4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收获机作业的宿根破头率分别为3.87%、5.16%和7.45%，均满足宿根破头率低于10%的行业标准。结合图4b，4GQ-1C型的宿根破头率最低，其次是4GZQ-180型，这说明在1.2 m行距蔗地收获作业，小机型对宿根破坏程度更低。

从图3c可以看出，4GQ-1C、4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收获机收获的蔗段合格率分别为96.27%、94.00%和91.51%，均满足90%以上的设计标准。总体而言，4GQ-1C型的蔗段合格率表现更佳，但从图4c可以看出，3款机型的蔗段合格率都基本满足要求，都具有较好的蔗段质量。

从图3d可以看出，4GQ-1C、4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收获机收获甘蔗的含杂率分别是4.17%、6.24%和6.22%，均满足含杂率<8%的行业标准。从图4d可以看出，4GQ-1C型3次试验的含杂率均低于其他两款机型，而4GZQ-180和4GZQ-260型3次试验含杂率相差不大，说明小机型含杂率效果良好，中大型收获机除杂效果相当。

从图3e可以看出，4GQ-1C、4GZQ-180和4GZQ-260型甘蔗收获机收获甘蔗的总损失率分别为0.65%、1.81%和1.40%，均满足总损失率<5%的行业标准。从图4e可以看出，4GQ-1C型3次试验的总损失率均低于其他两款机型，说明在其他条件相同或相近的情况下，集蔗斗式甘蔗收获机在收获作业时损失较小。但是在实际作业过程中，损失率关联因素还包括转运车接收甘蔗，以及甘蔗转运车与集蔗大卡车之间接驳过程中甘蔗损失，还有倒伏、漏割和机手水平等多个方面。

4 结论

(1)4GQ-1C型甘蔗收获机采用97 kW级发动机、履带式行走系统和集蔗斗集蔗方式，机型小、作业灵活、适应性强，适合小地块、行距较窄、坡度较大和比较分散的蔗地机收作业。

(2)对比132、194 kW级甘蔗收获机，通过田间试验研究了4GQ-1C型甘蔗收获机对中小行距种植地块的适应性和可靠性。结果表明，4GQ-1C型甘蔗收获机的切割高度合格率、宿根破头率、蔗段合格率、含杂率和总损失率分别为100%、3.87%、96.27%、4.17%和0.65%，各项性能指标均满足设计要求和行业标准，并且相比较为成熟的大中型甘蔗收获机，该机在小行距蔗地作业时具有较好的收获质量，满足中小地块甘蔗收获需求。