我国甘蔗机械化收获技术发展综述

2022-08-25陈立创

南方农机 2022年16期

陈立创

（柳州职业技术学院，广西柳州 545000）

1 国内甘蔗收获机应用的概况

我国甘蔗种植面积约1 800万亩，位居世界第3位，但总体生产成本是巴西、美国、澳大利亚、泰国等世界其他主要甘蔗种植国家的3～5倍[1]，严重削弱了我国蔗糖在国际市场的竞争力，制约着我国制糖产业的发展。甘蔗生产过程的人工成本占到总成本的50%以上[2]，在农村劳动力短缺、劳动力成本持续大幅上涨的情况下，提高甘蔗生产综合机械化率是降低成本极为重要而且较为有效的路径之一。国内耕作环节、种植环节的机械化率分别达到95%和30%以上，但收获环节的机械化一直存在瓶颈，2020—2021年榨季的甘蔗机械化收获率不足12%，大大低于主要甘蔗种植国的甘蔗收获机械化水平。而收获环节的人工成本已经占到总人工成本的65%以上。可见，提高甘蔗生产综合机械化率的关键是提高甘蔗收获机械化率。

2 国内甘蔗收获机技术发展及其应用

按收获方式分，当前应用的甘蔗收获机械主要有分段式收获和联合式收获两种类型，联合式收获方式目前主要有切段式收获和整杆式收获两种形式。我国甘蔗收获技术的研究始于20世纪50年代，通过对国外技术的引进、吸收和创新开发，分别研制出割铺机、整杆卧式收获机和切段式收获机等[3-5]，特别是近十几年来，在国家政策支持、市场需求驱动和先进技术引领下，自主研发的甘蔗收获机逐渐成长为系列化、品牌化和国际化产品。

2.1 分段式甘蔗收获机械

广西农业机械研究院在20世纪70年代最先研制出具有实用性能的系列小型甘蔗割铺机和剥叶机。这种收获方式是对甘蔗的收获过程进行分阶段处理，首先将甘蔗从根部割倒，铺放在甘蔗垄的侧面，然后再利用人工或机械对割倒的甘蔗进行收集，运送到集中存放处，利用配套的切稍、脱叶机械对甘蔗进行除杂处理。根据运用条件，甘蔗割铺机可以做成侧置或前置的形式安装在拖拉机或其他动力机械上，也可以做成自带动力实现自行走对甘蔗进行切割。分段式收获模式比较适合应用在劳动力充足、甘蔗种植规模小、地块分散的区域。与人工收割相比，割铺机在收割效率上的优势是十分明显的。切稍、脱叶机械对于甘蔗的除杂、脱叶效果也十分理想。常见甘蔗割铺机的技术参数如表1所示。

表1 常见甘蔗割铺机的技术参数

2.2 联合式甘蔗收获机械

2.2.1 整杆卧式甘蔗收获机

整杆卧式甘蔗收获机能够对整根甘蔗进行切稍、根切、脱叶、卧式输送、收集等一体化作业，比起分段式收获模式，是一种巨大的技术进步，极大地解放了辅助生产力，减少了劳动力的投入，提高了收获效率。整杆卧式甘蔗收获机采用压辊往前倾倒甘蔗后进行切根，甘蔗头部先入辊输送，对于收获直立、单行密度小、长势好以及田间杂草少的甘蔗，有很好的效果。甘蔗在被压倒前应当先进行切稍和脱叶处理。常见整杆式卧式甘蔗收获机的技术参数如表2所示。

表2 常见整杆式卧式甘蔗收获机的技术参数

2.2.2 切段式甘蔗收获机

切段式甘蔗收获机是目前技术上最为成熟可靠的一种机型，在国内保有量占总量的93%以上。它的优点是装机功率大、行驶速度快、生产效率高，具有连续稳定地自动完成甘蔗的扶倒、切段、除杂、清选、装载等功能，非常适合应用在地块平坦开阔、甘蔗连片种植面积大、种植规范、单行密度大、产量高的场合，在示范性甘蔗种植区得到很好的应用，是当前能够规模化推广应用最广泛的机型。常见切段式甘蔗收获机的技术参数如表3所示。

表3 常见切段式甘蔗收获机的技术参数

3 国内甘蔗收获机推广应用的技术问题

我国甘蔗收获机难推广应用的局面已经持续很长时间了。农机购置补贴公示的数据显示，2019年国内甘蔗收获机销售仅361台，其中切段式收获机销售349台，2020年销售量提高到了708台，销售量维持在较低水平，实际使用率也比较低。

对于甘蔗收获机械化率低的原因，韦崇新[6]研究认为，农民个体购买意愿不高、农机推广站实际推广力度不够、国家相关政策落实力度不足等是主要因素；区颖刚[7]研究认为，地块小、生产组织难统筹，并且糖厂、蔗农、农机服务组织和政府的关系难协调，是甘蔗全程机械化发展迟缓的主要原因；覃宁等[8]研究认为，机收甘蔗损失大、糖厂制糖设备不配套、收获机械增加与作业面积不足、机收时间集中度不均衡是甘蔗收获机械化发展的主要矛盾；鲁化[9]研究认为，甘蔗种植生产经营模式、种植农艺不配套以及甘蔗种植区天气因素对于甘蔗收获机械的推广应用影响较大。客观上来说，我国南方甘蔗种植区域分散、地块小、种植地形复杂、土壤土质差异较大、山地丘陵面积占比高、基础设施差、冬季雨水多、甘蔗少量倒伏、种收过程管理不够细化等，以及产业链相关环节问题，诸如蔗农、农业合作社、采收服务公司、糖厂和机主的利益及诉求相异，是影响甘蔗收获机械化和集约化的重要因素。

甘蔗机械化收获是一个系统性工程，涉及地理、气候、甘蔗生长状态等要素和产业链的每一个环节，也涉及收获机械自身技术装备和运用的适应性、实用性、可靠性等[10]。

3.1 “割铺机+除叶机”分段收获模式总体效率低

“割铺机+除叶机”分段式甘蔗收获方式属于分散式工作模式，实际上是将甘蔗收获过程分为收割、转运、剥叶、除杂等多个衔接环节，造成工作流程拉长，时间维度延长，空间范围也拓宽了，在转运和除杂工序所需的辅助设备、劳动力数量与工作量也相对较大，辅助作业时间较长，总体生产成本也比较高。从实际情况来看，分段式甘蔗收获方式只是起到局部改善工作条件、减轻人工作业强度的作用，仍然没能够从根本上解决劳动力短缺和成本高的问题，不利于规模化投入甘蔗收获的生产应用。

3.2 整杆卧式甘蔗收获机应用可靠性亟待提高

整杆卧式甘蔗收获机在工作过程中，首先要将直立生长的甘蔗顺势压倒，然后整根切割送入输送通道，并在输送过程中完成脱叶和除杂。甘蔗按照切割顺序一根一根地前后衔接进入输送通道，一定程度上影响了收获效率。此外，在实际应用过程中，由于受到收获机自身输送通道结构和通过性的制约，以及残留甘蔗叶子缠绕的影响，倒伏、交错、弯曲、杂草混生，并且产量高、密度大、丛生的甘蔗在输送过程中容易出现折断、堵塞和卡死等情况，导致工作过程不稳定，故障率高，实用性不是十分理想，所以整杆卧式甘蔗收获机市场占有率一直不高。

3.3 切段式甘蔗收获机含杂率和总损失率偏高

农业农村部发布的农业机械推广鉴定大纲DG/T 117—2021《甘蔗收获机》对切段式甘蔗收获机在总损失率和含杂率两项重要指标中赋予了更宽松的参数约束。切段式甘蔗收获机械的总损失率和含杂率分别为7%和8%，与整杆式甘蔗收获机械相比，总损失率提高43%，含杂率提高25%。对切段式甘蔗收获机而言，依附在甘蔗鞘基的原生叶鞘和切除不干净的尾稍随切段的甘蔗一起进入落料装置，增高了含杂率。常态下规模化作业过程中，由于受到甘蔗长势、天气、地理条件和机手操作技能等诸多因素影响，切段式甘蔗收获机的总损失率和含杂率普遍在10%以上，导致甘蔗种植农户对其产生较大的抵触情绪。

切段式甘蔗收获机所切段的甘蔗长度为20 mm～40 mm，分段长度短，切面多，切面容易受雨水、泥尘、杂质等外来异物污染，也是含杂率高的一个来源。特别是下雨天，切段的甘蔗在周转过程中装卸、堆放，很容易混杂泥沙。切段的甘蔗超长时间存放时，其切面也容易滋生细菌、加速退糖等，影响出糖率。另外，切段的甘蔗在转运过程中容易夹带大量泥沙进入糖厂压榨流水线，甚至损害榨糖机，额外增加制糖成本。广西区内糖厂规模普遍不大，日均处理甘蔗压榨产量有限，甘蔗在收割24小时内必须进入压榨的工艺流程，对甘蔗收割方式影响大。如果为了满足切段甘蔗压榨需求对压榨槽进行改造，企业额外投资成本大，也不现实。

2020年11月，广西壮族自治区农业农村厅对在广西区内推广应用率高的中联重机、广西柳工、江苏沃得、洛阳辰汉等品牌切段式甘蔗收获机作业质量进行了抽样和入户调查，结果显示，其存在机械收获总损失率大、蔗茎掉落多、切根破头率高、操控性能不良等诸多问题。

4 甘蔗收获机技术突破的可行性分析

就国内糖蔗产业生态而言，要在根本上提高甘蔗的机收率，最可行的方式应该是从技术层面改进现有甘蔗收获机械的结构与性能，或者创新甘蔗收获机械的收获方式。综合分析来看，甘蔗整杆式采收将是最适合国情的一种机械收获方式。鉴于整杆卧式甘蔗收获机和“割铺机+除叶机”收获方式存在诸多局限性，近年来，一些高校、制造商另辟蹊径，研究开发了整杆立式甘蔗收获机。

4.1 整杆立式甘蔗收获机面临的技术难题及解决措施

整杆立式甘蔗收获机，顾名思义就是使甘蔗保持在直立状态下对甘蔗进行收获的机械。在这一过程中，需要设立不同的机械装置分别对甘蔗进行夹持、切割、脱叶、输送和落料，重点解决甘蔗生长状态非直立、甘蔗输送速度与收获机行进速度协调以及甘蔗在直立状态下脱叶除杂等诸多关键问题。

4.1.1 扶立倒伏的甘蔗

由于受到雨水、台风和生长过程管护等因素影响，我国南方地区种植的甘蔗存在一定的倒伏现象，其中大多数倒伏甘蔗往甘蔗垄的两侧呈现扩散性斜倒状态，也有一部分倒伏甘蔗往甘蔗垄纵向斜倒。对于往两侧倒伏的甘蔗，在甘蔗收获机前端两侧分别设置合理的扶蔗器就能将倒伏的甘蔗扶正。对于往甘蔗收获机前进方向逆向倒伏的甘蔗，由于输送通道在切割刀盘的正上方，倒伏的甘蔗在两侧扶蔗器和输送通道的共同作用下，整根甘蔗从尾部开始逐渐抬升也能被扶立起来。但是，对于顺着甘蔗收获机前进方向正向倒伏的甘蔗，如果不首先被扶起，由于其根部先接触刀盘，在甘蔗被切割后，就会顺势倒落在刀盘前方的地面上，阻碍刀盘对前方甘蔗的切割，或者妨碍刀盘的正常工作，甚至损坏刀盘。所以，如何科学扶立前方正向倒伏的甘蔗，是整杆立式甘蔗收获机首要解决的关键难题。

4.1.2 甘蔗的输送速度与机械的行驶速度之间保持协调

整杆立式甘蔗收获机需要确保随着甘蔗连续不断地进入输送通道的同时，还要对直立输送的甘蔗进行脱叶和除杂。如果甘蔗收获机输送甘蔗的速度与行进速度不协调，就有可能造成甘蔗在输送通道内拥堵，影响甘蔗脱叶效果，或者可能造成输送故障。例如，当收获机的行驶速度大于输送速度时，进入输送通道的甘蔗就会发生积聚挤压的现象；当丛生的甘蔗瞬间同时进入输送通道，就会形成堆积的现象；当倒伏的甘蔗进入输送通道，如果角度调整不完全直立，就会造成甘蔗呈现交错杂乱的现象。在这些情形下，有必要对甘蔗收获机的行驶速度和输送速度进行适时调整。当然，正常情况下，应使得甘蔗收获机的输送速度与行驶速度维持一致，同时也要保证当甘蔗收获机因故停止行驶时，输送装置仍然能够正常工作。

4.1.3 甘蔗在直立状态下可靠地脱叶和除杂

对直立状态下的甘蔗进行脱叶和除杂具有很大的挑战性。如果甘蔗单行排列，均匀分株生长，在直立进入甘蔗收获机输送通道时，可以按照原生次序有规律地往后输送，并且保证甘蔗在输送过程中彼此留有适当的空间，便于脱叶除杂装置进行梳理和除叶。但实际上，甘蔗种苗分蘖并不能单纯地强求单行均株分布，为了提高甘蔗产量，反而要适当提高密植度。同时，甘蔗的丛生和非直立状态的交错生长也不可避免。所以，为了提高甘蔗在输送过程中脱叶和除杂的可靠性，这就要求整杆立式甘蔗收获机具备对进入输送通道前的甘蔗进行预切稍、脱叶、拨散、分离或分流的功能。

4.1.4 合理提高甘蔗的收获效率

甘蔗的收获效率与甘蔗的输送通道容量、输送速度有关，但是，如果片面追求提高甘蔗的输送容量和输送速度，反而会降低甘蔗的净叶率和净杂率。也就是说，提高整杆立式甘蔗收获机的甘蔗收获效率，其前提是必须保证甘蔗能够得到可靠地脱叶和除杂，尽量降低含杂率。在此条件下，提高甘蔗收获效率的措施包括布设双输送通道或多输送通道，适当延长输送通道的长度及提高输送速度等。

4.2 整杆立式甘蔗收获机的优势

4.2.1 整杆收获可以提高甘蔗从收获到压榨过程的总体经济效益

对甘蔗采用整杆收获，一方面，可以有效保持甘蔗新鲜度，延长甘蔗的停放、贮存时间，降低甘蔗染菌霉变的风险，减少甘蔗水分和糖分流失的程度，提高甘蔗压榨的出糖率；另一方面，也可以提高甘蔗码放、捆扎的密实度，提高甘蔗转运、装车效率，减少甘蔗在中途停放或转运过程受雨水、泥沙、灰尘等的污染，避免甘蔗黏附过多的杂质，提高甘蔗收获机全天候作业的能力；再者，实现甘蔗收获与甘蔗转运分离，可以将满装的甘蔗从收获机械上卸落下来暂时堆放在田间，再由专门的车辆转运至糖厂，这样做既保证甘蔗收获机能够自主地连续顺畅作业，又使得甘蔗运输车辆独立专注于转运，从而减少甘蔗运输车辆的配套数量。

4.2.2 立式输送能够减少甘蔗在运动过程中发生拥堵的情况

甘蔗收获机的甘蔗输送通道是连贯、同步的，在甘蔗输送速度与甘蔗收获机作业速度协调一致的情况下，甘蔗在被扶立、分离之后以直立的状态有序、单根地进入输送通道，并且在直立输送过程中彼此之间保持相对隔离的位置关系，基本上不会发生甘蔗交错、挤压的情况，所以甘蔗拥堵的概率极小。对于大面积倒伏或弯曲严重的甘蔗，在甘蔗收获机作业时会有一定的影响，需要适时调整甘蔗收获机的作业速度。

4.2.3 在输送过程中剥叶可以进一步降低甘蔗含杂率

分别在甘蔗输送通道沿线不同的高度位置、不同的角度位置布设多个分级的剥叶装置，对输送的甘蔗在全长范围内进行有效剥叶，将剥离的甘蔗叶子通过专门的导叶槽往外引，就能够将甘蔗叶子清除得比较干净。由于甘蔗在进入甘蔗收获机输送通道之前，已经切除了尾稍，如果在甘蔗收获机前端增加一个剥叶装置，那么就可以减轻输送通道剥叶的负担，从而提高甘蔗收获机的除杂率。