南方丘陵地区烟叶机械化收获研究现状及对策研究

2023-07-12谭绍辉孙超然李军政肖名涛艾文可刘昊源

南方农机 2023年14期

谭绍辉，孙超然，李军政，肖名涛，艾文可，刘昊源，邓佳

（湖南农业大学机电工程学院，湖南长沙 410428）

烟叶生产机械化主要分为旋耕起垄、育苗、移栽、中耕培土、采收以及烘烤。近年来，我国烟叶生产机械化工作取得长足进步，除采收过程外，其他生产过程均可实现机械化作业[1]，但部分机型存在故障率高、使用成本高等问题，与烟农对机械化的迫切需要相比尚有一定差距。目前来看，烟叶机械化生产的各个环节均有较大提升空间，尤其是收获环节。南方丘陵地区是我国烟草的主要种植区域[2]，地势起伏不平，不利于机械化作业，烟叶采收环节主要依靠人工完成，采收效率低、劳动强度大，阻碍了烟草产业的发展。因此，在丘陵地区发展和提高烟叶机械化收获水平，能够提高采收效率，降低烟农的劳动强度，增加烟农的收入[3]，对推进烟草产业的现代化发展具有重要的意义。

1 烟叶收获农艺

2 烟叶收获现状

目前烟叶收获主要依靠人工完成，收获时期正值酷暑，作业环境恶劣。日出以后烟叶会变韧，为了保证烟叶品质，烟农是凌晨作业，劳动强度大。一名烟农采收一亩烟叶需花费4 h~5 h，收获效率低[6]。近年来，高校科研院所试制了多款不同的烟叶收获机尝试机械化作业，但是多数烟叶收获机仍然存在易损伤烟叶、适应性差等问题，未能有效提升烟叶收获效率，烟农接受度较低，烟叶收获机械一直没能得到广泛推广应用[7]。

3 国内外烟叶收获机械研究现状

烟叶收获是指将叶片从其主动脉与烟茎相连处断开完成采摘，然后集中运往烤房进行烘烤。人工采摘主要是利用大拇指在烟叶主动脉与烟茎相连处施加下压力，使烟叶与茎秆分离，达到采摘的目的。烟叶成熟度和完整度是影响烟叶质量的主要因素，保证烘烤质量的前提是收获成熟且完整的烟叶[4-5]，由于烟叶的成熟速度不一致，一般为从下至上逐渐成熟，导致在收获时需要根据其成熟时间的不同进行多层分批采收，收获农艺复杂、烦琐。

国外烟叶收获机械研究起步较早，发展至今已经形成一套较为完整的机械化、智能化烟草生产体系，实现了烟叶的全自动机械化收获，极大地提高了采收效率。我国针对烟叶机械化采收的研究起步较晚，而且烘烤工艺复杂，制约着前端采收环节的机械化程度。目前，几乎没有机型能够应用在实际的作业过程中，采收工作仍然需要人工完成。近年来，随着农业机械化进程的不断推进，我国也开始重视烟叶收获装备的研发，高校、科研院所和企业先后试制了多种不同型号的烟叶收获机进行试验。

国内外在烟叶机械化装备研究过程中，针对不同农艺和使用场景制造了多种不同的机型，根据作业过程是否需要人工协助采摘，可分为半自动烟叶收获机和全自动烟叶收获机；根据采摘及烘烤方式的不同，可分为叶片采收机和带茎采收机。

3.1 国外烟叶收获机械研究现状

美国、意大利等国家根据不同种植农艺要求，研制了多款高性能全自动叶片采收机，具有代表性的如美国MarCo 公司研制的6360 型烟叶采收机、意大利DeCloet 公司研制的2TTH 型采收机以及SPAPPERI公司生产的RA632 等型号采收机[7]，这些机型均搭载高功率的约翰迪尔发动机，采用三轮全液压驱动技术，自动化程度高，可同时跨两垄作业，采收效率高，如图1 所示。这些机型均属于叶片采收机，采用“机械拍打式”采摘方式，利用电机驱动两侧的异形采摘刀，使其高速旋转，对作业范围内的烟叶从茎秆上拍下完成采摘。但是这些机型都较为庞大，田间转向和掉头比较困难，并且“机械拍打式”采摘方式对烟叶的损伤较大，该机型在我国不适用。

图1 全自动自走式烟叶采收机

法国KIRPY公司设计制造的RMTD自动装载式烟草收获机[7]，如图2所示，其特点是对烟草进行整秆带茎收获，属于全自动带茎采收机。作业过程中，底盘和采收机具前进方向与烟叶茎秆方向垂直，在靠近地面的根茎位置时，切割刀把烟叶茎秆切断，通过夹持装置将切下的烟株垂直向后输送至运输车上完成收获，无需人工干预，作业速度可达1 800杆/h~2 500杆/h，作业效率高，但作业过程中需要一台装载车同步完成，增加了劳动力和使用成本。

图2 法国RMTD自动装载式烟草收获机

法国SOMAREF 公司研制的M20 带框架的自动烟草收获机[7]，如图3 所示，该机型与KIRPY 公司设计制造RMTD 型相似，属于全自动带茎采收机。在作业过程中，割刀在茎秆底部把整株烟割断，再通过机器上的夹持装置夹住烟株将其运输到后方的框架上，收获机一次可以装7 个收纳框架，每框约可收纳450 株烟，当烟框集满后可直接放在田上晾晒，降低了劳动力和成本，田间最高行驶速度可达9.5 km/h，作业效率极高。

图3 法国M20自动烟草收获机

带茎收获方式的效率非常高，可以较好地保证烟叶的完整度，便于运输和整理，但是由于烟叶的成熟过程并不是一次性完成的，所以带茎采收无法保证采下的烟叶成熟度一致，对烟叶的烘烤质量会有一定的影响。目前，我国带茎烘烤技术还不太成熟，未能在实际生产中使用，所以这类机型无法在国内得到推广应用。

3.2 我国烟叶收获机械研究现状

山东五征集团有限公司研制的五征4TZ-3烟叶采收机，如图4 所示，该机为半自动烟叶采收机，具有高地隙作业特性，满足三垄同时采收，整机采用液压驱动，具有道路和田间两种行驶模式；作业过程中，采收人员乘坐在下方的座椅上，采摘方式仍然需要人工完成，采下的烟叶可集中收纳在上方的平台上，便于运输，烟叶收获效率有一定程度的提升，但是效果不明显，烟农对其接受度差。

图4 五征4TZ-3烟叶采收机

河南农业大学朱晨辉等[8]研制的履带式全自动烟叶采收机，如图5 所示，采用双泵-双定量马达液压驱动，解决了履带式烟叶采收机在丘陵地区作业时因路面不平造成的行走不稳问题，转弯半径＜3 m，在一定程度上解决了国外大型设备难以适应我国烟田的困扰。由于采收方式仍然使用“机械拍打式”对叶片进行收获，未能解决对烟叶的损伤问题，推广应用难度较大。

图5 履带式烟叶采收机

河南农业大学王秀山、李智广等[9-10]提出利用机器视觉原理研制出仿生机器采摘手，该仿生机器手可以模拟人手进行采摘烟叶，作业时摄像头对目标烟叶进行识别，同时机械采摘手对烟株茎秆进行夹取，随后通过采摘手的向下运动完成对烟叶的采摘。这种收获方式极大地降低了对烟叶的损伤，保证了烟叶的品质，对烟叶收获智能化发展有一定的参考价值，但是该仿生机器采摘手的采摘效率偏低，无法满足烟农需求。

4 存在的问题

4.1 农机与农艺不融合

南方丘陵地区，烟草种植多数采用“烟稻轮作”方式，烟稻轮作可以有效改善土壤生态，减少病虫害，但因水稻种植需要保水，田埂无法去除，田块较小，形状不一，不利于机械化作业。目前市面上大型的烟叶收获机庞大的机身导致其转弯半径过大，无法在田间转弯、掉头，作业过程容易损伤烟叶，烟民接受度不高。农机与农艺不融合，严重阻碍了烟叶收获机械化的发展。

4.2 采收烘工艺要求严格

烟叶烘烤工艺要求采收的烟叶完整有序，收获烟叶质量的好坏会直接影响到烤烟的品质。目前市面上主流的烟叶收获机大多数采用“机械拍打式”的采摘方式，尽管在旋转叶片材料上做了很多研究，使用柔性材料尽可能降低破损率，但是效果并不理想，破损率仍然较高[11]，烟农无法接受。带茎采摘可以保证烟叶的完整度，但是无法保证采摘烟叶的成熟度，目前带茎烘烤技术还不太成熟，带茎采摘难以推广使用。烟草收获及烘烤农艺的复杂性，加大了烟叶收获机的研制难度。

4.3 标准不统一，适应难度大

烟草在我国南北各省区均有广泛种植，目前我国共有24 个省区市进行烟叶的种植与生产，已经形成了六大烟草主要生产区域。我国疆域范围广阔，地形复杂多样，地势高低起伏，气候差异较大，导致各个烟区种植的品种不同，种植及采收的农艺也不同，未能形成一个较为统一的标准，对烟叶收获机的适应性造成巨大的挑战。对于南方丘陵地区，此问题尤为突出。

4.4 缺乏技术创新

近年来，高校科研院所在烟叶采收机械的研制上开展了大量科研攻关，推出了多款样机，但是多数沿用了国外发达国家的技术路线，缺乏创新，并不能满足我国烟草种植的农艺要求。例如，动力机械多，配套机械少，生产上缺少与烤烟生产相配套的揭膜、中耕、叶片采收、编烟等环节的实用机械。另外，小型拖拉机多，大型拖拉机少；小型农机具多，大中型综合性能的农机具跟不上生产发展需要。

5 建议和对策

5.1 农机农艺融合发展

要以农机农艺融合为突破口，推进农艺技术集成、作业场景重构、区域标准统一，为烟叶机械化收获提供基础。促进农机与农艺融合发展，构建宜机化标准体系，通过农艺的标准化，加强烟草机械化收获技术的标准化和规范化，提高烟叶收获机械化水平。

5.2 加大技术创新力度

加大技术创新力度是推进烟叶机械化收获的重要途径。需要加强烟叶机械化收获技术的创新，提高装备的先进性和适应性。我国烟草种植环境复杂、采收条件苛刻，对烟叶收获装备的要求高，高校、科研院所和企业要加强合作和技术创新，在学习国外先进技术的同时，要始终结合我国烟草生产农艺，因地制宜，研发适合我国丘陵地区的烟草收获机，提高烟叶收获机的先进性和适应性。

5.3 完善农机配套设施

加强农机配套设施建设是推进烟叶机械化收获的重要保障。要改善农机作业配套设施条件，积极推进农机报废更新，加快淘汰老旧农机装备，提高农机作业便利程度，按照高标准农田建设、农村土地综合整治和农田“宜机化”要求，改善农机通行和作业条件，提高农机适应性和安全性，加快补齐农业机械化基础条件的短板，为烟叶收获机械的使用提供便捷的作业环境。