烟草打顶机的研究现状与发展思路

贾瑞昌，何振峰，张亦伦，黄进杰，张镜权，刘晓霞，赵伟伟，杨　洲※

（1.华南农业大学工程学院，广州　510642；2.广东省烟草南雄科学研究所，南雄　512400）

烟草打顶机的研究现状与发展思路

贾瑞昌1，何振峰2，张亦伦1，黄进杰1，张镜权1，刘晓霞1，赵伟伟1，杨洲1※

（1.华南农业大学工程学院，广州510642；2.广东省烟草南雄科学研究所，南雄512400）

烟草打顶抑芽的机械化作业能实现节本增效，解决劳动力不足的难题。文中介绍了国内外烟草打顶机的现状和研究进展，分析了现有烟草打顶机的结构、工作原理和性能特点，阐述了烟草打顶机存在的问题，指出烟草打顶机械化作业是大势所趋，总结了烟草打顶机总体的发展正朝着联合作业机械化、智能化和精准化方向发展，并就打顶机机型的研发、作业方式和种植经营模式等给出了发展建议。

打顶机，烟草，现状，发展

0　引言

烟草打顶可以去掉植株的顶端生长点和顶芽的分生组织，消除顶端生长优势；抹杈作业可实现消毒剂和抑芽药剂的涂抹，抑制生长素分泌，有利于崔进烟叶的生长和发育。烟草移栽约60 d时开始现蕾，花蕾出现后，要从叶片中吸收大量养料供花、果和种子生长发育，如不及时打顶，会使植株叶片变小、叶发黄、叶薄味淡，产量和烟质下降［1］；郭丽琢等［2］的研究更加表明烟草打顶的重要性，打顶消除了顶端对有机物质及钾元素的强烈竞争，还提高了根对同化产物的竞争能力，因而根系发达，烟叶产量及其含钾元素量显著增加。因此，打顶、抹杈是烟草高产优质的一项重要技术措施，是一项时间性、针对性和技术性很强的技术措施，要求操作者具有较丰富的生产经验和明确的生产目的［3］。王关安［4］指出及时规范科学打顶，一般烟田都要分2～3次打顶。人工打顶费时费力，严重影响了烟农种烟的积极性。为降低烟叶生产成本，增加烟农收入，研究烟草打顶机械，推进打顶作业机械化进程迫在眉睫。

图1　意大利JS-120打顶机Fig.1 Italy JS-120 topping machine

1　烟草打顶机械化技术水平现状

1.1发达国家烟草打顶机械化水平现状

由于劳动力费用的增加和科学技术水平的提高，以美国为首的西方发达国家率先对烟叶生产机械化进行了研究，在20世纪60年代基本实现了全程机械化，主要研制和应用大型装备，且向多能、高速、宽幅、精准和机电液一体化方向发展［5］。发达国家的烟草机械化程度高（图1），普及率高，多功能，适应性好，生产效率高。

1.2国内烟草打顶机械化水平现状

我国烟草打顶工作基本由人工完成（工作效率为0.133 hm2/h）（图2），烟草打顶后的抹杈、抑芽剂喷施也全部由人工逐步完成（工作效率仅为0.033 hm2/h），而喷施抑芽剂必须在烟叶打顶当天完成，目前尚不能实现边打顶边施药［6］。生产中烟草打顶抑芽所用的工具是手工操作的打顶刀［7］和抑芽剂涂抹器，并且凭经验决定打顶的高度。人工打顶劳动强度大，作业人员经常接触有严重伤害的化学药剂，影响人体健康。

图2　湖北龙凤烟叶打顶抹杈作业Fig.2 Tobacco topping in Hubei Longfeng

2　烟草打顶机研究现状

2.1国外研究现状

1972年，美国专利3683603公开了Elwood Lee Smith发明的安装在拖拉机的烟草打顶机械［8］，包括安装在机架上的一个旋转切割机。环状喂入器引导烟草茎秆到旋转切刀上，然后进行烟草打顶工作的。

1972年，美国专利3695013公开了Walter Cecil等发明的带有一个利用风机提供空气流和一把倾斜旋转的刀片的烟草打顶机［9］（图3）。风机提供的空气流作用是将顶端的烟草叶向下弯折，使需要打顶的烟芽得以暴露。

1972年，美国专利3701240公开了DavidF. Wise等发明的一套的烟草打顶装置［10］，安装在拖拉机或者其它可移动机构上，通过引导件引导烟草茎秆到一个旋转锯刀上进行打顶，经传送带进行抓取到烟行的一侧。这样的设计避免了打顶之后的烟芽落到其它的烟草上，造成病菌感染。

图3　WalterCecil发明的烟草打顶机Fig.3 Tobacco topping machine invented by Walter Cecil

1976年，美国专利4047366公开了John Balthes等发明的前端有一个V型岔口和末槽连接到一个狭槽的烟草打顶机［11］。这种V型岔口使得烟草植株被集中于狭槽内，然后进行旋转割刀的打顶工作。切下后的烟芽被引导至卸料口，从而堆积于烟垄之间。

1999年，美国专利5987862公开了 Raymond C.Long等发明的一种能同时进行打顶和喷施抑芽剂作业的烟草打顶机［12］。该机利用红外传感技术和机器视觉技术实现烟草顶茬的自动识别定位，可以实现烟草机械打顶、消毒、抑芽和烟芽自动收集的机械化联合作业。采用液压驱动，包含一个位于切割器顶部的鼓风机和防护罩。鼓风机向下吹气流，便于切割器进行打顶；防护罩中通过一对相互分离的旋转带，将烟草引导穿过防护罩。在切割器切割烟草时，线路装置会驱使喷管喷洒抑芽剂。

2002年，美国专利6446420公开了Thomas B. Burch和Arch Douglas Worsham发明的一种能同时进行烟草打顶和抑芽作业的烟草打顶机［13］。该烟草打顶机将抑芽剂通过相关的路线达到刀片下表面，保证刀片工作时始终处于被抑芽剂湿润环境中。在刀片进行打顶高速旋转工作的同时，动力系统也会喷洒出足量的抑芽剂，从而使得打顶抑芽同时完成。

2.2国内研究现状

我国烟草机械打顶起步较晚，烟草打顶机的研究较少。随着科技投入的不断增加，近年来也取得了一定的进展。

2009年，山东农业大学成功研制了3YD-1型烟草打顶机，实现了烟草的机械打顶［14］。工作时动力输出轴通过带传动和齿轮传动驱动刀片旋转，V形导向板引导烟草至切割器，烟草叶片被隔离在防护板下方，避免在打顶过程中对烟叶造成损害。切下的烟草花部通过烟芽输送管放置到收集框。该打顶机对烟草高度仿形差，也没有抑芽剂喷洒装置［15］。

2010年，耿爱军等［15］开发了3YDX-3型烟草打顶抑芽机（图4）。它可以同时打顶3行，由2ZYLJ-1型多功能作业机、整体机架、滑动支架、吹风系统、烟草高度识别系统、打顶系统、抑芽剂喷施系统、刀片消毒装置等组成，能够同时完成烟草打顶、抑芽剂喷施和刀片消毒3项作业。吹风系统是一台风机，分别由管道将气流送至3个风机出风口；烟草高度识别系统由多组红外管组成，发射管和接收管交错排列；打顶系统由打顶装置和升降装置组成；刀片消毒装置由消毒液喷头、消毒液药箱、管道组成［16］。打顶时，刀片消毒液持续滴到旋转的刀片上，保证刀片始终处于消毒液湿润的状态，防止烟草病菌通过打顶的过程传播。该机实现了烟草高度的精确识别、准确打顶和对靶施药。

2011年，张勇等发明了一种简易的烟草打顶机［17］（图5）。整个结构设计采用常规动力机械，由行走装置、动力传动装置，旋刀装置和空气变压装置四部分组成。该设计对柴油机车进行简易改装，实现烟叶机械化打顶，设计了旋刀打顶装置，将烟株顶部叶片下压，突出烟株顶部花絮，使旋刀将花絮切下，并通过空气变压装置抽进烟叶回收筐进行回收，带出烟田之外集中处理。整个机械操作简单，结构合理，特别适合小面积种植用户使用，便于广泛推广使用。

图4　3YDX-3烟草打顶机Fig.4 3YDX-3 tobacco topping machine

图5　张勇发明的简易型烟草打顶机Fig.5 Simple type tobacco topping machine invented by Zhang Yong

2014年，党晓辉等研发了直线式［18］（图6）和摆式［19］（图7）两种烟草打顶抑芽装置。直线式和摆式两种烟草打顶抑芽装置都包括壳体、导向板、锯齿刀片、风机、喷药机构、管道、输送机构、升降机构等，采用直流电机作为动力。这2种打顶抑芽装置的导向板都有2个，采用质量最轻的环形设计，中间设有V型间隙；锯齿刀片固定在底板上，对聚拢在V型间隙的烟叶进行打顶；风机提供的空气流将需要打顶的烟芽得以暴露；管道与喷药头相连，管道上设有电磁阀，感应器将感应到的信号送入至控制单元，控制单元将控制信号输出至相连的电磁阀，控制电磁阀打开或关闭；输送机构包括输送带、输送滚筒和输送电机，将切断的烟芽统一收集起来；升降机构调整到可以悬挂一个或者多个烟草打顶抑芽装置，且可用于其它需要打顶抑芽的农作物，例如亚麻。这2种设计最大的区别在于喷药头感应到打顶之后，前者是成直线进行喷药，后者固定在转轴上，成摆钟式进行喷药。

图6　党晓辉发明的直线式烟草打顶抑芽装置Fig.6 Line type tobacco topping device invented by Dang Xiaohui

图7　党晓辉发明的摆式烟草打顶抑芽装置Fig.7 Tilting tobacco topping device invented by Dang Xiaohui

2015年，赵凯等发明一种烟草打顶机［20］（图8）通过手扶拖拉机来控制行走，电机通过电瓶提供电源，来带动旋转刀片旋转，对两侧的烟叶进行旋切打顶，通过液压油缸的升降，旋转刀片调整到合适的高度。该种烟草打顶机结构简单实用，体积小，易于操作，打顶机的旋转刀片的高度可通过液压油缸进行调整，方便控制。

图8　赵凯发明的新型烟草打顶机Fig.8 New tobacco topping machine invented by Zhao Kai

2015年，王俊等发明的一种烟草打顶机［21］（图9）。整个机构设计采用手持操作，无需额外动力，由剪切部件、定量喷施部件、传动部件和手柄组成。剪切部件是呈“V”型的剪刀；定量喷施部件包括定量液室、密封垫、阀座、微型减压阀、输液管道和限位密封盖，限位密封盖调节定量液室的容积，定量液室的一端与外接储液装置连接，另一端与剪刀头连通；传动部件包括钢片弹簧、螺旋弹簧、铰链、滑杆和支撑杆；手柄为圆管，一端和剪切部件铰接，另一端通过螺纹连接限位密封盖。该结构不仅降低烟叶生产的人工成本，而且对剪除的烟株残体进行收集，降低烟株感病几率，同时可以实现烟叶打顶和抑芽剂定量喷施同步进行。

与烟草打顶相似的棉花打顶机，技术上相对较成熟，近年来也有一定的研究进展。2003年，胡斌等研制了3MD-12型棉花打顶机［22］，采用半悬挂方式，可挂接在拖拉机的后悬架上。2006年，胡斌等又研制了3MDY-12型前悬挂液压驱动式棉花打顶机［23］，较好地解决了原3MD-12型棉花打顶机中驾驶员不能根据前方棉株的长势适时调节打顶高度和拖拉机底盘下两行打顶不彻底等问题；唐军对该机进行了田间试验性能研究［24］；赵玲进行了棉花机械打顶和人工打顶的对比试验［25］；2007年，韩辉对棉花机械与人工打顶做了进一步对比试验［26］；2010年，周海燕等设计了3WDZ-6型自走式棉花打顶机［27］，该机采用机电和液压技术一体化，集成了自走式高地隙底盘、施药系统、打顶仿形、扶禾器、打顶执行装置形成高地隙自走式棉花打顶机。

图9　王俊发明的烟草打顶机Fig.9 Tobacco topping machine invented by Wang Jun

3　发展存在的主要问题和建议

3.1存在的主要问题

目前使用的烟草打顶机现普遍主要存在以下几点问题：一是在进行打顶作业过程中，刀具安装的高度固定，容易造成长得高的烟草过度切顶、长得矮的烟草打不着顶的现象；二是很多烟草打顶机的作业未能实现切断部位的消毒和抑芽；三是烟草打顶机对工作环境的适应性比较差；四是烟草打顶作业后，打顶下来的烟芽未能得到很好的处理。

3.2发展趋势

烟草打顶机发展有以下几方面的趋势：一是朝着打顶、消毒、抑芽和烟芽收集的机械化联合作业的方向发展；二是朝着烟草植株高度自动识别、个体仿形、割台自动升降、顶茬自动识别定位和抑芽剂自动定位喷施的智能化、精准化全自动化作业的方向发展；三是朝着适应工作环境多样化作业的方向发展；四是朝着打顶作业环保节能的方向发展。

3.3发展建议

根据我国的实际作业情况，针对烟草田间人工打顶作业困难的现状，借鉴国外烟草打顶机经验，吸收发达国家的烟草打顶机的理念，进而设计出适应我国烟草业发展的烟草打顶机。应着重做好以下几点：

3.3.1发展多样式的烟草打顶机

我国国土面积广大，跨越多个温度带，在不同的地区，不同地形和不同类型的烟田，其烟田差异较大。在种烟面积大的东北烟区，需要生产效率较高的大型烟草打顶机械；而以分散种植为主、每户的种烟面积不大的西南烟区，需要价格较低，轻便灵活的小型打顶机，适应于山地的生产。所以应当区别对待烟草打顶，发展多样式的烟草打顶机。

3.3.2发展智能化、精准化和全自动化的烟草打顶机

目前的烟草打顶机容易出现打顶过度或者打不着顶的问题，烟草打顶机需具备烟草植株高度自动识别、个体仿形、割台自动升降、顶茬自动识别定位和抑芽剂自动定位喷施等智能化、精准化全自动化作业的功能。

3.3.3烟芽的无害化处理

烟芽携带病菌，落下的烟芽可能对烟田造成污染，破坏土壤生态系统的平衡，引起土壤质量下降的现象，所以我们需对打顶下来的烟芽进行处理，防止落入田间，集中收集后进行无害化处理。

3.3.4加强烟田的基础设施建设

重视较大面积连片烟田改造，在经营模式上扶植种烟大户，努力实现烟草的适度规模化种植，发挥打顶机等农机作业的高效率、低成本的优势，提高烟叶生产中的农机作业比重，增加烟农的收入。

4　结论

我国的烟草打顶机目前大多数还处在研发阶段，在适应性、可靠性等技术方面有待进一步的成熟和完善，机械打顶的成本相对较高，和用户期待的价格低廉、结构简单和易于操作的机型还有较大差距，做到这些烟草打顶机才能得到全面的推广。

推广烟草机械化打顶，能提高烟草机械化打顶的规模化和高效田间管理能力，进一步提高烟叶生产的整体质量和生产效率，促进烟草业的良性发展，同时可有效缓解城市化过程中农村劳动人口不断减少带来的压力，提升我国烟草业在国际上的竞争力。

［1］周伯瑜，黄美槐.烟草打顶及应注意事项［J］.专业户，1996（6）：19.

［2］郭丽琢，张福锁，李春俭.打顶对烟草生长、钾素吸收及其分配的影响［J］.应用生态学报，2002 （7）：819-822.

［3］林中麟，石健林，周益.烟草打顶研究进展［J］.江西农业学报，2009（6）：32-36.

［4］王关安.规范打顶科学抑芽［J］.农家参谋，2004 （5）：9.

［5］宋涛，张晓辉，马敏，等.烟草打顶机械化技术及应用现状［J］.农机化研究，2010（6）：233-236.

［6］耿爱军.智能烟草打顶机械关键技术研究［D］.泰安：山东农业大学，2011.

［7］梁恒禄，赵兴，陈江华，等.中国烟叶生产机械化现状和发展前景［J］.农机化研究，1997（4）：2-5.

［8］Elwood Lee Smith.Device for topping tobacco plants：United States，US3683603［P］.1972-08-15.

［9］Walter Cecil Hammond Tifton Ga.Apparatus for topping stalk type plants：United States，US3695013 ［P］.1972-10-3.

［10］David F Wise R.B.Tyndall Donald.Tobacco topping apparatus：United States，US3701240［P］. 1972-10-31.

［11］JohnBalthesGarryBalthesWilliamPalmer. Tobaccotoppingapparatus： UnitedStates，US4047366［P］.1976-05-07.

［12］Raymond C Long Heinz Seltmann R.Wayne. Apparatus and method for simultaneously toppingandapplyingaprecisionapplicationof sucker control chemicals to tobacco and other rowcrop：UnitedStates，US5987862［P］. 1999-11-23.

［13］ThomasBBurchArchDouglasWorsham. Method and apparatus for simultaneously toppingtobaccoandcontrollingsuckerswith chemicals applied to cut stems by mechanical：United States，US6446420［P］.2002-09-10.

［14］马敏.基于ATmega128的烟草智能打顶机控制系统设计［D］.泰安：山东农业大学，2011.

［15］耿爱军，张晓辉，苗乃树，等.3YDX-3型烟草打顶抑芽机设计［J］.农业工程学报，2010（07）：96-101.

［16］张晓辉，耿爱军，马敏，等.智能烟草打顶抑芽机：200910018388.7［P］.2010-3-17.

［17］张勇，侯连珠，赵凯.一种新型的简易烟叶打顶机：CN201110202639.4［P］.2012-03-28.

［18］党晓辉，马海东，卢俊，等.直线式烟草打顶抑芽装置：201420463986.1［P］.2014-12-31.

［19］党晓辉，马海东，卢俊，等.摆式烟草打顶抑芽装置：201420464454.X［P］.2014-12-31.

［20］赵凯，薛欣，程亮.一种烟叶打顶机：201520163765.7［P］.2015-07-29.

［21］王俊，许多宽，李勇，等.一步式烟草打顶和抑芽剂定量喷施装置：201520193611.2［P］. 2015-08-05.

［22］胡斌，罗昕，毕新胜，等.3MD-12型棉花打顶机的研究设计［J］.农机化研究，2003（1）：88-89.

［23］胡斌，罗昕，李明志，等.3MDY-12型前悬挂液压驱动式棉花打顶机［J］.新疆农机化， 2006 （2）：26-27.

［24］唐军，罗昕，胡斌，等.3MDZK-12型单行仿形棉花打顶机的结构设计与性能试验研究［J］.石河子大学学报（自然科学版），2008（4）：511-514.

［25］赵玲.棉花机械打顶和人工打顶对比试验［J］.农村科技，2007（7）：10.

［26］韩辉.棉花机械与人工打顶对比试验［J］.安徽农学通报，2007，13（5）：179.

［27］周海燕，尹素珍，朱立成，等.3WDZ-6型自走式棉花打顶机设计［J］.农业机械学报，2010 （S1）：86-89.

The Status and Progress of Tobacco Topping Machine

Jia Ruichang1，He Zhenfeng2，Zhang Yilun1，Huang Jinjie1，Zhang Jingquan1，Liu Xiaoxia1，Zhao Weiwei1，Yang Zhou1※
（1.College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China 2.Nanxiong Tobacco Science Institute of Guangdong，Nanxiong 512400，China）

Mechanized topping suckercides in tobacco could increase efficiency and cut cost，which would solve the lack of labor.This paper introduced the research status and progress of tobacco topping machine in China and foreign.The mechanical structure，working principle and performance character of the machines were analyzed.Main difficulties and development trends of topping suckercides mechanization were summarized.Focus on this area should be combine，intelligent and precise working.Also some proposals on machine develop，working condition and production mode were discussed.

topping machine，tobacco，status，development

广东省烟草专卖局（公司）科技项目（201408），华南农业大学大学生创新创业训练计划项目（201610564030）

贾瑞昌，男，讲师，博士研究生，研究方向：经济作物生产机械化。Email：rcjia@scau.edu.cn

杨洲，男，教授，研究方向：经济作物生产机械化。Email：yangzhou@scau.edu.cn