国内外甘蔗收获机械化发展概况与前景

2021-01-19樊秋菊黄清玲吴合槟周嘉铖

甘蔗糖业 2020年6期

樊秋菊，黄清玲，吴合槟，周嘉铖，谢聪，武涛

(华南农业大学，广东广州510642)

0 引言

甘蔗是一种重要的经济作物，是最主要的糖料作物，全世界有90多个国家在种植甘蔗[1]，全球甘蔗种植面积共2200万hm2左右，主要的甘蔗生产国有：巴西、印度、中国、泰国、美国、澳大利亚等[2-3]。2019年，我国甘蔗种植面积约153.33万hm2，位居世界第3位[4]。

20世纪 60年代，澳大利亚、美国就已完全实现甘蔗种、管、收全程机械化作业[5]。目前，我国甘蔗生产还没有实现全面的机械化，其中甘蔗收获机械化进展最为缓慢，2011/12年和2017/18年榨季我国甘蔗收获机械化水平分别为 0.07%和 1.42%[6]，6年时间仅提高了1.35%。

我国从20世纪70年代开始研制甘蔗收割机，机型主要为切段式和整秆式甘蔗收割机[7]，以仿照国外技术为主，并沿用传统的设计方法进行开发。以凯斯(CASE)和约翰迪尔(JOHN DEERE)为代表的国外收割机主要用于在地势平坦、面积较大、农艺管理较为完善的作业地块对直立性较好地甘蔗进行收获，不能完全适用于我国的甘蔗生产环境，如收获倒伏严重的甘蔗较为困难，因此需要在结合国外先进技术的同时，研制适合我国甘蔗生产的收获机械。

目前，我国有许多研究单位和企业致力于研究适合于中国的甘蔗收获机，研发甘蔗收获创新技术，并取得了一些成果，但仍然面临着很多的问题。本文试图总结国内外甘蔗收获机械的发展历程，结合我国甘蔗收获机械发展现状进行对比和思考，总结我国甘蔗机械化收获存在的问题，并对发展前景进行分析。

1 国外甘蔗收获机械发展概况与现状

20世纪 40年代以前，几乎所有的甘蔗收获都是人工完成的[8]，人工收获效率低、劳动强度大、劳动成本高，20世纪60年代至70年代，澳大利亚与美国逐步实现了甘蔗收获机械化[9]。甘蔗的机械化收获方式共有2种：整秆式收获与切段式收获，机械化收获提高了甘蔗的生产效率，减少了甘蔗收获时的劳动强度，也降低了甘蔗生产的总成本。

1.1 整秆式收获机械

澳大利亚是世界上甘蔗收割机研发最早及收割机械化的发展最具代表性的国家。1920年Hurry和Falkiner发明了首台履带式整秆式甘蔗收割机用于收获火烧蔗；1928年Cliff Howard 设计制造了以他自己设计的拖拉机为动力的整秆式甘蔗收割机；在同一时期也出现了用于青秆蔗收获的整秆收割机，1923年，Haorgt W.G.试验了一款整秆式甘蔗收割机，该收割机是第一款带有剥叶功能的甘蔗收割机[10]。20世纪 30年代后，甘蔗整秆式联合收获机开始出现，澳大利亚在联合收获刚起步时采用整秆收获的方式，代表机型是托夫特(TOFT)公司生产的 J150、J250型整秆式甘蔗收获机[11]。

在美国，甘蔗主要种植在佛罗里达州、路易斯安那州、夏威夷州和德克萨斯州[12]。美国在20世纪中期开始进行甘蔗的机械化收获，20世纪 90年代以前，美国的佛罗里达州与路易斯安那州所采用的大都是整秆式甘蔗收割机，在路易斯安那州，农民一直使用Solider整秆式甘蔗割铺机[9]。

日本丘陵山区地形较多，对于整秆分段收获机械的研究时间较长。日本的甘蔗整秆分段收获所采用的是小型甘蔗割铺机加上剥叶机进行作业，在1945～1955年期间，开发了最初的小型脱叶机，在1956～1975年，日本开始了小型甘蔗割铺机的研发[13]。日本用于甘蔗整秆分段收获的代表机型有：文明农机株式会社研发的 NB-11小型甘蔗收割机、久保田公司研发的 NB-11K型甘蔗割铺机和BMC-250型剥叶机[14]。20世纪60年代末期，日本开始研究带有剥叶机的整秆式收获机，代表机型是阪神动力株式会社生产的HGH-64B型甘蔗收获机、HGH-100A轮胎自走式甘蔗收获机以及 HGH-100B履带自走式甘蔗收获机[11]。

1.2 切段式收获机械

切段式收获是指将甘蔗茎秆切成一定长度的蔗段进行收获。1929年，澳大利亚人 Ralph Sadleir Falkiner由整秆式收割机改造出世界上第一台商业量产的切段式甘蔗收获机，1932年，Cliff Howard成功地研制了澳大利亚第一台切段式收割机，至1972年澳大利亚全国共有收获机 1852台，其中切段式收获机占85%[15]。1973年，澳大利亚实现甘蔗生产全程机械化，该年度切段收获机收获的甘蔗占收获甘蔗总量的 94.5%，切段式甘蔗收获机已经成为澳大利亚甘蔗收获主要的收获机械[9]。20世纪70年代，美国的佛罗里达州开始倾向于使用切段式收获机[9]。1996年后，美国大陆全部采用切段式甘蔗收割机[16]。1994年以后，日本生产的小型切段式甘蔗联合收获机开始应用推广，而后日本甘蔗收获从整秆与切段式2种类型收获机并存转向使用更高效、适应性更强的切段式收获机，切段式甘蔗联合收获机已经成为日本的主流机型[13]。国外主要的切段式甘蔗收获机代表机型如表1所示。

凯斯生产的A4000/A8000型甘蔗联合收获机已经配备了先进耕作系统(AFS™)，该系统配备了车辆导航系统(图1)、农场管理软件、远程信息处理系统(图2)以及进行操作的交互式可定制的触摸屏(图3)，可以进行自动导航，实时监测产量、工作速度与燃油使用情况等信息，绘制生产区域的地图并进行测量、管理与分析，能够远程发送作业机械的监测信息并实现管理者与作业机械双向通信。约翰迪尔生产的 CH570型甘蔗收获机通过收获机显示器(图 4)进行信息显示与作业控制。收获机上安装有高分辨率光学监测器(图 5)可获得收获蔗段的影像(图 6)，通过影像识别(图 7)获取体积数据转化为质量数据从而获得实时产量信息，整个过程可以在显示器上进行监测(图8)；安装有燃料监测器、倾倒率监测器、高度监测器，用于监测燃料消耗、蔗段倾倒速率以及收获机所处地势高度。收获机配备的GPS接收器(图9)与软件结合，可以生成各种信息图(图10)，包括甘蔗杂质总质量图、甘蔗质量图、杂质质量图、燃油消耗率图。

表1 国外切段式甘蔗收获机机型

图1 AFS 372 GNSS接收器(凯斯)

图2 远程信息处理系统(凯斯)

图3 收获机操作触摸屏(凯斯)

图4 GreenStar显示器(约翰迪尔)

图5 高分辨率光学传感器(约翰迪尔)

图6 扫描中的蔗流(约翰迪尔)

图7 蔗流影像识别(约翰迪尔)

图8 实时监控甘蔗流动状况(约翰迪尔)

图9 StarFireTM 6000接收器(约翰迪尔)

图10 生产信息图(约翰迪尔)

2 国内甘蔗收获机械发展概况与现状

我国甘蔗机械化收获起步较晚，且甘蔗生产面临的环境较为复杂，国外先进甘蔗收获机械不能直接应用于我国甘蔗生产中。因此，我国科研院所与企业在国外先进技术的基础上进行更进一步的适用性研究，使得我国能够研发出适合我国甘蔗生产环境的甘蔗收获机械。

2.1 整秆式收获机械

我国从20世纪50年代开始进行甘蔗收获机械的研究，在采用整秆分段收获的方式进行收获研究中，研发了一系列的小型甘蔗收割机和剥叶机，主要的研究单位有广西农业机械研究院、广东农机研究所、广西大学、华南农业大学、中国农业机械化科学研究院等，所研发代表机型如表2、表3所示。

分段式整秆式收获机可以一次性完成扶起、夹持、切割、侧向输送、铺放等工序，国内研制的机型有自走底盘式、侧挂式、前置悬挂式和利用手扶拖拉机底盘直接挂接式等型号产品[14]。其中，相对成熟的有广西农业机械研究院设计的4GZ-9型甘蔗割铺机(图 11)、中国农业机械化科学研究院研制生产 4GZ-1000型甘蔗收割机及华南农业大学研制的4ZZX-48型悬挂式整秆甘蔗收割机(图12)[18]。我国生产的剥叶机(图 13、14)的剥叶原理一般采用离心撞击摩擦式[27]。广西大学对剥叶机剥叶元件、剥叶辊以及螺旋传动进行了试验与仿真研究[28-30]，华南农业大学设计了一种弹性齿辊筒式剥叶装置[31]。我国甘蔗剥叶机代表机型有广西云马汉升机械制造股份有限公司的HS260整秆式甘蔗收割机、广西来宾市农业机械化技术推广站研制的6BZ-1型、广西大学研制的4ZB-6A型和华南农业大学研制的4ZBQ-9型甘蔗剥叶机等[19,27]。

表2 国内研发分段收获甘蔗收割机

表3 国内研发分段收获甘蔗剥叶机

1959年，广西农业机械研究所开始研究整秆式甘蔗联合收获机，后来由腹挂式联合收获机逐步发展向自走式联合收获机。广西农业机械研究所、广西大学、华南农业大学和中国农业机械化科学研究院等单位对整秆式甘蔗联合收获机进行研制，广西广西柳州汉森机械制造有限公司、河南坤达农业机械有限公司、浙江三佳农业机械设备有限公司、浙江温岭宏顺机械有限公司、湖北国拓重工科技有限责任公司、湖北神誉重工股份有限公司等企业也进行了整秆式甘蔗联合收获机的研制[16]。整秆式甘蔗联合收获机发展过程中研制的机型如表4所示。

华南农业大学研制的HN4GZL-132型整秆式甘蔗联合收获机(图15)生产效率为8 t/h，配套动力为132 kW。湖北国拓重工科技有限责任公司研制的4GL-1-Z92A 型甘蔗联合收获机(图 16)采用了节能电液控控制系统，作业效率为15 t/h，配套动力为92 kW。湖湖北神誉重工股份有限公司研制的的4GL-1甘蔗蔗联合收收获机(图17)采用全液压压驱动，配套套动力为95 kW。

图11 4GZ--9型甘蔗割铺铺机

图12 4ZZX-48型侧侧悬挂式甘蔗收收割机

图13 牵引式甘蔗剥叶机

图14 自走式甘蔗剥叶机

图15 华农大HN4GZL-132型甘蔗联合收获机

图16 国拓重工4GL--1-Z92A型甘蔗联合收获机

图17 湖北神誉4GL-1甘蔗联合收获机

表4 国内研发整秆式联合收获机机型

2.2 切段式收获机械

1979年，我国开始对切段式甘蔗收获机进行相关的研究，主要的研发单位和企业有：广西农业机械研究院、广西大学、华南农业大学、中国农业机械化科学研究院、广西云马泰缘机械制造股份有限公司和广州科利亚现代农业装备有限公司等。在引进了一些国外的机型以后，我国开始发展以本国甘蔗生产特性为基础的机型，研制的机型如表5所示。

广西农业机械研究院研制的4GZ-180型切段式甘蔗联合收获机(图18)生产效率≥25 t/h，配备动力为132 kW；4GZQ-260型切段式甘蔗联合收获机(图19)生产效率≥20 t/h，配备动力为191 kW。华南农业大学自主研发的三角履带式甘蔗联合收割机(图20)，采用了四履带的底盘结构，前部两履带为三角履带，该机型可以在丘陵地区进行作业，对于地形变化的适应性较好，目前处于试验阶段。中国农业机械化科学研究院研发的 4GZL-120型整秆式和切段式甘蔗联合收获机(图21)2015年在广西进行田间试验，田间试验表明，该机型减少了收获割台和通道堵塞的故障，提高了甘蔗收获顺畅性及整机的可靠性[32]。

中联重科股份有限公司的甘蔗收获机已经形成产品的系列化，主要的机型有：AS60履带式甘蔗收获机配备动力为140 kW；AC60轮式甘蔗收获机(图22)生产效率≥15 t/h，配备动力为140 kW。洛阳辰汉农业装备科技有限公司研制生产的4GQ-130型甘蔗联合收获机(图23)生产效率为6～9 t/h，配备动力为103 kW。沃得农业机械股份有限公司旗下的“鸿龙”4GQ-1甘蔗联合收获机(图 24)配备动力为 140 kW。广西柳工机械股份有限公司生产了我国自主研制的最大功率的4GQ-350甘蔗收获机(图25)，并在此机型的基础上研制了 4GQ-180甘蔗收获机。4GQ-350甘蔗收获机生产效率≥50 t/h，配备动力为140 kW适用于大型生产模式，而4GQ-180甘蔗收获机生产效率≥30 t/h配备动力为132 kW适用于中小型的生产模式。

3 我国甘蔗机械化收获存在的问题

3.1 甘蔗收获机械性能不够完善

目前，我国所采用的甘蔗收获机械大多是国外引进的机型，不能很好地适应我国的甘蔗生产，虽然我国已经积极开展了甘蔗收获机械的研制，但是所研制出的机械大多数都还处于试验阶段，产品的稳定性、可靠性与适应性还较差，收割作业效果还不够理想。整秆式收获中，甘蔗割铺机工作效率低、需要人工辅助、劳动强度大，剥叶机工作效率低、剥叶元件极易损坏且剥叶效果差；整秆式联合收获机收获倒伏甘蔗困难，易堵塞，蔗叶分离效果差，集堆效果差，工作效率较低。切段式联合收获机机型过大、转弯半径大、割茬不齐、破头率和含杂率较高。

3.2 生产区域地势环境、天气影响

我国甘蔗的主要种植区域在广西、广东以及海南等地，所处地形有超过一半是丘陵地形，机械作业受到坡度等的限制，导致甘蔗收获机械作业难度较大；种植不连片、地块小，因此难以实现大规模种植集中生产，小规模生产无法承受机械化的高成本，导致甘蔗机械化收获难以实现；广东湛江等种植区域的土壤为红土壤，土质黏重，收获时泥土会跟随甘蔗进入收获机，造成通道堵塞，也会增加机收含杂率。此外，甘蔗种植区域雨水较多、易受台风影响，甘蔗倒伏情况严重，增加了收获的难度。

3.3 农艺不规范、糖厂设备工艺限制

我国甘蔗种植目前所采用的仍然是传统的方式，种植的行距一般为0.7～1.0 m，而大型甘蔗收获机所要求的行距≥1.4 m，这也造成了甘蔗收获机械难以普及使用。

表5 国内切段式甘蔗收获机机型

图18 广西农机院4GZ-180型切段式甘蔗联合收获机

图19 广西农机院4GZQ-260型切段式甘蔗联合收获机

图20 华南农业大学三角履带式甘蔗联合收获机

图21 中国农机院4GZL-120型甘蔗联合收获机

图22 中联重科AC60履带式甘蔗收获机

图23 辰汉4GQ-130型切段式甘蔗联合收获机

图24 沃得“鸿龙”4GQ-1甘蔗联合收获机

图25 柳工4GQ-350轮式甘蔗收获机

我国现有的制糖设备和工艺不能适应机收甘蔗的加工[33]，糖厂要求甘蔗含杂率要低于 5%，而目前机收甘蔗的含杂率一般在8%左右，我国的糖厂大都不愿意接受切段式收获的蔗段，这对于切段式甘蔗收获有着极大的限制。

4 我国甘蔗机械化收获的发展趋势

4.1 完善甘蔗机械化收获技术

整秆分段、整秆联合与切段联合3种收获方式并存的情况会在我国长期共存，针对不同地形应该选择不同的机械收获方式，在山地蔗区采用分段式收获，采用割铺机与剥叶机作业；在丘陵坡地采用中型联合收获，选择中型切段式或整秆式甘蔗联合收获机作业；在地块大的坡度较缓地区采用大型联合收获，采用大型切段式或整秆式甘蔗联合收获机作业。需要继续加强对3种方式的甘蔗收获机械的研制和技术攻关，在引进国外先进技术的基础上，进行适宜本土作业的技术研究，努力突破甘蔗收获机械的技术瓶颈。

4.2 改变传统的种植模式，完善糖厂工艺

对土地进行合理的规划和适当的整改，建立具有一定规模的甘蔗生产区，努力实现大中型连片种植，并加强规模化的经营与管理；改变传统种植行距使得甘蔗种植行距满足机械化作业要求；提升糖厂制糖工艺与技术，如糖厂采用预除杂系统或使用两步法制糖工艺，使其能够接受切段式收获的蔗段；通过以上种植模式的改变促进甘蔗收获机械化的实现。