國內(nèi)外甘蔗收獲機械化發(fā)展概況與前景

樊秋菊，黃清玲，吳合檳，周嘉鋮，謝 聰，武 濤

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州510642)

0 引言

甘蔗是一種重要的經(jīng)濟作物，是最主要的糖料作物，全世界有90多個國家在種植甘蔗[1]，全球甘蔗種植面積共2200萬hm2左右，主要的甘蔗生產(chǎn)國有：巴西、印度、中國、泰國、美國、澳大利亞等[2-3]。2019年，我國甘蔗種植面積約153.33萬hm2，位居世界第3位[4]。

20世紀 60年代，澳大利亞、美國就已完全實現(xiàn)甘蔗種、管、收全程機械化作業(yè)[5]。目前，我國甘蔗生產(chǎn)還沒有實現(xiàn)全面的機械化，其中甘蔗收獲機械化進展最為緩慢，2011/12年和2017/18年榨季我國甘蔗收獲機械化水平分別為 0.07%和 1.42%[6]，6年時間僅提高了1.35%。

我國從20世紀70年代開始研制甘蔗收割機，機型主要為切段式和整稈式甘蔗收割機[7]，以仿照國外技術(shù)為主，并沿用傳統(tǒng)的設(shè)計方法進行開發(fā)。以凱斯(CASE)和約翰迪爾(JOHN DEERE)為代表的國外收割機主要用于在地勢平坦、面積較大、農(nóng)藝管理較為完善的作業(yè)地塊對直立性較好地甘蔗進行收獲，不能完全適用于我國的甘蔗生產(chǎn)環(huán)境，如收獲倒伏嚴重的甘蔗較為困難，因此需要在結(jié)合國外先進技術(shù)的同時，研制適合我國甘蔗生產(chǎn)的收獲機械。

目前，我國有許多研究單位和企業(yè)致力于研究適合于中國的甘蔗收獲機，研發(fā)甘蔗收獲創(chuàng)新技術(shù)，并取得了一些成果，但仍然面臨著很多的問題。本文試圖總結(jié)國內(nèi)外甘蔗收獲機械的發(fā)展歷程，結(jié)合我國甘蔗收獲機械發(fā)展現(xiàn)狀進行對比和思考，總結(jié)我國甘蔗機械化收獲存在的問題，并對發(fā)展前景進行分析。

1 國外甘蔗收獲機械發(fā)展概況與現(xiàn)狀

20世紀 40年代以前，幾乎所有的甘蔗收獲都是人工完成的[8]，人工收獲效率低、勞動強度大、勞動成本高，20世紀60年代至70年代，澳大利亞與美國逐步實現(xiàn)了甘蔗收獲機械化[9]。甘蔗的機械化收獲方式共有2種：整稈式收獲與切段式收獲，機械化收獲提高了甘蔗的生產(chǎn)效率，減少了甘蔗收獲時的勞動強度，也降低了甘蔗生產(chǎn)的總成本。

1.1 整稈式收獲機械

澳大利亞是世界上甘蔗收割機研發(fā)最早及收割機械化的發(fā)展最具代表性的國家。1920年Hurry和Falkiner發(fā)明了首臺履帶式整稈式甘蔗收割機用于收獲火燒蔗；1928年Cliff Howard 設(shè)計制造了以他自己設(shè)計的拖拉機為動力的整稈式甘蔗收割機；在同一時期也出現(xiàn)了用于青稈蔗收獲的整稈收割機，1923年，Haorgt W.G.試驗了一款整稈式甘蔗收割機，該收割機是第一款帶有剝?nèi)~功能的甘蔗收割機[10]。20世紀 30年代后，甘蔗整稈式聯(lián)合收獲機開始出現(xiàn)，澳大利亞在聯(lián)合收獲剛起步時采用整稈收獲的方式，代表機型是托夫特(TOFT)公司生產(chǎn)的 J150、J250型整稈式甘蔗收獲機[11]。

在美國，甘蔗主要種植在佛羅里達州、路易斯安那州、夏威夷州和德克薩斯州[12]。美國在20世紀中期開始進行甘蔗的機械化收獲，20世紀 90年代以前，美國的佛羅里達州與路易斯安那州所采用的大都是整稈式甘蔗收割機，在路易斯安那州，農(nóng)民一直使用Solider整稈式甘蔗割鋪機[9]。

日本丘陵山區(qū)地形較多，對于整稈分段收獲機械的研究時間較長。日本的甘蔗整稈分段收獲所采用的是小型甘蔗割鋪機加上剝?nèi)~機進行作業(yè)，在1945～1955年期間，開發(fā)了最初的小型脫葉機，在1956～1975年，日本開始了小型甘蔗割鋪機的研發(fā)[13]。日本用于甘蔗整稈分段收獲的代表機型有：文明農(nóng)機株式會社研發(fā)的 NB-11小型甘蔗收割機、久保田公司研發(fā)的 NB-11K型甘蔗割鋪機和BMC-250型剝?nèi)~機[14]。20世紀60年代末期，日本開始研究帶有剝?nèi)~機的整稈式收獲機，代表機型是阪神動力株式會社生產(chǎn)的HGH-64B型甘蔗收獲機、HGH-100A輪胎自走式甘蔗收獲機以及 HGH-100B履帶自走式甘蔗收獲機[11]。

1.2 切段式收獲機械

切段式收獲是指將甘蔗莖稈切成一定長度的蔗段進行收獲。1929年，澳大利亞人 Ralph Sadleir Falkiner由整稈式收割機改造出世界上第一臺商業(yè)量產(chǎn)的切段式甘蔗收獲機，1932年，Cliff Howard成功地研制了澳大利亞第一臺切段式收割機，至1972年澳大利亞全國共有收獲機 1852臺，其中切段式收獲機占85%[15]。1973年，澳大利亞實現(xiàn)甘蔗生產(chǎn)全程機械化，該年度切段收獲機收獲的甘蔗占收獲甘蔗總量的 94.5%，切段式甘蔗收獲機已經(jīng)成為澳大利亞甘蔗收獲主要的收獲機械[9]。20世紀70年代，美國的佛羅里達州開始傾向于使用切段式收獲機[9]。1996年后，美國大陸全部采用切段式甘蔗收割機[16]。1994年以后，日本生產(chǎn)的小型切段式甘蔗聯(lián)合收獲機開始應(yīng)用推廣，而后日本甘蔗收獲從整稈與切段式2種類型收獲機并存轉(zhuǎn)向使用更高效、適應(yīng)性更強的切段式收獲機，切段式甘蔗聯(lián)合收獲機已經(jīng)成為日本的主流機型[13]。國外主要的切段式甘蔗收獲機代表機型如表1所示。

凱斯生產(chǎn)的A4000/A8000型甘蔗聯(lián)合收獲機已經(jīng)配備了先進耕作系統(tǒng)(AFS?)，該系統(tǒng)配備了車輛導(dǎo)航系統(tǒng)(圖1)、農(nóng)場管理軟件、遠程信息處理系統(tǒng)(圖2)以及進行操作的交互式可定制的觸摸屏(圖3)，可以進行自動導(dǎo)航，實時監(jiān)測產(chǎn)量、工作速度與燃油使用情況等信息，繪制生產(chǎn)區(qū)域的地圖并進行測量、管理與分析，能夠遠程發(fā)送作業(yè)機械的監(jiān)測信息并實現(xiàn)管理者與作業(yè)機械雙向通信。約翰迪爾生產(chǎn)的 CH570型甘蔗收獲機通過收獲機顯示器(圖 4)進行信息顯示與作業(yè)控制。收獲機上安裝有高分辨率光學(xué)監(jiān)測器(圖 5)可獲得收獲蔗段的影像(圖 6)，通過影像識別(圖 7)獲取體積數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量數(shù)據(jù)從而獲得實時產(chǎn)量信息，整個過程可以在顯示器上進行監(jiān)測(圖8)；安裝有燃料監(jiān)測器、傾倒率監(jiān)測器、高度監(jiān)測器，用于監(jiān)測燃料消耗、蔗段傾倒速率以及收獲機所處地勢高度。收獲機配備的GPS接收器(圖9)與軟件結(jié)合，可以生成各種信息圖(圖10)，包括甘蔗雜質(zhì)總質(zhì)量圖、甘蔗質(zhì)量圖、雜質(zhì)質(zhì)量圖、燃油消耗率圖。

表1 國外切段式甘蔗收獲機機型

圖1 AFS 372 GNSS接收器(凱斯)

圖2 遠程信息處理系統(tǒng)(凱斯)

圖3 收獲機操作觸摸屏(凱斯)

圖4 GreenStar顯示器(約翰迪爾)

圖5 高分辨率光學(xué)傳感器(約翰迪爾)

圖6 掃描中的蔗流(約翰迪爾)

圖7 蔗流影像識別(約翰迪爾)

圖8 實時監(jiān)控甘蔗流動狀況(約翰迪爾)

圖9 StarFireTM 6000接收器(約翰迪爾)

圖10 生產(chǎn)信息圖(約翰迪爾)

2 國內(nèi)甘蔗收獲機械發(fā)展概況與現(xiàn)狀

我國甘蔗機械化收獲起步較晚，且甘蔗生產(chǎn)面臨的環(huán)境較為復(fù)雜，國外先進甘蔗收獲機械不能直接應(yīng)用于我國甘蔗生產(chǎn)中。因此，我國科研院所與企業(yè)在國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上進行更進一步的適用性研究，使得我國能夠研發(fā)出適合我國甘蔗生產(chǎn)環(huán)境的甘蔗收獲機械。

2.1 整稈式收獲機械

我國從20世紀50年代開始進行甘蔗收獲機械的研究，在采用整稈分段收獲的方式進行收獲研究中，研發(fā)了一系列的小型甘蔗收割機和剝?nèi)~機，主要的研究單位有廣西農(nóng)業(yè)機械研究院、廣東農(nóng)機研究所、廣西大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院等，所研發(fā)代表機型如表2、表3所示。

分段式整稈式收獲機可以一次性完成扶起、夾持、切割、側(cè)向輸送、鋪放等工序，國內(nèi)研制的機型有自走底盤式、側(cè)掛式、前置懸掛式和利用手扶拖拉機底盤直接掛接式等型號產(chǎn)品[14]。其中，相對成熟的有廣西農(nóng)業(yè)機械研究院設(shè)計的4GZ-9型甘蔗割鋪機(圖 11)、中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院研制生產(chǎn) 4GZ-1000型甘蔗收割機及華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的4ZZX-48型懸掛式整稈甘蔗收割機(圖12)[18]。我國生產(chǎn)的剝?nèi)~機(圖 13、14)的剝?nèi)~原理一般采用離心撞擊摩擦式[27]。廣西大學(xué)對剝?nèi)~機剝?nèi)~元件、剝?nèi)~輥以及螺旋傳動進行了試驗與仿真研究[28-30]，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計了一種彈性齒輥筒式剝?nèi)~裝置[31]。我國甘蔗剝?nèi)~機代表機型有廣西云馬漢升機械制造股份有限公司的HS260整稈式甘蔗收割機、廣西來賓市農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣站研制的6BZ-1型、廣西大學(xué)研制的4ZB-6A型和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的4ZBQ-9型甘蔗剝?nèi)~機等[19,27]。

表2 國內(nèi)研發(fā)分段收獲甘蔗收割機

表3 國內(nèi)研發(fā)分段收獲甘蔗剝?nèi)~機

1959年，廣西農(nóng)業(yè)機械研究所開始研究整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機，后來由腹掛式聯(lián)合收獲機逐步發(fā)展向自走式聯(lián)合收獲機。廣西農(nóng)業(yè)機械研究所、廣西大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院等單位對整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機進行研制，廣西廣西柳州漢森機械制造有限公司、河南坤達農(nóng)業(yè)機械有限公司、浙江三佳農(nóng)業(yè)機械設(shè)備有限公司、浙江溫嶺宏順機械有限公司、湖北國拓重工科技有限責任公司、湖北神譽重工股份有限公司等企業(yè)也進行了整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機的研制[16]。整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機發(fā)展過程中研制的機型如表4所示。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HN4GZL-132型整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機(圖15)生產(chǎn)效率為8 t/h，配套動力為132 kW。湖北國拓重工科技有限責任公司研制的4GL-1-Z92A 型甘蔗聯(lián)合收獲機(圖 16)采用了節(jié)能電液控控制系統(tǒng)，作業(yè)效率為15 t/h，配套動力為92 kW。湖湖北神譽重工股份有限公司研制的的4GL-1甘蔗蔗聯(lián)合收收獲機(圖17)采用全液壓壓驅(qū)動，配套套動力為95 kW。

圖11 4GZ--9型甘蔗割鋪鋪機

圖12 4ZZX-48型側(cè)側(cè)懸掛式甘蔗收收割機

圖13 牽引式甘蔗剝?nèi)~機

圖14 自走式甘蔗剝?nèi)~機

圖15 華農(nóng)大HN4GZL-132型甘蔗聯(lián)合收獲機

圖16 國拓重工4GL--1-Z92A型甘蔗聯(lián)合收獲機

圖17 湖北神譽4GL-1甘蔗聯(lián)合收獲機

表4 國內(nèi)研發(fā)整稈式聯(lián)合收獲機機型

2.2 切段式收獲機械

1979年，我國開始對切段式甘蔗收獲機進行相關(guān)的研究，主要的研發(fā)單位和企業(yè)有：廣西農(nóng)業(yè)機械研究院、廣西大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院、廣西云馬泰緣機械制造股份有限公司和廣州科利亞現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備有限公司等。在引進了一些國外的機型以后，我國開始發(fā)展以本國甘蔗生產(chǎn)特性為基礎(chǔ)的機型，研制的機型如表5所示。

廣西農(nóng)業(yè)機械研究院研制的4GZ-180型切段式甘蔗聯(lián)合收獲機(圖18)生產(chǎn)效率≥25 t/h，配備動力為132 kW；4GZQ-260型切段式甘蔗聯(lián)合收獲機(圖19)生產(chǎn)效率≥20 t/h，配備動力為191 kW。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的三角履帶式甘蔗聯(lián)合收割機(圖20)，采用了四履帶的底盤結(jié)構(gòu)，前部兩履帶為三角履帶，該機型可以在丘陵地區(qū)進行作業(yè)，對于地形變化的適應(yīng)性較好，目前處于試驗階段。中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院研發(fā)的 4GZL-120型整稈式和切段式甘蔗聯(lián)合收獲機(圖21)2015年在廣西進行田間試驗，田間試驗表明，該機型減少了收獲割臺和通道堵塞的故障，提高了甘蔗收獲順暢性及整機的可靠性[32]。

中聯(lián)重科股份有限公司的甘蔗收獲機已經(jīng)形成產(chǎn)品的系列化，主要的機型有：AS60履帶式甘蔗收獲機配備動力為140 kW；AC60輪式甘蔗收獲機(圖22)生產(chǎn)效率≥15 t/h，配備動力為140 kW。洛陽辰漢農(nóng)業(yè)裝備科技有限公司研制生產(chǎn)的4GQ-130型甘蔗聯(lián)合收獲機(圖23)生產(chǎn)效率為6～9 t/h，配備動力為103 kW。沃得農(nóng)業(yè)機械股份有限公司旗下的“鴻龍”4GQ-1甘蔗聯(lián)合收獲機(圖 24)配備動力為 140 kW。廣西柳工機械股份有限公司生產(chǎn)了我國自主研制的最大功率的4GQ-350甘蔗收獲機(圖25)，并在此機型的基礎(chǔ)上研制了 4GQ-180甘蔗收獲機。4GQ-350甘蔗收獲機生產(chǎn)效率≥50 t/h，配備動力為140 kW適用于大型生產(chǎn)模式，而4GQ-180甘蔗收獲機生產(chǎn)效率≥30 t/h配備動力為132 kW適用于中小型的生產(chǎn)模式。

3 我國甘蔗機械化收獲存在的問題

3.1 甘蔗收獲機械性能不夠完善

目前，我國所采用的甘蔗收獲機械大多是國外引進的機型，不能很好地適應(yīng)我國的甘蔗生產(chǎn)，雖然我國已經(jīng)積極開展了甘蔗收獲機械的研制，但是所研制出的機械大多數(shù)都還處于試驗階段，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性與適應(yīng)性還較差，收割作業(yè)效果還不夠理想。整稈式收獲中，甘蔗割鋪機工作效率低、需要人工輔助、勞動強度大，剝?nèi)~機工作效率低、剝?nèi)~元件極易損壞且剝?nèi)~效果差；整稈式聯(lián)合收獲機收獲倒伏甘蔗困難，易堵塞，蔗葉分離效果差，集堆效果差，工作效率較低。切段式聯(lián)合收獲機機型過大、轉(zhuǎn)彎半徑大、割茬不齊、破頭率和含雜率較高。

3.2 生產(chǎn)區(qū)域地勢環(huán)境、天氣影響

我國甘蔗的主要種植區(qū)域在廣西、廣東以及海南等地，所處地形有超過一半是丘陵地形，機械作業(yè)受到坡度等的限制，導(dǎo)致甘蔗收獲機械作業(yè)難度較大；種植不連片、地塊小，因此難以實現(xiàn)大規(guī)模種植集中生產(chǎn)，小規(guī)模生產(chǎn)無法承受機械化的高成本，導(dǎo)致甘蔗機械化收獲難以實現(xiàn)；廣東湛江等種植區(qū)域的土壤為紅土壤，土質(zhì)黏重，收獲時泥土?xí)S甘蔗進入收獲機，造成通道堵塞，也會增加機收含雜率。此外，甘蔗種植區(qū)域雨水較多、易受臺風影響，甘蔗倒伏情況嚴重，增加了收獲的難度。

3.3 農(nóng)藝不規(guī)范、糖廠設(shè)備工藝限制

我國甘蔗種植目前所采用的仍然是傳統(tǒng)的方式，種植的行距一般為0.7～1.0 m，而大型甘蔗收獲機所要求的行距≥1.4 m，這也造成了甘蔗收獲機械難以普及使用。

表5 國內(nèi)切段式甘蔗收獲機機型

圖18 廣西農(nóng)機院4GZ-180型切段式甘蔗聯(lián)合收獲機

圖19 廣西農(nóng)機院4GZQ-260型切段式甘蔗聯(lián)合收獲機

圖20 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)三角履帶式甘蔗聯(lián)合收獲機

圖21 中國農(nóng)機院4GZL-120型甘蔗聯(lián)合收獲機

圖22 中聯(lián)重科AC60履帶式甘蔗收獲機

圖23 辰漢4GQ-130型切段式甘蔗聯(lián)合收獲機

圖24 沃得“鴻龍”4GQ-1甘蔗聯(lián)合收獲機

圖25 柳工4GQ-350輪式甘蔗收獲機

我國現(xiàn)有的制糖設(shè)備和工藝不能適應(yīng)機收甘蔗的加工[33]，糖廠要求甘蔗含雜率要低于 5%，而目前機收甘蔗的含雜率一般在8%左右，我國的糖廠大都不愿意接受切段式收獲的蔗段，這對于切段式甘蔗收獲有著極大的限制。

4 我國甘蔗機械化收獲的發(fā)展趨勢

4.1 完善甘蔗機械化收獲技術(shù)

整稈分段、整稈聯(lián)合與切段聯(lián)合3種收獲方式并存的情況會在我國長期共存，針對不同地形應(yīng)該選擇不同的機械收獲方式，在山地蔗區(qū)采用分段式收獲，采用割鋪機與剝?nèi)~機作業(yè)；在丘陵坡地采用中型聯(lián)合收獲，選擇中型切段式或整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機作業(yè)；在地塊大的坡度較緩地區(qū)采用大型聯(lián)合收獲，采用大型切段式或整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機作業(yè)。需要繼續(xù)加強對3種方式的甘蔗收獲機械的研制和技術(shù)攻關(guān)，在引進國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行適宜本土作業(yè)的技術(shù)研究，努力突破甘蔗收獲機械的技術(shù)瓶頸。

4.2 改變傳統(tǒng)的種植模式，完善糖廠工藝

對土地進行合理的規(guī)劃和適當?shù)恼模⒕哂幸欢ㄒ?guī)模的甘蔗生產(chǎn)區(qū)，努力實現(xiàn)大中型連片種植，并加強規(guī)?；慕?jīng)營與管理；改變傳統(tǒng)種植行距使得甘蔗種植行距滿足機械化作業(yè)要求；提升糖廠制糖工藝與技術(shù)，如糖廠采用預(yù)除雜系統(tǒng)或使用兩步法制糖工藝，使其能夠接受切段式收獲的蔗段；通過以上種植模式的改變促進甘蔗收獲機械化的實現(xiàn)。

4.3 結(jié)合先進技術(shù)發(fā)展

隨著各種新興技術(shù)的出現(xiàn)，甘蔗生產(chǎn)機械化已經(jīng)不只是簡單的實現(xiàn)機械化了，今后甘蔗收獲機械還要向著信息化、精確化、智能化發(fā)展，要進一步研制智能農(nóng)業(yè)裝備、智能傳感與控制系統(tǒng)，建立田間作業(yè)自主系統(tǒng)、信息遙感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)智能決策分析系統(tǒng)，開展智能農(nóng)場集成應(yīng)用與示范，實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)與精確農(nóng)業(yè)。