浅析甘蔗收割机提升和转向装置设计

　　摘要：甘蔗是热带和亚热带地区的一种多年生宿根作物。一年收获一次，是制糖工业的主要原料之一。世界甘蔗主产国有巴西、印度、古巴和中国等。1994年中国甘蔗种植面积达90.67万公顷.总产量为5402万吨，占世界甘蔗总产量的5%.居世界第四位。

　　关键词：甘蔗收割机,提升装置,转向装置

　　前 言

　　通过大学四年对基础知识和专业知识的的学习，以及每个短学期的实习，我较系统地学习、了解、掌握了基本理论知识和机械制造专业的专业基础知识。在此基础上，同时在专业老师的指导下，进行了本次毕业设计，我收获颇多。

　　本次设计的课题是甘蔗收割机的设计，主要负责双排甘蔗收割机的提升装置和转向装置的设计。

　　我国现阶段甘蔗的收割还是主要以手工为主，即使用到的甘蔗收割机在结构和性能上也不完善。甘蔗收获机械技术一直未得到很好的解决，也成为制约甘蔗生产全程机械化的一大因素。因此，甘蔗收获技术的研究，是解决甘蔗高效收割的需要，是农业全面机械化的需要。自动化、高效化的甘蔗收割机成了种植甘蔗的农民的热切期盼。

　　本次设计的双排甘蔗收割机充分体现了智能化，自动化、敏捷化，高效化、小型化、简单化、环保化等特点，也是所有有志于在农业机械方面作贡献的研究人员在甘蔗收割机方向的研究目标，不难预料，这种收割机在未来的农业机械方面将会占有大的市场。

　　本次毕业设计的整个过程都得到了西南交通大学先进设计与制造技术研究所丁国富博士的悉心指导以及其他老师、同学们的热心指导和帮助，在此表示忠心的感谢。

　　由于时间仓促，加上本人水平有限以及实践经验的缺乏，设计中尚有许多不足之处，敬请各位老师批评指正!

　　第一章 概 述

　　§1-1 甘蔗收割机研究背景

　　农业的根本出入在于机械化，实现农业机械化不但是为了有效的解决“三农”问题，减轻农民的负担，加速建设我国社会主义现代化农业，缓和加入WTO之后我国蔗糖业所受到的严重冲击，而且对于推进生产力的发展，加快世界工业化进程，都有着十分重要的意义。当今世界机床业已经有了很大的发展，无论是CNC系列还是加工中心，世界上的装备业已经具备了相当的水平。工业机械的飞速发展，小麦收割机、水稻收割机等谷物联合收割机的更新换代，大大的推进了当今世界工业化的进程，这也同样使得甘蔗联合收割机的发明研究成为十分的必要与迫切。

　　一、 农业机械概况

　　(一)农业机械的类型

　　农业机械分固定作业和田间作业两大类。固定作业的农业机械在作业过程中位置固定不动，其工作部件由内燃机、电动机或由拖拉机的动力输出装置驱动，如各种农产品加工机械等。田间作业的农业机械有自走式及由拖拉机牵引、悬挂、半悬挂等几种类型。它们各自的特点如下：

　　自走式：本身具有发动机、行走装置、操向装置等。可独立进行田间作业，机动灵活，视野良好，设计时不受拖拉机结构、性能等的限制。但结构较复杂，成本较高。

　　牵引式：由拖拉机牵引作业，在工作或运输时其重量均由本身具有的轮子承受。机组的稳定性好，对不平地面的适应性强。但机动性较差，金属消耗量大。

　　悬挂式：悬挂在拖拉机的悬挂装置上，在运输时全部重量由拖拉机承受。结构紧凑，重量轻，机动性好。但大型、宽幅机具的稳定性和对地表适应性较差，机具重量受拖拉机悬挂装置提升能力的限制。

　　半悬挂式：悬挂在拖拉机的悬挂装置上，但本身还具有转子。在运输时承受机组的部分重量，可减轻悬挂装置所需的提升力。其优缺点介于牵引式和悬挂式之间。

　　有些田间作业如播种、施肥、施农药等，还可由装有各种工作部件的农用飞机来完成。

　　(二)对农业机械的一般要求

　　农业机械以土壤、作物、牲畜以及水、肥、农药等各种物料为工作对象。由于这些工作对象在类型、品种和特性上的多样性，对各类农业机械的要求也有很大的差异。这些要求还由于不同地区、不同农作物对各项作业要求的不同(含禽畜饲养方式的不同)而存在不同程度的差异。因此，农业机械应能适应各种不同的条件和不同的农作制，满足各项农业技术要求。

　　农业机械的设计还必须考虑到在使用新的农业机械以后，能够通过提高劳动生产率，抢赶农时季节，改进作业质量等途径作到增产增收，提高农产品的商品率。同时还要尽可能减轻操作人员的劳动强度，改善劳动条件，保证操作安全。在经济合理的前提下考虑使用农业机械能够综合利用，一机多用。

　　与一般机械产品相比，农业机械具有工作条件恶劣多变，使用分散，保管条件差，工作部件易磨损等特点。因此要求农业机械作到坚固耐用，安全可靠，使用维修方便。在满足农业技术要求的前提下，尽可能提高产品和零部件的标准化、系列化和通用化程度。

　　二、 甘蔗生长状况

　　我国的甘蔗生产主要集中在广东、广西、福建、海南、云南等省区。我国是世界甘蔗生产大国，2002年种植面积为146万公顷。尤其在广西，作为发展蔗糖业自然条件最优越的地区，蔗糖业发展很快，已形成了广西经济的支柱产业，糖产量已占全国产量的一半以上。蔗糖业是广西农民最重要的经济收入来源，也是许多地方财政收入的重要来源。蔗糖业的发展直接影响到广西1600多万蔗农的生计和社会的稳定。

　　我国已加入WTO,正面对原糖进口配额和关税变化对蔗糖业的冲击，市场竞争十分激烈。就广西总体来说，目前蔗糖生产成本过高、糖价在国际市场没有任何优势。针对这个严峻局面，为了把广西蔗糖业做大做强，按照“糖厂是建设的主体，农民是种植的主体，政府是服务的主体”的分工，各级政府部门制定了许多扶持发展蔗糖业的有利政策，引导企业以资产重组成纽带，以大型骨干企业为龙头，发展工贸一体化的大型联合糖业集团，对蔗糖产业进行了优化结构和合理布局，重点支持甘蔗地区的发展壮大。制糖企业深化管理手段，提高制糖技术水平，开展甘蔗产品的综合利用。蔗农广泛采用良种良法，实施科学耕作管理技术等。通过上述措施，广西的蔗糖业取得一定成绩，但是占蔗糖生产成本的70%以上的原料蔗生产技术仍然落后。因此，提高甘蔗生产技术水平，是亟待解决的问题，这个问题的关键是推广良种和采用先进的耕作管理技术。实现先进的耕作管理技术的一个重要方面——就是实现甘蔗生产全程机械化，而成熟的甘蔗收获机械技术一直未得到解决，成为制约甘蔗生产全程机械化的瓶颈。

　　当然，这主要是由于我国各省区的土壤条件和生态环境存在着差异.生产出来的甘蔗不论从外观还是从产量上都不相同。例如广东的地形、地貌复杂多样.多数土壤属砖红性壤土，土质粘重胆力较大，而且风害严重.平均每年有8级以上的台风1.5次。因此生产出来的甘蔗植株都比较矮小.直径较细，且倒伏弯曲较严重，亩产也较低。云南省则土质比较松软，表上较厚，又无台风影响，因此甘蔗植株粗壮高大.亩产较高。由于各省区的甘蔗质量和形状都不同，这就给我国甘蔗收获机械的研制和推广带来了一定的难度。

　　§1-2 甘蔗收获机械的现状分析

　　传统的甘蔗收割方法都是都是基于人的繁重劳动来完成的。主要有两种形式。一种是最原始的收割方式，用刀割断甘蔗，然后再手工剥掉叶子，这种效率极低，劳动强度极大;首先，点燃甘蔗以烧掉其叶子，然后手工的切顶以及把甘蔗打桩，最后机械地把成堆的甘蔗装上车辆，这一种方法对收割绿色叶子的甘蔗就很困难，而且燃烧必然会造成对甘蔗的损坏和对环境的污染。而且当甘蔗地里手工收割的甘蔗烧掉叶子之后，此时的甘蔗收割产量大约仅仅是用手工完成剥叶后剩下甘蔗的三分之一。而且人工收割甘蔗，一个工作日(农村按10-12个小时)最强的劳动力最多也只能收到700公斤。由于受到收割季节的限制，收割工作劳动强度大、生产效率低，农民大都需要雇请外来劳动力才能完成。随着消费观念的转变，富裕起来的农民迫切需要改变这种工作方式。因此，大多数应用手工收割绿甘蔗的成本是很不经济的。对比能够有效的利用甘蔗收割方法改善的地区，劳动力收割甘蔗的方法显得困难和不合理。

　　目前在国际上拥有甘蔗联合收割机的国家，有巴西、澳大利亚、美国、古巴等产糖大国。

　　一、我国甘蔗收割机械技术现状

　　我国从60年代开始研制甘蔗收割机和甘蔗剥叶机，由于多方面的原因，进展缓慢，直至70年代中期才有大规模的研究活动，目前，除了耕整地外大多数仍依赖人畜作业，劳动费用在生产成本中占了最大的比重。

　　总体而言，我国甘蔗收割机机型可以分为以下两类：

　　1、切段式甘蔗收割机

　　该类机型是仿照国外大型甘蔗联合收割机改进而成。通过改造中马力轮式拖拉机的轮系，抬高拖拉机的离地间隙，以适应甘蔗垄作和原料蔗输送。割台悬挂于拖拉机尾部，以拖拉机后退方向为收割前进方向，可一次性完成：切梢、扶倒、切割、喂入、切段、输送、清选、装载等工序。该类机型代表是上面介绍的广西农机研究所研制的4GZ—140型自走切段式甘蔗收割机。由于切段原料蔗不受糖厂欢迎，该类机型没有得到推广应用。

　　2、整杆式甘蔗收割机

　　整杆式甘蔗收割机的收获方式为整杆全青采式，有两种主要型式：一种为收割与剥叶联合式，另一种为收割与剥叶分段式。

　　联合式整杆甘蔗收割机可一次性完成：切梢、扶倒、切割、输送、清选、剥叶等工序。这类代表机型有广西农机研究所研制的以中马力轮式拖拉机作底盘的KALTOR—80型甘蔗联合收割机。

　　分段式整杆收割机可一次性完成扶倒、切割输送、铺放(或打捆)等工序。配上剥叶机和运输车，就可实现甘蔗收获分段式机械化作业。这类机型有自走底盘式、侧挂大中马力轮式拖拉机式和利用手扶拖拉机底盘式等型式，代表机型有广东农机所研制的4GZ—35型侧挂式甘蔗收割机、华南农大研制的侧挂式甘蔗收割机和自走底盘式甘蔗收割机、仙游县农机厂研制的配套手拖的4GZ—12型甘蔗收割机(与日本产NB—11K型相似)、南宁市百乐机电公司研制的配套耕整机的甘蔗收割机等。

　　与分段式收割机配套的剥叶机，均为人工喂入、集堆，可一次性完成切梢、剥叶等工序。主要代表机型有广西大学的4ZB—6A型、广西农机所的4ZB—12型、南宁市百乐机电公司的BL02A型等。

　　以上机型，有的已停产;有的经试验表明，技术路线是正确的，适应性、可靠性有待提高，正在开发试验改进中。由于技术上的因素，目前均没有大量推广使用。

　　另外，日前我国已研制出的甘蔗收获机主要有如下几种：

　　由广东农机所研制，半悬挂于拖拉机的右侧，外端支承在一个侧轮上的4Gz—35型侧挂式甘蔗整杆收获机。该机配套动力为丰收—35或红卫—40等中型轮式拖拉机。属剥叶式整杆收获机型，能一次完成扶蔗、切割、喂送、剥叶、分离清理、集堆装车等工序。且随机附有切削器.可根据动力负荷情况及生产单位的需要装配使用。但该机适应性较差，只能适应于行距1.2—1.4m，蔗茎弯曲倒伏不大严重、田间杂草较少的旱地大蔗田等条件下工作。且因附加的轮子使转弯调头不够灵活方便。

　　由福建农学院与仙游县农机厂研制的4Gz—12小型甘蔗收割机。该机是一种新型的立式割台整杆铺放式收割机，配用东风—12型手扶拖拉机的动力和底盘，采用轻型金属履带行走装置。由于专用底盘为全悬挂式，故操作灵活，转弯半径小，且配备了拔指链式扶倒器，可收获倒伏不太严重的甘蔗。对交叉倒伏严重的甘蔗该机仍然不能收获。

　　由云南农垦国营陇川农场研制的陇农一号甘蔗收获机。 该机属剥叶式整杆收获机型，半悬挂于拖拉机右侧。可一次完成打顶、切割、剥叶、清净、集堆等工序。配套动力为铁牛-55带慢速档轮式拖拉机。该机生产率6—8t/h，甘蔗破头率及折断率均低于5%，夹杂率<1.5%，各项性能指标均达到甘蔗收获机械暂行标准。但该机生产率偏低，同时亦不能收获严重倒伏的甘蔗。

　　由湛江农机所研制4GZ-100型甘蔗收获机。该机亦属剥叶式整杆收获机型，可与国内外多种轮式拖拉机配套作业，该机亦可一次完成切梢、扶倒、切割、剥叶、清理、集堆等工序。生产率为12t/h以上，损失率<0.5%，破头率<12%，剥叶干净。但该机在蔗株纵横交错且倒伏较严重的情况下工作时.存在漏割现象，损失率为3.2%。

　　二、国外甘蔗收割机械技术现状

　　目前，在国际上大规模种植甘蔗的国家有古巴，巴西，澳大利亚，美国等产糖大国，这些国家一些大庄园已经开始涉及到甘蔗收割机来减轻自己的劳动。国外现在采用的甘蔗收割方法也主要有以下两种：一是包括切割甘蔗顶叶子部分的切顶装置和切割甘蔗在地面根部的根切装置的收割机，但是目前这种收割机由于缺少对切顶高度和切根的深度的控制，在收割过高或过矮的甘蔗都不理想，既有可能造成切割不彻底，更有可能造成收割的浪费，使得此类收割机缺少智能化，显得很呆板，很容易造成浪费和剥叶不干净。二是先用火烧掉甘蔗的叶子，再用机械收割装置传入带有切割装置的切割器里，切成200mm-250mm的短条，不得不指出的是这种收割机在切成短条时，使短于200mm的甘蔗无法回收，而且不难看出，使用火烧掉甘蔗杆上的叶子，对于绿色甘蔗的收割是很不凑效的，此外这种方法祛除叶子也不干净，很容易损坏甘蔗杆，而且不良的燃烧还会造成环境污染。

　　从甘蔗收获机械的角度来看，国外甘蔗收获机械主要有两种型式：一种为切段式甘蔗联合收割机，一种为整杆式甘蔗收割机。

　　1、切段式甘蔗收割机

　　世界上发达的产糖国家，由于土地资源十分丰富，甘蔗连片种植面积大，田园平整，便于机械化作业。同时，糖厂制糖工艺接受切段式原料蔗，加上他们高度重视发展机械化生产，因此，甘蔗收获机械化水平高，大型切段式甘蔗联合收割机得到了广泛应用，如巴西已有80%的甘蔗生产实现了机械化收割，古巴也达到了72%。目前，在巴西、澳大利亚、古巴等产糖发达国家，大型切段式甘蔗联合收割机是甘蔗收获机械技术发展的主要方向。这些大型甘蔗联合收割机具有功率大、作业效率高、功能齐全、自动化程度高、含杂率低等特点，是全程机械化生产中成熟、稳定的收获机具。能够在作业时一次性完成：扶倒、切梢、收割、切段、清选、装载、蔗叶切碎还田等工序。加上与收割机作业配套使用的运输车、加油车、维修车等，就实现了甘蔗收获环节的全程机械化。大型甘蔗联合收割机的代表厂商和机型有：英国SERRANA公司、巴西SAHTAL公司、澳大利亚TOFT系列等。这些机型的24小时生产率达到了400～900吨。小型甘蔗联合收割机代表机型有日本久保田公司生产的UT—70K型、松元机工株式会社生产的MCH—15型等。这些机型功率较小，每小时生产率为3吨。

　　2、整杆式甘蔗收割机

　　这类收割机只实现甘蔗的割倒、铺放等工序，再利用配套的剥叶机进行切梢、剥叶，人工集堆后，机械装载，再用运输车运到糖厂。因此，也称为分段式甘蔗收获机械。这种机型适于丘陵地区小田块蔗田作业，目前在日本、菲律宾、印度尼西亚等国应用。该类机型较小，采收方式为整杆青采式。其结构特点是：以手扶拖拉机底盘为动力和行走装置，安装有地面仿型装置，割台可调程度高等。代表机型有日本文明农机株式会社生产的NB—11型、久保田公司生产的NB—11K型等，剥叶机有久保田公司生产的BMC—250型剥叶机等。该类机型在日本经过近三十年的改进与发展，技术上较成熟和完善。总的来说，该类机型在世界主产糖国应用范围不是很广泛。

　　三、甘蔗收割技术存在的问题

　　我国目前现有的甘蔗收获机基本上是整杆式联合收获机，它们虽然能一次完成切梢、砍头、剥叶、清理、集堆等工序，工作效率高，但机器庞大，结构复杂，所需配套动力大，机动性差，转弯不灵活，在小地块蔗田里并不能发挥作用，且不能收获严重倒伏的甘蔗。也就是说适合生产实际应用的成熟、稳定机型基本上还没有。现有机型主要存在以下问题。

　　(一)切段式联合收割机存在的问题

　　1、采收的切段蔗不符合糖厂要求。 由于甘蔗切段后，必须在16小时内开榨，否则甘蔗会产生变化，造成糖分下降，影响出糖率，而目前糖厂的生产模式不能保证在此时间内开榨。

　　2、整机结构对收获适应性差。首先，由于采用轮式拖拉机作底盘，需要对拖拉机的改动量过大。其次，机型大，转弯半径也大，目前蔗区预留空地不能满足作业要求。还有，蔗田起伏不平，割台可调性差，造成割茬不齐、破头率高;切梢装置调整不便，对生长高度不齐的甘蔗难以控制到合理的切梢长度;整机各部件的可靠性还有待提高等。

　　(二)整杆式甘蔗收割机存在的问题

　　联合式收割机采收的原料蔗虽然符合糖厂的要求，但是据多次田间试验表明：割台可调性差，造成割茬不齐，破头率高，影响了宿根蔗的发芽生长;剥净率低，含杂率高，损失率仍过大;输送装置还不完善等。但就今后的发展方向，整杆青采联合式收割机仍是最适合目前制糖工艺的较理想的收获机械。而分段式整杆甘蔗收割机采用轮式拖拉机作底盘和自走式底盘的收割机，整机外形尺寸大，转弯半径过大。割台的可调度差，没有仿型机构，不能随地形任意调整调台，影响了切割质量，主要反映在割茬不齐，破头率高。采用大马力拖拉机的机型，收割幅宽为单行(垄)，生产率与功率配套性差，经济性不明显。采用中拖侧挂的机型，整机质量分布不均衡，需加挂配重，影响收获速度和对蔗地会产生一定的破坏性。生产率低，劳动强度仍大由于该类机型作业一次性完成工序少，虽有剥叶机配套作业，但仍需较多的辅助工人。喂入、收集、打捆、堆放等无法机械作业，使得劳动强度仍偏高。剥叶机性能仍未成熟 剥叶元件的使用寿命偏低，增加了使用成本和维护工作量;整机结构对剥净率的提高仍有待改进;剥叶元件仍存在使甘蔗破损的现象，影响甘蔗质量。

　　§1-3 甘蔗收获机械的发展对策及前景

　　从以上的分析可知，现在所采用的甘蔗收割方式还比较落后，甘蔗收割机械技术也还存在很大的问题，现在的甘蔗收割机不能同时很好的实现各个程序合理搭配，适应操作，适时控制。而且社会的各个方面因素都对收割技术的发展产生影响。所以甘蔗收获机械的发展对策是我们要好好的考虑的一个问题。但综观世界经济发展趋势，甘蔗收获技术的发展前景是很可观的。

　　一、大力发展甘蔗收获技术的对策

　　任何一个项目的顺利完成，一般都要有政府的支持、上级领导部门的关心帮助，科研部门的研究开发，企事业单位的经费支持和过程操作，实验，服务等这几个环节，甘蔗收割机的研究开发与应用也是一样的道理。

　　(一) 加大政策扶持力度

　　世界发达的产糖国，甘蔗生产机械化发展得到了政策上的极大支持。而我国虽然有不少科研机构、企业、个人开展了收获机械的研发，但是投入仍然不足。首先甘蔗收获机械的研发，是整个蔗糖产业化中重要组成的一环。其次，研发的难度很大，需要大量的人力、物力投入。因此，各级政府部门应对甘蔗收获机械研发予以足够的重视，出台更多的优惠政策，加大财政投入，鼓励甘蔗收获机械的研发和推广使用。

　　(二)加强科研单位企业与科研单位的合作

　　制糖企业是建设的主体，是产业化的龙头，不单要在蔗糖的生产与销售上努力，也要在甘蔗机械化生产方面下工夫，因为低成本的原料蔗更能降低制糖成本。同时，制糖企业参与收获机械的研发，更能令企业产业向多元化方向发展。虽然开发甘蔗收获机械难度大，但是市场十分广阔，一旦突破技术的瓶颈，将会获得丰硕回报。

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文章名称： 浅析甘蔗收割机提升和转向装置设计

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