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52现代农业装备2024年4GP-1A型甘蔗收获机的设计与试验陈高峰，农宏亮，邱永兵，陆愈天，莫建霖，庞承妮（广西农业机械研究院有限公司，广西 南宁 530007）摘 要：4GP-1A型甘蔗收获机是一款小型履带自走式割铺机，采用模块化设计，全液压驱动，体积小、重量轻，田间转移灵活、便捷，作业效率高，适用于南方丘陵地区小地块、行距窄的蔗地收获作业。本文详细介绍了甘蔗收获机的总体结构与工作原理，主要部件和关键技术参数设计。田间试验表明，4GP-1A型甘蔗收获机总损失率2.3%，宿根破头率6.2%，铺放角9014，根差210 mm，性能指标达到设计要求。关键词：甘蔗；收获机；结构；设计；试验中图分类号：S24 文献标识码：A 文章编号：1673-2154（2024）02-0052-05收稿日期：2024-01-03基金项目：广西重点研发项目（桂科AB22035021）；国家糖料产业技术体系甘蔗收获机械化岗位任务（CARS-17-0403）；广西科技重大专项（桂科AA22117006）作者简介：陈高峰（1980），男，工程师，主要从事农业机械研究设计。E-mail:现代农业装备第45卷第2期2024年4月Vol.45No.2Apr.2024Modern Agricultural Equipment0 引言甘蔗是我国主要的糖料作物，种植面积占我国常年糖料种植面积的 85以上，甘蔗产业已成为主产区经济发展的重要支柱和农民增收的主要来源。同时蔗糖是我国重要的农产品,是食品行业中不可替代的重要原料,蔗糖产业的高质量发展关系到我国食糖的供给安全1。我国甘蔗种植面积虽然较大，但生产机械化尤其是收获环节机械化程度很低，特别是在丘陵坡地蔗区尤为明显。传统的人力、畜力作业，劳动强度大、工效低，花费的人力、财力大。随着农村劳动力大量转移2，甘蔗生产机械化将成为影响产业稳定发展的关键因素之一。甘蔗机械收获是实现甘蔗生产全程机械化的重要环节，是降低甘蔗生产成本、增加蔗农收入的重要途径。我国甘蔗主产区多为丘陵坡地，甘蔗种植区呈阶梯式分布，种植模式以单农户零散种植为主，中大型甘蔗收割机难以在当地得到推广3。在此背景下，开发一款合适丘陵地区地形地貌、体积小、重量轻、通过性能好、重心低、转弯半径小的小型甘蔗收获机十分必要。基于此，本文针对我国丘陵地区蔗区种植特点设计了一种 4GP-1A 型甘蔗收获机。1 总体结构与工作原理4GP-1A 型甘蔗收获机是一款小型履带自走式割铺机，采用模块化设计，全液压驱动，体积小、重量轻，田间转移灵活、便捷，作业效率高。整机主要由拨指式甘蔗收拢喂入装置、夹持输送铺放装置、驾驶室、液压系统、履带底盘、机具支架、切割装置、动力系统等部件组成，如图 1 所示。1.拨指式甘蔗收拢喂入装置；2.夹持输送铺放装置；3.驾驶室；4.液压系统；5.动力系统；6.履带底盘；7.机具支架；8.切割装置图 1 4GP-1A 型甘蔗收获机结构根据甘蔗的种植模式和农艺要求，整机主要技53第2期陈高峰 等：4GP-1A型甘蔗收获机的设计与试验术参数如表 1 所示。整机配套动力采用 74 kW 柴油发动机，额定转速为 2 200 r/min，全液压驱动，行走无级变速，行走速度范围为 015 km/h，为适应丘陵山区地块小、坡度大的作业环境，采用橡胶履带式行走底盘。表1 主要性能指标和技术参数项 目参 数配套动力/kW74外形尺寸（长 宽 高）/mm4 5002 4502 300结构质量/kg2 800最高行驶速度/kmh-1 15适应行距/m 1.2最大作业坡度/（）13总损失率/%4宿根破头率/%10铺放角/（）9020根差/mm 280纯工作小时生产率/hm2h-1 0.2燃油消耗率/kghm-2 90作业时，首先将甘蔗收获机切割刀盘调节到合适高度，启动各工作部件，将发动机调整到额定转速；然后收获机向前行驶，甘蔗由前端的收拢喂入装置进行归拢和扶起，紧接着甘蔗被切割装置快速切割根部后送入夹持输送铺放装置，夹持输送铺放装置将甘蔗有序夹持，同时收获机快速输送并由前进方向左侧把甘蔗整齐有序地抛出，铺放在蔗地上。2 关键部件设计2.1 收拢喂入装置收拢喂入装置分为左、右部件，主要由拨指链条、拨指支架、链条张紧装置、液压马达、轴承座等部件组成，如图 2 所示。为了实现对前方无序生长的甘蔗进行有效归拢和扶起，同时保证收获机的通过性，收拢喂入装置安装离地设计高度为 350 mm，与水平面的夹角为 55，左、右拨指为左右对称，呈“八”字排布。1.拨指支架；2.拨指链条；3.链条张紧装置；4.液压马达；5.轴承座图 2 收拢喂入装置结构2.2 切割装置切割装置采用单圆盘切割刀盘，用于切割甘蔗根部并把甘蔗送入夹持输送装置。主要由轴承箱、液压马达、刀盘固定座、升降油缸、上连杆、下连杆、刀盘、切割刀等零部件组成，如图 3 所示。1.轴承箱；2.液压马达；3.刀盘固定座；4.升降油缸；5.上连杆；6.下连杆；7.刀盘；8.切割刀图 3 切割装置结构切割刀盘线速度是切割装置的关键技术参数，实践表明，圆盘切割器的圆周速度与破头率和切割所消耗的功率有关。一般切刀圆周线速度取 15 25 m/s4。本设计刀盘转速取值 20 m/s。因为是单刀盘，设计时要保证每行的甘蔗都可以被有效切割，刀盘直径必须大于甘蔗根部生长宽度，目前单行种植的甘蔗根部生长的宽度一般最大在 450 mm 左右，同时为了使切割后的甘蔗通过刀盘上表面托持进入夹持输送装置，刀盘直径可设计稍大些，本设计刀盘直径为 600 mm。为了提高作业效率并确保切割质量，刀盘上均布安装 6 把刀片。收割机入土切割，刀片受冲击很大，为了使切割刀具有一定的刚度和强度，刀片采用 Cr12MoV 合金钢，保证切割刀不因工作中54现代农业装备2024年磨损而变化太大，同时升降油缸采用可在一定范围内弹性伸缩的柔性设计，实现仿地形作业。一般切割刀片与水平面（作业面）夹角为 10 205，本设计切割夹角为 15，作业时，收获机可根据不同的培土高度调节刀盘高度，为了保证切割夹角始终保持15，本设计采用了平行四连杆升降结构。2.3 夹持输送装置夹持输送装置主要由上部导向护栏、液压马达、轴承箱、十字联轴器、前夹持组件、夹持胶板、后夹持组件、拨指支架、拨指链条等部件组成，如图4 所示。前夹持组件入口端采用大链轮盘设计，甘蔗入口处呈喇叭型，有利于甘蔗进入夹持输送通道。前后夹持组件采用大弯弧设计，使甘蔗能快速顺滑通过“L”型输送通道。夹持输送装置的上层有导向护栏，下层有拨指同步输送，确保甘蔗能有序直立地输送。整个夹持输送装置与水平面的夹角为 15，有利于甘蔗夹持提升后抛出。夹持元件采用厚度为6 8 mm 耐磨橡胶板，固定在旋转链条上，实现柔性夹持输送甘蔗，即使在高速作业时，也不易伤蔗。1.上部导向护栏；2.液压马达；3.轴承箱；4.十字联轴器；5.前夹持组件；6.拨指链条；7.拨指支架；8.后夹持组件；9.夹持胶板图 4 夹持输送装置结构2.4 履带底盘甘蔗收获机的行走底盘有轮式和履带式。履带式行走底盘接地比压小、抓地力和坡度适应能力强，可原地转弯。考虑收割机对榨季下雨时蔗地粘滑、丘陵地区坡度较大等工况的适应性，本文采用橡胶履带式行走底盘，该底盘由无级变速箱、驱动轮、机架、支重轮、托轮、橡胶履带、导向轮等组成，如图 5 所示。1.无级变速箱；2.橡胶履带；3.导向轮 1；4.驱动轮；5.机架；6.支重轮；7.托轮；8.导向轮 2图 5 履带式底盘结构根据甘蔗“双高基地”种植采取 1.2 m 以上的等行距种植或宽窄行种植农艺要求6，同时考虑收割机在较大坡度作业时的稳定性，本机型履带轨距确定为 1.2 m，履带宽度为 0.28 m，可以保证收割机在作业时不碾压旁边一行甘蔗，在不对中收割时，又能收割最窄行距 0.9 m 的甘蔗，在丘陵坡地作业时也具有较好稳定性。履带接地长度 L 要适中，过长则转向阻力大导致转向困难，过短则纵向平衡性差，会发生翘头或翘尾现象，同时接地压力也会偏大。按行走装置的工作环境及设计要求，允许的平均接地比压值 P 55 kPa 7。根据履带平均接地比压值 P 和整机质量 G，确定履带接地长度 L。接地比压值 P 与履带接地长度 L、履带宽度 b 应满足式（1）：G/2Lb P （1）根据收获机结构设计的总质量，取 G 为 30 kN，选定履带宽度 b 为 0.28 m，计算得 L0.95 m。考虑纵向稳定性，取履带接地长度为 1.4 m。55第2期陈高峰 等：4GP-1A型甘蔗收获机的设计与试验履带行走装置的接地长度和履带轨距的比值对履带行走机构的转向性能和转向所需的功率影响较大，如果比值超过 1.7，履带行走装置很难转向，如果比值小于 1.0，行走机构的直线行走能力较差，必须频繁转向8。根据设计，履带轨距 B 为 1.2 m，如式（2）所示：L/B=1.17 （2）计算得到的比值小于 1.7，大于 1.0，满足要求。为了保证通过性，底盘离地最低位置设计高度为 0.3 m。根据我国主要甘蔗种植区大部分坡度小于15 的状况，甘蔗收割机应具备不小于 15 的爬坡能力 9。接近角和离去角是机器接近或离开障碍物时不产生碰撞的可能性表示，接近角和离去角越大，通过性越好10。同时，为了平衡履带底盘接触压力，保证足够的接触面积，该履带底盘采用的接近角为22，离去角为 13。2.5 液压系统设计4GP-1A 型甘蔗收获机的作业系统由液压系统驱动，收获机的液压系统由 2 组工作泵，3 组控制阀组及工作马达组成；形成 3 个独立单元协同完成切割、夹持输送等工作机构的驱动；刀盘机构在作业过程中保持恒定转速，确保作业过程中的顺畅收割；收拢喂入/夹持输送铺放机构增设流量分配器，其输出转速可在不同的行车作业速度下进行匹配作业，刀盘油缸可在作业过程中进行高度调整，实现高效收割作业。液压传动与控制系统如图 6 所示。1.流量分配器；2.单联泵；3.工作双联泵；4.刀盘控制阀；5.刀盘马达；6.输送控制阀；7.拨指/夹持马达；8.油缸控制阀；9.提升油缸；10.刀盘油缸图 6 液压传动与控制系统2.6 关键参数设计研究试验表明，甘蔗铺放效果主要与收获机作业速度、收拢喂入装置转速、夹持输送铺放装置转速 3 个因素有关，3 个因素相互影响。为了保证4GP-1A 型甘蔗收获机的收割效果达到要求，需要对上述因素进行设计计算。根据设计作业效率，本文以收获机作业前进速度 V 为 0.6 m/s 为前提来设计。1）收拢喂入装置转速收拢喂入装置与水平面夹角为 55，拨指的回转线速度 V1应满足式（3）：V1=V/cos55=1.05 m/s （3）其主动链轮分度圆直径 d1为 152 mm，经式（4）计算得出收拢喂入装置工作转速 n1为：n1=60V1/d1=132 r/min （4）2）夹持输送铺放装置转速夹持输送装置与水平面夹角为 15，夹持输送装置作业线速度 V2应满足式（5）：V2=V/cos15=0.62 m/s （5）其主动链轮分度圆直径 d2为 142 mm，经式（6）计算得出拨指装置工作转速 n2为:n2=60V2/d2=83 r/min （6）为了让收割的甘蔗以倾斜于地面的姿态输送抛出，更好地满足铺放整齐和铺放角度、根差要求，实际输送线速度要比理论值快，一般在 1.2 1.4 倍，因此最终夹持输送装置转速取 100 r/min。3）作业速度与关键部件转速关系根据上述计算，并经试验验证修正后，得出4GP-1A 型甘蔗收获机作业速度与关键部件转速关系如表 2 所示。表2 甘蔗收获机作业速度与关键部件转速关系甘蔗收获机作业速度/ms-1拨指转速/rmin-1夹持输送铺放装置转速/rmin-1低速档0.36650中速档0.6132100高速档0.81761333 田间试验2023/2024 榨 季，4GP-1A 型 甘 蔗 收 获 机 先 后在广西南宁武鸣区锣圩镇、城厢镇、板土镇等地的56现代农业装备2024年蔗区进行收获作业试验。收获试验甘蔗品种为桂糖44 号，种植行距在 1.2 1.5 m，作业地块最大坡度11，累计试验时间 8 d，作业收获量约 300 t，作业面积约 50 亩（1 亩=0.067 hm2）。作业性能测试结果总损失率为 2.3%，宿根破头率为 6.2%，铺放角为 9014，根差为 210 mm，纯工作小时生产率为0.22 hm2/h，燃油消耗率为 84 kg/hm2。4 结语1）根据收获作业试验结果来看，4GP-1A 型甘蔗收获机各关键部件设计合理，性能可靠，总损失率、宿根破头率、铺放角、根差等重要性能指标均达到设计要求。2）本文设计开发的 4GP-1A 型甘蔗收获机是一款小型履带自走式割铺机，采用模块化设计，全液压驱动，体积小、重量轻，田间转移灵活，适用于丘陵坡地蔗区小地块、行距窄的蔗地收获作业，作业效率高。不足之处在于操作舒适性有待改善，同时整机动力较大，可以进一步减小马力，优化机身设计、缩小体积、降低重量，从而降低燃油消耗。参考文献1 张跃彬，邓军，胡朝晖.“十三五”我国蔗糖产业现状及“十四五”发展趋势 J.中国糖料，2022，44（1）：71-76.2 彭钊.基于技术路线图的甘蔗生产机械化研究 D.广州：华南农业大学，2010.3 张雪恒.垄作甘蔗轻简化手扶式收割机设计与试验D.杭州：浙江理工大学，2022.4 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册M.北京：中国农业科学技术出版社，2007.5 高巧明，罗悦洋，向浩，等.丘陵山地模块化甘蔗割铺机设计与试验 J.农业机械学报，2023，54（S2）：71-80，90.6 卢业飞，黄燕妮，伍才龙，等.广西糖料蔗“双高”基地和良繁基地建设情况研究 J.广西糖业，2017，12（6）：3-6.7 杨子增，曾伯胜，陆愈天，等.4GQ-1C 型甘蔗收获机的设计与试验J.现代农业装备，2020，41（4）：16-21.8 孙超，左鹏.采摘平台履带式驱动机构的设计与计算 J.当代农机，2018（4）：75-77.9 梁宇达，邹小平，胡圣荣，等.切段式甘蔗联合收割机履带底盘设计与试验 J.甘蔗糖业，2015（5）：23-27.10 吕小荣，丁为民，吕小莲.丘陵山区小型多功能底盘液压系统的设计 J.华中农业大学学报，2014（3）：128-132.Design and Experiment of 4GP-1A Sugarcane HarvesterCHENGaofeng,NONGHongliang,QIUYongbing,LUYutian,MOJianlin,PANGChengni(Guangxi Agricultural Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Nanning 530007,China)Abstract:The 4GP-1A is a small tracked self-propelled cutting and paving sugarcane harvester.It features modular design,fully hydraulic drive,compact size,light weight,flexible transfer in the fields,and high operating efficiency.It is suitable for sugarcane harvesting operations in small and narrow fields in hilly areas of the southern china.The structure and parameters of the sugarcane harvester are detailed in the paper.Field trials have shown that the total loss rate is 2.3%,the ratoon breakage rate is 6.2%,the laying angle is 9014,and the root difference is 210 mm.The performances indicators meet the requirements of the agricultural machinery promotion and appraisal outline.The 4GP-1A sugarcane harvester meets the design requirements.Key words:sugarcane;harvester;structure;design;experiment