一种小型辅助人力甘蔗收割装置

江正勇，毛羿茹，马少春

(中国农业大学工学院，北京100083)

0 引言

甘蔗是热带和亚热带地区的一种多年生宿根作物。在中国，甘蔗种植主要集中在广东省粤西地区、广西西南部、云南省南部和海南省等优势地区[1]。但目前我国的甘蔗收割仍靠人工[2]。大面积种植的甘蔗可用于制糖的主要部分是蔗茎，因此在砍下甘蔗后还需除去甘蔗杆表面的杂叶以及糖分含量较少的蔗梢。在传统人工作业中，往往是先将甘蔗砍下，再进行除叶、去梢，即分步进行。甘蔗根切需要蔗农弯下腰进行劳作，长期的弯腰不仅劳动强度大，对人的身体健康也有非常大的影响。同时由于甘蔗的收割处理分为3步，效率非常低，使用人力的费用较高，相比澳大利亚、巴西等机械化程度高的蔗糖生产大国，我国甘蔗生产成本要高近 1倍[1]。广西在2014/15年榨季甘蔗机械收割量为21.02万t，收割机的数量119台[2]，到了2019/20年榨季，甘蔗机械收割量为174.58万t，甘蔗收割机的数量达1158台[3]。因此，近年来，国内对于甘蔗收割机的研究日益增多，也已经有了很多成果，实验证明，甘蔗收割机的效率非常高，但是也存在着很多问题。例如宿根破头率可能会增加，宿根的破损会导致宿根坏死、不发芽，影响下一年的发芽率。同时机械收获的甘蔗含杂率比人工收获高是不可避免的，人工收获时，含杂率一般为0.2%～3.0%；机械收获方式下，切断式甘蔗收获机的作业质量要求为含杂率≤8%，但由于其作业特性及环境因素等综合影响，含杂率一般为 7%～20%[4-6]。此外，我国甘蔗主产区地形复杂，在甘蔗种植大省的广西，80%的面积都为山和丘陵[3]，丘陵山地地形不适于大型收割机的作业，根据我国目前情况，甘蔗地适合大型机械化模式的面积只占10%左右[4]。在广西等甘蔗生产区，甘蔗收获主要在1～3月，近几年在该时间段经常会阴雨连绵，影响收割机下田作业[5]。因此尽管甘蔗收割机的效率十分高，我国的甘蔗收割机械化程度仍较低。在甘蔗种植面积占据全国60%以上的广西，2018/19年榨季的平均机收量仅为1315 t/台，按60天榨季适宜机收时间计算约折合为每天21.92 t/台，远低于收割机单机设计收割能力，反映出行业内普遍存在的单机作业效率不高的问题[7]。在未来 5年或者10年，人工收割甘蔗仍然占据一定的地位，所以设计一种小型辅助人力甘蔗收割装置很有必要。基于现状，我们设计了一种可以减轻人力劳动强度、提高生产率的辅助人工装置，以期为甘蔗收割的发展提供参考。

1 甘蔗收割机的设计与分析

1.1 整机结构与工作原理

1.1.1 整机结构

装置主要由切割装置、支撑底壳装置、推拉杆、齿条、齿轮和踏板装置、束脚脚环装置组成，装置三维图和装配图分别见图1和图2。

图1 装置三维图

图2 装配图

1.1.2 工作原理

动力输入为人的重力，通过脚踩踏板装置输入，踏板装置和踏板装置下表面中部推拉杆一起向下运动，此时推拉杆为压缩杆，动力输入给齿轮，由于支撑底壳装置与齿条的限位及配合作用，齿轮将实现向后的滚动从而带动齿轮上的绕绳，给切割装置后部一个合并力实现剪切甘蔗，从而达到切割装置合并，即剪切效果。当复位时即通过束脚脚环装置与踏板装置连接抬起踏板，推拉杆一起向上运动，此时推拉杆为拉杆，齿轮向前运动，切割装置及钢绳在复位弹簧及此运动作用下实现复位。

1.2 剪切功能仿真验证

1.2.1 模型处理

在现有的模型如图1和图2所示上进行一些简要的处理删减后，可以运用如图3所示的简化模型进行仿真；模型处理有图2中的踏板装置简化为图3中的压杆1；钢绳简化为图3中的连接杆2，实现传力，即钢绳在结构中的作用为传导动力，即用此代替并不影响最终受力结果分析；图2中的齿轮简化为图3中的圆滚，图2中的齿条简化为图3中的平板，即齿轮配合副转化为接触副，不影响所需处受力结果，进行仿真。

1.2.2 参数释义

如图4所示，主要铰点作用力有Y轴方向作用力F1、X轴方向作用力F2、合力F及合力F与压杆的角度α；推拉杆长度L。

如图5所示，标注为切刀的最大切径d，既切刀达到最大剪切张角，即在滑槽的限位下有此最大张角，此参数用于切刀能剪切甘蔗的最大直径。

如图6所示，标注为踏板最大升角θ，此踏板最大升角θ在确定槽位置尺寸后即能确定推拉杆长度L。

图3 简化模型

图4 作用力绞点及推拉杆长度

图5 切刀最大切径

图6 踏板最大升角

1.2.3 结构仿真

设计尺寸过程中，在一些基本参数确定后可以利用其余的尺寸分析得到合理的整体结构尺寸，达到设计目标要求。

改变推拉杆长度L，可以改变踏板的最大升角θ、切刀的最大张径d及切刀的闭合状态，结果如图7、图8及表1所示。根据图7、图8结合表1可以分析得出，结合甘蔗根部一般直径变换范围(17～34 mm)[8]及切刀的弧度设计，在推拉杆长度L=85 mm时，可以得到较为合理的最大切刀张径d=64 mm，在最大切刀张径下便于切刀定位到甘蔗根径，及在最大处张径d=64 mm时，由三角形中位线定理可知，弧度设计的切刀不仅可以克制切刀切割时的滑刀现象，还可以扩大中部主要切刀位置的切割直径d′＞32 mm。考虑到直径较为偏大的甘蔗，设计过程中也合理地优化整体结构尺寸的紧凑和较小的踏板最大升角为24°，有利于穿戴使用时的舒适性及操作时输入力的节约性。

图7 推拉杆长度-切刀最大切径曲线

图8 推拉杆长度-踏板最大升角曲线

表1 推拉杆长度-切刀闭合状态

1.2.4 力学仿真

如图9所示，在压杆上添加一驱动实现切刀的合并剪切过程。图10所示，在切刀剪切面处施加一剪切反向阻力f，表示切割甘蔗时所受的反向阻力，其值根据查阅文献值取最大值来进行实时仿真计算，一般的根切甘蔗力最大约为500 N左右[8]，本次取此参数作为最小值进行一定的增力进行仿真；即如图9所示位置在杆上添加一往复驱动实现运动实时仿真，其它结构参数由上可知选取推拉杆L=85 mm，踏板最大升角θ=24°进行力学仿真比较合适。

图9 复驱动示意图

图10 切割阻力f受力示意图

首先在施加一助力f=800 N时，可以得到铰点的各向作用力(铰点Y轴向力即F1、铰点Z轴向力即F2)与踏板角度θ的关系曲线如图11所示，据此可以计算出铰点的合力作用力(即F)及所需输入力与踏板角度θ的关系曲线如图12所示。据图11分析可得，在初始θ=23°时，铰点的作用力主要作用在在Y轴方向上，Z轴向的较小，在铰点两方向的作用力的交点后作用力在Z轴向的作用比较明显，其铰点作用力的合力也是如此，但是随着角度的变化可以得出所需的输入力并非如此，图12可以看出输入力是在有一个递减的趋势，所以在角度较小时 Z轴向作用力比较突出，但是角度的变化带来的影响更加明显，从而导致力矩的变小，所以才有输入力的一个递减趋势，也符合设计时的一个考虑角度，所以取初始值加以分析可以得出一个比较省力的参数性能验证。

图11 踏板角度-绞点各向作用力曲线

图12 踏板角度-绞点合力作用力曲线

通过改变切割阻力f的大小可以得到不同阻力下的铰点初始时各向作用力及合力的大小，并且据此分析计算出需要的铰点作用力合力及所需输入的人力。图13的F1曲线及图14的F2曲线可以看到铰点的2个方向的主要作用力的大小关系(图15和图16)，根据上一步的分析在此主要分析铰点的 Y轴方向的力曲线关系及铰点合力作用力的关系曲线，以及所需的输入力关系曲线。通过数据曲线可以得出在切割阻力f的变化下，铰点初始的各向作用力也随之变化，在Y轴作用力方向变化比较规律，符合一定的比例，在Z轴方向上是出现波动的，但是其力比较小，波动影响不大。图15显示铰点的合力也是比较规律的变化，也符合在Y轴方向的作用力的变化。图16可见所需的输入力的曲线变化也是比较规律，其重点也是所需的输入力大小，在曲线的一个比例关系可以得出一个省力的K值，K=0.299，即此为省力系数，在切割阻力比较大的情况下所需的输入力会较好的减小，达到一个减轻劳动强度的设计目标。

1.3 参数设定

图13 剪切阻力-铰点Y轴方向力曲线

图14 剪切阻力-铰点Z轴方向力曲线

图15 剪切阻力-铰点合力曲线

图16 剪切阻力-输入力曲线

1.3.1 壳体参数的确定

本装置旨在能像鞋子一样，人们只要穿上它，即可进行收割甘蔗工作，故装置的设计必须符合人机工程学，能较好地贴合脚的形状且穿上后能够方便地收割甘蔗，这对装置的外观及材料提出了要求。装置的外壳体必须要能容纳成年男性的脚掌，我国成年男性平均脚长为249.72 mm[9]，故外壳体的长度采用260 mm。

外壳体必须有足够的宽度来容纳剪刀下端展开，根据前文分析，只需要转动24°即可使剪刀具有足够的强度，故外壳体的宽度采用210 mm。为了使用该装置时能更加方便舒服，外壳体应在能实现功能的情况下尽可能矮，甘蔗收割时有效切割距离为离地80 mm，再加上剪刀的厚度及外壳体的厚度，装置总体的高度设置为120 mm。

1.3.2 机体便携性的确定

我国蔗区地形复杂，60%属于丘陵坡地。广西是中国最大的甘蔗种植基地，种植面积和蔗糖产量均占全国约60%，坡度小于15°的甘蔗地占总面积的87.6%。在丘陵坡地上进行甘蔗收割作业时，为了能提高生产效率，机体必须有很好的便携性，以减少人使用装置时的体力损失。整体机体设计时应尽可能轻盈，故主要部件考虑铝合金材料，既有一定的强度，又有较轻的质量。

2 小结

本文设计了一种小型辅助人力甘蔗收割装置，它的优点主要有：

⑴本装置在使用时，脚部完全独立使用本发明进行甘蔗收割时的根切步骤，不仅可以避免劳动人员的一个弯腰砍切甘蔗的一个高强度劳动过程，还可以让操作人员的双手得以空出，同时进行甘蔗的剥叶、去梢收割，从而简化了收割甘蔗的步骤，可以提高作业效率、双重减少人力输出。

⑵本装置采用杠杆原理，利用操作人员自身的重力实现对甘蔗的根切，有效地利用人力的输出。人员砍切甘蔗需要大约420 N[10]的切力，而本装置则仅需要约150 N的输入力，进而有效减少劳动力的输入。