烟草收获机技术发展概述

余泳昌，魏富德，秦伟桦，刘　通，曾　敏，宁旺云

(1.河南农业大学 机电工程学院，郑州　450000；2.云南农业大学 机电工程学院，昆明　650201)



烟草收获机技术发展概述

余泳昌1，魏富德2，秦伟桦1，刘通2，曾敏2，宁旺云2

(1.河南农业大学 机电工程学院，郑州450000；2.云南农业大学 机电工程学院，昆明650201)

摘要：烟草机械化收获是我国烟叶收获面临的主要问题。在国外(如意大利、美国、加拿大等国家)，烟草机械化收获技术发展较快，自动化及半自动化的烟草收割机已经批量生产并投入应用，且应用效果较好。目前，我国也对烟草收获机械进行了研究和开发。为此，在总结国内外烟草收获机技术发展的基础上，对烟草收获机的结构、收获方式、性能特点和主要参数进行了分析，并指出了在研究和应用方面存在的问题及未来烟草收获机技术的发展方向，为烟草收获机的研究和开发奠定基础。

关键词：烟草收获机；技术发展；发展方向

0引言

烟草是一种重要的经济作物，在我国的国民经济中占有重要的地位。我国的烟草历史最初源于明朝万历年间的吸闻鼻烟，从此以后逐渐开始了烟草的种植。由于我国地域广阔，烟草的种植面积也比较大，全国大部分地方都有种植，品种多样，逐渐形成了以烤烟为主体的多类型烟草的结构[1-4]。目前，中国、巴西、印度、美国、阿根廷、马拉维、津巴布韦是世界上主要的烟草生产大国。其中，我国的烟草和烤烟产量分别占世界总产量的67%和50%，烟草行业在我国的国民经济中占有重要的地位。烤烟生产集中在东北、黄淮、西南和中南四大烟区[5-7]。我国作为一个烤烟大国，河南、云南、福建等地都大量种植烟叶，烤烟已成为当地农民收入的重要组成部分。在烟叶生产过程中，采摘是基础性的工作。烟叶的收获技术包括收获时期、收获方法和产后处理3个环节，涉及到作物生态生理、农业机械及农产品处理各个方面，不仅影响到作物产量，还会影响到农产品质量和土地经营者的经济效益。所以，及时、科学地收获烟叶是保证烟叶品质的关键[8-10]。

目前，我国绝大多数烟农还是手工采集烟叶，效率低，需要消耗大量的劳动力和时间，并难以保证及时采摘。在需要收获的烟叶量极大的情况下，手工采集已不能满足需要，而且容易错过最佳收获时间。虽然目前也有少量半机械化和机械化的收获机投入使用，其采摘效率比人工操作高，能及时完成采摘作业；但是这类烟草收获机的结构大多比较复杂，烟草收获机的造价比较高，且在田间施工的时候容易损坏，一直未能得到广泛使用，进而造成经济损失，也在一定程度上制约了烟草行业的发展。随着种烟区烟草收获问题的逐渐突出，为了提高烟农的收获效率和经济效益，降低烟农的劳动强度与生产成本，国外不同国家已经开发了不同类型的烟草收获机，我国也日益开始重视烟草收获机械的研究和开发。其中，对农民实施购机补贴政策也在一定程度上推进了国内对烟草收获机研发工作的开展。

1国外烟草收获机技术发展

在美国、意大利、加拿大等国家，烟草种植有着不同的种植模式，如烟叶种植的行距和株距多数不一样：在西班牙，烟草种植行间距为120cm或130cm；在意大利，烟草种植的行距多为120cm，且烟草种植从初期已经开始采用机械移栽，机械田间管理等作业，这样种植的烟叶都在同一直线行上，也方便后期的烟叶机械化采收。由于行间距的不同，烟叶收获存在着不同的形式，因而烟草收获机的类型多样：如美国MarCo公司制造生产型号为6027型牵引式烟草收获机和型号为6360型自走式烟草收获机[11]；意大利DeCloet公司生产的2TTH型烟叶收获机及SPAPPERI公司生产的RA341等不同类型的收获机。烟草收获机的类型较多，而且机器所采用的液压传动等控制技术是先进的、具有代表性的。另外，在烟草的机械化与集约化方面，美国等国家已经实现了烟田采收的机械化作业和烟叶生产的高度集约化，可以说国外的烟草种植技术已经发展到了一个新的水平[12-13]。

根据作业机械化程度的不同，烟草收获机可以分为自走式烟草收获机和半自动烟草收获机。

1.1自走式烟草收获机

美国、意大利等国外的烟草收获机技术发展较快，自走式烟草收获机是现在烟草收获中技术较为先进的机器。其中，具有代表性的是美国MarCo公司生产的6360型自走式烟草收获机、意大利DeCloet公司生产的2TTH型收获机，以及意大利SPAPPERI公司生产RA341、RA632、RA731、RA742和RA942等型号各异的烟叶收获机。但是，不同国家的烟草收获机在机器结构、收获方式和性能特点等方面也存在着不同之处，以下从这几个方面进行分析。

美国MarCo公司生产的高性能6360型自走式烟草收获机,如图1所示。

图1　6360型自走式烟草收获机

该机器动力为72.8kW的约翰迪尔的发动机；采用风冷和液压油驱动式的三轮全液压驱动，提高了油液的经济性；车速通过液压油量调节进行无极变换，最小和最大车速通过控制手柄可以较好的控制，车速改变稳定且操控性能好。图2为车辆操控手柄。整车采用萨奥丹佛斯的控制系统，作业过程中车辆的性能参数指标可通过数据传输显示在驾驶室的控制屏幕上，使驾驶员更好地掌握整车的运行状态，图3为架驶室内的控制屏幕。其前轮和后轮采用不同型号的轮胎，提高了整车的滚动性能，采用三轮型式使整车在烟草的行间通过性增强；链条驱动切刀，用于切割烟叶；液压马达带动传送带，用来输送烟叶制采集箱；驾驶室设置在最前方，且距地面较低，驾驶员安全性较好。该机器在田间跨两行烟叶采收，作业效率较高。

图2　操纵手柄

图3　驾驶室内控制屏

意大利DeCloet公司是最早制造生产烟草收获机的厂家，1979年制造了世界上第1台全自动自走式的烟草收割机，如图4所示。后来，又继续研发制造了较为先进的2TTH型烟草收获机，如图5所示。2TTH型机器采用84.5kW的约翰迪尔的发动机，整车长为6.8m、宽为2.9m、高为3.3m；与美国6360型收获机相似，也采用三轮全液压驱动技术，转弯半径较小为3.2m，速度范围为0～24km/h；双行输送带由液压马达驱动，速度可调，烟叶卸载高度为3.5m，车辆作业过程中的性能参数可实时地进行屏幕显示。车辆作业的现场采收图和烟叶卸载图分别如图6和图7所示。DeCloet公司生产的烟叶采摘机广泛应用于美国、墨西哥、印度、巴基斯坦、南美洲和欧洲国家。意大利对烟叶采收的成熟度要求较高，烟叶采收分4次完成，其烟叶采收已实现机械化作业。烟草收获机主要有3种：①完全机械化采收，一人操作一台采收机，一次采收2行烟叶；②大型人工采收机，一台采收机需要5个工作人员，其中1人驾驶机器，2人采收烟叶，2人在车厢内整理烟叶；③小型人工采收机，驾驶和采烟由1个人同时操控。同时，意大利在生产上主要以大型人工采收机为主，多数的农场采用全机械化模式[14]。

图4　意大利第1台自走式烟草收割机

图5　2TTH型烟草收获机

图6　2TTH烟草收获机作业现场

意大利某公司也制造出了一种收获布赖特烟叶的配有独特摘叶装置的履带式自动摘叶收获机。其履带轨距为1.9m，收获行距为0.9m的烟叶一次可以收获两行，机高为2.2m[15-18]；机架上可以装配烟叶打顶装置和喷药装置，进行打顶和喷药作业。收获机上装有26kW的发动机，各作业机构都由液压机传动。为了适应在潮湿烟田里行走，收获机装配了超长履带(从驱动轴到导向轮距离为2.8m),可以减少整地宽度和转弯时间。

意大利SPAPPERI公司生产的RA341、RA632、RA731、RA742及RA942等机型的烟叶收获机均属于自走式烟叶收割机[19]。

根据烟秆上烟叶分布位置的不同而收获方式不同，主要分为两种：一种是针对烟叶分布于较低或中间部位的烟叶采摘机，其机型有RA341(如图8所示)、RA632(如图9所示)、RA942(如图10所示)3类；另一种是针对烟叶分布于顶端的烟叶采摘机，其机型有RA731(如图11所示)和RA742(如图12所示)两类。

图7　2TTH烟草收获机烟叶卸载

图8　RA341型烟草收获机

图9　RA632型烟草收获机

图10　RA942型烟草收获

图11　RA731型烟草收获机

图12　RA742型烟草收获机

根据烟草收获机车辆底盘轮胎驱动形式的不同，可分为三轮液压驱动和四轮液压驱动。以三轮液压驱动为主的机型主要有RA632、RA731。RA632机型的烟叶采摘机在田间适宜行走的行间距为115cm，通过液压驱动系统驱动3个轮胎行走，并且通过前轮进行转向。根据农艺要求，烟叶采摘机必须以成熟度为标准，从最低的开始逐渐向上进行收获，可一次性收割两行烟叶。收割时，当烟草受到旋转橡胶圆辊螺旋运动冲击时，烟草将会被拔出来；通过特殊的电子液压传感器持续感知跟踪地形轮廓和作物行间距的直线度，落叶装置的精确性和稳定性将会得到保证；收获后的烟叶通过金属辊被送到输送带上，进而通过举升机构将烟叶送入存储箱，利用风机的作用，存储箱箱内的烟叶将会受到持续空气流的吹动；当存储箱满载时，烟叶将会被卸到运输车上，最终完成烟叶采收。以四轮液压驱动为主的机型主要有RA341、RA942和RA742。

根据机器作业时采收烟叶行数的不同，可分为自动化1行采收和2行采收。作业时，自动化采收1行的机型主要有RA341和RA731。RA731机型是全自动化适用于顶端烟叶采收的烟叶收获机，一次性收割1行烟叶，在田间适宜行走的行间距为800～1 200mm，通过液压驱动系统驱动3个轮胎行走，通过后轴转向。自动化采收2行的机型主要有RA632、RA942和RA742。

1.2半自动化收获机及其他收获机型

自走式烟草收获机多为大功率型收获机械，适用于面积较大的烟田。对于小块地，半自动式和人工辅助采收的机器则适应性更好。图13为Decloet公司制造的一种半自动采摘机。该采摘机在减少一定的采摘速度的前提下，极大地减少了烟叶的破碎率，适合小块烟田使用。在机器作业过程中，一方面需要操作机手负责操控机器，使得机器沿行间随烟叶行行走，机器跨在烟垄上；两端车架上设有放置装烟叶的烟筐，烟筐后设有座椅，人工坐在座椅上负责采收烟叶，机器行走的速度与人工采摘烟叶的速度相匹配，大约为为0.5～1km/h。该机器的优点是人工采收烟叶对烟叶的损伤较小，烟叶完整，采收效果较好；但是相比于机器采收作业，半自动采摘机作业效率较低，较适合小块烟地。

图13　DeCloe 半自动烟叶采收机

图14为意大利SPAPPERTI公司生产的RA1TO型烟草收获机。该机器结构尺寸较小、方便灵巧，跨一行烟行作业采收，行宽为45cm，整机质量仅为540kg，车速范围为0～5km/h；采用液压转向和液压制动机构，执行动作通过驾驶员处的操纵杆来实现，从而可以有效地控制车辆的前进。液压元件的有效布置使得车辆在田间作业的前进、转向、制动和采收等动作性能更好。采收烟叶时，通过采收刀(如图15所示)把烟叶拨到两侧的输送带上，被打落的烟叶通过风机口的通道被吹落到机器后方的采收烟框里，从而完成烟叶采收。

图16为美国MarCo公司设计制造一款整秆式6027型烟草收获机，其最大特点在于收获烟叶进行整秆收获，采收烟叶形式不同与以往的收获机型。该收获机具属于三点挂接式，需要58.8kW以上的拖拉机牵引作为动力，通过后输出轴为液压设备提供动力。当机器作业时，拖拉机和机具前进方向与烟叶茎秆方向垂直，在靠近地面的烟叶位置，切刀把烟叶茎秆切断；通过特殊的夹持装置，在输送链的传送下，把烟垂直向后输送，最后烟叶被水平一层一层的放置在输送车上，进而完成烟叶采收。该烟草收获技术虽然把烟秆进行整秆收获，但烟杆植株的块根仍留在田间，还需要拔出机械对烟田进行再处理。总之，该机器的烟叶收获方式还是值得借鉴的。

图14　RA1TO型烟草收获机

图15　RA1TO型烟草收获机采收辊刀

图16　6027型牵引式烟草收获机

2我国烟草收获机技术

农作物自动化收割能够大大节省农民的劳动时间，降低劳动强度，提高工作效率。目前，随着国内外自动化技术的高速发展，许多种农作物如玉米、小麦、水稻等的收割已经实现了自动化，并大规模应用，极大的促进了农业发展。我国虽然是烟叶生产大国，但我国烟草采收的机械化却相对较为落后，烟叶采收一直处于人工作业阶段[20]，这主要与我国的烟叶种植模式、烟草种植农艺要求、种烟区分布和烤烟的要求等相联系的。我国的种烟区主要分为3个区域：东北种烟区、黄淮种烟区和丘陵种烟区。东北种烟区由于地广人稀，种烟地块面积大，需要生产效率高的大型烟草收获机械。黄淮种烟区由于人口密度大，烟农习惯分散种植，每户的种烟地块面积不大，大型收获机械虽然作业效率高，但价格昂贵，地头转弯半径大，转弯时对烟草的损伤率较高，烟农难以接受；对于转弯半径小的小型收获机械，烟农们却乐意接受。丘陵种烟区由于地面起伏大、地块面积小，烟农们更需要机动性更好、适应于山地丘陵的微型烟草收获机械[21-22]。所以，国内的许多烟草公司从国外引进的烟草收获机械，由于不适宜国内的烟田情况，而且价格较贵，很难在国内进行推广和应用。国外的烟草收获机技术发展较快，而在我国许多科研院校和烟草机械生产厂家也对适应本土化的烟叶收获机进行了相关的设计和制造，但目前主要的机型仍较少且技术应用都比较低。

在我国，烟草的种植情况比较多样，行间距的控制没有统一的标准，在国内烟草的种植行距有90、120、130、140cm，且烟草行不在一条直线上。所以，依据收获机在田间作业实际情况和作业机械化程度的不同，我国的烟草收获机可分为自走式烟叶收获机和半自动人工辅助采收机。

2.1自走式烟草收获机

北京德邦大为科技有限公司与意大利DeCloet公司合作生产的烟叶采摘机在国内属于较为先进的自走式烟草收获机械。该机器可以准确、快速地采摘烟叶，对烟叶的损伤率较低，能轻松地把烟叶从后方的存烟篮转移到烟叶拖车上；同时，机器上带有中央监控系统，可随时在驾驶室中实时查看收割机的各项指标。表1为烟叶采摘机的主要技术参数。

表1　烟叶采摘机主要技术参数

续表1

但是该机器在国内烟草采收时的适应性并不是很好，机器作业完毕后收获的烟叶经常会出现破损、破裂和搅碎的现象，无法再对烟叶进行分级和处理，所收获的烟叶属于无用的材料。所以，仍需要对采收机进行改进和优化。

2010年，河南农业大学李燕、刘国顺、刘军等设计发明的“一种自动行走的烟草收获机[23]”，解决了人工采收烟叶效率低下和少数半机械化收获机结构复杂、造价较高、易堵塞等问题，提供了一种机构简单的自动行走烟草收获机。图17为河南农业大学设计的一种自动行走的烟草收获机。该机主要包括车架、烟草收集箱、烟草采收系统、烟草传送系统、行车系统和传送带张紧装置，烟草收集箱与液压控制装置相连；行车系统包括前轮、后轮和固定在车架上的内燃机，内燃机通过传送带与变速器相连，制动器通过水平传动带与水平传动带相连，与水平传动带轮同轴的垂直传动小带轮通过与垂直传动链与垂直传动轮相连，垂直传动轮与后轮同轴，车架上还设有传动带张紧装置；前轮设置在前桥立柱上，车架上设有前轮转向机构。该烟草收获机行车系统具有3挡前进行走速度和1个倒挡速度，可实现在一般路面和田间的行走、转向和后退。通过后期机器在田间的烟叶采收试验发现：该机器也存在着损伤烟叶的情况，而且较为严重，机器的适应性也不是很好。与其他地区的自走式烟草收获机的收获情况比较后得知：自走式烟草收获机在我国的烟草田间适应性都较差，这主要与我国的烟草种植模式有关。我国的烟草种植行距没有统一的标准，随意性较大，且烟行并不是直线型的，这给成熟后的烟叶机械化采收造成了一定的困难。在国内，烟草机械的品种较多也较复杂，前期的烟苗移栽烟农并没用统一采用符合标准的机械进行移栽作业，既有人工移栽的方式，也有机械和人工共同移栽的方式，这就很容易造成种植烟行的偏斜，导致烟行不在一条直线上；当后期机器进入田间采收作业时，由于自走式烟草收获机机型庞大，机器的前进方向不容易操控，很容易刮伤和蹭伤烟叶，造成烟叶破损。所以，自走式烟草收获机并不适合于我国的烟田，需要重新开发和研制新的烟叶采收机器。

(a)烟叶收割机结构框架图　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 烟叶收割机主视图

2.2半自动人工辅助采收机

2009年，吉林大学陶永兰、郭晓宇、刘广武等老师设计发明的“自适应行距烟叶收割机[24]”，悬挂于行走机构上如拖拉机等小型机械上即可完成收割作业，属于半自动烟叶收获机。该机器已初步向小型化趋势方向发展。

图18为自适应行距烟叶收割机结构示意图。山东曲阜汇众机械设备有限公司生产的小型半机械化烟叶收割机，适应于平原、丘陵、梯田等大小地块的烟叶收割，每小时能收割0.053～0.08hm2。表2为小型汽油收割机的主要参数。

图19为许昌同兴现代农业科技有限公司设计制造的烟草田间作业机。该机械为烟叶辅助采收设计的自走式动力机器，配备动力为7.35kW的柴油机，采摘行数为4行，适应于行距为120cm的烟田。当进行田间作业时，在左右两后轮的前方和后方分别设置了4个座椅，且配备有烟筐，农民可坐在座椅上进行烟叶采收作业，1个人负责1行烟叶；采收作业时，该机器行走的速度为0.6km/h，人工采收作业的效率为0.29hm2/h，主要适用于平原、坡度较小的山地丘陵地区。该机器在田间作业时，作业效率较低，需求劳动力较大，但是相比于大型的自走式烟草收获机，其对烟叶的损伤比较小，收获的烟叶较为完整，更有利于后期的烟叶烘烤；另外，机器采用三轮式，田间的转弯半径较小，对烟田的适应性较好。

图18　一种自动行走的烟草收获机

转速/r·min-1燃油比例生产率/hm2·h-1耗油量/L·h-1排量/mL功率/kW发动机包装尺寸/cm工作杆长度/mm650025:10.0530.742.21.1～1.434×36×451500

图19　烟草田间作业机

图20为洛阳尚元机械科技有限公司和河南科技大学共同设计生产的烟叶辅助采收机，总长为250cm、宽为68cm、高为105cm，前后轴距为213cm，轮距为540cm，配套动力仅为4kW，属于小型的烟叶辅助采收车，仅需要1人驾驶操控即可。由于机器结构较小，采收作业时，只行走在烟垄行间，人工辅助采收烟叶，所收获的烟叶损坏较小。但是该机器的作业效率较低、烟筐较小，所以每次作业的时间较短、耗时较长，不适合于大面积烟田，比较适应于小块烟地和丘陵地带。

图20　洛阳尚元烟叶辅助采收机

3我国烟草收获存在问题与发展方向

1)河南农业大学在吸收、引进和借鉴国外烟草收获机技术的基础上设计发明的“一种带有棘轮棘爪的烟草收获机[25-26]”，是自主设计制造的第1台自走式烟草收获机，虽然在一定程度上解决了人工采收烟叶劳动强度大的问题，但收获机在田间试验时烟叶收割不均匀、田间适应性较差，因而难以在田间进行推广和应用。 由此说明，大型自走式烟草收获机在我国的适应性较差，这与我国烟草的种植模式相关。例如，烟草种植的行间距、烟行的直线型及前期烟叶种植所选用的机型等，这些都需要对烟草作业的全程机械的作业规程进一步规范标准，使烟草的机械化种植更加专业化。

2)我国烟草种植面积区域大，且地形起伏变化大，有丘陵、山地、平原等不同的地貌特征。小型的人工辅助采收的机器虽然在田间的适应性较好，烟叶也较为完整，但是仍没有摆脱劳动力的束缚，人工投入较大，采收的效率仍比较低下，劳动强度较高。所以，仍需要继续对半自动化的机器进行改进和优化，提高作业效率，解放劳动力[27]。

总之，地方高校和公司企业等也一直在研发设计新的烟草收获机型，使烟草的收获更加轻便。例如，河南农业大学正在研究适合于烟田的打顶抑芽喷雾综合作业车，该综合作业车有望实现在田间的烟叶采收、烟叶打顶抑芽、田间农药喷施、灌溉、中耕作业和遥控作业等功能。未来的烟叶收获机需要向小型化、智能化、轻简化、灵活化、人性化、标准化、经济和节能环保方向发展，不仅能够实现烟叶的采收作业，还能实现烟叶打顶抑芽、农药喷施及灌溉等多功能作业，以提高利用程度，降低成本，实现多功能作业。

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Technology Development of Tobacco Harvester

Yu Yongchang1, Wei Fude2, Qin Weihua1, Liu Tong2, Zeng Min2, Ning Wangyun2

(1.College Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450001, China; 2.College of Mechanical and electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China )

Abstract：Mechanized harvesting tobacco is the main problem which China's tobacco harvest faced,in foreign,such as Italy, America, Canada and other countries,tobacco harvest mechanization technology has developed very fast,automated and semi automated tobacco harvester has produced and put in use in large quantities,and the effect of application is very good, meanwhile,our country has also carried on research and development on tobacco harvesting machinery.This paper bases on the summarizing development of tobacco harvesting machine technology at home and abroad, analyses the structure, harvest methods, characteristics and main parameters of tobacco harvesting machine,and points out the problem in the research and application,and the development direction of tobacco harvesting machine technology in future,which lays foundations for the research and development of tobacco harvesting machine.

Key words：tobacco harvester; technology development; development direction

文章编号：1003-188X(2016)02-0255-08

中图分类号：S233.4

文献标识码：A

作者简介：余泳昌(1955-),男，河南开封人，教授，博士生导师，岗位专家，(E-mail)hnyych@163.com。通讯作者：宁旺云(1962-)，男，湖南邵东人，教授，硕士生导师，(E-mail)wangyunn@126.com。

基金项目：“十二五”现代农业产业技术体系岗位科学家专项(CARS-04-PS23)；云南省教育厅项目(2014J56)

收稿日期：2015-01-20