适合山地小田块作业的烟草拔秆机的设计

肖立仁 龚道雄

(1.湖南省洞口县农业机械技术推广站，湖南 洞口 422300；2.北京工业大学信息学部，北京 100124)

0 引言

我国是世界烟叶生产第一大国，年产烟叶200多万t，占世界烟草总产量的35%左右，烟草种植面积和产量均居世界第一位[1-3]。烟草是国家财政收入的重要来源，甚至是一些产烟大省的地方经济财政支柱，近年来我国烟草税利总额年均超过1万亿元[2，4]。因此，烟草种植对于国计民生具有重要的现实意义。

按烟秆产量和烟叶产量1∶1粗略计算，我国每年烟秆产量为260万t[5]。在烟叶采摘之后，剩下的烟秆和烟蔸必须清除干净，不宜作为燃料或直接粉碎还田。一方面是因为烟秆不易腐烂，需要清理以方便后续其他作物的轮作；另一方面是因为烟草具有自毒现象，在烟秆和烟蔸中存在着大量的病菌，如果任其腐烂在田中会感染来年种植的烟叶，滋生黑胫病、蛀眼病、角斑病、野火病、根黑腐等多种烟草疾病，造成减产甚至绝收[1，4，6]。同时，烟秆本身也具有重要应用价值，是制作杀虫剂、活性炭、纤维板、烟碱和烟酸等多种产品的原材料[6，7]，回收烟秆也可以给烟农带来一定的经济收益。

1 烟草拔秆机现状

我国烟区大都处于丘陵和山区地带，其中作为我国重要优质烤烟产区的湖南、贵州、重庆等更是以山区为主。由于缺乏实用的拔秆机械，目前这些地区都只能采用传统的手工挖除(图1)方法，非常费时费力，造成大量的人力浪费，效率低下。加之当前农村劳动力紧缺，用工费用高，开发适合山区地形的烟草除秆机械已是发展山区烟叶种植的当务之急[8]。

图1 人工挖除烟蔸

烟草产区对拔秆机的迫切需求引起了农机研究者们的重视，尤其是近10年来包括中国农业大学[4]、湖南农业大学[1，6]、贵州大学[3，5]等在内的多家大学和研究机构都对烟草拔秆机进行了大量的研究，推出了多种烟草拔秆机设计方案，并有一些机型已经投入到实际应用。

这些烟杆拔秆机根据拔秆机构的不同可以分为多种类型[4，9]，其中最有代表性的是如下2种：(1)夹持拉拔式采用V形烟秆导引机构，通过弹簧调整以适应不同的烟秆直径，通过链条或圆盘机构夹持烟秆并向上拔离烟垄，同时通过打土装置去除烟蔸上的泥土。其缺点是在不松土的情况下将烟秆拔起，容易造成烟秆断裂和烟根残留，且在烟秆倒伏情况下无法完成拔烟秆任务。(2)刨垄挖掘式采用滚筒或杆状耙齿将烟蔸从垄畦中刨挖掘起，然后通过打土装置或抛扔动作对烟蔸根茬进行脱土，实现根土分离，以避免烟田土壤和肥力的损失，同时也便于烟秆的后续收集工作。由于烟田杂草丛生，这种拔秆机构的齿梳会因缠绕杂草而不能正常工作[3]，在应用中受到一定的限制。现有设计方案中的这些拔秆机构都可以连续地完成整垄烟杆的拔除工作，作业效率较高，但是需要较强的动力输出，其配套动力装置主要采用中小型轮式拖拉机，体积、质量和转弯半径都比较大，不适用于山地小田块烟田的拔秆作业任务[6-10]。

针对山地烟区田块狭小、农机田间转移困难的具体情况，综合考虑烟秆拔除、根土分离等具体农艺需求，本文设计了一种结构紧凑、操作方便、成本低廉、适合山地小田块烟田除秆清根的烟草除秆机，以期缓解当前山地烟区劳动力短缺和烟田除秆劳动强度过大的问题。

2 烟草拔秆机方案设计

2.1 山地烟田特征和烟垄种植规范

我国有大量烟田位于山地地区，如图2所示，山区烟田通常具有如下典型的小田块特征：(1)田块面积小，通常田块面积不足一亩；(2)田块形状不规则，通常田块是根据地形开垦出来的，不具有像平原地带那样规则的矩形形状；(3)田块起伏不平；(4)田块之间有高度落差，这一点造成了机具的田间转移困难。

图2 山地小田块的烟田和烟垄

山区烟田在种植方式上采用单垄种植(图2)，垄行尺寸一般为：垄高20～25cm，垄宽50～60cm，垄沟宽40～50cm，株距50～60cm。烟蔸通常深入到垄土内约15～20cm。

2.2 烟草拔秆机的整体结构

针对上述山区烟田和烟垄特征，我们设计了一款如图3所示烟草拔秆机，其具体结构和工作过程突出地具有适合山区小田块烟田环境的特点。

烟草拔秆机采用手推车模式。除了挖掘耙齿采用钢材之外，整车设计均采用铝型材铆接构成框架结构，因此具有重量轻、加工简单、结构紧凑的特点。整车重量不足50kg，在有土路的地方一个劳力可以推着走，在没有土路的地方2个劳力可以抬着走，便于山地田间转移。拔秆机结构紧凑，只占一个垄宽，因此既不像其他拔秆机那样需要较宽的田间通行道路，也不需要较大的转弯半径和调头空间，非常适合在山地小田块烟田中应用。

烟草拔秆机采用骑垄作业的挖蔸拔秆模式。工作部分是一对由钢制弧状耙齿构成的耙子，采用锂电池直流供电，通过动力单元带动小型液压缸进行驱动。该液压机构具有重量轻、出力大的特点，在其驱动下弧状耙齿可以很容易地插入到(即使是板结的)泥土中，从田垄中挖出烟蔸。

图3 烟草拔秆机的整体结构图

2.3 挖篼机构的工作周期

烟草拔秆机的工作状态如图4a所示，操作者抓住扶手，将脚轮抬离地面，人力推动拔秆机骑垄行走，当挖篼耙子位于烟蔸两侧时，操作者松开扶手让拔秆机处于车轮和脚轮支撑状态，按下手柄旁边的挖蔸按钮，启动拔秆机的一个挖篼工作周期(图5)，完成一株烟秆的挖篼任务，然后再推动拔秆机行走到下一株烟秆位置进行挖篼。拔秆机的这种工作方式不会像其他的拔秆机那样在拔秆前将烟秆推倒，拔秆效果也不受烟秆倒伏的影响。因为是人工对准每株烟蔸之后再启动挖篼循环，所以不存在漏拔的现象。

拔秆机的一个挖篼周期包括如下几步操作：(1)如图4所示，挖篼机构位于烟蔸上方的初始位置，耙子张开；(2)挖机升降液压缸驱动耙子安装架沿滑轨下行，直到触动安装在滑轨旁边的1号行程开关，此时耙子位于烟篼根部的两侧；(3)挖机开合液压缸驱动耙齿合拢，耙齿切入到田垄中将烟蔸连土挖起；(4)升降液压缸驱动耙子安装架沿滑轨上行，耙齿保持合拢状态，从而将烟蔸连土一并提起，直到触动安装在滑轨旁边的2号行程开关，此时挖篼机构回到初始位置的高度；(5)挖机开合液压缸驱动耙齿张开，将烟蔸连土扔下，利用落地的摔砸作用使土块散开，实现烟蔸和泥土分离，从而完成一个工作循环即一株烟蔸的拔秆任务。此外，我们在最外侧2根耙齿的内侧设置有刃状边缘，在挖机部分将烟蔸连土提起的时候，该刃口可以切开板结的土垄并切断垄上纠缠的杂草，从而较为便利地完成拔秆挖篼任务。

图4 烟草拔秆机挖篼机构的工作原理

图5 烟草拔秆机的一个挖篼工作周期

挖篼机构的上述工作循环过程通过单片机系统进行控制，其一个工作周期的控制流程如图6所示，通过设置行程开关实现挖篼步骤的切换，从而自动完成一株烟蔸的挖掘过程。根据烟垄的尺寸变化，可以在一定的范围内相应地调整行程开关的位置，从而在一定程度上提高拔秆机对于不同烟垄尺寸的适用性。

图6 挖篼机构工作循环的流程图

3 结论

针对山地烟区对于烟秆拔除的迫切需求，本文设计了一种适合山区小田块烟田作业的烟草拔秆机，可以实现对烟杆的高效拔除，同时显著降低人力成本和烟农的劳动强度。该机器突出地具有如下特点：

(1)拔秆机采用挖篼模式和耙齿前置的设计方案，通过一对耙子将烟秆连根挖起，没有机具被杂草缠住的风险，在拔秆过程中也不存在烟秆倒伏和断蔸的现象(在拖拉机驱动拔秆机构后置的方案中常见此现象，并对拔秆过程造成困难)，即使是已经倒伏的烟秆或残存的断篼都能够干净地挖除，没有烟根残留，拔秆效果彻底。

(2)挖篼工作循环采用液压驱动和单片机程序控制，一次挖篼只需要一次按钮操作，自动化程度高；挖出的烟蔸和附土通过扔砸效应得到较好的分离，方便后续的烟秆收拢和运输，烟农的劳动强度显著降低。

(3)采用骑垄作业和手推车模式，在人工推动下完成烟秆对准和田间转移，不存在漏拔现象，同时拔秆机宽度小、重量轻，在路况较差、路面较窄的情况下都能够容易地进行田间转移，甚至在没有道路或田间高度差较大的环境中也能够两人抬着进行田间转移；拔秆机的转弯半径小，不要求在田块的边沿预留调头空间，操作容易且田块利用率高。

综上所述，本文所设计的烟草拔秆机非常适合在山区小田块烟田的拔秆作业，具有良好的应用和推广前景，可望在山地烟区经济发展和农业机械化过程中发挥重要的作用。