適合山地小田塊作業的煙草拔稈機的設計

肖立仁 龔道雄

(1.湖南省洞口縣農業機械技術推廣站，湖南 洞口 422300；2.北京工業大學信息學部，北京 100124)

0 引言

我國是世界煙葉生產第一大國，年產煙葉200多萬t，占世界煙草總產量的35%左右，煙草種植面積和產量均居世界第一位[1-3]。煙草是國家財政收入的重要來源，甚至是一些產煙大省的地方經濟財政支柱，近年來我國煙草稅利總額年均超過1萬億元[2，4]。因此，煙草種植對于國計民生具有重要的現實意義。

按煙稈產量和煙葉產量1∶1粗略計算，我國每年煙稈產量為260萬t[5]。在煙葉采摘之后，剩下的煙稈和煙蔸必須清除干凈，不宜作為燃料或直接粉碎還田。一方面是因為煙稈不易腐爛，需要清理以方便后續其他作物的輪作；另一方面是因為煙草具有自毒現象，在煙稈和煙蔸中存在著大量的病菌，如果任其腐爛在田中會感染來年種植的煙葉，滋生黑脛病、蛀眼病、角斑病、野火病、根黑腐等多種煙草疾病，造成減產甚至絕收[1，4，6]。同時，煙稈本身也具有重要應用價值，是制作殺蟲劑、活性炭、纖維板、煙堿和煙酸等多種產品的原材料[6，7]，回收煙稈也可以給煙農帶來一定的經濟收益。

1 煙草拔稈機現狀

我國煙區大都處于丘陵和山區地帶，其中作為我國重要優質烤煙產區的湖南、貴州、重慶等更是以山區為主。由于缺乏實用的拔稈機械，目前這些地區都只能采用傳統的手工挖除(圖1)方法，非常費時費力，造成大量的人力浪費，效率低下。加之當前農村勞動力緊缺，用工費用高，開發適合山區地形的煙草除稈機械已是發展山區煙葉種植的當務之急[8]。

圖1 人工挖除煙蔸

煙草產區對拔稈機的迫切需求引起了農機研究者們的重視，尤其是近10年來包括中國農業大學[4]、湖南農業大學[1，6]、貴州大學[3，5]等在內的多家大學和研究機構都對煙草拔稈機進行了大量的研究，推出了多種煙草拔稈機設計方案，并有一些機型已經投入到實際應用。

這些煙桿拔稈機根據拔稈機構的不同可以分為多種類型[4，9]，其中最有代表性的是如下2種：(1)夾持拉拔式采用V形煙稈導引機構，通過彈簧調整以適應不同的煙稈直徑，通過鏈條或圓盤機構夾持煙稈并向上拔離煙壟，同時通過打土裝置去除煙蔸上的泥土。其缺點是在不松土的情況下將煙稈拔起，容易造成煙稈斷裂和煙根殘留，且在煙稈倒伏情況下無法完成拔煙稈任務。(2)刨壟挖掘式采用滾筒或桿狀耙齒將煙蔸從壟畦中刨挖掘起，然后通過打土裝置或拋扔動作對煙蔸根茬進行脫土，實現根土分離，以避免煙田土壤和肥力的損失，同時也便于煙稈的后續收集工作。由于煙田雜草叢生，這種拔稈機構的齒梳會因纏繞雜草而不能正常工作[3]，在應用中受到一定的限制。現有設計方案中的這些拔稈機構都可以連續地完成整壟煙桿的拔除工作，作業效率較高，但是需要較強的動力輸出，其配套動力裝置主要采用中小型輪式拖拉機，體積、質量和轉彎半徑都比較大，不適用于山地小田塊煙田的拔稈作業任務[6-10]。

針對山地煙區田塊狹小、農機田間轉移困難的具體情況，綜合考慮煙稈拔除、根土分離等具體農藝需求，本文設計了一種結構緊湊、操作方便、成本低廉、適合山地小田塊煙田除稈清根的煙草除稈機，以期緩解當前山地煙區勞動力短缺和煙田除稈勞動強度過大的問題。

2 煙草拔稈機方案設計

2.1 山地煙田特征和煙壟種植規范

我國有大量煙田位于山地地區，如圖2所示，山區煙田通常具有如下典型的小田塊特征：(1)田塊面積小，通常田塊面積不足一畝；(2)田塊形狀不規則，通常田塊是根據地形開墾出來的，不具有像平原地帶那樣規則的矩形形狀；(3)田塊起伏不平；(4)田塊之間有高度落差，這一點造成了機具的田間轉移困難。

圖2 山地小田塊的煙田和煙壟

山區煙田在種植方式上采用單壟種植(圖2)，壟行尺寸一般為：壟高20～25cm，壟寬50～60cm，壟溝寬40～50cm，株距50～60cm。煙蔸通常深入到壟土內約15～20cm。

2.2 煙草拔稈機的整體結構

針對上述山區煙田和煙壟特征，我們設計了一款如圖3所示煙草拔稈機，其具體結構和工作過程突出地具有適合山區小田塊煙田環境的特點。

煙草拔稈機采用手推車模式。除了挖掘耙齒采用鋼材之外，整車設計均采用鋁型材鉚接構成框架結構，因此具有重量輕、加工簡單、結構緊湊的特點。整車重量不足50kg，在有土路的地方一個勞力可以推著走，在沒有土路的地方2個勞力可以抬著走，便于山地田間轉移。拔稈機結構緊湊，只占一個壟寬，因此既不像其他拔稈機那樣需要較寬的田間通行道路，也不需要較大的轉彎半徑和調頭空間，非常適合在山地小田塊煙田中應用。

煙草拔稈機采用騎壟作業的挖蔸拔稈模式。工作部分是一對由鋼制弧狀耙齒構成的耙子，采用鋰電池直流供電，通過動力單元帶動小型液壓缸進行驅動。該液壓機構具有重量輕、出力大的特點，在其驅動下弧狀耙齒可以很容易地插入到(即使是板結的)泥土中，從田壟中挖出煙蔸。

圖3 煙草拔稈機的整體結構圖

2.3 挖篼機構的工作周期

煙草拔稈機的工作狀態如圖4a所示，操作者抓住扶手，將腳輪抬離地面，人力推動拔稈機騎壟行走，當挖篼耙子位于煙蔸兩側時，操作者松開扶手讓拔稈機處于車輪和腳輪支撐狀態，按下手柄旁邊的挖蔸按鈕，啟動拔稈機的一個挖篼工作周期(圖5)，完成一株煙稈的挖篼任務，然后再推動拔稈機行走到下一株煙稈位置進行挖篼。拔稈機的這種工作方式不會像其他的拔稈機那樣在拔稈前將煙稈推倒，拔稈效果也不受煙稈倒伏的影響。因為是人工對準每株煙蔸之后再啟動挖篼循環，所以不存在漏拔的現象。

拔稈機的一個挖篼周期包括如下幾步操作：(1)如圖4所示，挖篼機構位于煙蔸上方的初始位置，耙子張開；(2)挖機升降液壓缸驅動耙子安裝架沿滑軌下行，直到觸動安裝在滑軌旁邊的1號行程開關，此時耙子位于煙篼根部的兩側；(3)挖機開合液壓缸驅動耙齒合攏，耙齒切入到田壟中將煙蔸連土挖起；(4)升降液壓缸驅動耙子安裝架沿滑軌上行，耙齒保持合攏狀態，從而將煙蔸連土一并提起，直到觸動安裝在滑軌旁邊的2號行程開關，此時挖篼機構回到初始位置的高度；(5)挖機開合液壓缸驅動耙齒張開，將煙蔸連土扔下，利用落地的摔砸作用使土塊散開，實現煙蔸和泥土分離，從而完成一個工作循環即一株煙蔸的拔稈任務。此外，我們在最外側2根耙齒的內側設置有刃狀邊緣，在挖機部分將煙蔸連土提起的時候，該刃口可以切開板結的土壟并切斷壟上糾纏的雜草，從而較為便利地完成拔稈挖篼任務。

圖4 煙草拔稈機挖篼機構的工作原理

圖5 煙草拔稈機的一個挖篼工作周期

挖篼機構的上述工作循環過程通過單片機系統進行控制，其一個工作周期的控制流程如圖6所示，通過設置行程開關實現挖篼步驟的切換，從而自動完成一株煙蔸的挖掘過程。根據煙壟的尺寸變化，可以在一定的范圍內相應地調整行程開關的位置，從而在一定程度上提高拔稈機對于不同煙壟尺寸的適用性。

圖6 挖篼機構工作循環的流程圖

3 結論

針對山地煙區對于煙稈拔除的迫切需求，本文設計了一種適合山區小田塊煙田作業的煙草拔稈機，可以實現對煙桿的高效拔除，同時顯著降低人力成本和煙農的勞動強度。該機器突出地具有如下特點：

(1)拔稈機采用挖篼模式和耙齒前置的設計方案，通過一對耙子將煙稈連根挖起，沒有機具被雜草纏住的風險，在拔稈過程中也不存在煙稈倒伏和斷蔸的現象(在拖拉機驅動拔稈機構后置的方案中常見此現象，并對拔稈過程造成困難)，即使是已經倒伏的煙稈或殘存的斷篼都能夠干凈地挖除，沒有煙根殘留，拔稈效果徹底。

(2)挖篼工作循環采用液壓驅動和單片機程序控制，一次挖篼只需要一次按鈕操作，自動化程度高；挖出的煙蔸和附土通過扔砸效應得到較好的分離，方便后續的煙稈收攏和運輸，煙農的勞動強度顯著降低。

(3)采用騎壟作業和手推車模式，在人工推動下完成煙稈對準和田間轉移，不存在漏拔現象，同時拔稈機寬度小、重量輕，在路況較差、路面較窄的情況下都能夠容易地進行田間轉移，甚至在沒有道路或田間高度差較大的環境中也能夠兩人抬著進行田間轉移；拔稈機的轉彎半徑小，不要求在田塊的邊沿預留調頭空間，操作容易且田塊利用率高。

綜上所述，本文所設計的煙草拔稈機非常適合在山區小田塊煙田的拔稈作業，具有良好的應用和推廣前景，可望在山地煙區經濟發展和農業機械化過程中發揮重要的作用。