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摘要： 甘蔗作为全球重要的经济作物，其机械化收割技术是提升产业效率的关键。本文设计了一款整杆式小型甘蔗切割分段机，通过紧凑化结构设计，优化切割装置和输送系统，采用“压倒—切割—提升”输送模式，提高甘蔗收割效率和适应性，降低能耗。机器外壳采用复合材料，发电机优化设计，减少碳排放符合国家环保理念。适用于我国南方丘陵地区，满足中小种植户需求，推动甘蔗收割机械化向精准化、普惠化发展。

关键词：整杆式甘蔗收割机；小型化设计；机械化收割

0引言

甘蔗作为全球重要的经济作物，其机械化收割技术是提升产业效率的关键。当前主流的甘蔗收割机可分为切段式与整杆式两类。

切段式收割机通过分段切割、脱叶和收集实现作业，但存在糖分损失率高（因切口氧化）和含杂率超标（10%以上）的问题[1]，且对种植行距（≥1.4m）和土地平整度要求严苛，设备成本高达数百万元[1]，难以适应我国小规模种植模式。

整杆式收割机虽能保留甘蔗完整性和糖分，但传统机型仍面临适应性不足、含杂率高、宿根破头率超限（＞15%）等问题[1]。此外，现有检测技术（如接触式传感器）易受蔗叶遮挡、碎屑干扰，导致喂入量识别精度低，进而引发输送系统堵塞[2]。

1 整杆式小型甘蔗收割机的提出

1.1整杆式小型甘蔗收割机的设计初衷：

适应性优化：通过紧凑化结构设计（如φ50mm活塞杆断尾机构）[3]降低对行距和地形的依赖，适配我国南方丘陵地区种植环境；

市场潜力方面：广西、云南等地已通过政策扶持（如作业补贴、示范基地建设）推动甘蔗机械化率突破73%，小型化机型因灵活高效，成为中小种植户的首选。

1.2 研究目的及研究目标

本研究旨在设计一款高效、低耗、稳定的整杆式小型甘蔗切割分段机，通过结构创新，解决传统机型含杂率高、适应性差及堵塞频发等问题，推动甘蔗收割机械化向精准化、普惠化发展。实现效率提升，能耗降低及稳定性增强。通过优化切割装置（旋转刀片+动态调节）与输送系统（橡胶带+滚轮设计），目标单位时间收割量提升30%；采用电动机驱动与无级变速传动，综合能耗减少20%[1]；通过有限元仿真验证断尾机构强度[3]，宿根破头率控制在10%以内[1]。

2整秆式小型甘蔗切割分段机总体设计

2.1 设计原则与要求

2.1.1 设计原则

整秆式小型甘蔗切割分段机为了能够适应山地、丘陵和坡地等复杂地形，确保在不同种植条件下的收割效果和国内甘蔗种植户的经济承受能力，在保证性能的前提下降低了生产成本。且各部件应选用耐用的材料和成熟的技术，确保机器在长时间、高强度的作业环境当中具有较高的可靠性。

本机器还应具备较小的外形尺寸和较轻的重量，便于在小块蔗地和丘陵地区作业。此外，为了响应国家环境保护和社会可持续发展理念，本设计也考虑减少能源消耗和环境污染。

本设计遵循实用性、经济性、可靠性、小型化与灵活性以及环保性六个基本原则。

2.1.2 设计要求

现如今，国内与国外的甘蔗切割收获机切割系统的工作模式主要分为两大类，分别是“扶蔗—砍蔗—输送”模式和“压倒—切割—提升“输送模式。其中，“扶蔗—砍蔗—输送“模式因其技术成熟度较高，已广泛应用于国内外各类甘蔗收获机。但当在面对甘蔗倒伏严重、地形复杂（如山地丘陵地带），或在各地甘蔗的种植方式差异较大等复杂田间工况时，该模式的扶蔗效果欠佳，而导致漏割和甘蔗损伤现象较为常见，进而造成一定程度的浪费[4]。相比之下，“压倒—切割—提升”的输送模式则摒弃了对倒伏甘蔗的扶起操作，而是直接将甘蔗压倒后再进行切割与收获。这种模式从根本上解决了漏割问题，显著提高了收获效率，尤其适用于我国甘蔗倒伏较为严重的实际情况。此外，该模式在适应复杂地形和不同种植农艺条件方面表现出更强的灵活性，为甘蔗收获机械化提供了新的技术思路。依据“压倒—切割—提升输送”的切割系统设计了一款整杆式小型甘蔗切割分段机。如图 1（为方便展示内部结构，未放置收割机外壳）。

在甘蔗机械化的收割过程中，物流输送通道的设计对于提高收割效率和保障作业流畅性至关重要。根据实地调研与数据统计，甘蔗的平均长度为1.7m～2.8m，但各地的气候有差异，有光照时间不足等问题。北方种植出来的甘蔗一般矮一些，普遍高度在1.3m～1.8m之间，而个别好的可达1.8m～2.3m之间，而在南方，如广西甘蔗的高度在2.5m～2.8m之间个别差一点的甘蔗在1.7m～2.3m之间。为方便设计，取甘蔗的平均长度为2.5m，直径为26mm，穴距在20～30cm之间。每穴甘蔗的数量为2～3根，平均为1.5根。在输送通道中，甘蔗的输送速度为0.41m/s。

基于上述参数，输送通道的最小宽度设计需满足至少10根甘蔗同时通过的要求。以甘蔗平均直径26mm计算，通道的最小宽度应为260mm（26mm×10根）。

此外，由于甘蔗收割时刀盘切割位置靠近地面，输蔗辊需贴近地面设置，以确保砍蔗与输蔗过程的无缝衔接。然而，在非收割的期间同样需要考虑收割机的通过性。因此，物流通道应设计为可上下调节的形式。

在工作期间，通道的离地的最小间距应为0.1m，以保证甘蔗顺利输送；而在非工作期间，通道离地的最小间距应大于0.25m，以保证收割机的通过性。

2.1.3 收割机部分材料选择

针对环保问题，采取了生命周期评估（LCA）方法。生命周期评估（LCA）是用于衡量产品或系统从原材料采集、生产加工、使用运行直至最终回收或废弃处理的全过程对环境的影响的一种评估方法。这一评估方法通常涵盖四大核心阶段：原材料采集阶段（A）、生产制造阶段（B）、使用运行阶段（C）和回收及废弃处理（D）。在上述四个主要阶段中，都会出现特定的环境影响，例如温室气体排放、能源消耗、水资源利用以及废物的产生等[5]。

将新型发电机的设计优化能源效率，和市场上现有的发电机相比，CO2的排放量减少了33.3%。因此将使用新型发电机作为收割机的发电机。

2.2 机械结构设计

2.2.1 切割装置设计

切割装置部分是整秆式小型甘蔗收割分段机切割的关键部件，其结构和性能直接影响了收割的质量和效率。图 3为本甘蔗收割机的3D图。

切割装置的结构设计是采用水平圆盘式刀片，刀片安装在旋转轴上，通过高速旋转实现甘蔗的切割。其工作原理是当机器前进时，刀片在旋转过程中与甘蔗接触，将甘蔗切断后利用螺旋提蔗杆将其输送到剥叶装置。刀片的旋转速度为800r/min，当正视机器时，左侧刀轴应逆时针旋转，右侧刀轴应顺时针旋转，才能顺利将甘蔗运输到输蔗通道。

3关键部件设计与分析

3.1切割刀片设计

（一） 刀片形状：刀片设计为斜面楔形刀片，整体呈楔形如图 4，这种结构在切削时提供稳定性和强度。三个圆孔的作用为将刀片固定在刀轴上（如5）

（二） 刀片材料：采用高强度合金钢材料，具有良好的耐磨性和韧性，能够承受较大的切割力和冲击力。且刀片的表面经过特殊处理，可以减少切割过程中的摩擦和磨损，延长使用寿命。

3.2 刀片强度校核

为确保刀片在工作过程中不会发生断裂，对刀片进行了力学分析和强度校核。有关刀片的受力分析，在切割过程中，刀片主要承受甘蔗的反作用力和刀片旋转产生的离心力。通过建立力学模型，分析刀片在不同工况下的受力情况，确定最大应力点。由受力分析（图6）知，刀片在切割甘蔗时的作用力垂直过甘蔗中心，为砍切式切断甘蔗。

有关刀片的强度校核，根据材料力学理论，利用Solid Works有限元分析仿真，进行静应力分析，将刀片的三个固定孔通过夹具固定，并将外部载荷设置为330N，计算刀片的最大应力值，并与刀片材料的屈服力进行比较。仿真结果如图7-图9，在最大应力 下，刀片的应力值不超过材料的屈服力 ，其最小安全系数为4.1，可以保证刀片的强度和可靠性。

3.4 输送装置设计

输送装置的作用是将切割后的甘蔗输送到后续的剥叶、切段和集蔗等处理环节，如图 10。在收割的过程中，输送装置不仅负责将甘蔗从切割装置输送到后续处理环节，还起到了初步整理的作用，使甘蔗在向后输送过程中保持一定的排列方向，为后续的剥叶和切段等操作提供便利。其中输送辊采用橡胶材质，具有良好的柔性和防滑性能，能够有效夹持甘蔗并减少输送过程中的损伤。其设计思路是通过采用多组输送辊和变向耙轮相结合的方式，确保甘蔗能够顺利进入输送通道并被有效输送。

4结束语

随着国内农业机械化的推进，农民生活经济水平的提高，农民对于农机的使用也越来越频繁，现代化农机较传统收割方式节省大量人力、时间，且农机补贴政策的实行降低了农民购置农机的成本[6]。整条秸秆式小型甘蔗切割分段机的设计在很多方面成绩斐然。目前团队采用了“压倒——切割——提升”的输送模式，在倒伏甘蔗收获中有效解决了传统“扶蔗——砍蔗——输送”的漏割损伤问题；同时小型化、轻量化设计，使机器满足国内甘蔗种植户经济承受能力的山地、丘陵等复杂地形的作业需要。另外，设计上充分考虑了环保性，以复合材料为外壳材料，发电机的能源效率得到优化，碳排放量有所减少，符合国家可持续发展的理念。

参考文献

[1] 杨祖丽.甘蔗机械化收获技术与装备研究综述[J].农业工程学报，2022，38（7）：89-97.

[2] 赖晓，曹铂潇，陈德健，等.整杆式甘蔗收获机喂入量识别方法研究[J].中国农机化学报，2024，45（11）：15-20.

[3] 雷兴谊，罗泽科.整杆式甘蔗联合收割机试验应用情况分析[J].广西农业机械化，2025，36（2）：12-18.

[4] 麻芳兰1， 杨冰心1， 刘智彪1等. 小型甘蔗收获机切割系统的设计与试验[J]. 农机化研究， 2014， （3）：126-131.

[5] 李艳红. 基于生态设计原则与生命周期评估的可持续性机械设计[J]. 机电产品开发与创新， 2024， 第37卷（5）：157-159.

[6] 赵清俊， 周雨菡. 农业机械化发展对农民收入的时空影响研究[J]. 南方农机， 2025， （2）