0 引言
煙草是一種重要的經濟作物，在我國的國民經濟中占有重要的地位。我國的煙草歷史最初源于明朝萬歷年間的吸聞鼻煙，從此以后逐漸開始了煙草的種植。由于我國地域廣闊，煙草的種植面積也比較大，全國大部分地方都有種植，品種多樣，逐漸形成了以烤煙為主體的多類型煙草的結構[1 -4].目前，中國、巴西、印度、美國、阿根廷、馬拉維、津巴布韋是世界上主要的煙草生產大國。其中，我國的煙草和烤煙產量分別占世界總產量的 67% 和 50% ,煙草行業在我國的國民經濟中占有重要的地位?？緹熒a集中在東北、黃淮、西南和中南四大煙區[5 - 7].我國作為一個烤煙大國，河南、云南、福建等地都大量種植煙葉，烤煙已成為當地農民收入的重要組成部分。在煙葉生產過程中，采摘是基礎性的工作。煙葉的收獲技術包括收獲時期、收獲方法和產后處理 3 個環節，涉及到作物生態生理、農業機械及農產品處理各個方面，不僅影響到作物產量，還會影響到農產品質量和土地經營者的經濟效益。所以，及時、科學地收獲煙葉是保證煙葉品質的關鍵[8 - 10].
目前，我國絕大多數煙農還是手工采集煙葉，效率低，需要消耗大量的勞動力和時間，并難以保證及時采摘。在需要收獲的煙葉量極大的情況下，手工采集已不能滿足需要，而且容易錯過最佳收獲時間。
雖然目前也有少量半機械化和機械化的收獲機投入使用，其采摘效率比人工操作高，能及時完成采摘作業；但是這類煙草收獲機的結構大多比較復雜，煙草收獲機的造價比較高，且在田間施工的時候容易損壞，一直未能得到廣泛使用，進而造成經濟損失，也在一定程度上制約了煙草行業的發展。隨著種煙區煙草收獲問題的逐漸突出，為了提高煙農的收獲效率和經濟效益，降低煙農的勞動強度與生產成本，國外不同國家已經開發了不同類型的煙草收獲機，我國也日益開始重視煙草收獲機械的研究和開發。其中，對農民實施購機補貼政策也在一定程度上推進了國內對煙草收獲機研發工作的開展。
1 國外煙草收獲機技術發展
在美國、意大利、加拿大等國家，煙草種植有著不同的種植模式，如煙葉種植的行距和株距多數不一樣：在西班牙，煙草種植行間距為 120cm 或 130cm;在意大利，煙草種植的行距多為 120cm,且煙草種植從初期已經開始采用機械移栽，機械田間管理等作業，這樣種植的煙葉都在同一直線行上，也方便后期的煙葉機械化采收。由于行間距的不同，煙葉收獲存在著不同的形式，因而煙草收獲機的類型多樣：如美國MarCo 公司制造生產型號為 6027 型牽引式煙草收獲機和型號為 6360 型自走式煙草收獲機[11];意大利DeCloet 公司生產的 2TTH 型煙葉收獲機及 SPAPPERI公司生產的 RA341 等不同類型的收獲機。煙草收獲機的類型較多，而且機器所采用的液壓傳動等控制技術是先進的、具有代表性的。另外，在煙草的機械化與集約化方面，美國等國家已經實現了煙田采收的機械化作業和煙葉生產的高度集約化，可以說國外的煙草種植技術已經發展到了一個新的水平[12 - 13].
根據作業機械化程度的不同，煙草收獲機可以分為自走式煙草收獲機和半自動煙草收獲機。
1. 1 自走式煙草收獲機
美國、意大利等國外的煙草收獲機技術發展較快，自走式煙草收獲機是現在煙草收獲中技術較為先進的機器。其中，具有代表性的是美國 MarCo 公司生產的 6360 型自走式煙草收獲機、意大利 DeCloet 公司生產的 2TTH 型收獲機，以及意大利 SPAPPERI 公司生產 RA341、RA632、RA731、RA742 和 RA942 等型號各異的煙葉收獲機。但是，不同國家的煙草收獲機在機器結構、收獲方式和性能特點等方面也存在著不同之處，以下從這幾個方面進行分析。
美國 MarCo 公司生產的高性能 6360 型自走式煙草收獲機，如圖 1 所示。
該機器動力為 72. 8kW 的約翰迪爾的發動機；采用風冷和液壓油驅動式的三輪全液壓驅動，提高了油液的經濟性；車速通過液壓油量調節進行無極變換，最小和最大車速通過控制手柄可以較好的控制，車速改變穩定且操控性能好。圖 2 為車輛操控手柄。整車采用薩奧丹佛斯的控制系統，作業過程中車輛的性能參數指標可通過數據傳輸顯示在駕駛室的控制屏幕上，使駕駛員更好地掌握整車的運行狀態，圖 3 為架駛室內的控制屏幕。其前輪和后輪采用不同型號的輪胎，提高了整車的滾動性能，采用三輪型式使整車在煙草的行間通過性增強；鏈條驅動切刀，用于切割煙葉；液壓馬達帶動傳送帶，用來輸送煙葉制采集箱；駕駛室設置在最前方，且距地面較低，駕駛員安全性較好。該機器在田間跨兩行煙葉采收，作業效率較高。
意大利 DeCloet 公司是最早制造生產煙草收獲機的廠家，1979 年制造了世界上第 1 臺全自動自走式的煙草收割機，如圖 4 所示。后來，又繼續研發制造了較為先進的 2TTH 型煙草收獲機，如圖 5 所示。2TTH 型機器采用 84. 5kW 的約翰迪爾的發動機，整車長為6. 8m、寬為 2. 9m、高為 3. 3m;與美國 6360 型收獲機相似，也采用三輪全液壓驅動技術，轉彎半徑較小為3. 2m,速度范圍為 0 ~ 24km / h;雙行輸送帶由液壓馬達驅動，速度可調，煙葉卸載高度為 3. 5m,車輛作業過程中的性能參數可實時地進行屏幕顯示。車輛作業的現場采收圖和煙葉卸載圖分別如圖 6 和圖 7 所示。
DeCloet 公司生產的煙葉采摘機廣泛應用于美國、墨西哥、印度、巴基斯坦、南美洲和歐洲國家。意大利對煙葉采收的成熟度要求較高，煙葉采收分 4 次完成，其煙葉采收已實現機械化作業。煙草收獲機主要有 3 種：①完全機械化采收，一人操作一臺采收機，一次采收 2行煙葉；②大型人工采收機，一臺采收機需要 5 個工作人員，其中 1 人駕駛機器，2 人采收煙葉，2 人在車廂內整理煙葉；③小型人工采收機，駕駛和采煙由 1 個人同時操控。同時，意大利在生產上主要以大型人工采收機為主，多數的農場采用全機械化模式[14].
意大利某公司也制造出了一種收獲布賴特煙葉的配有獨特摘葉裝置的履帶式自動摘葉收獲機。其履帶軌距為 1. 9m,收獲行距為 0. 9m 的煙葉一次可以收獲兩行，機高為 2. 2m[15 -18];機架上可以裝配煙葉打頂裝置和噴藥裝置，進行打頂和噴藥作業。收獲機上裝有 26kW 的發動機，各作業機構都由液壓機傳動。
為了適應在潮濕煙田里行走，收獲機裝配了超長履帶（從驅動軸到導向輪距離為 2. 8m），可以減少整地寬度和轉彎時間。意大利 SPAPPERI 公司生產的 RA341、RA632、RA731、RA742 及 RA942 等機型的煙葉收獲機均屬于自走式煙葉收割機[19].
根據煙稈上煙葉分布位置的不同而收獲方式不同，主要分為兩種：一種是針對煙葉分布于較低或中間部位的煙葉采摘機，其機型有 RA341 （如圖 8 所示）、RA632（如圖 9 所示）、RA942（如圖 10 所示）3類；另一種是針對煙葉分布于頂端的煙葉采摘機，其機型有 RA731（如圖 11 所示）和 RA742（如圖 12 所示）兩類。
根據煙草收獲機車輛底盤輪胎驅動形式的不同，可分為三輪液壓驅動和四輪液壓驅動。以三輪液壓驅動為主的機型主要有 RA632、RA731.RA632 機型的煙葉采摘機在田間適宜行走的行間距為 115cm,通過液壓驅動系統驅動 3 個輪胎行走，并且通過前輪進行轉向。根據農藝要求，煙葉采摘機必須以成熟度為標準，從最低的開始逐漸向上進行收獲，可一次性收割兩行煙葉。收割時，當煙草受到旋轉橡膠圓輥螺旋運動沖擊時，煙草將會被拔出來；通過特殊的電子液壓傳感器持續感知跟蹤地形輪廓和作物行間距的直線度，落葉裝置的精確性和穩定性將會得到保證；收獲后的煙葉通過金屬輥被送到輸送帶上，進而通過舉升機構將煙葉送入存儲箱，利用風機的作用，存儲箱箱內的煙葉將會受到持續空氣流的吹動；當存儲箱滿載時，煙葉將會被卸到運輸車上，最終完成煙葉采收。
以四輪液壓驅動為主的機型主要有 RA341、RA942 和RA742.
根據機器作業時采收煙葉行數的不同，可分為自動化 1 行采收和 2 行采收。作業時，自動化采收 1 行的機型主要有 RA341 和 RA731.RA731 機型是全自動化適用于頂端煙葉采收的煙葉收獲機，一次性收割1 行煙葉，在田間適宜行走的行間距為 800 ~ 1 200mm,通過液壓驅動系統驅動 3 個輪胎行走，通過后軸轉向。自動化采收 2 行的機型主要有 RA632、RA942 和RA742.
1. 2 半自動化收獲機及其他收獲機型
自走式煙草收獲機多為大功率型收獲機械，適用于面積較大的煙田。對于小塊地，半自動式和人工輔助采收的機器則適應性更好。圖 13 為 Decloet 公司制造的一種半自動采摘機。該采摘機在減少一定的采摘速度的前提下，極大地減少了煙葉的破碎率，適合小塊煙田使用。在機器作業過程中，一方面需要操作機手負責操控機器，使得機器沿行間隨煙葉行行走，機器跨在煙壟上；兩端車架上設有放置裝煙葉的煙筐，煙筐后設有座椅，人工坐在座椅上負責采收煙葉，機器行走的速度與人工采摘煙葉的速度相匹配，大約為為 0. 5 ~ 1km/h.該機器的優點是人工采收煙葉對煙葉的損傷較小，煙葉完整，采收效果較好；但是相比于機器采收作業，半自動采摘機作業效率較低，較適合小塊煙地。
圖 14 為意大利 SPAPPERTI 公司生產的 RA1TO型煙草收獲機。該機器結構尺寸較小、方便靈巧，跨一行煙行作業采收，行寬為 45cm,整機質量僅為540kg,車速范圍為 0 ~ 5km / h;采用液壓轉向和液壓制動機構，執行動作通過駕駛員處的操縱桿來實現，從而可以有效地控制車輛的前進。液壓元件的有效布置使得車輛在田間作業的前進、轉向、制動和采收等動作性能更好。采收煙葉時，通過采收刀（如圖 15所示）把煙葉撥到兩側的輸送帶上，被打落的煙葉通過風機口的通道被吹落到機器后方的采收煙框里，從而完成煙葉采收。
圖 16 為美國 MarCo 公司設計制造一款整稈式6027 型煙草收獲機，其最大特點在于收獲煙葉進行整稈收獲，采收煙葉形式不同與以往的收獲機型。該收獲機具屬于三點掛接式，需要 58. 8kW 以上的拖拉機牽引作為動力，通過后輸出軸為液壓設備提供動力。
當機器作業時，拖拉機和機具前進方向與煙葉莖稈方向垂直，在靠近地面的煙葉位置，切刀把煙葉莖稈切斷；通過特殊的夾持裝置，在輸送鏈的傳送下，把煙垂直向后輸送，最后煙葉被水平一層一層的放置在輸送車上，進而完成煙葉采收。該煙草收獲技術雖然把煙稈進行整稈收獲，但煙桿植株的塊根仍留在田間，還需要拔出機械對煙田進行再處理?？傊?，該機器的煙葉收獲方式還是值得借鑒的。
2 我國煙草收獲機技術
農作物自動化收割能夠大大節省農民的勞動時間，降低勞動強度，提高工作效率。目前，隨著國內外自動化技術的高速發展，許多種農作物如玉米、小麥、水稻等的收割已經實現了自動化，并大規模應用，極大的促進了農業發展。我國雖然是煙葉生產大國，但我國煙草采收的機械化卻相對較為落后，煙葉采收一直處于人工作業階段[20],這主要與我國的煙葉種植模式、煙草種植農藝要求、種煙區分布和烤煙的要求等相聯系的。我國的種煙區主要分為 3 個區域：東北種煙區、黃淮種煙區和丘陵種煙區。東北種煙區由于地廣人稀，種煙地塊面積大，需要生產效率高的大型煙草收獲機械。黃淮種煙區由于人口密度大，煙農習慣分散種植，每戶的種煙地塊面積不大，大型收獲機械雖然作業效率高，但價格昂貴，地頭轉彎半徑大，轉彎時對煙草的損傷率較高，煙農難以接受；對于轉彎半徑小的小型收獲機械，煙農們卻樂意接受。丘陵種煙區由于地面起伏大、地塊面積小，煙農們更需要機動性更好、適應于山地丘陵的微型煙草收獲機械[21 -22].
所以，國內的許多煙草公司從國外引進的煙草收獲機械，由于不適宜國內的煙田情況，而且價格較貴，很難在國內進行推廣和應用。國外的煙草收獲機技術發展較快，而在我國許多科研院校和煙草機械生產廠家也對適應本土化的煙葉收獲機進行了相關的設計和制造，但目前主要的機型仍較少且技術應用都比較低。
在我國，煙草的種植情況比較多樣，行間距的控制沒有統一的標準，在國內煙草的種植行距有 90、120、130、140cm,且煙草行不在一條直線上。所以，依據收獲機在田間作業實際情況和作業機械化程度的不同，我國的煙草收獲機可分為自走式煙葉收獲機和半自動人工輔助采收機。
2. 1 自走式煙草收獲機
北京德邦大為科技有限公司與意大利 DeCloet 公司合作生產的煙葉采摘機在國內屬于較為先進的自走式煙草收獲機械。該機器可以準確、快速地采摘煙葉，對煙葉的損傷率較低，能輕松地把煙葉從后方的存煙籃轉移到煙葉拖車上；同時，機器上帶有中央監控系統，可隨時在駕駛室中實時查看收割機的各項指標。表 1 為煙葉采摘機的主要技術參數。
但是該機器在國內煙草采收時的適應性并不是很好，機器作業完畢后收獲的煙葉經常會出現破損、破裂和攪碎的現象，無法再對煙葉進行分級和處理，所收獲的煙葉屬于無用的材料。所以，仍需要對采收機進行改進和優化。
2010 年，河南農業大學李燕、劉國順、劉軍等設計發明的"一種自動行走的煙草收獲機,解決了人工采收煙葉效率低下和少數半機械化收獲機結構復雜、造價較高、易堵塞等問題，提供了一種機構簡單的自動行走煙草收獲機。圖 17 為河南農業大學設計的一種自動行走的煙草收獲機。該機主要包括車架、煙草收集箱、煙草采收系統、煙草傳送系統、行車系統和傳送帶張緊裝置，煙草收集箱與液壓控制裝置相連；行車系統包括前輪、后輪和固定在車架上的內燃機，內燃機通過傳送帶與變速器相連，制動器通過水平傳動帶與水平傳動帶相連，與水平傳動帶輪同軸的垂直傳動小帶輪通過與垂直傳動鏈與垂直傳動輪相連，垂直傳動輪與后輪同軸，車架上還設有傳動帶張緊裝置；前輪設置在前橋立柱上，車架上設有前輪轉向機構。該煙草收獲機行車系統具有 3 擋前進行走速度和 1 個倒擋速度，可實現在一般路面和田間的行走、轉向和后退。
通過后期機器在田間的煙葉采收試驗發現：該機器也存在著損傷煙葉的情況，而且較為嚴重，機器的適應性也不是很好。與其他地區的自走式煙草收獲機的收獲情況比較后得知：自走式煙草收獲機在我國的煙草田間適應性都較差，這主要與我國的煙草種植模式有關。我國的煙草種植行距沒有統一的標準，隨意性較大，且煙行并不是直線型的，這給成熟后的煙葉機械化采收造成了一定的困難。在國內，煙草機械的品種較多也較復雜，前期的煙苗移栽煙農并沒用統一采用符合標準的機械進行移栽作業，既有人工移栽的方式，也有機械和人工共同移栽的方式，這就很容易造成種植煙行的偏斜，導致煙行不在一條直線上；當后期機器進入田間采收作業時，由于自走式煙草收獲機機型龐大，機器的前進方向不容易操控，很容易刮傷和蹭傷煙葉，造成煙葉破損。所以，自走式煙草收獲機并不適合于我國的煙田，需要重新開發和研制新的煙葉采收機器。
2. 2 半自動人工輔助采收機
2009 年，吉林大學陶永蘭、郭曉宇、劉廣武等老師設計發明的"自適應行距煙葉收割機[24],懸掛于行走機構上如拖拉機等小型機械上即可完成收割作業，屬于半自動煙葉收獲機。該機器已初步向小型化趨勢方向發展。
圖 18 為自適應行距煙葉收割機結構示意圖。山東曲阜匯眾機械設備有限公司生產的小型半機械化煙葉收割機，適應于平原、丘陵、梯田等大小地塊的煙葉收割，每小時能收割 0. 053 ~0. 08hm2.表 2 為小型汽油收割機的主要參數。
圖 19 為許昌同興現代農業科技有限公司設計制造的煙草田間作業機。該機械為煙葉輔助采收設計的自走式動力機器，配備動力為 7. 35kW 的柴油機，采摘行數為 4 行，適應于行距為 120cm 的煙田。當進行田間作業時，在左右兩后輪的前方和后方分別設置了4 個座椅，且配備有煙筐，農民可坐在座椅上進行煙葉采收作業，1 個人負責 1 行煙葉；采收作業時，該機器行走的速度為 0. 6km /h,人工采收作業的效率為0. 29hm2/ h,主要適用于平原、坡度較小的山地丘陵地區。該機器在田間作業時，作業效率較低，需求勞動力較大，但是相比于大型的自走式煙草收獲機，其對煙葉的損傷比較小，收獲的煙葉較為完整，更有利于后期的煙葉烘烤；另外，機器采用三輪式，田間的轉彎半徑較小，對煙田的適應性較好。
圖 20 為洛陽尚元機械科技有限公司和河南科技大學共同設計生產的煙葉輔助采收機，總長為 250cm、寬為 68cm、高為 105cm,前后軸距為 213cm,輪距為540cm,配套動力僅為 4kW,屬于小型的煙葉輔助采收車，僅需要 1 人駕駛操控即可。由于機器結構較小，采收作業時，只行走在煙壟行間，人工輔助采收煙葉，所收獲的煙葉損壞較小。但是該機器的作業效率較低、煙筐較小，所以每次作業的時間較短、耗時較長，不適合于大面積煙田，比較適應于小塊煙地和丘陵地帶。
3 我國煙草收獲存在問題與發展方向
1）河南農業大學在吸收、引進和借鑒國外煙草收獲機技術的基礎上設計發明的"一種帶有棘輪棘爪的煙草收獲機,是自主設計制造的第 1 臺自走式煙草收獲機，雖然在一定程度上解決了人工采收煙葉勞動強度大的問題，但收獲機在田間試驗時煙葉收割不均勻、田間適應性較差，因而難以在田間進行推廣和應用。由此說明，大型自走式煙草收獲機在我國的適應性較差，這與我國煙草的種植模式相關。例如，煙草種植的行間距、煙行的直線型及前期煙葉種植所選用的機型等，這些都需要對煙草作業的全程機械的作業規程進一步規范標準，使煙草的機械化種植更加專業化。
2） 我國煙草種植面積區域大，且地形起伏變化大，有丘陵、山地、平原等不同的地貌特征。小型的人工輔助采收的機器雖然在田間的適應性較好，煙葉也較為完整，但是仍沒有擺脫勞動力的束縛，人工投入較大，采收的效率仍比較低下，勞動強度較高。所以，仍需要繼續對半自動化的機器進行改進和優化，提高作業效率，解放勞動力[27].
總之，地方高校和公司企業等也一直在研發設計新的煙草收獲機型，使煙草的收獲更加輕便。例如，河南農業大學正在研究適合于煙田的打頂抑芽噴霧綜合作業車，該綜合作業車有望實現在田間的煙葉采收、煙葉打頂抑芽、田間農藥噴施、灌溉、中耕作業和遙控作業等功能。未來的煙葉收獲機需要向小型化、智能化、輕簡化、靈活化、人性化、標準化、經濟和節能環保方向發展，不僅能夠實現煙葉的采收作業，還能實現煙葉打頂抑芽、農藥噴施及灌溉等多功能作業，以提高利用程度，降低成本，實現多功能作業。
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