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一、选题背景
甘蔗作为一种重要的经济作物，在全球90多个国家广泛种植，其种植面积达到约2200万公顷。中国作为世界第三大甘蔗生产国，甘蔗种植面积超过153.33万公顷[1]。然而，尽管我国甘蔗产量在全球占有重要地位，甘蔗收获机械化水平却相对较低，尤其是收获环节，成为制约甘蔗全程机械化生产的短板。目前，我国甘蔗收获主要依靠人工砍伐，这种落后的收获手段严重制约了我国甘蔗糖业的发展。我国从20世纪70年代开始研制甘蔗收割机，但40多年过去，甘蔗机械化收获仍未取得突破性进展。国外如澳大利亚、美国在20世纪60年代就已实现甘蔗种、管、收全程机械化作业，而我国甘蔗收获机械化水平在2011/12年和2017/18年榨季仅为0.07%和1.42%，显示出我国在甘蔗收获机械化方面的巨大提升空间[2]。因此，设计一种小型、高效、经济实用的小型甘蔗打包机具有重要的现实意义。它可以满足小型种植户的打包需求，提高甘蔗的收获效率，降低劳动强度，促进甘蔗产业的可持续发展。
二、国内外研究现状
国外应用较多的是切段式甘蔗联合收获机，而我国目前农业生产力相对落后，自然条件差，蔗农收入普遍较低，因此以分段式中小型作业和甘蔗联合收获机并举的模式仍将会持续一段时间[3]。从长期发展来看，甘蔗收获机械化将会以高效率、适应性强的切段式联合收获机为主体，整秆式中小型分段式收获机为辅。中国科学院沈阳自动化研究所牵头的中科院STS项目“甘蔗收获机械智能化技术研究与装备研发”通过验收，研发了甘蔗收获机与田间转运车协同作业系统、自主作业系统，以及切段式智能甘蔗收获机、轻量化甘蔗收获机和蔗叶方捆压捆机，并在关键技术攻关、系统与样机研制、田间示范应用与推广方面完成项目预期目标。这些进展表明，我国在甘蔗收获机械的智能化技术方面取得了一定的成果，但仍需进一步的研究和开发，以适应我国甘蔗生产的特定需求。
（一）甘蔗打包机国外的研究现状
自19世纪80年代起，美国、日本、澳大利亚等国家便开始了甘蔗收割机械的研发与开发工作。在这一领域，S. Kroes和H. D. Harris[4]等研究者对双圆盘式甘蔗收割机械进行了深入的运动分析，成功计算出了机械与原料甘蔗之间的最大容许速率比率，即推进速率与刀具旋转速率的比值。他们利用这一数学方法，对甘蔗的外形尺寸、栽植间距以及甘蔗收割机的最大作业操作速率进行了系统性分析，为甘蔗收割机械的设计和优化提供了重要的理论依据。这些研究不仅推动了甘蔗收割机械化的发展，也为后续的相关研究奠定了坚实的基础。
经过一系列的整合和并购活动，当前国际市场上的大型切段式甘蔗联合收割机主要由几家主要制造商生产[5]，其中包括凯斯公司生产的A8000型号如图1所示，德国克拉斯公司生产的CC3000型号，以及约翰迪尔公司生产的CH570和3510型号如图2所示。除此之外，日本久保田公司生产的UT-70K型号和松元机工株式会社[6]生产的MCH-15型号属于中小型甘蔗联合收割机，虽然它们的工作效率不如大型机型，但在适应不同工况方面表现出更强的灵活性和适应性，但其都仅限于对甘蔗的收割并无对甘蔗的打包功能。
图1凯斯 A8000 型甘蔗联合收割机
图2约翰迪尔 CH570 型甘蔗联合收割机
随后德国的克拉斯[7]公司研发的甘蔗打包机如图3所示，该公司研发的小型甘蔗打包机采用了先进的双动式液压压缩机构，这一设计使得压缩缸由两个相对运动的活塞组成，从而实现了甘蔗在压缩过程中的均匀受力，显著提升了压缩效率与紧实度。与传统的单动式压缩方式相比，这种设计将压缩时间大幅缩短了约30%至40%，极大提高了作业效率。
图3克拉斯甘蔗打包机
久保田[8]公司研发了一种甘蔗收割打包一体化机器如图4所示，该机型集成了多种先进传感器技术，能够精确监测甘蔗的物理特性，并将数据反馈至控制系统，以便自动调整压缩力等关键打包参数。
图4久保田甘蔗收割打包一体化机器
（二）甘蔗打包国内的机研究现状
随着我国甘蔗产业的不断发展，机械化收割水平的提升已成为提高生产效率和降低成本的关键因素[9]。尽管国内在甘蔗收获机械的研发方面取得了一定进展，如广西农业机械研究院、广东农机研究所等单位的研究成果，以及中国科学院沈阳自动化研究所在智能化技术方面的突破，但整体而言，我国甘蔗收获机械化水平仍然较低，面临着适应性、通用性和可靠性等方面的挑战，且机械化收获模式尚未成熟[10]。因此，深入研究和开发适应我国甘蔗种植特点的高效、智能收获机械，对于推动甘蔗产业的现代化发展具有重要意义。
王超俊[11]等人设计了一种自动甘蔗剥皮和切割机，如图5所示。这台机器旨在解决手工剥皮的局限性,即劳动密集、效率低下和不卫生。所提出的机器使用双电机系统来自动化剥皮和切割过程。剥皮机构采用浮动弧形刀片,可将甘蔗剥至2毫米深度,而切割机构则使用低速电机切割已剥皮的甘蔗。这台机器设计用于鲜甘蔗市场和甘蔗汁加工行业,为准备甘蔗提供更高效和卫生的解决方案。
图5一种自动甘蔗剥皮和切割机
1.储料箱;2.切断减速电机;3.切断刀;4.出料输送装置;5.双圆盘削皮装置;6. 进料输送装置;7.甘蔗;8. 支撑架;9.驱动减速电机;10.皮屑收集箱;11.机架
韦家良[12]发明了一种甘蔗打包装置如图6所示，本甘蔗打包设备设计目的在于提升甘蔗捆绑的效率，同时减轻劳动者的体力负担。该装置具有铰接式前板和倾斜式后板的箱体结构，其顶部装有用于固定捆绑绳的滚轮。在甘蔗被装入箱体后，其自重促使前板旋转开启，进而使甘蔗连同绳索一同落下。滚轮装置配备有制动机制，用以收紧绳索，实现甘蔗的捆扎。这一设计简洁且成本效益高，为甘蔗的包装提供了一种便捷的方法，并确保了捆扎重量的标准化。
图6一种甘蔗打包装置
步丽丽[13]发明了一种甘蔗采收用打包装置如图7所示，本甘蔗收割与包装一体机，由一个框架结构构成，配备有工作台面、旋转滚筒以及传送带系统，用以输送和打包甘蔗。此外，该机器还装备了修枝锯和甘蔗收集臂，这些部件负责拾取并整齐排列甘蔗秆。其核心优势在于可调节的修枝锯机构、可变间距的收集臂以及便于操作的倾斜工作平台。该设备的设计目标是自动化和简化甘蔗的收割与包装流程，旨在降低人工需求，提升作业效率。
图7一种甘蔗采收用打包装置
综上所述，国内外甘蔗打包机的研究现状表明，尽管取得了一定的进展，但仍需在技术创新和适应性改进方面进行更多的努力，以实现甘蔗收获的全面机械化和效率提升。
三、研究意义
课题研究具有极为重要的意义。国内小型甘蔗打包机目前存在诸压缩机构受力不均、进料装置精度差、传动系统稳定性低等问题，这些问题严重制约了甘蔗产业的高效发展。通过深入研究，能够针对性地对小型甘蔗打包机进行改进与优化，提高甘蔗打包的质量与效率，同时，有助于降低设备的维护成本与故障率，延长设备使用寿命。
四、研究的基本内容与拟解决的主要问题
（一）基本内容
毕业论文（设计）中主要完成的内容包括：
1.根据甘蔗的特点和打包要求，确定打包机的工作原理和总体结构。
2.对打包机的关键部分进行功能分析和选型，
3.完成关键部件的详细设计和核算。
4.绘制出相应的零件图和装配图。
4.利用SolidWorks软件建立小型甘蔗打包机的三维模型，并进行虚拟装配和运动仿真。
（二）拟解决的主要问题
1.选择传送带装置，提高动力传递效率，从而提高打包速度并设置滚轮入口装置使甘蔗排列有序。
2.使用液压压缩装置，确保甘蔗能够被压缩到合适的密度，避免打包过松或过紧。
3.通过液压推杆使打包好的甘蔗推入收集装置中，优化结构设计，减少甘蔗在打包过程中的卡顿和堵塞现象
4.在满足打包机性能要求的前提下，合理选择材料和零部件，减少不必要的复杂部件，降低制造和维护成本，延长设备使用寿命。
五、研究思路方案、可行性分析及预期成果
本设计论文拟采用理论分析与三维建模及仿真实验方法，在 SolidWorks 环境下完成小型甘蔗打包机设计仿真，并进行性能分析。先从理论层面剖析甘蔗特性和打包需求，确定工作原理与总体结构，对各组成部分（如机架、传动和打包机构等）功能分析选型。接着在 SolidWorks 中创建关键部件模型，完成详细设计计算与图纸绘制，再进行虚拟装配和运动仿真。同时通过性能分析优化设计，解决甘蔗卡顿堵塞、提高动力传递效率、确保压缩密度合适、降低成本等问题。
（一）研究思路方案
1.物料分析
了解甘蔗的物理特性长度、直径、密度、湿度等。甘蔗通常长度不一，直径有一定范围，且在不同季节湿度差异较大，这些因素会影响打包机的进料、压缩等操作。
分析甘蔗的力学性质，了解其抗压强度、柔韧性等，以便确定合适的压缩力和压缩方式，避免在打包过程中对甘蔗造成过度损伤。
调研小型甘蔗种植户或加工企业的平均甘蔗产量，以及在收获季节的集中处理量需求。这将决定打包机的工作效率和处理能力指标，每小时打包的捆数、每捆甘蔗的重量范围等。
2.总体设计
（1）工作流程规划
确定打包机的基本工作流程：进料→压缩→捆扎→出料。设计合理的物料输送路径，确保甘蔗能顺畅地从进料口进入，经过压缩机构压缩成捆，再通过捆扎装置完成捆扎，最后从出料口输出打包好的甘蔗捆。
（2）整体结构布局
根据工作流程，设计打包机的整体结构框架，包括主机架、进料装置、压缩机构、捆扎装置、出料装置等各部分的相对位置和连接方式。
确保结构紧凑合理，便于安装、维护和操作，同时要考虑设备的稳定性，能够承受打包过程中的各种力。
3.关键部件的设计
（1）进料装置设计
针对甘蔗的特点，选择合适的进料方式，如输送带式、链条式或螺旋式进料等。输送带式进料可实现连续稳定进料，但可能存在甘蔗摆放不齐的问题；链条式进料能较好地控制甘蔗的间距，但结构相对复杂；螺旋式进料适合处理较短的甘蔗段，但对甘蔗的完整性有一定要求。
设计进料口的尺寸和形状，使其能够顺利容纳不同长度和直径的甘蔗，同时设置导向装置，引导甘蔗准确进入进料通道。
（2）压缩机构设计
考虑采用双缸或多缸压缩方式，以改善传统单缸活塞式压缩受力不均的问题。双缸或多缸可从不同方向对甘蔗进行压缩，使甘蔗捆受力更均匀，提高紧实度一致性。
确定合适的压缩比，根据甘蔗的物理特性和所需的打包密度，计算出最佳压缩比，确保打包后的甘蔗捆既紧实又不会对甘蔗造成过度挤压损坏。
选用优质的活塞和缸体材料，减少活塞与缸壁之间的摩擦，提高设备的使用寿命。同时，采用高性能的密封件，防止液压油或压缩气体泄漏，保证压缩力的稳定。
（3 ）捆扎装置设计
选择合适的捆扎材料，根据甘蔗捆的大小、重量以及市场需求和成本考虑来确定。设计捆扎机构，实现自动或半自动捆扎功能。
确保捆扎的牢固性，设置合适的捆扎圈数、张力控制机构等，使捆扎后的甘蔗捆在运输和储存过程中不会散开。
（4）传动系统设计
选择合适的传动比，综合考虑设备的性能要求和成本，高效的传动方式。
传动部件的齿轮、链轮要精确计算其模数、齿数、直径等参数，保证传动的平稳性和效率。完成设计后，绘制详细的零件图和装配图，明确每个零件的尺寸公差、表面粗糙度等技术要求。
4.三维建模
利用SolidWorks软件进行三维建模
三维建模软件中创建各个零件的模型，将创建好的各个零件模型进行装配，形成完整的小型甘蔗打包机三维模型，检查各零件之间的配合是否正确，是否存在干涉现象等。
通过运动仿真功能，模拟打包机的实际工作过程，观察各部分的运动状态、速度变化、受力情况等，进一步优化设计，确保设备能够正常、高效地工作。
（二）可行性分析
1.从技术层面来看，当前农业机械领域已经有丰富的相关技术可作为参考。在甘蔗打包机方面，国内外已有一定的研究成果，提供了发展的方向和借鉴对象。而且，三维设计软件 SolidWorks 的广泛应用和不断发展，为我们进行复杂机械结构的设计、虚拟装配和运动仿真提供了强大的技术支持。
2.在知识储备方面，本设计所涉及的机械原理、机械设计、工程力学等专业知识，本人在前期的学习过程中已经系统掌握。通过对这些课程的学习，能够准确地进行力学分析、结构设计和材料选择，为设计研究提供了坚实的理论基础。
3.指导教师在农业机械设计领域具有丰富的经验和专业知识，能够在设计过程中给予全面的指导。有助于确保研究工从最初的设计思路梳理，到关键技术问题的解决，再到设计方案的优化，指导教作顺利推进，实现预期的研究目标。
（三）预期研究成果
1.完成小型甘蔗打包机的总体方案设计，包括工作原理、总体结构和各部件的功能分析。
2. 完成关键部件的详细设计和计算，绘制出相应的零件图和装配图。
3. 建立小型甘蔗打包机的三维模型，并进行虚拟装配和运动仿真。
4. 撰写毕业论文，详细阐述小型甘蔗打包机的设计过程和研究成果。
六、论文（设计）计划安排
（1）2024.10.01—2024.10.31：进行毕业论文（设计）前期资料准备、布置毕业论文（设计）任务书以及外文翻译任务。
（2）2024.09.01—2024.10.31：教师指导学生查阅资料（包括外文资料），撰写文献综述、开题报告及完成外文资料翻译等工作 。
（3）2024.11.01—2024.11.30：完成开题报告答辩工作；进行总体方案设计。
（4）2024.12.01—2025.3.1：完成毕业论文（设计）初稿。
（5）2025.3.2—2025.03.20：进行毕业论文（设计）中期检查，包括指导情况、学生完成情况以及表格与记录的填写情况。
（6）2025.03.21—2025.04.04：完成毕业论文（设计）二稿、三稿、四稿的修改。
（7）2025.04.05—2025.04.30：完成毕业论文（设计）五稿的修改，确定终稿。
（8）2025.05.01—2025.05.10：提交毕业论文（设计），做好毕业论文（设计）答辩准备，完成毕业论文（设计）答辩。
（9）2025.05.11—2025.05.31：完成毕业论文（设计）相关材料的整理及归档工作 。
七、参考文献
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