熱區(qū)高粗莖稈類作物種植機(jī)切稈裝置研究進(jìn)展

崔振德 鄧干然 李國(guó)杰 劉智強(qiáng) 鄭爽 李玲

摘 要 介紹熱區(qū)各類高粗莖稈作物種莖的物理特性、種植農(nóng)藝及機(jī)械化種植水平，進(jìn)一步分析各類種植設(shè)備切稈裝置的結(jié)構(gòu)與研究進(jìn)展。總結(jié)幾種典型作物種植機(jī)切稈裝置，分析設(shè)計(jì)要求及工作原理，評(píng)述其存在的問(wèn)題。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)當(dāng)下熱區(qū)高粗莖稈種植機(jī)切稈技術(shù)與裝置研究的困境，提出未來(lái)種植機(jī)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞 高粗莖稈 ；切稈裝置 ；工作原理 ；進(jìn)展

中圖分類號(hào) S225.5

Abstract Introduced the physical characteristics， agronomic and planting mechanization level of tropical high thick stalk crops stalk， and analyzed the plant equipment cut stalk device structure and the research progress of various types furtherly. To summarize some typical crop plant stalk cutting device， analyze the design requirements and working principle， and review the existing problems. Finally， combined with the actual production experience， summarize current high thick stalk planter cut stalk technology and equipment of the dilemma in hot spot， presented the planting machine development point in future.

Key words high thick stalk ； straw cutting device ； working principle ； progress

作物莖稈是一種重要的生物資源，可作為牲畜飼料、農(nóng)田肥料和造紙?jiān)?，也可用于榨汁提取有效成分，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)乃至畜牧業(yè)的重要原料來(lái)源之一。同時(shí)，有些作物莖稈可以直接作為種子資源進(jìn)行種植栽培。粗莖稈作物主要包括甘蔗、苧麻、玉米、高粱、蘆葦、木薯、王草、象草等[1]。而以成熟莖稈作為種子資源進(jìn)行繁育種植的作物，主要分布于熱帶亞熱帶地區(qū)，如甘蔗、木薯、王草、象草等。目前，這幾類作物已出現(xiàn)機(jī)械化種植設(shè)備，而各個(gè)類型的種植機(jī)械整體功能部件相似程度高，一般都包含有機(jī)架、切稈裝置、地輪、開(kāi)溝裝置、覆土裝置、施肥裝置等。切稈裝置的結(jié)構(gòu)形式主要包括對(duì)輥式和鋸片式2種。

切稈裝置的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源主要分為地輪驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)3種。

目前，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)用工資源嚴(yán)重不足，而人工成本卻增長(zhǎng)迅速，這導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械的快速發(fā)展。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械的高速發(fā)展勢(shì)頭，各類型農(nóng)機(jī)具相繼出現(xiàn)，并投入生產(chǎn)。對(duì)于北方大面積種植作物，農(nóng)機(jī)具發(fā)展趨于完善和成熟。而處于熱區(qū)的小作物，由于適用范圍較小，效益低，發(fā)展緩慢，大大限制了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展。目前，對(duì)于適用于機(jī)械化種植的種莖切斷技術(shù)方面的研究基本是空白。筆者系統(tǒng)地對(duì)中國(guó)熱區(qū)的主要高粗種稈切斷技術(shù)進(jìn)行分析，為高粗莖稈作物機(jī)械化種植技術(shù)的深入研究提供參考。

1 高粗莖稈的物理特性及種植現(xiàn)狀

1.1 甘蔗

甘蔗是世界上最主要的糖料作物，也是我國(guó)中南方地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物。一般甘蔗莖稈高度約1-3 m，直徑20-40 mm，表皮光滑。甘蔗莖稈是各向異性、非均質(zhì)、非線性材料。

國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)甘蔗莖稈力學(xué)特性進(jìn)行過(guò)研究，其中華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉慶庭等對(duì)甘蔗莖稈各項(xiàng)物理參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)甘蔗莖稈基部切變模量平均值為10.82 MPa，最大剪切應(yīng)力的平均值為0.45 MPa[2-3]。目前，我國(guó)的甘蔗種植仍以人力為主，每人每天種植面積不足667 m2，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效益低。

1.2 木薯

木薯是全球產(chǎn)量過(guò)億噸的七大農(nóng)作物之一，世界三大薯類之一，廣泛栽培于熱帶和亞熱帶地區(qū)。適應(yīng)性廣、粗生易種、抗逆性強(qiáng)、耐干旱。在我國(guó)南亞熱帶地區(qū)，木薯是僅次于水稻、甘薯、甘蔗和玉米的第五大作物。它在飼料生產(chǎn)、工業(yè)應(yīng)用等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，已成為廣泛種植的主要加工淀粉和飼料作物。

成熟的木薯莖稈表面分布著許多突起，呈多頭螺旋線規(guī)則排列，莖稈主體直徑為10-35 mm，軸向相鄰腋芽距離為15-40 mm。由橫斷面可以看出，木薯莖稈主要包含3個(gè)部分，由外到內(nèi)依次為皮層、木質(zhì)層、髓部。

國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)已對(duì)木薯種莖的力學(xué)特性進(jìn)行過(guò)分析研究。其中，廣西大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)于2010-2011年對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，木薯莖稈平均軸向剪切強(qiáng)度1.86 Mpa、平均徑向剪切強(qiáng)度2.53 Mpa、平均軸向彈性模量5.24 Mpa、平均徑向彈性模量35.36 Mpa[4]。

近年來(lái)，隨著木薯種植產(chǎn)業(yè)的日益壯大，木薯種植設(shè)備也逐步發(fā)展，一定程度上降低了木薯種植環(huán)節(jié)對(duì)人工的依賴和生產(chǎn)成本。目前，國(guó)內(nèi)木薯機(jī)械化種植水平達(dá)到25 %以上。

1.3 王草

王草，即皇竹草，又叫巨菌草，原產(chǎn)于南美哥倫比亞，具有產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)豐富、適應(yīng)性廣、用途廣泛等特點(diǎn)，目前主要作為飼料用于家畜飼養(yǎng)。同時(shí)作為高級(jí)用紙的理想原料，發(fā)展?jié)摿薮骩5]。

王草外觀特性及生長(zhǎng)狀態(tài)都與甘蔗較為類似，莖稈高大粗壯，生長(zhǎng)拔高15-30個(gè)節(jié)，節(jié)間長(zhǎng)度為10-15 cm。

目前，尚未發(fā)現(xiàn)有科研機(jī)構(gòu)對(duì)王草莖稈特性進(jìn)行科學(xué)合理地研究。其種植方式以人工為主，設(shè)備尚不完善，可靠性較低，國(guó)內(nèi)王草機(jī)械化種植水平還達(dá)不到15 %。

1.4 象草

象草，又名紫狼尾草，屬多年生草本植物，原產(chǎn)于非洲，而今廣泛分布于各大洲的熱帶和亞熱帶地區(qū)。象草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、單產(chǎn)高、適口性好，是我國(guó)南方飼養(yǎng)畜禽的重要青綠飼料，在我國(guó)廣東、廣西、云南、貴州、福建、湖南、湖北、四川、江西、臺(tái)灣等地都有種植。

象草外觀上與甘蔗、王草等較為相似，莖稈分節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)度10-30 cm，直徑一般為10-20 mm，高度2-3 m，因品種而異，高的可達(dá)5 m[6]。

目前，國(guó)內(nèi)尚未有成熟的象草種植機(jī)面世，仍以傳統(tǒng)人工種植為主。人工種植象草時(shí)，選擇生長(zhǎng)周期超過(guò)100 d的健康粗壯、無(wú)損傷莖稈作為種莖，切成長(zhǎng)度大致相同的小段，每段保留1-2節(jié)，采用斜插或者平放式栽植，行距70 cm，株距50-60 cm。

2 高粗莖稈作物種植機(jī)莖稈切斷技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 甘蔗莖稈切斷技術(shù)

甘蔗莖稈切斷技術(shù)按甘蔗莖稈使用途徑，可分為收獲時(shí)切斷技術(shù)與種植時(shí)切斷技術(shù)2種類型。甘蔗收獲切斷方式主要是高速回轉(zhuǎn)刀片或鋸片的砍斷與鋸斷。甘蔗收獲時(shí)，要求切斷面盡可能平滑，以減少糖分損失，以很高的線速度運(yùn)動(dòng)的鋒利刀片能夠輕易將甘蔗斬?cái)?，該?xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟，廣泛應(yīng)用于各類型甘蔗收獲機(jī)上。

而適用于甘蔗種植機(jī)的切斷裝置對(duì)切斷面的要求并不高，主要考慮甘蔗種的出苗率，經(jīng)大量田間生產(chǎn)實(shí)踐，切斷面光滑與否對(duì)出苗率影響不大。因此，在甘蔗種植機(jī)上，切稈裝置需要做到簡(jiǎn)便、可靠，雙輥對(duì)切的切斷技術(shù)能夠滿足甘蔗種植機(jī)對(duì)切斷質(zhì)量的要求。該裝置包括一對(duì)切稈刀輥、刀片、喂料裝置、傳動(dòng)組件等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，維護(hù)方便。

由于對(duì)出苗率要求較高，相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)切割防傷芽研究較為深入，并設(shè)計(jì)了防傷芽切斷裝置[7]。目前，甘蔗基本可以使用機(jī)械化進(jìn)行種植，但作業(yè)穩(wěn)定性與可靠性還有待提高。

2.2 木薯莖稈切斷技術(shù)

木薯莖稈與甘蔗、王草、象草等莖稈在外觀、物理特性等方面都存在很大差異。木薯莖稈表皮脆弱，容易損傷，而其他幾種作物表皮都比較光滑堅(jiān)硬。因此，木薯種植機(jī)切稈裝置具有一定的獨(dú)特性。

木薯種植機(jī)切斷裝置一般分為2種，一種是利用高速旋轉(zhuǎn)鋸片進(jìn)行鋸切，另一種是利用雙輥對(duì)轉(zhuǎn)進(jìn)行擠切。鋸切式的切斷裝置，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)額外安裝電機(jī)以提供電力，出現(xiàn)故障，維修不便，即使小故障也需要專業(yè)人員進(jìn)行維修，影響生產(chǎn)作業(yè)。所以，目前常見(jiàn)的切稈裝置基本以擠切式為主，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低、易維護(hù)等特點(diǎn)。

每家企業(yè)的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上都比較相似，區(qū)別在于刀片數(shù)量，各組件材質(zhì)、參數(shù)及安裝方式。刀片數(shù)量與刀輥直徑存在線性關(guān)系，刀片數(shù)量越多，則刀輥直徑越大。最為常見(jiàn)的是3-4對(duì)刀片的形式，刀輥直徑、刀輥中心距大約20 cm[8]。刀片材質(zhì)一般為高錳鋼，部分企業(yè)采用高速鋼、45#鋼加工刀片。刀片受力復(fù)雜，刀刃易出現(xiàn)損傷，作業(yè)期間需要留意觀察，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)解決。

2.3 王草莖稈切斷技術(shù)

王草種莖外觀及內(nèi)部組織與甘蔗極為相似，理論上，切稈裝置結(jié)構(gòu)也存在相似性。同時(shí)，王草種植農(nóng)藝也與甘蔗較為相似，都需要開(kāi)溝、切種、施肥、覆土、壓實(shí)等一系列工作。由于國(guó)內(nèi)王草種植尚不規(guī)范，都是采用粗放式種植，缺乏管理，且土地整理差，種植設(shè)備應(yīng)用范圍窄，國(guó)內(nèi)王草種植基本以人力為主。

王草種植機(jī)切稈裝置整體上比甘蔗種植機(jī)小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度稍低，刀片材質(zhì)及尺寸大小都不及甘蔗種植機(jī)，加工成本相對(duì)稍低。

國(guó)內(nèi)王草種植機(jī)出現(xiàn)時(shí)間較晚。2014年，市面上才出現(xiàn)該類型設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)王草種植機(jī)主要是富來(lái)威公司，產(chǎn)品主要分為預(yù)切式和實(shí)時(shí)切斷式2種：預(yù)切式的切斷方式為人工砍切或鋸片鋸切；而實(shí)時(shí)切斷式切稈裝置與甘蔗種植機(jī)類似，尺寸稍小。按照放種方式又可分為斜插式和平放式2種：平放式種莖切斷長(zhǎng)度為35-40 cm，株距60 cm，行距90-100 cm；而斜插式種莖切斷長(zhǎng)度為20 cm，株距40 cm，行距75 cm[9]。

2.4 象草莖稈切斷技術(shù)

象草與王草都是國(guó)內(nèi)較為常見(jiàn)的牧草，外觀結(jié)構(gòu)相似。然而，象草種植機(jī)及種莖切斷裝置方面卻幾乎是空白，至今未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

基于其他高粗莖稈作物的實(shí)時(shí)切種技術(shù)，結(jié)合象草種植農(nóng)藝，開(kāi)發(fā)適用的切斷裝置，技術(shù)難度小，開(kāi)發(fā)周期短。以木薯種植機(jī)為參考，設(shè)計(jì)核心數(shù)據(jù)為種莖切斷長(zhǎng)度和種植株距，而種莖切斷長(zhǎng)度由切斷刀輥直徑及刀片數(shù)量決定，排種速度與切稈裝置移動(dòng)速度決定了種植株距。按照象草種植株距30-35 cm，種苗長(zhǎng)度20-25 cm的要求，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算便可初步得到切稈裝置的參數(shù)，以此為基礎(chǔ)，參考木薯種植機(jī)切稈裝置結(jié)構(gòu)，即可設(shè)計(jì)出象草種植機(jī)切稈裝置。最后，加工出試驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)大量田間試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行不斷優(yōu)化改進(jìn)。

3 小結(jié)

（1）國(guó)內(nèi)高粗莖稈作物種植機(jī)莖稈切斷裝置的研究主要集中于甘蔗和木薯。在牧草種植業(yè)大力發(fā)展的當(dāng)下，王草、象草種植機(jī)莖稈切斷技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

（2）目前，各種作物種植機(jī)切割技術(shù)研究薄弱，尤其是基礎(chǔ)研究，主要集中在結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方面，而樣機(jī)制作完成之后，缺乏完善的試驗(yàn)，無(wú)法對(duì)優(yōu)化改進(jìn)提供合理的數(shù)據(jù)支持。

（3）對(duì)于各類作物專用切割裝置，目前僅能達(dá)到“能用”，而離“好用”還有很大差距，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究基礎(chǔ)薄弱，儀器設(shè)備匱乏，研究方法陳舊，短時(shí)間內(nèi)還難以達(dá)到理想效果。

（4）在對(duì)比分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)熱區(qū)各類高粗莖稈作物物理特性有許多共通之處，各作物種植規(guī)程相似，僅施肥量、行間距、種植深度等方面存在差異，因此可以考慮設(shè)計(jì)通用設(shè)備裝置，提高設(shè)備的利用率。

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