河北省棉柴機械化處理技術發(fā)展建議

王玨 楊欣 王建合張璞

1、河北農業(yè)大學機電工程學院 2、河北省農機化技術推廣服務總站

河北省棉柴機械化處理技術發(fā)展建議

王玨1楊欣1王建合2張璞1

1、河北農業(yè)大學機電工程學院 2、河北省農機化技術推廣服務總站

棉柴收獲處理技術是棉花全程機械化的重要組成部分。本文分析了棉柴及根系的生物學特性和最佳收獲季節(jié)，綜述了棉柴機械化收獲處理技術研究現(xiàn)狀及機具種類和特點，提出河北省棉柴收獲處理技術的發(fā)展建議，為推動本地棉花全程機械化發(fā)展提供了參考思路。

棉柴；處理技術；機械化

引言

河北省是我國棉花優(yōu)勢產區(qū)，在全國占有十分重要的地位。自2000年后，全省10萬畝以上的植棉大縣達到87.5%，種植面積在550khm2以上，占全國棉花種植面積的10%[1-4]。但近幾年來，河北省棉花種植面積呈下降趨勢[5-7]。2013年，河北省棉花種植面積為480khm2，比上一年年同比下降16.5%[8,9]；2014～2015年，河北省棉花種植面積約保持在367 khm2[8,10]。造成棉花種植面積減少的重要原因之一是棉花種、管、收等主要靠人工作業(yè)，勞動強度極大，產出效率過低，植棉效益不高[6,11]。

棉柴是一種重要的可再生生物質能源，可通過生物質能轉化技術變成木炭、可燃氣體或電力等能源。據(jù)統(tǒng)計，每噸棉柴可產木炭300kg、木焦油24 kg、木醋油220kg。棉柴發(fā)電燃燒后的草木灰是高品質的鉀肥，棉柴還是造紙、人造板等的優(yōu)質原料。棉柴回收處理是棉農增收的一條重要途徑，但由于棉柴產量大、收儲季節(jié)性強，河北省棉區(qū)大部分棉柴被隨意丟棄，造成秸稈資源巨大浪費，甚至焚燒污染環(huán)境。我國在20世紀60年代中期就開始研制棉柴收獲機械，80年代至90年代得到較快發(fā)展。河北省棉區(qū)的種植農藝和模式差異較大，棉柴收獲機械未能很好應用，多數(shù)農戶仍采用人工收獲，勞動強度大，生產效率低。本文綜述分析棉柴機械化處理技術種類，以期為河北省棉柴機械化處理提供發(fā)展思路。

1 棉柴特性分析

1.1 棉花根系狀況

棉花屬直根系作物，分為主根和側根，側根又生長支根，如圖1所示。大部分的根系分布在耕作層內，在土壤養(yǎng)分、水分和土質合適的情況下，根系生長相當發(fā)達，主根可深入土層達2m左右，側根長度可達1m以上。

圖1 棉花根系分布

1.2 棉柴最佳收獲期

棉柴一到立冬就應開始收獲，大雪以前應收獲完畢，較理想的收獲期只有一個月左右。根據(jù)實踐經(jīng)驗，棉花到霜降后，葉子枯萎脫落，但棉稈、棉花根部還未死，棉稈外皮水分大，有粘液，此時的剪切強度和所需剪切功均比較大，此時收棉稈，會使動力機構的負荷比較大。到立冬以后，棉稈、棉花根部都已經(jīng)死亡，此時棉稈外干里濕，既不打滑，又有較大的韌性，屬于容易收獲時期。此時的剪切強度和所需剪切功均較低。如果過了大雪，此時棉稈已干透，棉稈脆性增大，很容易折斷，而且由于土地封凍，給收獲也帶來了很多不便。為了把棉稈在短短的一個月左右的收獲期內適時收獲完全，并減少剪切棉桿所需要做的功，必須選擇合適的收獲棉稈的有利時機。試驗表明，最佳收獲棉柴的時間為12月中下旬一個月內收獲，可以節(jié)省16.4%的剪切功[12]。

2 棉柴處理技術

棉柴收獲處理方式主要有兩種：一種是待秋收后將棉稈就地粉碎還田，這種方式主要應用于以美國為代表的國家；另一種是以棉稈收獲為主，代表國家有蘇丹、俄羅斯等[13]。河北省棉柴收獲目前也基本采用這兩種方式，下面分別進行介紹。

2.1 棉柴粉碎還田

該類機具包括水平刀盤式、垂直刀盤式、滾刀式和甩刀式棉柴切（粉）碎機等。

2.1.1 水平刀盤式

圖2 4JQS-180型棉柴莖桿切碎還田機

目前生產中使用的主要機型為拖拉機后懸掛式機具，由機架、傳動機構、切割裝置等部分組成，如圖2所示。機架采用整體式結構，滑板仿形，并配有超越離合器。切割裝置是其主要工作部件，采用雙刀盤水平配置，由拖拉機輸出軸驅動。

工作過程：當拖拉機前進時，莖桿喂入機殼，刀盤在動力的驅動下做水平旋轉運動，在高速旋轉的動刀盤與定刀的互相作用下，莖桿被不斷地切割粉碎，并均勻地拋撒在機具后方。

2.1.2 垂直刀盤式

圖3 垂直刀盤式秸稈粉碎還田及回收多功能機

垂直刀盤式秸稈粉碎后輸送型還田機由新疆維吾爾自治區(qū)農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所針對棉花產區(qū)殘膜回收及秸稈粉碎還田專門研發(fā)，與中型輪式拖拉機后懸掛配套作業(yè)。該機是一種成本低、功耗相對較大、適合粉碎多種作物秸稈，可實現(xiàn)秸稈粉碎還田又可回收秸稈的多功能機，如圖3所示。主要是由機架、粉碎輥刀、機殼、仿形地輪、回收送料斗、還田送料斗等組成。粉碎輥刀軸支承在機殼兩側，由機殼外的傳動裝置驅動。粉碎輥刀由中空軸及連接在該軸上的18～22個刀頭構成，刀頭為“J”形刀片，機殼上設置有數(shù)排對應的定刀。機殼兩側還裝有仿形地輪，在機殼上部裝有回收送料斗或還田送料斗。該機利用刀片的切割力和刀片旋轉產生的風力拋出秸稈，將切碎的秸稈送到裝料車上。也可以更換部件，直接作為秸稈還田機使用，做到一機多用。

2.1.3 甩刀式

新疆維吾爾自治區(qū)農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所，針對棉花產區(qū)殘膜回收及秸稈粉碎還田專門研發(fā)了甩刀式秸稈粉碎后拋送型還田及回收多功能機，如圖4所示，與拖拉機后懸掛配套作業(yè)。該機采用水平滾刀輥對秸稈進行有支撐切割，并輸送到后部的絞籠中，橫向布置的絞籠將秸稈側向輸送至粉碎機中，通過高速旋轉的橫置多頭刀將碎后秸稈拋向后方。該機特點是工作效率高，使用方便可靠，與現(xiàn)有技術相比，連接方便、結構簡單、生產成本低、節(jié)能降耗。

圖4 甩刀式秸稈粉碎后拋送型還田及回收多功能機

2.2 棉柴收獲機械

目前，河北省應用的棉柴收獲機按收獲原理大致可分為：鏟切式和提拔式以及將兩者結合在一起的刀輥式3種形式。按照起拔部件和結構進行劃分,則有鋤鏟式、拔輥式、刀輥式、圓盤式、齒盤式等多種形式。

2.2.1 鋤鏟式

鋤鏟式一般采用鏟切拔原理，工作時利用“V”型雙翼鋤鏟深入土壤下100mm左右，在動力（一般為拖拉機）牽引下將棉根鏟斷或連根拔起，并且向上拖拽棉柴，棉柴被拔起后耬耙隨之將其收集成堆。此收獲方式原理簡單，機構制造成本低廉且使用方便，對棉柴行距適應性強。不足之處為由于鋤鏟入土造成動力消耗較大，棉柴收集不整齊不利于運輸，鏟切深度達不到棉根深度時，部分棉根被鏟斷留在土里，不易腐爛且傳播病蟲害于田間[14]。

2.2.2 拔輥式

拔輥式機械的工作過程為：機具前行，棉柴遇到兩高速反向旋轉的拔輥時被夾住，機具繼續(xù)前行，帶動旋轉的拔輥產生斜向上的提拔力，被夾持的棉柴即被拔輥從土壤中連根拔出。部分機械設有輸送裝置，可將拔出的棉柴從機組側面送出，成條狀有序鋪放到地面。此起拔方式不足之處為原理、結構復雜且制造成本高，起拔機械唯有對行才能工作，對棉柴行距和播種整齊度要求較高。優(yōu)點是動力消耗少，由于對棉柴采用單根起拔，所以殘留棉根較少，棉稈鋪放整齊[15]。提拔式收獲機械的起拔機構多采用拔輥、鏈條、圓盤、連桿或齒盤等結構。拔輥式起拔機構應用較多，其拔輥有半圓柱型、圓錐(圓臺)型、圓錐圓柱復合型3種，結構如圖5所示。

圖5 拔輥式起拔機構示意圖

半圓柱形拔輥每對拔輥由4個半圓柱輥組成，為了增加拔輥與棉柴之間的摩擦力，在拔輥的圓周面上加工出縱橫交錯的溝槽，減少了起拔時由于打滑造成的棉稈漏拔現(xiàn)象。拔輥每轉1周，棉稈前半周喂入后半周起拔。該結構優(yōu)點在于起拔連續(xù)，夾持和起拔性好，不足之處為喂入斷續(xù)、喂入性差；圓錐型拔輥兩輥水平安裝，自然形成喂入角，其優(yōu)點是喂入連續(xù)，不足之處為遇到細直且根長的棉柴時，會出現(xiàn)由于起拔不連續(xù)、不充分而造成的棉柴漏拔或堵塞倒伏現(xiàn)象；錐柱復合型拔輥兼具前兩者優(yōu)點，喂入起拔連續(xù)，起拔效果較好[15]。

2.2.3 刀輥式

刀輥式收獲機械工作原理為鏟切式和提拔式兩者的結合，同樣采用旋轉刀輥作為收獲部件進行作業(yè)。工作時，機架前進的同時，刀輥逆向旋轉切入棉柴根部將棉根鏟斷，將棉柴從地下提拔至地表。由于刀輥為通軸刨刀，作業(yè)寬度在整個機具范圍內，所以無需考慮棉柴行距，克服了拔輥式等受棉柴行距及直線度限制的缺點，工作效率高且適應性強[16]。

2.2.4 圓盤式

圓盤式收獲機械采用提拔式工作原理，起拔部件為一對成一定夾角配置的兩個圓盤，在兩盤的軸向橫斷面上有一夾持點，夾持點處存在一定的夾持間隙，其結構示意圖如圖6所示。

圖6 圓盤式起拔機構結構示意圖

當滾動的圓盤隨機具沿棉柴前行時，棉柴通過兩盤形成的夾持點被夾持，隨著盤的滾動向前，棉柴被拔起并拋向機具行進后方[17]。

2.2.5 齒盤式

圖7 齒盤式起拔機構結構示意圖

齒盤式起拔機構的起拔部件為兩個開有齒槽的圓盤，常用的齒形有鋸形齒、梯形齒、矩形齒等，其工作過程如圖7所示。兩個齒盤并行安裝，在其前方中部裝有扶禾器。作業(yè)時，反方向旋轉的兩齒盤切入棉柴根部并與扶禾器擠壓，將棉柴拔起并拋送至機具后方由收鋪器將棉柴收集成堆[18]。

3 河北省棉柴處理建議

3.1 棉柴機械化收獲

近年來，對棉花秸稈的形態(tài)結構和化學組成的深入研究為棉稈資源的開發(fā)和利用提供了重要的理論依據(jù)。秸稈還田能疏松土壤，改善土壤團粒結構和理化性能，增加土壤的有機質含量。但由于河北省棉花種植區(qū)，種植相對密集、棉稈植株高大、莖稈木質化程度高，棉稈尤其是根系留在土壤里不易腐爛，對后茬作物生長不利，容易造成病蟲害傳播，因此河北省傾向于棉柴收獲。由于棉柴是一種重要的可再生生物質能源，價值頗高，通過收獲棉柴是棉農創(chuàng)收的一條重要途徑，是解決目前河北省棉花種植面積縮減的有力手段。

3.2 研發(fā)新型棉柴收獲機械

河北省棉花種植種類多，加上各地自然條件和種植模式也各不相同，棉柴的長勢有高有低，有粗有細，枝杈的長短多少也有不同，所以對棉柴收獲機械的農藝要求也千差萬別，這就要求棉柴收獲機械的功能、質量、工作部件及行走裝置等能夠適應當?shù)氐霓r藝要求。目前，我國棉柴收獲存在基礎理論研究不夠深入，現(xiàn)有棉柴收獲機存在效率低下、漏拔率和拔斷率高等問題。結合當前河北省棉花生產全程機械化形式，棉花種植模式向機采棉種植模式發(fā)展[19]，迫切需要發(fā)展收獲效率高、性能可靠并且針對機采棉棉柴收獲機械和技術，如研發(fā)棉柴收獲揉碎打捆一體機等，配套研發(fā)收獲后進一步加工處理機械裝備，如粉碎壓塊機等?？傊薏袷斋@處理技術及機械裝備需要成套匹配，形成棉柴綜合處理產業(yè)鏈。

4 結束語

棉柴收獲處理技術是棉花全程機械化的重要組成部分，根據(jù)棉柴根系的生物學特性，河北省棉柴收獲的最佳時間為12月中下旬一個月內收獲。棉花機械化處理機械主要包括棉柴粉碎還田機械和棉柴收獲機械，其中粉碎還田機械主要有水平刀盤式、垂直刀盤式和甩刀式，棉柴收獲機械主要有鋤鏟式、拔輥式、刀輥式、圓盤式、齒盤式等類型。根據(jù)棉田種植模式可以選擇合適的機型進行棉柴收獲。為了推薦棉花全程機械化技術發(fā)展，河北省棉花種植模式需要進一步改進，按照機采棉行距統(tǒng)一種植，研發(fā)收獲效率高、性能可靠、針對機采棉棉柴收獲機械和技術，配套研發(fā)收獲后處理技術及裝備，形成棉柴綜合處理產業(yè)鏈。

[1]中國農業(yè)科學院棉花研究所.中國棉花栽培學[M].上海：上?？茖W技術出版社，2013.66-70,82-83.

[2]張晴.中國棉花主產區(qū)生產條件及發(fā)展對策[J].中國棉花,2007,34(7):8-10.

[3]農業(yè)部.中國主要作物優(yōu)勢區(qū)域布局規(guī)劃 [EB/OL].http://news.aweb.com. cn/.2014-10-30.

[4]朱啟榮.中國棉花主產區(qū)空間布局變遷研究(1980—2002)[D].中國農業(yè)大學博士學位論文,2005.

[5]耿軍義,郭寶生,王凱輝等.河北省棉花全程機械化管理技術[J].現(xiàn)代農村科技,2014,(22):14-15.

[6]彭海蘭,郎勇,李明昊,等.長江流域棉花生產現(xiàn)狀及其育種對策[J].中國棉花, 2013,40(2):12-15.

[7]毛樹春.我國棉花種植技術的現(xiàn)代化問題-兼論“十二五”棉花栽培相關研究[J].中國棉花,2010,37(3):47-52.

[8]河北棉花種植面積減少企業(yè)紛紛轉戰(zhàn)新疆 [EB/OL].http://www.100ppi. com 2013-05-18.

[9]中國國家統(tǒng)計局,2014年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報.http://www.stats. gocn/tjsj/zxfb/201502/t20150226_685799. html.

[10]曹智.棉花機械化生產在全省推廣[N].河北日報,2014-11-6.

[11]曾小林,陳宜.長江流域棉花機械化現(xiàn)狀與發(fā)展對策[J].中國棉花學會2014年年會論文匯編.安陽:中國棉花學會, 2014:54-57.

[12]李玉道,杜現(xiàn)軍,宋占華,李法德.棉花秸稈剪切力學性能試驗 [J].農業(yè)工程學報,2011,02:124-128.

[13]李有田.關于棉柴的拉拔阻力試驗分析[J].農業(yè)機械,2006(22):83-85.

[14]王桂盛,貢獻,陳勝達等.4MC-4型棉柴收獲機的研制[J].糧油加工與食品機械,1999(6):23.

[15]張鳳元,程建榮.我國棉柴收獲機械的農藝要求及類型[J].糧油加工與食品機械,1999(1):6-10.

[16]米雙山,李百做,孫建瑞等.新型棉柴收獲機[J].河北農機,2002.(5):22.

[17]王雙喜,劉乃玉.盤式棉柴收獲機的研究[J].糧油加工與食品機械,1994(6): 23-24.

[18]王吉林,路秋河.機動鋸齒盤拔棉柴 機 : 中 國 ,ZL200420059455. 21PI.2005-07-13[2007-07-26].

[19]楊欣,王建合,楊淑華,楊永紅,史家益.京津冀棉花種植機械化發(fā)展建議與配套機具研發(fā)[J].農業(yè)工程,2015,06:1-5+9.