我國棉稈收獲裝備現(xiàn)狀及前景分析

陳佳林，曹肆林，盧勇濤，王 敏，營雨坤

（1.石河子大學，新疆 石河子 832000；2.新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所）

0 引言

棉花是世界上最重要的農(nóng)作物之一。在我國，植棉歷史悠久，種植技術成熟，棉花產(chǎn)量約占世界棉花產(chǎn)量的1/4。棉花在采摘時產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物[1～2]，但主要產(chǎn)棉區(qū)對副產(chǎn)物—棉稈利用效率低，造成了資源的浪費[3]。棉花的主要副產(chǎn)物是棉稈，是一種重要的可再生生物質(zhì)能源，棉稈可作為反芻家畜的飼料，也可用于造紙、制板、環(huán)保材料、化學制品、建筑材料等，具有巨大經(jīng)濟效益。據(jù)統(tǒng)計，我國棉花種植面積為600萬hm2，每年棉稈的產(chǎn)量約為3 000萬t，若合理應用這些棉稈，將會增加農(nóng)民的經(jīng)濟效益。目前棉稈收獲技術發(fā)展遲緩，配套收獲裝備性能低下，未能得到廣泛推廣。新疆地區(qū)大部分棉稈被粉碎還田，多數(shù)地區(qū)農(nóng)戶仍舊采用手工拔除或焚燒的方式處理，致使棉稈資源利用率低下。拔稈收獲能實現(xiàn)棉稈的收集，可避免殘留根茬對下一輪作物的不利影響，所以非常受農(nóng)戶的歡迎。我國傳統(tǒng)的拔棉稈方式非常耗費時間，勞動強度大，效率低。若采用棉稈收獲機進行拔稈，不僅可以提高作業(yè)時間和效率，而且可以增加棉農(nóng)的收入。因此，開展棉稈機械收獲技術研究已成為近年來棉花生產(chǎn)全程機械化技術研究的重點之一[4～9]。

棉花秸稈的機械化收獲技術與裝備是形成棉花秸稈資源商品化生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)前的提條件。棉花秸稈機械化收獲裝備的研發(fā)，可以解決人工收獲效率低、成本高的問題，減少棉花秸稈焚燒的現(xiàn)象，不斷提高棉花產(chǎn)量和質(zhì)量，增強市場綜合競爭力，為環(huán)保和土壤改善提供了技術與設備的支持[10]。

1 國外棉花秸稈收獲裝備研究情況

在國外，很多國家都曾經(jīng)存在露天焚燒秸稈的問題[11]。鑒于其危害性，國外發(fā)達國家并不鼓勵這種做法[12]。目前，處理棉稈主要方式有兩種：一是田間粉碎還田，代表機型為美國USM的棉花秸稈整根拔取收獲機，它包括機架、輸送帶、拔根棍、粉碎腔體和齒輪減速器。其作業(yè)時由拖拉機牽引，1次可以拔取2行棉稈，然后將棉稈由輸送帶送至粉碎腔體內(nèi)，再將其粉碎并灑向地面。秸稈還田能有效增加土壤有機質(zhì)和氮、磷、鉀、微量元素等土壤養(yǎng)分，改善土壤的結(jié)構(gòu)，收獲后殘留在田間的作物殘茬，將秸稈留在田間表面，直接或機械的與土壤混合,作有機肥使用[13]。二是收獲，如俄羅斯、蘇丹、烏茲別克等國家用棉稈代替木材造紙、造板材等，代表機型為烏茲別克斯坦生產(chǎn)的KV-3.6A型和KV-4A型[14]，其包括機架、挖根鏟、柵狀導向板、星形喂入輪和錐形齒輪減速器。其作業(yè)時由拖拉機牽引，一次可以拔取4行棉稈，擺放成條，棉稈曬干后將其打成捆。盡管國外的棉稈收獲技術不能夠完全適合我國，但已經(jīng)形成的棉稈收獲及初加工工藝技術路線和循環(huán)利用模式給我國提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗[15]。

2 國內(nèi)棉花秸稈收獲裝備研究情況

我國在70年代末80年代初時棉稈收獲裝備的研制達到了高潮，但由于一些原因都沒有得到推廣和應用。到了20世紀90年代的時候，棉稈收獲機的研制又開始活躍起來[16]。近年來，隨著社會和科技的不斷發(fā)展，由于棉稈的木質(zhì)成分很高，其可以被應用于很多領域，因此棉花秸稈收獲技術與裝備的研發(fā)得到了廣泛關注。目前棉稈的收獲主要有分段收獲與聯(lián)合收獲兩大體系，包括起拔、集堆鋪放、撿拾粉碎、輸送等多個相應環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都有相應的機型的研發(fā)，甚至有些還得到了推廣和應用。新疆、山東等地區(qū)和省市科研院所對棉稈收獲投入了很大程度上的科研力量，一些產(chǎn)品也已經(jīng)相繼問世?？偨Y(jié)多年來我國研發(fā)出的各種機型,歸納起來主要有幾種,即鏟切式、滾切式、提拔式和聯(lián)合作業(yè)式。

2.1 鏟切式

鏟切式棉稈收獲機（圖1）是將其挖掘部件入土一定深度，把棉稈的根部切斷，然后把棉稈提拔出來。由于機具需要入土一定深度，對機具的動力消耗很大，并且隨著挖掘部件上土的堆積越來越多，就會產(chǎn)生壅土的現(xiàn)象。這類收獲機的優(yōu)點是可以很好的對棉稈進行起拔、結(jié)構(gòu)簡單，缺點是由于工作部件要克服棉根切斷阻力、土壤耕作阻力和摩擦力等，機具功率消耗大，容易產(chǎn)生壅土，棉根殘留較多，鋪放不整齊。由于各個地方棉稈種植模式的差異，此種鏟切棉花秸稈收獲機沒能得到推廣應用。

圖1 鏟切式棉花秸稈收獲機Fig.1 Shovel-cut cotton straw harvester

2.2 滾切式

鏟切滾切式是利用旋耕的原理，在轉(zhuǎn)軸圓周方向上均勻安裝3組刀片（圖2），變速箱直接帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，入土一定深度，轉(zhuǎn)軸上的刀片將棉稈根部切斷，同時把棉稈從土壤中提拔出來[17]。在松土起膜的工作過程中，由于轉(zhuǎn)軸帶動3組刀片不斷旋轉(zhuǎn)，土壤不斷被翻轉(zhuǎn)，所以其前進速度較慢且消耗的阻力也較大。在工作過程中，正是由于土壤不斷被翻動，所以在棉根被鏟斷的同時，不會生產(chǎn)壅土現(xiàn)象，工作比較穩(wěn)定且對行距要求不高。這種部件的優(yōu)點是能夠有效地將棉稈從土壤中提拔出來，并能很好的分離膜雜，操作簡單，缺點是機具功率消耗較大，對種植模式有要求。

圖2 滾切收獲結(jié)構(gòu)Fig.2 Rolltheharvestingstructure

2.3 提拔式

鏟切提拔式棉稈收獲機的工作原理是隨著機器的前進，起拔機構(gòu)夾住棉稈，將棉稈拔出，按起拔器的形狀和結(jié)構(gòu)又分為輥式、夾式和鏈稈式3種[18]。輥式起拔器分圓柱輥、半圓柱輥、圓錐輥等，夾式起拔器分平動夾式、鉗夾式和盤夾式；鏈稈式起拔器分為單鏈稈式、雙鏈稈式、齒盤鏈稈式和鏈抓式等。以上機型主要由各地科研院所根據(jù)本地的研究條件和棉稈生長的特點進行的初步試制，均沒得到推廣和應用。目前提拔式機型中應用最多的是齒盤式和對輥式。

2.3.1 齒盤式

齒盤式棉稈收獲機主要由齒盤、機架、限深輪、動力傳動部件等部分組成。目前，最具代表性的是4MG-2型盤式棉花秸稈收獲機（圖3）。其工作原理為拖拉機帶動收獲機前行，限深輪通過傳動部件帶動兩個齒盤不斷旋轉(zhuǎn)，前進中棉稈被2個三角刃槽夾住，2齒盤相向旋轉(zhuǎn)，然后將遇到的棉稈從土壤中拔起,并將其拋向后方,待集成一堆后放置于田間。該機具有工作原理新穎，結(jié)構(gòu)合理，動力消耗較少，操作維修方便，拔凈率高、鋪放整齊、不留根茬、節(jié)省勞力等特點。存在的主要問題是：板結(jié)地塊拔凈率較低、棉稈容易被夾斷，損失較大；需要再次進行撿拾棉稈的工作，耗費成本。

圖3 齒盤式棉花秸稈收獲機Fig.3 Toothed disccotton straw harvester

2.3.2 對輥式

圖4 對輥式起拔裝置Fig.4 theroller drawingdevice

對輥式拔稈機具有1對或多對成一定角度配置的輥子。對輥式棉稈起拔收獲有很多種類型，該起拔裝置（圖4）是采用液壓進行驅(qū)動的半圓柱對輥起拔。它由液壓驅(qū)動裝置、傳動部件、機架、油箱等組成。在該輥子上設計有紋路以增加2輥子摩擦力并且減少打滑，同時又可以加大起拔的可靠性。當拖拉機帶動其前進時，由液壓驅(qū)動帶動傳動部件，再由傳動部件中的錐齒輪帶動2輥子轉(zhuǎn)動，2半圓柱輥子在拖拉機的前行下夾住棉稈并將其拔出來。起拔時由于2輥子是面接觸，所以起拔可靠，2輥子之間的間隙可以調(diào)節(jié)。它的優(yōu)點是喂入起拔可靠、結(jié)構(gòu)簡單；存在的缺點是：對棉花的行距要求較高，對于細長棉稈容易出現(xiàn)漏拔或拔斷現(xiàn)象。

2.3.3 鏈夾式

江蘇省徐州市蘇順達機械廠制造的4MB-1型棉花拔顆機（圖5）采用了鏈夾式提拔機構(gòu)，其工作原理是拖拉機帶動收獲機前行，鏈條傳動帶動起拔機構(gòu)以同方向不斷轉(zhuǎn)動，在分禾器的作用下，鏈條上的三角刃槽把棉稈夾持住，并隨著拖拉機的前行將棉稈拔出來，然后帶著棉稈不斷轉(zhuǎn)動，當棉稈沿著鏈條轉(zhuǎn)動到側(cè)面的撥禾輪處時被擋禾板擠掉地面上。由于采用了鏈條傳動，該機優(yōu)點是起拔連續(xù)可靠、拔凈率高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊，缺點是當遇到細長棉稈時，由于鏈條中間部位夾持不緊致使棉稈出現(xiàn)漏拔現(xiàn)象。

圖5 4MB-1型棉花拔顆機Fig.5 4MB-1typecotton pullout machine

2.4 聯(lián)合作業(yè)式

圖6 4MG－275型自走式棉稈聯(lián)合收割機Fig.6 The4MG-275typeself-propelled cotton stalk harvester

以上敘述的這些機型必須要與拖拉機配合使用，并且由于各個地區(qū)的棉稈種植模式不同，這些機型均沒有得到推廣和應用。根據(jù)國內(nèi)外的拔稈技術，結(jié)合青飼收獲機和聯(lián)合收割機技術,中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院組織力量開發(fā)了4MG－275切割式聯(lián)合收獲機械（圖6）。該機型的優(yōu)點是不需要對棉稈對行，并且解決了凍結(jié)地塊棉稈收獲難題。由于受到割刀工作原理和地表平整程度的限制，特別是壟作時低茬收割有一定難度，根茬仍留在地里的問題沒有從根本上解決[14］。4MG－275型自走式棉稈撿拾聯(lián)合收獲機（圖7）可實現(xiàn)棉稈的自動撿拾、喂入、輸送、切碎、拋送、自卸等一體化作業(yè)，包括整株拔取鋪條、撿拾聯(lián)合收獲2個環(huán)節(jié)。重點突破了棉稈類冠狀植株強制抓取、連續(xù)喂入技術[14］，實現(xiàn)了棉稈分段高效聯(lián)合收獲作業(yè)，但需要與拔棉稈機配套使用。

圖7 4MG－275型棉稈撿拾聯(lián)合收獲機Fig.7 The4MG-275typepick up cotton stalk harvester

3 結(jié)論及展望

綜上所述，鏟切式存在的主要問題是消耗動力大，容易產(chǎn)生壅土，鋪放不整齊；滾切式存在的主要問題是：機具功率消耗較大，殘留棉根多；齒盤式提拔存在的主要問題是拔凈率低，且容易將棉根切斷；對輥式提拔存在的主要問題是對棉花的行距要求特別高，對于細長棉稈容易出現(xiàn)漏拔或拔斷現(xiàn)象；鏈夾式提拔存在的主要問題是對于細長棉稈由于鏈條中間部位夾持不緊致使棉稈出現(xiàn)漏拔現(xiàn)象；聯(lián)合作業(yè)式存在的主要問題是低茬收割有一定難度，需要與棉稈起拔機配合使用。目前采用鏟切式、滾切式和提拔式收獲棉稈的裝備大多是將棉稈從地里拔起來,并沒有對拔起后的棉稈進行粉碎、拋送、自卸等一些后續(xù)處理，由于機械化程度較低沒能夠?qū)崿F(xiàn)棉稈收獲的聯(lián)合作業(yè)。

我國棉花種植范圍廣、面積大且品種多，各地的自然條件和種植模式也各不相同，棉稈的長勢也有所不同，因此對棉稈收獲機械的農(nóng)藝要求也千差萬別，這就要求棉稈收獲機械裝備的外形、尺寸、工作零部件及行走裝置等能夠適應當?shù)氐霓r(nóng)藝要求[18]?？偟膩碚f，研制棉稈聯(lián)合收獲裝備要求最大化的降低收獲成本、提高棉稈資源化利用率，才能促進我國的棉花產(chǎn)量和增加農(nóng)民的收入。另外，國家應該加大技術創(chuàng)新力度、加強統(tǒng)一規(guī)劃指導、增加資金投入及政策扶持力度、加強引導宣傳推廣及應用技術培訓、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)范化。綜合所述，我國棉稈收獲裝備的研發(fā)應向?qū)⒚薅挵纹鸩⒅苯臃鬯檫€田、收集或打包機械化程度高的聯(lián)合作業(yè)裝備發(fā)展，以提高棉花的產(chǎn)量，增加農(nóng)戶的收入，研制棉稈聯(lián)合收獲裝備成了一種趨勢。因此，應根據(jù)各個地區(qū)不同特點，實施相應的措施。因地制宜，把多種起拔方式有機地結(jié)合起來，形成一種聯(lián)合收獲方式，從而實現(xiàn)棉稈利用的高效化、資源化和產(chǎn)業(yè)化，真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)、生態(tài)和社會的可持續(xù)發(fā)展。

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