鄭 爽，鄧干然，張 勁，李國杰，崔振德，李 玲，黃應(yīng)強(qiáng)，華 康

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江 524091；2.農(nóng)業(yè)部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湛江 524091；3.湛江市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湛江 524000；4.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，武漢 430070）

0 引言

木薯是世界三大薯類作物（木薯、馬鈴薯、甘薯）之一，也是全球年產(chǎn)超億噸的七大作物之一，被譽(yù)為“地下糧倉” “淀粉之王”，是許多熱帶、亞熱帶國家重要的糧食作物和能源作物，在我國已有200年的栽培歷史[1]。木薯作為能源作物，在我國具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?017年9月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等多個(gè)部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實(shí)施方案》，明確在全國范圍內(nèi)推廣使用車用乙醇汽油，到2020年基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋。目前國際市場玉米和木薯年貿(mào)易量達(dá)1.7億t，是轉(zhuǎn)化生物燃料乙醇的優(yōu)質(zhì)原料。我國生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)經(jīng)過10多年發(fā)展，以玉米、木薯等為原料的1代和1.5代生產(chǎn)技術(shù)工藝成熟穩(wěn)定。因此，木薯在我國有廣闊的發(fā)展前景。

木薯莖稈是木薯生產(chǎn)過程中的伴生物，產(chǎn)量是木薯塊根產(chǎn)量的70%～80%[2]，即每公頃在20～30 t。木薯莖稈包括木薯?xiàng)U、嫩莖和葉，其中木薯稈上布滿腋芽，腋芽入土后極易發(fā)芽，因此木薯塊根收獲前需要預(yù)先人工砍伐木薯莖稈后搬運(yùn)到地頭丟棄或者焚燒。木薯稈木質(zhì)化、硬度高，使用一般粉碎還田機(jī)無法粉碎。近些年來，國內(nèi)在木薯稈粉碎還田方面進(jìn)行了研究探索，如鄒雨坤等進(jìn)行了不同還田方式下木薯莖稈腐解及養(yǎng)分釋放特征研究，采用網(wǎng)袋法，研究不同還田方式下木薯莖稈腐解及養(yǎng)分釋放特征，在240 d 時(shí)碳、氮、磷、鉀的累積釋放率分別為69. 9%～80. 8% 、78. 1%～94. 2% 、87. 3%～93. 5% 、97. 4%～98. 5%[3]；李紅雨等進(jìn)行了木薯莖稈粉碎還田試驗(yàn)，指出木薯莖稈粉碎還田可以有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度，顯著改善土壤的物理性狀[4]。實(shí)踐表明，木薯莖稈粉碎還田既能解決木薯塊根機(jī)械化收獲的需要，也能解決農(nóng)田污染物消納處理的需要，對提升土壤地力有較好的效果。

1 木薯莖稈田間處理的技術(shù)要求

1.1 木薯莖稈的生物力學(xué)特性

木薯莖稈最高可達(dá)4 m左右，直徑在2～6 cm，表面粗糙密布節(jié)點(diǎn)，部分品種帶有分杈。木薯稈的橫向結(jié)構(gòu)由外到里依次為表皮層、木質(zhì)層和芯部組織，且均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，層次鮮明，從上至下隨著生長時(shí)間的增加硬度依次增加。根據(jù)黃正明等人的研究[5]，收獲期的木薯稈，整稈平均含水率為68.86%，測得其彎曲、橫向壓縮、縱向壓縮以及橫向剪切和縱向剪切的最大破壞力分別為887.26 N、1 874.59 N、4 501.84 N、2 226.67 N和277.07 N，其韌性較強(qiáng)。在木薯稈彎曲過程中，最大彎曲位移比在30%以上，最高可達(dá)60%。除橫向壓縮外，木薯稈在彎曲、縱向壓縮以及剪切過程中所受到的最大破壞力均與木薯稈的直徑呈現(xiàn)出較明顯的線性關(guān)系；沿木薯稈的根部到頂部，最大破壞力的值逐漸減小。

1.2 對木薯塊根機(jī)械采收的要求

傳統(tǒng)木薯采收，由人工雙手緊握木薯稈將薯串整個(gè)從土壤中拔出，再把塊根從薯柄上分切下來并收集，完成收獲。近年來生產(chǎn)上出現(xiàn)了一種省力杠桿，先人工砍倒并運(yùn)走木薯莖稈，保留根茬高度約40 cm，再使用省力杠桿夾持住根茬往上撬拔，將薯串整個(gè)從土壤中拔出。無論是人工拔薯還是借助省力杠桿，木薯塊根收獲始終無法提高效率，人工收獲成本極高。使用輪式拖拉機(jī)，通過專用的木薯挖掘收獲機(jī)收獲木薯，收獲效率是人工的數(shù)十倍，已成為木薯生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢。

基于木薯植株的生物特性，木薯機(jī)械化收獲應(yīng)包括“去除木薯莖稈”與“木薯地下塊根挖掘”兩個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，如果不事先去除木薯莖稈，就不可能進(jìn)行機(jī)械挖掘塊根，因?yàn)檫@些木薯莖稈將阻擋拖拉機(jī)前進(jìn)，堵塞挖掘的機(jī)具，覆蓋挖出的塊根，使挖掘、撿拾和塊根分切不可進(jìn)行。木薯莖稈的粉碎處理，是實(shí)施木薯塊根機(jī)械化采收的基本要求或前提。

1.3 對木薯種植農(nóng)藝的要求

木薯稈上布滿腋芽，腋芽間距最小的僅在約2 cm，理論上每一個(gè)腋芽都可以單獨(dú)發(fā)育生長成一株新的木薯。如果木薯采收時(shí)不將莖稈清理搬走，將造成土壤無法耕整，每根木薯稈會原地發(fā)芽；如果機(jī)械粉碎不徹底、對莖稈的破壞程度不夠，每段帶腋芽的木薯稈都有可能長出一株新木薯。這些雜亂無章自行長出的木薯株，必將影響新種作物的生長和管理。因此，木薯莖稈粉碎處理的重點(diǎn)是將木薯稈破壞，使其失去萌芽能力，這也是農(nóng)田農(nóng)藝管理的基本要求。

2 立軸式木薯莖稈粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)布局

根據(jù)我國木薯種植農(nóng)藝、不同區(qū)域作業(yè)條件等限制，考慮到要與木薯塊根挖掘收獲機(jī)聯(lián)合作業(yè)的要求，在制定立軸式木薯莖稈粉碎還田機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)的立軸式木薯莖稈粉碎還田機(jī)前懸掛于拖拉機(jī)，以液壓驅(qū)動粉碎機(jī)粉碎組件，配套66 kW（90馬力）拖拉機(jī)，每次作業(yè)2行，這樣拖拉機(jī)就可以后懸掛木薯塊根挖掘收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)木薯莖稈粉碎與塊根挖掘聯(lián)合作業(yè)，減少一次拖拉機(jī)進(jìn)出，以降低對耕地壓實(shí)和木薯塊根的潛在壓傷。

設(shè)計(jì)立軸式木薯莖稈粉碎還田機(jī)時(shí)，要考慮機(jī)器能夠滿足木薯種植行距、株距、株高、行寬、倒伏、雜草等農(nóng)藝的要求，還要控制木薯莖稈的粉碎長度在8 cm以下，使其易于風(fēng)干、腐爛，避免發(fā)芽而影響下一茬作物種植與管理。前懸掛的結(jié)構(gòu)形式便于與后懸掛的木薯收獲機(jī)相配套，還要考慮拖拉機(jī)手的駕駛視野、拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向操控性能、液壓傳動系統(tǒng)的布局等。在粉碎作業(yè)過程中，要求木薯莖稈留茬15～25 cm，以便配合木薯塊根收獲時(shí)的抓、取和分解薯塊。經(jīng)綜合考慮，整個(gè)機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 立軸式木薯稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該型樣機(jī)進(jìn)行了兩代設(shè)計(jì)。第一代立軸式木薯莖稈粉碎還田機(jī)，對應(yīng)2行作業(yè)需要設(shè)置2套立置的粉碎機(jī)構(gòu)，每套粉碎機(jī)構(gòu)包括1根立軸及刀桿、定刀組、圓盤鋸、集稈架、傳動皮帶、液壓馬達(dá)、提升油缸及液壓系統(tǒng)、罩殼等。粉碎機(jī)構(gòu)前懸掛于66 kW輪式拖拉機(jī)上，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動粉碎刀桿高速打擊堅(jiān)硬的木薯稈使其折斷、破碎。由于木薯稈根部較上部更加堅(jiān)硬，因此立軸下方設(shè)有圓盤鋸，以鋸切替代打擊。

主要技術(shù)參數(shù)：立軸工作轉(zhuǎn)速800～1 400 r/min，回轉(zhuǎn)直徑380 mm，高度1 400 mm；每根立軸上刀桿數(shù)為24根，分3組沿軸向直線排列，每組8根刀桿，組間夾角為120°，刀桿直徑20 mm，刀桿長度160 mm；定刀數(shù)24個(gè)，分3組沿軸向直線排列安裝在罩殼上，刀高60 mm；圓盤鋸?fù)鈴?05 mm，刃角30°，齒寬3.0 mm，齒數(shù)140，工作時(shí)離地高度不小于200 mm；液壓馬達(dá)選用CMG4-32。

第二代立軸式木薯莖稈粉碎還田機(jī)，主要是針對第一代樣機(jī)因每套粉碎機(jī)構(gòu)只設(shè)置1根立軸，立軸旋轉(zhuǎn)時(shí)對木薯莖稈卷入效果不理想、易出現(xiàn)木薯莖稈接觸、碰撞刀桿后彈離而造成漏碎現(xiàn)象，第二代樣機(jī)增加1根平行的立軸、形成雙立軸相向旋轉(zhuǎn)以增強(qiáng)立軸對木薯莖稈的卷入性能以提高粉碎效果；針對第一代樣機(jī)不能扶起倒伏木薯莖稈的問題，增加了扶禾裝置；針對第一代樣機(jī)不適應(yīng)更高稈品種木薯，立軸高度由1 400 mm增至1 800 mm，每根立軸上刀桿數(shù)由24根增加至36根；由于采用雙立軸后負(fù)荷增大，相應(yīng)液壓馬達(dá)用更高功率的CMG4-40以增加粉碎作業(yè)動力，傳動機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了一定的改動。

第一代樣機(jī)和第二代樣機(jī)的實(shí)物效果分別如圖2、圖3所示。

圖2 木薯莖稈粉碎還田機(jī)一代樣機(jī)（單輥）

圖3 木薯莖稈粉碎還田機(jī)二代樣機(jī)（雙輥）

2.3 田間試驗(yàn)與分析

為測試立軸式木薯莖稈粉碎還田機(jī)的主要工作性能指標(biāo)，進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)地為湛江市木薯種植戶的一塊木薯地。試驗(yàn)地種植的木薯品種為華南5號，株高1 700～2 300 mm，種植行距800～850 mm，株距400～600 mm，莖桿直徑平均35 mm。該試驗(yàn)地塊總體較平整，分別使用單軸、雙軸不同機(jī)型進(jìn)行作業(yè)，主要試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 立軸式木薯莖稈粉碎還田機(jī)主要工作性能指標(biāo)

2.3.1 木薯莖稈粉碎長度

隨機(jī)抽取3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為25 m2，測量粉碎后的木薯莖稈長度。從中選出最長的20段，計(jì)算其平均長度，即得到該小區(qū)木薯莖稈粉碎長度；3個(gè)小區(qū)的平均值即為本次試驗(yàn)?zāi)臼砬o稈的粉碎長度。木薯莖稈的粉碎長度直接取決于傳動主軸的轉(zhuǎn)速和粉碎刀具的排列。在一定范圍內(nèi)傳動主軸的轉(zhuǎn)速越高，重復(fù)打擊粉碎的幾率越大，木薯莖稈粉碎后的長度越短；轉(zhuǎn)動速度越低，粉碎后的長度越長。刀具的排列越密集，初次粉碎后的長度越短；排列越疏松，初次粉碎的長度越長。

2.3.2 木薯莖稈粉碎率

隨機(jī)抽取3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為25 m2，盡量收集全已破碎的木薯莖稈碎片、破碎未充分的片段和僅切斷未破碎的稈段，統(tǒng)計(jì)其總質(zhì)量，以及破碎的木薯莖稈碎片和破碎未充分的碎片質(zhì)量在總質(zhì)量中所占的比例，得到該小區(qū)木薯莖稈粉碎率，3個(gè)小區(qū)木薯莖稈粉碎率算術(shù)平均之后得到本次粉碎試驗(yàn)的木薯莖稈的粉碎率。木薯莖稈粉碎率主要取決于粉碎刀組的重復(fù)粉碎次數(shù)，通過調(diào)節(jié)主軸的轉(zhuǎn)動速度和改變粉碎刀組的排列形式可以改變重復(fù)粉碎次數(shù)，調(diào)節(jié)木薯莖稈粉碎率。

2.3.3 留茬高度

試驗(yàn)完成后，隨機(jī)抽取3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為25 m2，測量小區(qū)內(nèi)所有木薯莖稈留茬長度，平均后得到該小區(qū)留茬長度，3個(gè)小區(qū)留茬長度算術(shù)平均之后得到本次粉碎試驗(yàn)的留茬高度。留茬高度主要取決于圓盤鋸片的切割高度，木薯莖稈粉碎機(jī)中可以通過液壓控制系統(tǒng)來提升整機(jī)，改變圓盤鋸片的高度，來調(diào)節(jié)留茬高度。

3 結(jié)論

3.1 整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況

試驗(yàn)過程中，單輥和雙輥型粉碎機(jī)整體運(yùn)行均比較穩(wěn)定，粉碎機(jī)構(gòu)振動幅度較小，配套拖拉機(jī)紐荷蘭SNH904動力充足，在田間通過性較好，液壓系統(tǒng)操控粉碎機(jī)升降比較靈活，粉碎組件和切割組件工作平穩(wěn)，無非正常接觸和干涉碰撞，說明樣機(jī)總體設(shè)計(jì)從機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械運(yùn)動角度來看比較合理。

3.2 生產(chǎn)適應(yīng)性情況

粉碎機(jī)設(shè)計(jì)安裝在機(jī)罩兩邊的倒伏機(jī)構(gòu)，在實(shí)際工作過程中，由于木薯地木薯莖稈倒伏情況不一樣，粉碎機(jī)不能夠很好地將倒伏嚴(yán)重的木薯莖稈牽引進(jìn)粉碎腔內(nèi)，存在粉碎遺漏現(xiàn)象，因此對受臺風(fēng)影響、植株倒伏嚴(yán)重的木薯地，使用本機(jī)進(jìn)行木薯莖稈田間粉碎，并不能很好地適應(yīng)。

另外，粉碎機(jī)工作過程中通過液壓系統(tǒng)對其進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)切割部件的切割高度，對木薯莖稈的留茬高度可靈活調(diào)整。但不同品種和不同管理水平的木薯植株，高度差別較大，對于高度大于2 500 mm的木薯莖稈，超出粉碎機(jī)高度部分的木薯莖稈尾部比較容易被粉碎機(jī)甩離而掉落到地上，未能有效粉碎。只是木薯莖稈尾部較柔軟細(xì)嫩，易于腐爛變質(zhì)較難復(fù)芽，對粉碎作業(yè)要求影響不大。但如果老莖高度明顯超出粉碎機(jī)粉碎范圍，被粉碎機(jī)甩離而掉落到地上的木薯莖稈將會復(fù)芽，粉碎機(jī)的適應(yīng)性也將受到影響。

3.3 下一步改進(jìn)的思路

一是對于倒伏的木薯稈，由于木薯稈堅(jiān)硬且通過薯柄與土壤結(jié)合緊密，不易被扶禾裝置抬起，扶稈效果不理想，粉碎率比較低，漏碎率高，離生產(chǎn)應(yīng)用還有距離。特別是如果在春初收獲木薯，因?yàn)槭且贿叿鬯槟臼砬o稈、一邊要翻土挖掘木薯塊根，粉碎不夠的莖稈馬上被濕度較高的泥土覆蓋，萌芽的可能性更高。如果在入冬作業(yè)，相對會好些，那些粉碎不完全 的木薯莖稈在損傷后易受低溫影響而腐爛失去萌芽能力。要提高木薯莖稈粉碎率，重點(diǎn)是改進(jìn)粉碎機(jī)的倒伏機(jī)構(gòu)，才能擴(kuò)大粉碎機(jī)的使用面。

二是要考慮到粉碎機(jī)要與高稈木薯品種（2 500 mm以上）的匹配，設(shè)計(jì)的立軸式木薯莖稈粉碎還田機(jī)，在滿足拖拉機(jī)手視野的情況下，可在頂部增設(shè)橫向且前出的撥禾輪，利用旋轉(zhuǎn)的撥禾輪將超高部分的木薯莖稈強(qiáng)制下壓喂入粉碎機(jī)，可適應(yīng)高桿品種木薯的莖桿粉碎。當(dāng)然，增加撥禾輪，將明顯增加粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，同時(shí)增加作業(yè)能耗和整機(jī)質(zhì)量。

三是考慮木薯莖稈的粉碎與收集能同時(shí)進(jìn)行，以利于綜合利用。木薯收獲時(shí)，如果不是特別寒流早來，一般莖稈上部的莖、葉還處于比較鮮嫩狀態(tài)，這部分生物量約占莖稈的50%，營養(yǎng)豐富，如華南7號木薯葉粗蛋白含量為21.16%～31.80%，適合做禽畜飼料[6]；莖稈下部的硬木質(zhì)部分，經(jīng)再次粉碎后可以用于生產(chǎn)栽培基質(zhì)[7]來種植蘑菇、木耳等[8，9]，也可做成香炭或顆粒燃料[10，11]。開展木薯莖稈綜合利用，可以考慮整體高效粉碎、收集，再篩分，滿足不同部分不同用途的需要。木薯莖稈高效粉碎及收集設(shè)備，可參考本機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能擴(kuò)展，也可研制全新的粉碎收獲機(jī)型。