季彬彬，李耀明，徐立章，尹 強(qiáng)

(1.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

蘆葦為多年水生或濕生的高大禾草，生于江河湖澤、池塘溝渠沿岸和低濕地[1]。國內(nèi)有白洋淀、新疆博斯騰、東北松嫩平原、黑龍江三江平原地區(qū)、內(nèi)蒙烏梁素海、遼寧盤錦、江蘇鹽城和射陽的海濱及河口附近、洞庭湖和洪湖、鄱陽湖蘆葦9大蘆葦產(chǎn)區(qū)[2]。蘆葦原料基地年產(chǎn)量約為130萬t[3]。生長期的蘆葦可用于制作青貯飼料，成熟蘆葦可用于編制手工藝品、用作建筑材料或是造紙工業(yè)。蘆葦纖維含量高(30%左右)，木素含量低，是理想的非木材纖維造紙行業(yè)的原料，且在非木材纖維制漿中，蘆葦制漿相比于麥草化學(xué)制漿污染較低，有取代麥草化學(xué)制漿的趨勢[4-5]。蘆葦制漿的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。2019年，國內(nèi)蘆葦制漿比例為0.7%[6]。

對蘆葦進(jìn)行資源化利用的前提是實(shí)現(xiàn)高效機(jī)械化收集。國外蘆葦收割機(jī)械化起步較早，蘆葦收割的機(jī)械化程度較高。國內(nèi)蘆葦?shù)臋C(jī)械化收獲研究從20世紀(jì)50年代開始，首先由遼寧盤錦葦場從前蘇聯(lián)引進(jìn)大麻收割機(jī)，在此基礎(chǔ)上改裝成臥式蘆葦收割機(jī)，為實(shí)現(xiàn)蘆葦收割機(jī)械化進(jìn)行了第1次嘗試，但效果不佳。1970—1985年，少數(shù)研究單位投入了大量的財(cái)力、物力，先后研制了若干種蘆葦收割機(jī)，但由于技術(shù)不夠成熟，并未得到廣泛推廣應(yīng)用。我國南方地區(qū)的蘆葦與北方蘆葦存在較大的形態(tài)差異，因此國內(nèi)北方現(xiàn)有的大部分蘆葦收割機(jī)不適用于南方蘆葦收割。南方蘆葦高4～5 m(北方僅為2 m左右)，莖稈直徑為25 mm左右(北方為10 mm左右)，密度小，一般為15～30株/m2(北方密度大，一般為95～105株/m2)，湖區(qū)多水、泥腳深，加之風(fēng)吹、蟲害和藤纏等，導(dǎo)致蘆葦莖稈相互交錯(cuò)、倒伏，收割比較困難[7]。

1 收獲工藝

根據(jù)蘆葦?shù)纳L習(xí)性和主要用途，蘆葦收割工藝要求主要有以下3點(diǎn)。

(1)割茬高度。蘆葦割茬高度要求在5 cm左右，割茬過高會影響產(chǎn)量和利潤，割茬過低會傷及蘆葦?shù)亩哐?，影響下一年的蘆葦產(chǎn)量[8]。

(2)物料形式。整稈收獲成捆或粉碎壓縮成捆。

(3)整機(jī)質(zhì)量。在蘆葦收割作業(yè)前期，葦塘凍層只有幾厘米厚，不能夠承受質(zhì)量太大的收割機(jī)械作業(yè)，否則，同樣容易傷害蘆葦?shù)亩哐縖8]。

2 收獲關(guān)鍵技術(shù)

2.1 切割技術(shù)

蘆葦收割割刀系統(tǒng)類似于玉米秸稈的收割系統(tǒng)。其基本型式一般有往復(fù)式動(dòng)刀片切割器、齒形鏈?zhǔn)角懈钇?、圓盤割刀切割器和轉(zhuǎn)子式切割粉碎器。

往復(fù)式動(dòng)刀片切割器用于整稈收割，有單動(dòng)刀和雙動(dòng)刀之分，其結(jié)構(gòu)易于調(diào)節(jié)，割幅大。切割刀片可采用光刃或齒紋刃，理論上光刃切割較省力，割茬整齊，但使用壽命短，工作中需經(jīng)常磨刃，而齒紋刃不需磨刃，但切割阻力較大。蘆葦切割試驗(yàn)表明，光刃切割蘆葦比齒紋刃好，功耗低[9]。田昆鵬等[10]運(yùn)用仿生學(xué)原理，通過提取天牛上顎切割齒部位齒廓曲線，設(shè)計(jì)了仿生切割刀片。大麻切割試驗(yàn)表明，仿生刀片具有切入能力強(qiáng)、切割茬口較平齊和切割質(zhì)量好的優(yōu)勢。馬慶勇等[11]在4WS-2000型高稈蘆葦收割機(jī)割臺設(shè)計(jì)中采用往復(fù)式單動(dòng)刀和光刃刀片，分別針對粗莖稈的蘆葦和割臺實(shí)際工作情況，確定了割刀切割速度、動(dòng)刀片切割角、刃部高度、刀片寬度和頂寬及刀片厚度等結(jié)構(gòu)基本參數(shù)。沈曉平[12]在4W-2.0型蘆葦收割機(jī)割刀設(shè)計(jì)中采用雙曲柄驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式雙動(dòng)刀，利用上、下動(dòng)力桿往復(fù)慣性力的相互抵消來降低割臺振動(dòng)和沖擊，使割臺運(yùn)行更平穩(wěn)。

齒形鏈?zhǔn)角懈钇饔糜谔J葦整稈收割，其刀片作單向運(yùn)動(dòng)，割臺振動(dòng)小，噪聲低。廖慶喜等[13]在4ZG-2.1型蘆竹收割機(jī)上設(shè)計(jì)了齒形鏈?zhǔn)角懈钇?，并利用基于高速攝像技術(shù)的蘆竹收割機(jī)切割試驗(yàn)系統(tǒng)，得出了影響蘆竹切割質(zhì)量和切割效率的要素。同時(shí)，針對蘆竹高、粗、硬的特征，采用從德國Wikus公司進(jìn)口的雙金屬斜齒鋸片對蘆竹實(shí)現(xiàn)高效切割[14]。

圓盤割刀切割器同樣用于蘆葦整稈收割，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但摩擦阻力小，利用慣性切割莖粗、稈硬的蘆葦，所需切割力較小，切割效果好[15]。袁茂強(qiáng)等[16]根據(jù)整稈收割的蘆葦需要側(cè)向鋪放或后鋪放的要求，設(shè)計(jì)了一種多圓盤割刀斜向布置的收割臺。一方面利用了圓盤割刀片高速切割，切割性能好、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和壽命較長的特點(diǎn)；另一方面配套的斜向輸送裝置相對于通常的橫向輸送裝置更有利于抓取莖稈和實(shí)現(xiàn)與縱向輸送的圓滑過渡連接，以避免莖稈傾倒和卡堵。

轉(zhuǎn)子式切割器一般用于蘆葦?shù)那懈罘鬯?，又稱圓柱形切割器，屬于無支承切割方式，有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種是轉(zhuǎn)子式切割切碎器，又叫甩刀式粉碎器，其上裝有水平轉(zhuǎn)軸，切割元件剛性或鉸接固定在轉(zhuǎn)軸上。另一種是轉(zhuǎn)子銑刀式回轉(zhuǎn)切割器，在一根水平管軸上固定兩組成對裝配的異形刀片。轉(zhuǎn)子式切割切碎器在切割蘆葦?shù)耐瑫r(shí)將葦稈切碎，并拋撒在田間或通過氣流輸送把碎葦稈拋送到運(yùn)輸設(shè)備。

2.2 蘆葦夾持輸送

蘆葦整稈收割捆扎時(shí)，分禾、扶禾和夾持機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是保證收獲機(jī)連續(xù)切割、輸送、鋪放或捆扎的必要條件。因蘆葦植株高，特別南方蘆葦重心高度一般在1.8 m左右，蘆竹重心高度更是在2.2 m左右，故蘆葦夾持輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在參考稻麥聯(lián)合收割機(jī)相應(yīng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)蘆葦重心高度作相應(yīng)調(diào)整。

荷蘭Hanze Wetlands公司的HWT Retriever 121型蘆葦收獲打捆一體機(jī)的割臺針對蘆葦收割機(jī)設(shè)計(jì)了3層蘆葦橫向輸送撥指，保證蘆葦在收割后由割臺兩側(cè)向中間收集。同時(shí)，蘆葦夾持帶高度可隨時(shí)調(diào)整，調(diào)整范圍0.6～3.0 m。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)[17]在4ZG-2.1型蘆竹收獲機(jī)的割臺中設(shè)計(jì)有多層蘆葦橫向輸送撥指，其上層輸送撥齒的離地高度為2.4 m左右，略高于蘆竹重心，以利于多層撥齒將割臺蘆竹平穩(wěn)的輸送到割臺左側(cè)。

割臺蘆葦經(jīng)撥指收集后如需傳輸?shù)綑C(jī)器后部打捆，同樣需要根據(jù)蘆葦重心高度設(shè)計(jì)特殊的蘆葦夾持輸送鏈。山東禹城亞泰機(jī)械制造有限公司的4GL-2100/VI型蘆葦收割機(jī)，設(shè)計(jì)有雙層夾持輸送鏈，以保證蘆葦在傳輸中的形態(tài)，為后續(xù)的有序鋪放或打捆提供方便[18]。

2.3 蘆葦成捆打結(jié)

蘆葦整稈收割時(shí)，為了提高工作效率，減少人工的消耗，一般需要蘆葦在收割后能立即成捆打結(jié)；而蘆葦打碎并壓縮成方捆或圓捆時(shí)，也必須由打結(jié)系統(tǒng)來保證葦捆不松散。國外蘆葦收割機(jī)中成捆打結(jié)系統(tǒng)已是標(biāo)配。國內(nèi)的蘆葦收割機(jī)也正在普及成捆打結(jié)系統(tǒng)。打結(jié)器是由割捆機(jī)發(fā)展而成，早期首先由美國的MeCortale和Deering兩家農(nóng)機(jī)公司制造，經(jīng)不斷改進(jìn)完善后，形成打活繩結(jié)的MeCortale打結(jié)系統(tǒng)(C型打結(jié)器)和打死繩結(jié)的Deering打結(jié)系統(tǒng)(D型打結(jié)器)兩種?，F(xiàn)在國際上較為通用的打結(jié)器是德國RASSPE(拉斯伯)D型打結(jié)器[19]。德國及美國生產(chǎn)的打結(jié)器質(zhì)量都比較好，成捆率都能達(dá)到99%。

國內(nèi)目前打結(jié)器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)主要還是仿制為主。蘆杰[20]分析了9YFQ-1.9型方形壓捆機(jī)關(guān)鍵部件D型打結(jié)器及輔助結(jié)構(gòu)，揭示了D型打結(jié)器的打結(jié)原理，通過設(shè)計(jì)打結(jié)器動(dòng)作分析試驗(yàn)臺對打結(jié)器的關(guān)鍵部件進(jìn)行機(jī)理分析。張安琪[21]分析了D型打結(jié)器空間結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性影響，深入研究了D型打結(jié)器成結(jié)動(dòng)作的數(shù)值模型，對D型打結(jié)器的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行解析匹配。結(jié)合逆向工程技術(shù)及精密制造技術(shù)，對D型打結(jié)器進(jìn)行了模型構(gòu)建及試制。總體來講，國內(nèi)研究還未完全掌握打結(jié)器各工作部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和參數(shù)，如打結(jié)器支架上空間異面孔之間角度的精確表達(dá)和輔助結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)序等，導(dǎo)致國產(chǎn)打結(jié)器工作不可靠，工作壽命不達(dá)標(biāo)，國產(chǎn)壓捆機(jī)還是得依賴進(jìn)口打結(jié)器。

3 蘆葦收獲典型機(jī)型

3.1 整稈收割

3.1.1 手持式蘆葦收割機(jī)

手持式蘆葦收割機(jī)結(jié)構(gòu)型式類似于割灌機(jī)(圖1)，由人工手持收割機(jī)收割蘆葦并鋪放。其優(yōu)點(diǎn)在于體積小，質(zhì)量輕，僅需一人操作，便于控制，不受地形影響，沒有沉陷的可能。缺點(diǎn)在于工作效率低，每人每天僅能收割0.3～0.5 t蘆葦，收割成本較高；割下的蘆葦不能有序鋪放，給后續(xù)打捆集堆帶來不便。

圖1 手持式蘆葦收割機(jī)

3.1.2 配套式蘆葦收割機(jī)

配套式蘆葦割曬機(jī)(圖2)，配套動(dòng)力一般為拖拉機(jī)，蘆葦割臺一般為前懸掛或側(cè)掛式，拖拉機(jī)負(fù)責(zé)行走，并將動(dòng)力傳遞給掛載的蘆葦割臺，完成蘆葦收割。配套式蘆葦收割機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，便于控制，是目前國內(nèi)葦場使用最廣泛的蘆葦收割裝備，僅遼寧盤錦葦場這種機(jī)型的保有量就達(dá)1 700臺[22]。其中，手扶式功率6～9 kW，割幅1.6～1.8 m，效率30 t/班次；乘坐式功率11～15 kW，割幅1.8 m，效率60 t/班次。這種機(jī)型一般只能將蘆葦割斷后鋪放在一邊，不具有捆扎功能，且收割效率相對較低。為此，遼寧盤錦蘆葦科學(xué)研究所開發(fā)過一款4W-2.0型蘆葦收割機(jī)。該收割機(jī)采用側(cè)向聯(lián)接、立式收割、橫向輸送和定時(shí)放堆的收割方式。割臺齒鏈定時(shí)放堆機(jī)械和專用摟撥集堆裝置實(shí)現(xiàn)蘆葦在割臺右側(cè)每隔3.86 s完成1次放堆動(dòng)作，放堆間隔長度約7 m，堆放質(zhì)量約12 kg，提高了后續(xù)人工打捆的效率[12]。但對于懸掛式機(jī)具特別是前懸掛，存在拖拉機(jī)的前輪承載過重，在工作中拖拉機(jī)易出現(xiàn)后輪打滑、前輪下陷的現(xiàn)象，并且由于整臺機(jī)器重心靠前，可能會壓壞葦芽。

圖2 配套式蘆葦收割機(jī)

3.1.3 自走式蘆葦收割機(jī)

自走式蘆葦收割機(jī)自帶專用行走底盤，接地比壓低，通過性好，可完成蘆葦?shù)膴A持輸送與打捆。

馬慶勇等[11]設(shè)計(jì)了采用履帶式底盤，割臺前置，蘆葦縱向輸送的4WS-2000型高稈蘆葦收割機(jī)。針對高稈蘆葦?shù)姆龊?，設(shè)計(jì)中采用上下兩層撥葦輪，使蘆葦切割后兩點(diǎn)受力，保證其平穩(wěn)進(jìn)入輸送機(jī)構(gòu)。上層撥葦輪采用柔性撥葦輪，以防止上層撥葦輪對蘆葦產(chǎn)生較大的彎矩，破壞蘆葦。其蘆葦輸送機(jī)構(gòu)使被切割蘆葦在割臺上橫向收集并沿機(jī)器側(cè)邊縱向傳輸?shù)綑C(jī)器身后鋪放。

山東禹城亞泰機(jī)械制造有限公司的4GL-2100/VI型蘆葦收割機(jī)(圖3)，采用履帶自走式底盤和往復(fù)式雙動(dòng)刀切割系統(tǒng)，扶禾采用一對三指扶禾輪或電動(dòng)螺桿扶禾，蘆葦在割臺整稈切割、收集后由夾持輸送系統(tǒng)將蘆葦垂直輸送到車身后部成堆鋪放。其割幅2 m，割茬高度<5 cm，配套動(dòng)力63 kW，工作效率0.4～0.6 hm2/h。

圖3 4GL-2100/VI型自走式蘆葦收割機(jī)

國內(nèi)出現(xiàn)過一款自制的蘆葦收割機(jī)(圖4)，其增加了適合南方高稈蘆葦?shù)膴A持輸送機(jī)構(gòu)，蘆葦收割并收集后輸送到機(jī)器后部配置的打捆機(jī)，完成蘆葦打捆后自動(dòng)從機(jī)器后部推出。這款機(jī)器適合南方蘆葦?shù)氖崭睿夷軐?shí)現(xiàn)蘆葦自動(dòng)打捆，大大提高了蘆葦收割的效率。

圖4 自走式蘆葦收割機(jī)

在國外，意大利BCS622型手扶式割捆機(jī)(圖5)作業(yè)時(shí)能一次完成收割、捆扎和成捆鋪放。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)在割臺后部，割臺安裝在割捆機(jī)車架前端。

圖5 BCS622型手扶式割捆機(jī)

該機(jī)具質(zhì)量輕、操作方便，小田塊作業(yè)適應(yīng)性強(qiáng)。如用于蘆葦收割則只適用于泥腳深度淺的旱地或冰面低稈蘆葦，在泥腳深度深的沼澤、灘涂通過性較差，且割幅小，操作費(fèi)力。

英國LOGLOGIC公司的SOFTRAK系列蘆葦割捆一體機(jī)(圖6)采用履帶式底盤，通過性好，其割幅為1.4 m，每分鐘可收割20～25捆蘆葦，其自帶料倉，自動(dòng)打捆，葦捆由人工在料倉堆垛成形并集中卸載。該機(jī)型在國外蘆葦收割市場運(yùn)行多年，是一款較為成熟的產(chǎn)品。但這些機(jī)型一般適用于收割莖稈不高、稈徑較細(xì)和生長密度高的蘆葦，不適合收割我國南方莖稈高、稈徑粗的蘆葦。

圖6 SOFTRAK系列蘆葦收割打捆一體機(jī)

匈牙利Seiga系列蘆葦收割機(jī)(圖7)采用4輪或6輪輪式自走底盤，往復(fù)式割刀，無蘆葦夾持輸送裝置。蘆葦在割臺一次性完成蘆葦切割、打捆。葦捆由人工在料倉堆垛成形并集中卸載，正常工作需操作人員2～3名。機(jī)器自帶4 m×3 m的料倉，可存放1.0～1.5 t蘆葦，一個(gè)工作日可收割2 000捆蘆葦(1.0～1.5 hm2)。該收割機(jī)在葦場地面平坦、堅(jiān)實(shí)的時(shí)候工作較好，但如果在較泥濘，泥腳深的沼澤、灘涂等葦場，性能會受影響[23]。

圖7 Seiga系列蘆葦收割機(jī)

荷蘭Hanze Wetlands公司的HWT Retriever 121型蘆葦收獲打捆一體機(jī)(圖8)工作可靠，效率高。該機(jī)器對地面的壓力<1 kPa，其獨(dú)特的履帶布置使機(jī)器可以駛過1 m深的水域，該機(jī)割幅2.9 m，切割器采用Busatis Bidux雙動(dòng)刀，蘆葦夾持帶高度可隨時(shí)調(diào)整，調(diào)整范圍0.6～3.0 m，自帶2.4 m寬的料倉，蘆葦標(biāo)準(zhǔn)堆高1.2 m。

圖8 HWT Retriever 121型蘆葦收獲打捆一體機(jī)

3.2 蘆葦切割粉碎、壓縮成捆

在這種工藝要求下，蘆葦收割裝備一般將蘆葦收割后直接粉碎，然后通過撿拾裝置將打碎的蘆葦莖稈撿拾收集起來，再利用打捆作業(yè)裝備打成方捆或圓捆。該工藝容易形成高密度方捆或圓捆，以便于收集運(yùn)輸，但在莖稈撿拾過程中易混入石子等硬物，在沼澤地中還容易吸入水分，影響葦捆的后續(xù)操作。

國內(nèi)典型機(jī)型有山東裕田農(nóng)機(jī)公司的柴進(jìn)9YZJF-2.0-3F570型自走式秸稈打捆機(jī)(圖9)。該收割機(jī)可用于蘆葦?shù)氖崭睢⒎鬯?、撿拾和打捆，配套?dòng)力103 kW，工作效率0.6～1.0 hm2/h，方捆尺寸0.5 m×0.7 m，長度0.3～1.4 m可調(diào)，撿拾寬度1.9 m，其采用輪式行走底盤，不適合灘涂作業(yè)。

圖9 柴進(jìn)9YZJF-2.0-3F570型自走式秸稈打捆機(jī)

法國庫恩WS320 BIO型滅茬機(jī)和LSB1290型打捆機(jī)組合成的蘆葦收獲、粉碎、撿拾、打捆一體化作業(yè)裝備如圖10所示。WS320 BIO型滅茬機(jī)是一款帶有割曬裝置的前置滅茬機(jī)，該機(jī)與打捆機(jī)聯(lián)合作業(yè)，可以減少田間通過次數(shù)和機(jī)具數(shù)量。這意味著只需要一名駕駛員，便可一遍完成滅茬、收割和打捆作業(yè)，收割效率高[24]。LSB1290型大方捆打捆機(jī)集合了INTEGRAL ROTOR整體轉(zhuǎn)子、POWER DENSITY預(yù)壓縮和TWIN-STEP打結(jié)等突破性技術(shù)，產(chǎn)出的草捆緊實(shí)堅(jiān)固。方捆尺寸0.9 m×1.2 m，方捆長度0.6～3.0 m可調(diào)，配套動(dòng)力110 kW[25]。該收割裝備行走系統(tǒng)為輪式底盤，適用于泥腳淺的大型葦場。

圖10 庫恩蘆葦收獲、粉碎、撿拾和打捆一體化作業(yè)裝備

4 結(jié)束語

蘆葦收割機(jī)作為一種專門針對蘆葦收割的收獲機(jī)械，它大大提高了蘆葦收割的效率和質(zhì)量，促進(jìn)了蘆葦?shù)馁Y源化利用。在蘆葦收割技術(shù)和裝備的發(fā)展上，主要呈現(xiàn)出以下趨勢。

(1)配備低接地比壓的專用行走底盤，使蘆葦能適應(yīng)沼澤、灘涂等泥腳深的生長環(huán)境。

(2)蘆葦收割、輸送和打捆一次完成，不管是整稈收割還是粉碎壓縮成捆，收割、輸送、打捆一次完成都大大提高了蘆葦收割和運(yùn)輸?shù)男省?/p>

(3)蘆葦收割機(jī)的智能化，與其他作物的收割機(jī)類似，智能化程度反應(yīng)了收割機(jī)的設(shè)計(jì)水平與工作效率，蘆葦收割機(jī)的智能化包括收割機(jī)工作參數(shù)的識別與調(diào)整，如割臺前方蘆葦形態(tài)的識別、割臺功率的分配、夾持輸送鏈高度的調(diào)整、自動(dòng)導(dǎo)航與無人駕駛等。

國外蘆葦收割機(jī)的發(fā)展水平明顯要高于國內(nèi)，國外機(jī)型已基本是自帶專用底盤的收割、輸送和打捆一體機(jī)。而國內(nèi)的蘆葦收割還是人工收割為主，而機(jī)收也是以配套式機(jī)型為主流。所以，國內(nèi)蘆葦收割機(jī)的發(fā)展還有很長的路要走。一方面要根據(jù)國內(nèi)蘆葦生長與收割的現(xiàn)狀發(fā)展適應(yīng)性強(qiáng)、通過性好的小型蘆葦收割打捆一體機(jī)，以利于收割機(jī)的推廣使用。另一方面，要明確蘆葦收割機(jī)智能化發(fā)展的方向，在智能化技術(shù)與裝備的研發(fā)上投入精力，逐步提高國產(chǎn)裝備的智能化水平。