劉凱凱，陳明江，廖培旺，郝延杰，王仁兵，張愛民，王 成*

(1.濱州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東濱州 256600；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

我國是世界上最大的棉花生產(chǎn)國和消費(fèi)國，黃河流域棉區(qū)是我國三大棉花主產(chǎn)區(qū)之一，包括天津、河北、山西、山東、河南和陜西6省(市)，在國內(nèi)棉花產(chǎn)業(yè)體系中占據(jù)重要位置。棉稈是棉花生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，是重要的可再生生物質(zhì)資源。棉稈木質(zhì)化程度高、韌皮纖維豐富、密度和熱值高，是優(yōu)良的生物質(zhì)資源。棉稈經(jīng)焚燒和掩埋可進(jìn)行有效利用，如生物質(zhì)燃料、生物菌栽培基質(zhì)、有機(jī)肥及秸稈人造板產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但是，棉稈資源量龐大、分散、收儲季節(jié)性強(qiáng)，適宜的棉稈收獲裝備比較匱乏，棉稈收儲運(yùn)困難、成本高，導(dǎo)致植棉區(qū)出現(xiàn)大量棉稈露天焚燒，嚴(yán)重制約棉稈的規(guī)?；谩９P者針對黃河流域區(qū)域棉稈的生長特性，對棉稈機(jī)械化收獲裝備的現(xiàn)狀、技術(shù)和問題進(jìn)行研究和分析，以期為棉稈機(jī)械化收獲裝備提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 國內(nèi)外棉稈收獲技術(shù)現(xiàn)狀

在20世紀(jì)60年代中期，我國已經(jīng)開始棉稈收獲機(jī)械的研制；到70年代末、80年代初，棉花種植規(guī)模逐漸擴(kuò)大，棉稈收獲機(jī)械的種類增多，許多單位都對棉稈收獲機(jī)進(jìn)行過研制。近年來，棉稈被廣泛應(yīng)用于飼料、造紙及能源等領(lǐng)域，棉稈收獲技術(shù)與裝備的研究備受關(guān)注。

我國研制的棉稈收獲裝備主要有鏟切式、滾切式、提拔式、聯(lián)合作業(yè)等。鏟切式棉稈收獲機(jī)，挖掘部件入土切斷棉稈，結(jié)構(gòu)簡單、制造和使用方便，需要對行作業(yè)，作業(yè)時(shí)容易產(chǎn)生壅土，存在效率低、殘留根茬較多，對種植農(nóng)藝的要求比較高。滾切式棉稈收獲機(jī)，通過旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向固定多組刀片，刀片入土作業(yè)將棉稈根茬切斷提拔出來，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是通過刀片橫向布置，不需要對行作業(yè)，存在動力消耗大的問題。旋轉(zhuǎn)提拔式棉稈收獲機(jī)，用起拔器把棉稈從土壤中提拔出來，根據(jù)起拔器的結(jié)構(gòu)可分為對輥式、齒盤式、齒輥式等，該類機(jī)型對機(jī)手的操作有一定的要求，不需要入土作業(yè)功耗降低，代表機(jī)具是4MG-2型齒盤式棉稈收獲機(jī)。聯(lián)合作業(yè)式棉稈收獲機(jī)主要有拔取收獲和切割收獲2種類型。代表機(jī)型如中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的4MG-275型自走式棉稈聯(lián)合收割機(jī)，采用切割割臺可以實(shí)現(xiàn)西北內(nèi)陸棉花密植細(xì)稈性狀及土地凍結(jié)后棉稈收獲難題，采用撿拾割臺，配合其他棉稈拔稈機(jī)具，可以實(shí)現(xiàn)棉稈拔取后撿拾作業(yè)。

在國外，多個(gè)國家經(jīng)歷過棉稈露天焚燒的時(shí)期，考慮到焚燒秸稈的危害性，秸稈焚燒的行為逐漸被禁止。隨著棉稈收獲技術(shù)的發(fā)展，美國、印度等主要的棉花生產(chǎn)和貿(mào)易國家研發(fā)的棉稈收獲機(jī)大多都是與拖拉機(jī)配套作業(yè)的牽引式、懸掛式機(jī)型。棉稈大部分直接粉碎還田，較少部分用于回收再利用。棉稈收獲裝備按照作業(yè)原理的不同分為鏟切式、刨挖式和拔稈式3種。

棉稈鏟切技術(shù)，通過不同結(jié)構(gòu)式的挖掘部件深入土層把棉稈根部切斷，將棉稈從土壤中挖出，達(dá)到稈土分離的目的(圖1)。主要機(jī)型有烏茲別克斯坦生產(chǎn)的KV-3.6A型和KV-4A型，其包括機(jī)架、挖根鏟、柵狀導(dǎo)向板、星形喂入輪和錐形齒輪減速器。該機(jī)由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，棉稈拔取后擺放成條，待曬干后撿拾打捆。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是挖掘部件的作業(yè)面寬度大，對行要求低，切根作業(yè)比較徹底；缺點(diǎn)是入土作業(yè)需克服土壤阻力以及棉稈根部的切斷阻力，動力消耗較大，挖掘部件磨損嚴(yán)重。

圖1 鏟切式棉稈拔稈機(jī)Fig.1 Cotton stalk puller of shovel-cut type

棉稈刨挖技術(shù)，主要是采用1組對稱的傾斜雙圓盤刨挖(圖2)。該機(jī)型的圓盤角度及高度均可調(diào)節(jié)，拔稈機(jī)構(gòu)可折疊，采用平行四連稈仿形機(jī)構(gòu)，并且可以在拔稈機(jī)構(gòu)后面安裝切碎裝置，棉稈拔取后同步切碎還田。該機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是動力消耗相對減少，缺點(diǎn)是作業(yè)過程中對行精度要求較高，代表機(jī)型有美國的Dave Koenig和Orthman棉稈刨挖機(jī)。

圖2 刨挖式棉稈拔稈機(jī)Fig.2 Cotton stalk puller of digging type

棉稈對輥提拔技術(shù)，采用具有45°傾角安裝的橡膠對輥夾取，安裝傾角可根據(jù)實(shí)際調(diào)整，將棉稈連根拔起(圖3)。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是不需入土，可靠性高，動力消耗降低；但是對種植行距的標(biāo)準(zhǔn)性要求高，對機(jī)手操作的熟練程度有要求，適合標(biāo)準(zhǔn)化栽植的模式，典型機(jī)型有澳大利亞的Muti拔棉花秸稈機(jī)和美國的AMADAS棉花秸稈拔取切碎收獲機(jī)。

圖3 對輥式棉稈拔稈機(jī)Fig.3 Cotton stalk puller of double roller type

對國外已有的棉稈收獲裝備及收獲模式進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合國內(nèi)棉區(qū)的棉稈生長特性，可以為棉稈機(jī)械化收獲及裝備研發(fā)提供有價(jià)值的技術(shù)參考。

2 黃河流域棉區(qū)棉稈收獲技術(shù)與裝備

研究發(fā)現(xiàn)，棉田土壤含水率對棉稈拔取力影響較大，起拔力隨棉稈根部直徑的增大而增大；棉稈硬度、破碎強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等力學(xué)特性以及棉稈含水率對棉稈收獲機(jī)械性能的發(fā)揮影響顯著。

齒盤式棉稈拔稈機(jī)主要由拔稈齒盤、地輪、傳動機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成，地輪傳動提供動力，通過地輪的錐齒輪驅(qū)動拔稈齒盤實(shí)現(xiàn)拔稈作業(yè)(圖4)。工作時(shí)拖拉機(jī)前進(jìn)帶動前懸掛的拔稈機(jī)向前運(yùn)動，地輪通過動力傳動部件帶動齒盤旋轉(zhuǎn)，齒盤上的三角卡槽把棉稈鉗住，在拖拉機(jī)的前進(jìn)推力與齒盤的旋轉(zhuǎn)扭力的合力作用下將棉稈從土壤中拔出。該機(jī)具的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可以解決小規(guī)模棉田的棉稈拔除問題，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性；缺點(diǎn)是需要對行作業(yè)，對駕駛員的操作技術(shù)有一定的要求，并且需要處理拔除后散落田間的棉稈。該機(jī)主要性能指標(biāo)見表1。

圖4 齒盤式棉稈拔稈機(jī)Fig.4 Dentate disc cotton stalk uprooting machinery

表1 齒盤式棉稈拔稈機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

齒盤是拔稈機(jī)構(gòu)的核心工作部件，薦世春等分析了齒盤夾持棉稈的運(yùn)動速度和軌跡，為齒盤機(jī)構(gòu)關(guān)鍵齒形、角速度優(yōu)化提供理論數(shù)據(jù)。賈健設(shè)計(jì)的“V”型齒盤機(jī)構(gòu)，在莖稈直徑為10～25 mm，前進(jìn)速度2 m/s時(shí)，拔凈率達(dá)到95%以上。 陳明江等通過速比(齒盤圓周線速度/機(jī)具前進(jìn)速度)和齒盤圓周線速度試驗(yàn)，確定速比范圍控制在0.55～0.80，齒盤圓周線速度控制在0.24～1.10 m/s，可以保證作業(yè)質(zhì)量。根據(jù)不同地形和棉稈特點(diǎn)，確定適宜的速比和拖拉機(jī)前進(jìn)速度，可以優(yōu)化改進(jìn)棉稈的拔除質(zhì)量，其大田性能試驗(yàn)見圖5。

圖5 大田性能試驗(yàn)Fig.5 Picture of field performance test

自走式棉稈撿拾收獲機(jī)由中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制，該機(jī)主要由撿拾臺、輸送過橋、喂入裝置、切碎裝置、儲料箱、發(fā)動機(jī)、底盤、駕駛室、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成(圖6)。棉稈拔起后鋪放在田間，晾曬后進(jìn)行撿拾作業(yè)；田間鋪放的棉稈被撿拾滾筒撿拾送至橫向輸送器，經(jīng)輸送器送至過橋喂入口，在過橋喂入輥的抓取力作用下輸送至喂入裝置，由喂入裝置的夾持喂入輥將棉稈輸送到切碎裝置，在切碎滾筒的作用下將棉稈切碎并拋送至儲料箱，裝滿后可通過液壓裝置將切碎的棉稈側(cè)翻卸至運(yùn)輸車內(nèi)。

圖6 自走式棉稈撿拾收獲機(jī)Fig.6 Self-propelled cotton stalk combine harvester

撿拾收獲臺采用釘齒式撿拾滾筒和橫向輸送機(jī)構(gòu)，進(jìn)行木質(zhì)化纏繞冠狀植株的撿拾和連續(xù)喂入，動力消耗少。釘齒式棉稈撿拾輸送裝置主要由壓料桿、撿拾滾筒、輸送器、機(jī)架、傳動裝置組成，撿拾滾筒位于撿拾臺的前方，釘齒式撿拾齒在滾筒圓周均勻布置8排，橫向?yàn)槁菪€排列。為防止撿拾滾筒堵塞，撿拾滾筒的線速度設(shè)計(jì)值比機(jī)器的最大工作行走速度高20%。撿拾滾筒后方是輸送裝置，可將兩端的棉稈橫向輸送至中間喂入口。該機(jī)具的優(yōu)點(diǎn)是可以一次完成棉稈的撿拾、輸送、切碎、拋送、裝箱、翻轉(zhuǎn)卸料等作業(yè)過程，集成作業(yè)效率高；缺點(diǎn)是需要與棉稈拔取機(jī)配合，即將棉稈拔取后放置田間，在聯(lián)合收獲的集成度上可以進(jìn)一步優(yōu)化，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

針對棉稈收獲過程中拔除、撿拾的分段收獲現(xiàn)狀，濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所在齒盤式棉稈拔稈機(jī)的基礎(chǔ)上研發(fā)4MG-2型棉稈粉碎集箱收獲機(jī)，一次完成棉稈的拔稈、粉碎、集箱等多個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，收獲效率高。該機(jī)主要由拔取機(jī)構(gòu)、調(diào)直輸送機(jī)構(gòu)、鍘切送料機(jī)構(gòu)、集料箱、動力輸出機(jī)構(gòu)和裝配機(jī)架等組成，棉稈拔取機(jī)構(gòu)、調(diào)直輸送機(jī)構(gòu)采用前懸掛方式，鍘切送料機(jī)構(gòu)通過連接機(jī)構(gòu)固定在拖拉機(jī)前端，集料箱置于拖拉機(jī)正上方(圖7)。

表2 自走式棉稈撿拾聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of self-propelled cotton stalk combine harvester

注：1.集料箱；2.鍘切送料機(jī)構(gòu)；3.調(diào)直輸送機(jī)構(gòu)；4.拔取機(jī)構(gòu)；5.動力機(jī)構(gòu)；6.動力輸出機(jī)構(gòu) Note：1.Aggregate box；2.Cutting and feeding mechanism；3.Straighten the conveying mechanism；4.Extraction mechanism；5.Power mechanism；6.Power take-off mechanism圖7 棉稈拔稈集箱收獲機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of cotton stalk uprooting and boxing combine harvester

工作時(shí)，機(jī)具推動棉稈拔取機(jī)構(gòu)的地輪向前滾動，地輪軸的轉(zhuǎn)動經(jīng)錐齒輪副帶動拔稈齒盤水平轉(zhuǎn)動，棉稈卡入齒盤，隨著齒盤的轉(zhuǎn)動，棉稈被拔出并向中間集中；再經(jīng)一對相對轉(zhuǎn)動的撥稈軸撥向輸送機(jī)構(gòu)，通過相對轉(zhuǎn)動的上下喂入輥夾持，沿著升運(yùn)柵板向后斜上方輸送，經(jīng)兩級撥輥輸送到切碎滾筒的喂入口，喂入口下方的定刀和旋轉(zhuǎn)刀軸上的切刀將棉稈鍘切成40～60 mm的長段；高速旋轉(zhuǎn)的刀軸盤上的葉片以及鍘切刀所產(chǎn)生的風(fēng)力將切碎工序后的棉稈通過送料筒向上吹入集料箱；棉稈滿箱后，通過操縱液壓機(jī)構(gòu)可以將切碎的棉稈從集料箱的箱體卸下。機(jī)具的主要技術(shù)參數(shù)見表3。

調(diào)直輸送是完成棉稈聯(lián)合收獲的關(guān)鍵步驟，主要由機(jī)架、前撥輪、中撥輥、上下喂入輥、后撥輥、升運(yùn)柵板、傳動鏈輪齒輪、安全防護(hù)罩等組成(圖8)。拔取的棉稈需要經(jīng)過相對轉(zhuǎn)動的前撥輪調(diào)直作業(yè)后撥向后方，解決棉稈直接喂入容易導(dǎo)致的堵塞問題；然后，棉稈再通過相對轉(zhuǎn)動的上下喂入輥夾持沿著升運(yùn)柵板向后斜上方輸送，經(jīng)2級撥輥的作用送入切碎滾筒的喂入口。通過調(diào)直輸送機(jī)構(gòu)，解決棉稈拔稈作業(yè)后雜亂無序、輸送不暢等問題。

表3 棉稈拔稈集箱收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of cotton stalk uprooting and boxing combine harvester

注：1.機(jī)架；2.后撥輥；3.傳動鏈輪；4.前撥輪；5.上下喂入輥；6.中撥輥；7.升運(yùn)柵板 Note：1.Rack；2.Rear shift roller；3.Drive sprocket；4.Front wheel；5.Upper and lower feed rollers；6.Middle shift roller；7.Lifting grid圖8 調(diào)直輸送機(jī)構(gòu)Fig.8 Mechanism of straightening and conveying

4MG-2型棉稈拔稈集箱收獲機(jī)，將棉稈的拔除及處理環(huán)節(jié)進(jìn)行初步聯(lián)合，降低棉稈收獲綜合成本，提高作業(yè)效率。在山東省無棣縣棉花種植示范基地進(jìn)行田間試驗(yàn)(圖9)，各項(xiàng)性能參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該機(jī)具的優(yōu)點(diǎn)是在齒盤式拔稈機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)棉稈拔稈、粉碎、集箱的聯(lián)合作業(yè)，避免二次撿拾，實(shí)現(xiàn)棉稈一次性離田收獲；缺點(diǎn)是作業(yè)需對行作業(yè)，勞動強(qiáng)度大。

圖9 大田性能試驗(yàn)Fig.9 Picture of field performance test

針對棉稈拔稈收獲后需要配合打捆機(jī)二次撿拾作業(yè)的情況，濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所研發(fā)自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)，實(shí)現(xiàn)了棉稈拔稈、鍘切、打捆聯(lián)合收獲。

4MGZ-210型自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)，主要由收獲臺、鏈板輸送器、行走底盤、打捆機(jī)構(gòu)和動力機(jī)構(gòu)等組成(圖10)。棉稈通過收獲臺完成拔稈、清稈、撥稈作業(yè)過程，經(jīng)鏈板輸送器將棉稈輸送至打捆機(jī)構(gòu)，打捆裝置的撥叉將棉稈扒到壓捆室進(jìn)行壓縮打捆，壓捆后棉稈捆沿著溜板滑落田間。機(jī)具的主要技術(shù)參數(shù)和性能設(shè)計(jì)指標(biāo)見表4。

注：1.收獲臺；2.鏈板輸送器；3.行走底盤；4.打捆機(jī)構(gòu)；5.繩箱；6.駕駛室；7.動力機(jī)構(gòu)；8.油箱 Note：1.Harvester；2.Chain plate conveyor；3.Traveling chassis；4.Baling mechanism；5.Rope box；6.Cab；7.Power mechanism；8.Tank圖10 自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure diagram of self-propelled cotton harvest bundling machine

表4 自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

棉稈收獲臺是整機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，主要是由拔稈棍、清稈輥、撥稈輥、撥禾輪、攪龍和機(jī)架等組成。收獲臺的拔稈輥與撥禾輪配合作業(yè)將棉稈拔除，拔稈輥上沿軸線方向均布有3排“V”型齒結(jié)構(gòu)，“V”型齒的齒寬23 mm，齒形角25°，齒頂圓弧半徑3 mm；清稈輥在拔稈輥的斜后上方，清稈輥中心軸線高于拔稈輥軸中心軸線，清理出夾持在拔稈輥“V”型齒上的棉稈；撥稈輥在清稈輥后上方，中心軸線高于清稈輥中心軸線，同時(shí)高于收獲臺底板上沿，將棉稈拔稈、清稈、撥稈呈現(xiàn)階梯狀上升運(yùn)動階段，強(qiáng)制撥送到收獲臺。棉稈收獲作業(yè)原理見圖11。

注：1.棉稈；2.拔稈棍；3.清稈輥；4.撥稈輥；5.攪龍；6.撥禾輪 Note：1.Cotton stalk；2.Stalk pulling stick；3.Stalk cleaning roller；4.Straw shifting roller；5.Auger；6.Reel圖11 棉稈收獲原理Fig.11 Schematic diagram of cotton stalk harvesting

棉稈直接壓捆作業(yè)負(fù)載大，在壓捆機(jī)構(gòu)前段設(shè)計(jì)一種滾筒式棉稈鍘切機(jī)構(gòu)，采用破碎板與鍘切刀交錯(cuò)布置，鍘切刀選擇65 MN，鍘切滾筒直徑轉(zhuǎn)速185 r/min時(shí)，棉稈鍘切長度合格率可以達(dá)到92%以上。

通過田間試驗(yàn)，前進(jìn)速度1.0～1.2 m/s，拔稈棍轉(zhuǎn)速390～420 m/s，棉稈拔凈率達(dá)到95%以上，研發(fā)機(jī)具滿足棉稈田間機(jī)械化收獲要求(圖12)。機(jī)具優(yōu)點(diǎn)是多功能集成，棉稈不對行收獲，效率高；缺點(diǎn)是“V”型齒結(jié)構(gòu)易纏繞雜草、地膜及滴灌帶等，清理輥清理不及時(shí)會造成纏繞擁堵。

圖12 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.12 Picture of test site

3 總結(jié)與展望

棉稈機(jī)械化收獲裝備作為棉稈回收處理的重要機(jī)械，國內(nèi)已研發(fā)出可以適應(yīng)不同模式的多種機(jī)械，但離規(guī)模化推廣應(yīng)用仍存在較大差距，原因如下：

(1)棉稈收獲機(jī)研發(fā)與推廣缺乏政策的支持。目前的農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼政策主要針對農(nóng)作物秸稈還田機(jī)械、打捆機(jī)械，缺乏對棉稈拔稈收獲等新型農(nóng)機(jī)裝備的支持，制約了棉稈收獲機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用；同時(shí)棉稈收獲機(jī)種類繁多，缺乏系統(tǒng)性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步完善。

(2)機(jī)具作業(yè)時(shí)，雖解決棉稈拔除的難題，但由于棉稈木質(zhì)化程度高，機(jī)具作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性有待提升；棉稈拔除機(jī)功能單一，需其他類型的機(jī)具配合作業(yè)，增加了機(jī)具購置和使用成本。自走式棉稈聯(lián)合作業(yè)機(jī)械，尤其是集成棉稈的拔稈、鍘切、壓捆的集成度高，節(jié)省作業(yè)成本。

(3)棉稈回收過程中，與后續(xù)的運(yùn)輸、儲藏、應(yīng)用等環(huán)節(jié)結(jié)合不緊密，需要開展對棉稈進(jìn)行二次處理的研究，進(jìn)一步提升收獲后棉稈的利用價(jià)值。