工业大麻机械化收割技术的研究

周 杨，李显旺，沈 成，田昆鹏，张 彬，黄继承

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)



工业大麻机械化收割技术的研究

周 杨，李显旺，沈 成，田昆鹏，张 彬，黄继承

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)

传统麻类作物的收割方式一直是制约麻类作物发展的重要因素，机械化收割是麻类作物发展的重要方式。为此，通过调研检索国内外麻类机械的相关文献资料，简述了国内外麻类作物机械化收割的现状和特点，并在系统地介绍和分析麻类作物收割机械的基础上，重点介绍圆盘切割装置的研究概况，阐述了国内外麻类收割机械的所具有的优势和不足，提出了适合中国工业大麻机械化收割的建议。

工业大麻；收割技术；机械化； 圆盘切割装置

0 引言

近年来，我国大麻种植面积逐年递增，根据国家产业发展计划， 2020年左右，国内工业大麻培育的面积预计可以达到66.7万hm2左右，平均每年可提供100万t左右的大麻纤维、500万t左右的木浆和20万t左右的高档食用油，并且增收1 000亿元，可以使300万贫困人口脱贫。然而，工业大麻收获难的问题限制了大麻产业的快速发展。为了解决制约工业大麻快速产业发展的问题，推动工业大麻的生产向质量更好和效率更高的方向发展，研制大麻收割机势在必行。工业大麻的多用途开发与利用成为当前大麻产业发展的必经途径，也是资源可持续发展的有效手段。工业大麻麻秆可用于造纸、制造活性炭；麻皮可用于纺织；麻花与麻叶可用于提取药物，提取的药物具有止血化淤、解毒等功效；大麻种子含蛋白质20%～29%，脂肪30%～35%；麻根可以生产各类生物质燃料。

目前，世界上栽培工业大麻的国家大约有30个，如图1所示。其中，我国是世界上最大的工业大麻产品的进出口国，近年来据联合国粮农组织的数据统计，大麻的总种植面积几乎减少了一半，世界范围内大麻的主要产地在中国、欧洲和加拿大[1]。大麻又称汉麻、火麻，是我国最古老的经济作物之一，品种之多居世界第一位。大麻生存能力强、适应性广，我国多数省(区)都具有适宜大麻的种植条件，以松嫩平原和黄淮海流域为主。我国大麻的改良育种、种植技术已经成熟，机械化剥麻技术也大幅提高，后期的机械化脱胶技术和纤维开发利用技术更是处于国际领先水平。大麻作为一种可持续资源[2]，在工业大麻的整个产业链中，只有机械化收割技术国内尚处于空白的状态。

图1 根据MEUL(2007)世界大麻种植区域分布

因麻类作物收获难的问题，导致麻类主产区的种植面积逐年递减，进而产量也随之减少，所以提高麻类作物种植机械化程度、改变种麻效益低的现状成为当前麻类作物产业发展的必然途径。

大麻的生长期由于不同品种及播种期和栽培标准等有很大的差异。北部地区大麻的生育期短，南部大麻的生育期长。大麻掌形叶，叶披针形，叶缘为锯齿状，平均一年一收[3]。工业大麻栽培简便，生长快速，适应能力强。根据地区生态条件和大麻品种特性，大麻植株差异很大，高度在120～500cm之间，茎粗在0. 6～4.5cm之间。传统的大麻茎秆收割主要采用人工砍割或稻麦收割机，但是传统收获方式使得大麻生产存在以下突出问题：

1)由于大麻性状特殊, 给大麻收获机具研发带来很大难度，麻类收获机械很多是空白，只有一些剥制机。目前，国内大多直接采用稻麦收获机械进行大麻收割，部分机具只在割晒机上加一排或二排输送链进行改装，还没有形成适合工业大麻收获的核心技术。

2)农村劳动力大量向城市转移，工业大麻生产所需要的劳动生产力出现了严重短缺的情况。目前，大麻生产依旧采用原始传统的耕作模式，作业环境条件恶劣、劳动强度大且作业技巧相对较难掌握。

3)大麻传统收获方式效率低、工期长、经济效益低，严重影响了麻纺等后续加工，也影响了大麻纤维产品的品质及市场售价。

综上所述，如何提升工业大麻收获效率和切割质量、降低劳动成本，是继续扩大工业大麻种植规模以满足大麻产业高速发展的关键，而提高大麻收获效率关键在于实现大麻机械化收割。切割器作为工业大麻机械化收获的重要组成元器件之一，其性能是否优良直接影响到收割机工作效果的发挥。

1 国内外工业大麻机械化研究现状

1.1 国内外大麻机械化研究概述

作物收割和剥制的质量难以控制，不少技术在全世界范围内仍处于空白状态，如剑麻与大麻的收获机械[4]。近年来，国内外对麻类作物纤维剥制加工机械研究颇多，也有人对收获模式进行探讨[5]，但对收获机械的研究较少。其原因在于农作物收获机械是否适应田地里复杂多变的状况。麻类作物为纤维作物[6]，物料性状本身具有其特殊性，工业大麻的生长速度相对其他作物较快，生长周期一般为2～3个月，植株高度约1.20～5m。其年产约7.5～22.5t/hm2纤维，是木材的3～4倍以上；韧皮纤维产量能达到4.5t/hm2左右，是亚麻的2倍，韧皮纤维的单纤维长度较长，约为1.5～3.5cm；茎秆粗长短不一，细不均匀，且纤维长而柔韧，麻骨较脆而易折断。这些麻类作物自身具备的性状都给机械的研制与开发带来了很大的困难。

有人对大麻化学成分及物理特性进行了分析[7-12]。20世纪80年代，宋贻则等人对黄麻、红麻进行研究并设计了4GHM-12型收割机[13]；近些年来，黄继承等人设计出了适合我国生产现状的苎麻收获4LMZ-160型履带式收割机[14](见图2)；并且有人对4LMZ-160苎麻收割机与农艺的结合进行了探讨[15]，在某种程度上解决了收获难的问题。

国外机具技术水平相对较高，如德国CLASS公司设计的大麻收获机(见图3)，但其结构复杂、价格昂贵，且不适合我国农艺的要求，很难在我国大范围推广使用。

图2 4LMZ-160型履带式苎麻联合收割机

图3 德国CLASS 4000系列大麻收获机

1.2 国内外大麻机械化研究概述

农作物的切割形式以往复式和圆盘式割刀为主，往复式切割器多用于小麦、牧草等作物收获；而圆盘式切割器主要用于粗茎秆作物的切割，如青饲料、大豆、芦苇及甘蔗的收获作业。圆盘式切割器在相关文献中也称为回转式切割器、盘刀式切割器等。目前，对圆盘式切割的研究大多从滑切角理论、切割机理、切割器结构和研究手段4个方面展开。圆盘式切割器一般速度较高，适合高速作业。其惯性力较易平衡，振动较小；但回转半径小，不适用于宽幅下切割农作物，割刀的寿命也比较短，且损耗维修费用较高。

薛忠等人介绍了圆盘式切割器在甘蔗收获、玉米茎秆收获理论与试验等方面的研究进展，并在此基础上对圆盘式切割器应用前景给出了建议[16]。

李仲恺等人为了找到减少油菜收获机损失量的方法，设计了一种圆盘式切割装置并进行试验研究。其运用自制的自走式切割试验装置，对影响切割功耗和落粒损失的切割速度、刀盘倾角及切割高度等进行了多因素正交试验并得到了左右试验因素中的最优因素组合[17]。

邓玲黎等人研制开发了回转式玉米茎秆切割试验装置，很好地模拟了玉米等茎秆作物的切割过程。同时，在试验台上对影响玉米茎秆切割因素的主要参数进行正交组合试验，实现了定量描述切割时的阻力与切割时功耗的影响规律，为切割器的开发设计与改进提供理论依据[18]。

李玉道研制了用来模拟棉花秸秆在切割过程中运动状态的的圆盘式切割试验台，找出影响切割性能的切割倾角切割方式、切割速度、喂入输送速度等因素的较优组合，达到了降低切割功率的目的[19]。

张海龙等人开发设计出了一种回转式牧草收割机，设计过程中对割刀的运动轨迹及结构参数分别进行了具体详细的分析与设计，显著地提升了牧草被收割时的工作效率[20]。

刘兆朋根据等滑切角切割理论设计了等滑切角式圆盘切割装置,并运用有限元动态分析仿真的方法研究了圆盘刀切割苎麻茎秆的切割运动机理,为苎麻茎秆切割的试验提供了理论指导[21]。

陈国晶等人利用设计的甘蔗茎秆切割试验台，建立并分析了在不同工作情况下的圆盘切割器的结构因素及地面不平度所引起的剧烈振动对工作性能指标造成影响的数学统计模型。综合优化分析结构因素后，优化后的圆盘切割器的工作参数降低了甘蔗德破头率，并在硬土和软土的条件下使得圆盘切割器的切割质量达到了较好工作水平[22]。同时，用ADAMS 进行了圆盘切割器切割甘蔗茎秆过程中的仿真分析，通过观察每一根甘蔗在被切割过程的甘蔗的运动状态，并结合数理统计法中图解法分析了这些因素对甘蔗破头率的影响过程机理，最终得出频率与振幅对甘蔗破头率影响显著的结论，进而提出了圆盘切割器设计时应考虑增加减振措施的意见[23]。

纪东伟等人通过甘蔗收割过程中的单圆盘刀切割过程不漏切割条件、单圆盘切割系统运动方程及刀盘与甘蔗不接触的一般条件式，并结合甘蔗收割过程的具体要求，建立了仿真分析试验的数学模型；并对切割过程不漏割的过程在 ADAMS 软件中进行了仿真运动学分析，为甘蔗收割机圆盘切割系统运动参数和结构参数的设计提供了理论研究的依据[24]。

万其号设计了一种回转式切割刀与现有回转式锯片的切割过程的对比试验，并建立了数学模型，对结构参数进行了分析优化，为今后开发设计割灌机的切割器研究了提供理论基础和参考数据[25]。

向家伟等人根据小型甘蔗收割机的切割装置一定要具备切割损失和切割功耗小的特征，建立数学模型，利用该数学模型对切割参数进行了分析优化，获得了切割过程损失和切割功耗均较小的切割器的最佳切割参数组合，为甘蔗茎秆收割机切割装置的开发提供了理论依据[26]。

杨坚等人在室内利用甘蔗茎秆切割综合试验台对影响甘蔗切割过程的影响因素进行了试验，建立了数学分析模型，分析研究了结构因素和田间因素对甘蔗切割过程的影响机理[27]。

刘庆庭等人自己制作了单圆盘切割试验台并进行了试验，采用高速摄像机延迟拍摄了茎秆在光刃切割刀的切割过程中的破坏过程，分析了切割速度和切割方式对各种破坏模式的影响[28]。

段天青开发设计了双圆盘割草机，研究了圆盘式切割器切割牧草的效果，证明了其在各种极端情况下工作过程平稳、生产率高[29]。

林茂等人模拟分析了甘蔗在不同含水率的土壤里的情况，对回转刀甘蔗切割器切割甘蔗茎秆的影响因素在室内进行了试验，并对影响因素进行优化，结果使甘蔗破头率降至 8.18%以下[30]。

邓本荣对刀片进刀量和滑切角的变化进行分析后，指出圆盘切割主要以斜切的方式为主，可省力；其进刀量呈现缓慢减小的趋势，即切割时的阻力会呈现逐渐变小的趋势、使得工作比较平稳，所以选择外圆弧刃口刀片比较合理[31]。

孙永海采用计算机模拟、试验设计和神经网络优化的技术方案，通过对回转式切割器进行试验分析研究，表明对大豆采用回转式切割装置切割的方案是可行的，切割时的阻力比较小，切割损失小[32]。

倪长安对玉米茎秆采取几种不同形式的回转式切割器切割的过程进行了大量的试验研究，讨论了参数对切割装置工作性能的影响效果，并提供了回转式切割装置主要参数设计的依据[33]。

澳大利亚S．Kroes等人创建了双圆盘割刀的数学理论的模型，并给出了不漏割及避免切割前刀盘刀刃与茎秆接触的条件[34]。

1.3 圆盘切割装置研究目标

通过设计制作一种工业大麻圆盘式切割试验台，对影响切割性能的因素即刀片数量、刀片形式及刀盘转速等进行模拟试验分析。通过数理统计分析，以工作性能指标为依据寻求切割器结构参数及切割运动参数最优组合以达到切割功耗最小，为今后工业大麻收割机切割装置的设计提供指导。

1.4 圆盘切割装置的主要研究内容

1)建立大麻茎秆的力学模型，对成熟期大麻茎秆机械物理特性参数进行试验测定和分析。试验研究主要包括对木质部、韧皮部和茎秆的剪切、拉伸、压缩及弯曲的力学研究，获得其杨氏弹性模量、剪切应力、抗压强度、拉伸强度和弯曲强度等物理力学特性参数。对采样时间、含水率、取样部位等影响大麻茎秆力学特性的因素进行综合分析，为切割装置的研究设计提供理论依据和技术参数。

2)设计切割试验台架的切割部件传动机构、工业大麻茎秆夹持机构及喂入输送机构，并建立切割转矩、喂入速度和切割速度的数据采集数据平台。

3)进行刀盘的设计，包括刀片的形式、刀片数量、刀片滑切角与直径、刀盘厚度，以及其结构的确定和设计。通过正交试验分析不同形式和参数的割刀的切割效果和切割功耗，选择最优的割刀形式和参数。

4)对切割器进行运动学分析，包括不漏割分析、多刀切割分析及重复切割分析，以寻找切割器各物理参数之间的约束关系。

1.5 拟解决的关键问题

1)以复合材料力学、弹性力学和材料力学理论为基础建立作物茎秆材料模型来获得茎秆的力学特性参数。

2)根据地区生态条件和大麻品种特性，解决割台的适应性问题。

3)以降低切割功耗及提高切割效率为目的，获得大麻收割机切割器最佳的割刀形式和切割参数。

1.6 主要研究方法

由于工业大麻收获机械国内外研究较少，该领域为前瞻性研究，所以前期需要参考分析国内外稻麦收割机及其他高茎秆类作物收获机械的研究现状，借鉴其他收获机械的切割装置的研究成果。

1)依据研究目的和所要解决的问题，查阅相关资料，收集高茎秆作物生物力学特性和收割机割刀运动方法的相关资料。

2)利用电子式万能试验机对大麻茎秆进行相关试验，建立工业大麻茎秆的机械物理力学模型。其可以认为是由韧皮部、木质部两种异质材料复合而成的复合材料，运用材料力学试验方法进行剪切、拉伸及弯曲试验。利用计算机采集相关数据和相关图像，数据处理软件对相关数据进行有效处理。

3)搭建工业大麻圆盘式茎秆切割装置试验台，设计合适的动力机构、传动机构，并根据需要测试的参数类型来选择相应的传感器和测试部件；利用三维仿真软件建立大麻茎秆切割试验台装置的三维模型，利用CAD软件进行二维图纸的绘制，完成试验台的设计并进行样机的试制。

4)通过改变各影响因素进行多因素正交试验研究，分析割刀刀片数量、刀片形式、刀片滑切角、刀片长度、刀盘直径、刀盘厚度及结构，找出各个影响因素的最佳组合，为大麻收割机切割装置的研制提供理论依据。

1.7 研究过程中可能遇到的问题及解决方法

1)由于大麻收割机国内空白，可查询的相关资料文献也比较少，选题来源的课题组试制的大麻收割机也是处于前瞻性研究阶段，因此拟通过大量查询其他茎秆收获机械相关文献，借鉴其他作物切割器的研究成果，结合大麻自身特点思考解决。

2)由于大麻材料不适用于国标对木材、竹材等机械物理试验方法的规定，没有统一的测量力学特性的方法，所以根据大麻茎秆实际情况，建立相应的物理力学模型，然后运用材料力学方法试验。

3)需要通过试验确定研制适用于大麻收割的圆盘切割台，因切割因素和评价指标较多，拟通过正交试验和建立相应的评价标准来解决试验问题。

2 工业大麻机械化研究前景及建议

2.1 研究前景

目前，国内没有大麻收割机方面的研究，开发的机具将在大麻生产应用的同时促进纺织纤维产业的研究[35]，使企业和农民的经济效益最大化，同时可实现麻类作物高效利用和自然资源农业生产的可持续发展。国家大力支持“三农”产业，对工业大麻行业的快速发展提供了前所未有的良机。大麻可纺性好，在国际纺织市场上也有一定的竞争力，尤其伴随着发达经济体近几年兴起的大麻热潮，使大麻纤维及其工业制品供不应求[36]。

通过引进国内外领先的经验和技术,加快发展符合我国实际情况、具有特色的麻类作物收获机械。应用大麻田间生产机械化综合技术，将促进相关大麻的各个行业加速发展，机械化的推广可以促进大麻生产向规模化、标准化、产业化方向发展[37]。

2.2 研究建议

1)大麻收获机的开发生产应朝着多元化发展，加强对新型大麻收获机的开发，满足市场多元化需求，针对大麻生产新技术的发展与应用及农机农艺相结合的原则，基于农业装备虚拟设计方法针对目前大麻收获机在虚拟设计应用研究中存在的问题和局限性，从关键机构入手，结合虚拟设计的优势，进行大麻物理特性的研究，完善虚拟样机的理论模型并研发高效的机器。

2)国外农业多为大农场模式，尤其是欧美国家，设计的大麻收获机械体型庞大、制造成本高，价格昂贵。我国大麻多为小农户种植、分布广而分散，小型而且实用性强的机型更适宜于我国大麻的种植模式。

3)对于工业大麻收获技术的研究，不能局限于单机开发，而应该综合考虑大麻收获全过程机械化收获的合理性，来发展适合我国发展现状的大麻田间收获机械。

4)深入研究大麻收获机械的基础理论及世界先进技术和新工艺，对大麻收获机的性能适应性进行重点科技攻关，适当从国外引进先进的技术经验。

3 结语

传统工业大麻收割方式主要依靠人工，劳动强度大、效率低。高效率的大麻收割机不仅可以降低麻农的劳动强度，减轻农民负担，而且可以实现大麻规模化种植、统一收获和加工，保证麻纺企业获得优质原麻供应，提高农民收入，提升大麻产品的附加值。

大麻收割技术的研究将为大麻产业的发展提供强有力的支持，提高大麻机械化收获水平将促进相关大麻的各个行业加快发展。大麻机械化的推广可以促进大麻生产向规模化、标准化、产业化方向发展。

近年来，随着制造技术的提高，生产经验的不断总结，研制出了很多新型的切割器，因而选择适合的切割器是提高收获质量与效率的关键因素。

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Research of Industrial Hemp Mechanization Harvester Technology

Zhou Yang, Li Xianwang, Shen Cheng, Tian Kunpeng, Zhang Bin, Huang Jicheng

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Traditional way of hemp crops harvest has been the important factors restricting the development of hemp crops. Mechanized harvesting is important way in the development of hemp crops. Mechanical cutting and fiber peeling are important parts in the hemp production process, and its working process is the process of interaction between rigid body and flexible body. To make the developed harvester and peeling machine to meet the working requirement of high quality, efficiency and low consumption. By looking for the information about hemp machinery all over the world. This paper briefly describes the present situation and characteristics of hemp crops harvest mechanization. The analysis based on hemp crops harvest machinery, the research emphatically introduces the development of disc cutter. The paper elaborated the advantages and disadvantages of hemp harvest machinery and put forward the suitable for China's industrial hemp harvest mechanization research proposals.

industrial hemp; harvester technology; mechanization; disc cutter

2016-12-24

国家农业产业技术体系岗位任务(CARS-19-E22);中国农业科学院科技创新工程项目(茎秆作物机械化收获团队，2016-2020)

周 杨(1990-)，男，辽宁丹东人，硕士研究生，(E-mail)347100380@qq.com。

李显旺(1961-)，男，湖北汉川人，研究员，(E-mail)xw3871@163.com。

S233.75

A

1003-188X(2017)02-0253-06