我国棉秆收获装备现状及前景分析

2018-06-14陈佳林曹肆林卢勇涛营雨坤

新疆农机化 2018年2期

陈佳林，曹肆林，卢勇涛，王敏，营雨坤

（1.石河子大学，新疆石河子 832000；2.新疆农垦科学院机械装备研究所）

0 引言

棉花是世界上最重要的农作物之一。在我国，植棉历史悠久，种植技术成熟，棉花产量约占世界棉花产量的1/4。棉花在采摘时产生大量的副产物[1～2]，但主要产棉区对副产物—棉秆利用效率低，造成了资源的浪费[3]。棉花的主要副产物是棉秆，是一种重要的可再生生物质能源，棉秆可作为反刍家畜的饲料，也可用于造纸、制板、环保材料、化学制品、建筑材料等，具有巨大经济效益。据统计，我国棉花种植面积为600万hm2，每年棉秆的产量约为3 000万t，若合理应用这些棉秆，将会增加农民的经济效益。目前棉秆收获技术发展迟缓，配套收获装备性能低下，未能得到广泛推广。新疆地区大部分棉秆被粉碎还田，多数地区农户仍旧采用手工拔除或焚烧的方式处理，致使棉秆资源利用率低下。拔秆收获能实现棉秆的收集，可避免残留根茬对下一轮作物的不利影响，所以非常受农户的欢迎。我国传统的拔棉秆方式非常耗费时间，劳动强度大，效率低。若采用棉秆收获机进行拔秆，不仅可以提高作业时间和效率，而且可以增加棉农的收入。因此，开展棉秆机械收获技术研究已成为近年来棉花生产全程机械化技术研究的重点之一[4～9]。

棉花秸秆的机械化收获技术与装备是形成棉花秸秆资源商品化生产和产业化开发前的提条件。棉花秸秆机械化收获装备的研发，可以解决人工收获效率低、成本高的问题，减少棉花秸秆焚烧的现象，不断提高棉花产量和质量，增强市场综合竞争力，为环保和土壤改善提供了技术与设备的支持[10]。

1 国外棉花秸秆收获装备研究情况

在国外，很多国家都曾经存在露天焚烧秸秆的问题[11]。鉴于其危害性，国外发达国家并不鼓励这种做法[12]。目前，处理棉秆主要方式有两种：一是田间粉碎还田，代表机型为美国USM的棉花秸秆整根拔取收获机，它包括机架、输送带、拔根棍、粉碎腔体和齿轮减速器。其作业时由拖拉机牵引，1次可以拔取2行棉秆，然后将棉秆由输送带送至粉碎腔体内，再将其粉碎并洒向地面。秸秆还田能有效增加土壤有机质和氮、磷、钾、微量元素等土壤养分，改善土壤的结构，收获后残留在田间的作物残茬，将秸秆留在田间表面，直接或机械的与土壤混合,作有机肥使用[13]。二是收获，如俄罗斯、苏丹、乌兹别克等国家用棉秆代替木材造纸、造板材等，代表机型为乌兹别克斯坦生产的KV-3.6A型和KV-4A型[14]，其包括机架、挖根铲、栅状导向板、星形喂入轮和锥形齿轮减速器。其作业时由拖拉机牵引，一次可以拔取4行棉秆，摆放成条，棉秆晒干后将其打成捆。尽管国外的棉秆收获技术不能够完全适合我国，但已经形成的棉秆收获及初加工工艺技术路线和循环利用模式给我国提供了宝贵的借鉴经验[15]。

2 国内棉花秸秆收获装备研究情况

我国在70年代末80年代初时棉秆收获装备的研制达到了高潮，但由于一些原因都没有得到推广和应用。到了20世纪90年代的时候，棉秆收获机的研制又开始活跃起来[16]。近年来，随着社会和科技的不断发展，由于棉秆的木质成分很高，其可以被应用于很多领域，因此棉花秸秆收获技术与装备的研发得到了广泛关注。目前棉秆的收获主要有分段收获与联合收获两大体系，包括起拔、集堆铺放、捡拾粉碎、输送等多个相应环节，每个环节都有相应的机型的研发，甚至有些还得到了推广和应用。新疆、山东等地区和省市科研院所对棉秆收获投入了很大程度上的科研力量，一些产品也已经相继问世。总结多年来我国研发出的各种机型,归纳起来主要有几种,即铲切式、滚切式、提拔式和联合作业式。

2.1 铲切式

铲切式棉秆收获机（图1）是将其挖掘部件入土一定深度，把棉秆的根部切断，然后把棉秆提拔出来。由于机具需要入土一定深度，对机具的动力消耗很大，并且随着挖掘部件上土的堆积越来越多，就会产生壅土的现象。这类收获机的优点是可以很好的对棉秆进行起拔、结构简单，缺点是由于工作部件要克服棉根切断阻力、土壤耕作阻力和摩擦力等，机具功率消耗大，容易产生壅土，棉根残留较多，铺放不整齐。由于各个地方棉秆种植模式的差异，此种铲切棉花秸秆收获机没能得到推广应用。

图1 铲切式棉花秸秆收获机Fig.1 Shovel-cut cotton straw harvester

2.2 滚切式

铲切滚切式是利用旋耕的原理，在转轴圆周方向上均匀安装3组刀片（图2），变速箱直接带动转轴旋转，入土一定深度，转轴上的刀片将棉秆根部切断，同时把棉秆从土壤中提拔出来[17]。在松土起膜的工作过程中，由于转轴带动3组刀片不断旋转，土壤不断被翻转，所以其前进速度较慢且消耗的阻力也较大。在工作过程中，正是由于土壤不断被翻动，所以在棉根被铲断的同时，不会生产壅土现象，工作比较稳定且对行距要求不高。这种部件的优点是能够有效地将棉秆从土壤中提拔出来，并能很好的分离膜杂，操作简单，缺点是机具功率消耗较大，对种植模式有要求。

图2 滚切收获结构Fig.2 Rolltheharvestingstructure

2.3 提拔式

铲切提拔式棉秆收获机的工作原理是随着机器的前进，起拔机构夹住棉秆，将棉秆拔出，按起拔器的形状和结构又分为辊式、夹式和链秆式3种[18]。辊式起拔器分圆柱辊、半圆柱辊、圆锥辊等，夹式起拔器分平动夹式、钳夹式和盘夹式；链秆式起拔器分为单链秆式、双链秆式、齿盘链秆式和链抓式等。以上机型主要由各地科研院所根据本地的研究条件和棉秆生长的特点进行的初步试制，均没得到推广和应用。目前提拔式机型中应用最多的是齿盘式和对辊式。

2.3.1 齿盘式

齿盘式棉秆收获机主要由齿盘、机架、限深轮、动力传动部件等部分组成。目前，最具代表性的是4MG-2型盘式棉花秸秆收获机（图3）。其工作原理为拖拉机带动收获机前行，限深轮通过传动部件带动两个齿盘不断旋转，前进中棉秆被2个三角刃槽夹住，2齿盘相向旋转，然后将遇到的棉秆从土壤中拔起,并将其抛向后方,待集成一堆后放置于田间。该机具有工作原理新颖，结构合理，动力消耗较少，操作维修方便，拔净率高、铺放整齐、不留根茬、节省劳力等特点。存在的主要问题是：板结地块拔净率较低、棉秆容易被夹断，损失较大；需要再次进行捡拾棉秆的工作，耗费成本。

图3 齿盘式棉花秸秆收获机Fig.3 Toothed disccotton straw harvester

2.3.2 对辊式

图4 对辊式起拔装置Fig.4 theroller drawingdevice

对辊式拔秆机具有1对或多对成一定角度配置的辊子。对辊式棉秆起拔收获有很多种类型，该起拔装置（图4）是采用液压进行驱动的半圆柱对辊起拔。它由液压驱动装置、传动部件、机架、油箱等组成。在该辊子上设计有纹路以增加2辊子摩擦力并且减少打滑，同时又可以加大起拔的可靠性。当拖拉机带动其前进时，由液压驱动带动传动部件，再由传动部件中的锥齿轮带动2辊子转动，2半圆柱辊子在拖拉机的前行下夹住棉秆并将其拔出来。起拔时由于2辊子是面接触，所以起拔可靠，2辊子之间的间隙可以调节。它的优点是喂入起拔可靠、结构简单；存在的缺点是：对棉花的行距要求较高，对于细长棉秆容易出现漏拔或拔断现象。

2.3.3 链夹式

江苏省徐州市苏顺达机械厂制造的4MB-1型棉花拔颗机（图5）采用了链夹式提拔机构，其工作原理是拖拉机带动收获机前行，链条传动带动起拔机构以同方向不断转动，在分禾器的作用下，链条上的三角刃槽把棉秆夹持住，并随着拖拉机的前行将棉秆拔出来，然后带着棉秆不断转动，当棉秆沿着链条转动到侧面的拨禾轮处时被挡禾板挤掉地面上。由于采用了链条传动，该机优点是起拔连续可靠、拔净率高、结构简单紧凑，缺点是当遇到细长棉秆时，由于链条中间部位夹持不紧致使棉秆出现漏拔现象。

图5 4MB-1型棉花拔颗机Fig.5 4MB-1typecotton pullout machine

2.4 联合作业式

图6 4MG－275型自走式棉秆联合收割机Fig.6 The4MG-275typeself-propelled cotton stalk harvester

以上叙述的这些机型必须要与拖拉机配合使用，并且由于各个地区的棉秆种植模式不同，这些机型均没有得到推广和应用。根据国内外的拔秆技术，结合青饲收获机和联合收割机技术,中国农业机械化科学研究院组织力量开发了4MG－275切割式联合收获机械（图6）。该机型的优点是不需要对棉秆对行，并且解决了冻结地块棉秆收获难题。由于受到割刀工作原理和地表平整程度的限制，特别是垄作时低茬收割有一定难度，根茬仍留在地里的问题没有从根本上解决[14］。4MG－275型自走式棉秆捡拾联合收获机（图7）可实现棉秆的自动捡拾、喂入、输送、切碎、抛送、自卸等一体化作业，包括整株拔取铺条、捡拾联合收获2个环节。重点突破了棉秆类冠状植株强制抓取、连续喂入技术[14］，实现了棉秆分段高效联合收获作业，但需要与拔棉秆机配套使用。

图7 4MG－275型棉秆捡拾联合收获机Fig.7 The4MG-275typepick up cotton stalk harvester

3 结论及展望

综上所述，铲切式存在的主要问题是消耗动力大，容易产生壅土，铺放不整齐；滚切式存在的主要问题是：机具功率消耗较大，残留棉根多；齿盘式提拔存在的主要问题是拔净率低，且容易将棉根切断；对辊式提拔存在的主要问题是对棉花的行距要求特别高，对于细长棉秆容易出现漏拔或拔断现象；链夹式提拔存在的主要问题是对于细长棉秆由于链条中间部位夹持不紧致使棉秆出现漏拔现象；联合作业式存在的主要问题是低茬收割有一定难度，需要与棉秆起拔机配合使用。目前采用铲切式、滚切式和提拔式收获棉秆的装备大多是将棉秆从地里拔起来,并没有对拔起后的棉秆进行粉碎、抛送、自卸等一些后续处理，由于机械化程度较低没能够实现棉秆收获的联合作业。

我国棉花种植范围广、面积大且品种多，各地的自然条件和种植模式也各不相同，棉秆的长势也有所不同，因此对棉秆收获机械的农艺要求也千差万别，这就要求棉秆收获机械装备的外形、尺寸、工作零部件及行走装置等能够适应当地的农艺要求[18]。总的来说，研制棉秆联合收获装备要求最大化的降低收获成本、提高棉秆资源化利用率，才能促进我国的棉花产量和增加农民的收入。另外，国家应该加大技术创新力度、加强统一规划指导、增加资金投入及政策扶持力度、加强引导宣传推广及应用技术培训、实现产业化、规范化。综合所述，我国棉秆收获装备的研发应向将棉秆拔起并直接粉碎还田、收集或打包机械化程度高的联合作业装备发展，以提高棉花的产量，增加农户的收入，研制棉秆联合收获装备成了一种趋势。因此，应根据各个地区不同特点，实施相应的措施。因地制宜，把多种起拔方式有机地结合起来，形成一种联合收获方式，从而实现棉秆利用的高效化、资源化和产业化，真正实现农业、生态和社会的可持续发展。

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