草帘编织机械研究进展及发展探讨

刘大为 ，谢方平 ，王修善 ，李 旭 ，邬 备

（1.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128；2.南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙 410128；3.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128）

据有关统计，我国作为农业大国，每年可生成7亿多吨秸秆，成为“用处不大”但必须处理掉的“废弃物”。以湖南省水稻生产为例，据2018年统计，全省水稻全年播种面积达到6013.5万亩，按照秸秆总重与稻谷总量比1：1估算，光湖南省一年的水稻秸秆产量就高达250亿公斤。由于秸秆还田处理需要一定腐烂的时间，新鲜的秸秆容易影响稻田耕作及复种。传统的秸秆处理方式往往是农民在收获粮食后，把秸秆搬运到田头，抛弃在沟渠边或堆在路边树林下，甚至门前屋后，遇到雨季还会散发出难闻的气味，既影响了村容村貌，又污染了环境。近年来，农作物秸秆还成为农村面源污染的新源头，在每年夏收和秋冬之际，总有大量的秸秆在田间焚烧，产生了大量浓重的烟雾，不仅成为农村环境保护的瓶颈问题，甚至成为殃及城市环境的罪魁祸首之一。对此，解决秸秆问题的关键在于提高农作物秸秆的综合开发利用水平及其生产效益。

2015年11月25日，国家发展改革委、财政部、农业部、环境保护部等联合文，要求各地进一步加强秸秆综合利用与禁烧工作，力争到2020年全国秸秆综合利用率达到85%以上。四部委要求通过推动产业化发展拓宽秸秆利用渠道，推行秸秆机械化还田作业和留茬高度等标准，促进秸秆就地还田或应收尽收；积极扶持秸秆收储运服务组织发展，建立规范的秸秆储存场所，促进秸秆后续利用；支持秸秆代木、纤维原料、清洁制浆、生物质能、商品有机肥等新技术的产业化发展，完善配套产业及下游产品开发，延伸秸秆综合利用产业链。

1 秸秆综合利用现状

秸秆作为农作物的重要副产品，其也是工、农业生产的重要生产资源，利用种类繁多，技术简称“五化”，其主要利用如图1所示。

图1 秸秆五化利用技术

其中在原料化利用方面，利用秸秆编织制作的草帘、草包、草苫等草制品，由于价值低、使用方便、无需回收、自动分解、废弃物易处理等特点。常作为低值易耗品被广泛用于铸件、陶瓷的包装、建筑物件生产中的保温材料、防洪草袋、树木越冬防护品、日光温棚保温材料，而这些产业和产品随着农业和工业的不断发展，需求量也不断增大。随着人工成本的不断攀升，草编行业对开发相应编织机具的需求越来越迫切。

2 草帘编织机械国内外研究现状

从秸秆利用情况看，国外特别是在北美、欧洲和日韩等发达国家，通过科技进步与创新，为农作物秸秆的综合开发利用找到了多种用途。除传统的将秸秆粉碎还田作有机肥料外，还走出了秸秆饲料、秸秆汽化、秸秆发电、秸秆乙醇、秸秆建材等新路子，大大提高了秸秆的利用值和利用率，鲜有草帘编织机械的研究和报道。

国内从1991年辽宁省刘柏林发明LBLC-1型草帘缝纫机以来，伴随着我国制造业近30多年飞速发展，形成了多种不同型号、不同种类的草帘编织机械，实现使人工编织草帘向机械编织草帘的方向上迈进了一大步。

2.1 草帘编织工艺流程

草帘编织工艺流程主要包括送草和编草两个步骤，其作业流程如图2所示。

图2 秸秆编织作业流程图

“送草”指的是稻草在机械设备带动下自动进给到缝纫区域编织成为草帘，其工艺过程曾是草帘编织机研究的热点，现发展已初步完善。“编草”指的是草帘的编织锁扣，其工艺过程与纺织机械中缝纫过程类似，但由于编制草帘较宽且较长，通常是多针并联工作进行缝纫，编织质量难以控制，工作机构还有待进一步优化。

2.2 草帘编织机的类型

草帘编织机主要以电动机为动力源，类似“织布”原理，经线为织线，纬线为稻草进行缝纫，根据送草机构运动方式的不同，可分为梭杆立式和平面式两种。

2.2.1 梭杆立式草帘编织机

其结构如图3所示。梭杆立式草帘编织机中两根织线的分叉运动一般通过齿轮传动来实现，梭杆的送草运动通过曲柄连杆机构完成，有自动进草和手动进草两种模式（多采用自动进草方式）。

电动机驱动主轴带动齿轮、凸轮转动，并将动力传至各运动机构，由凸轮控制双侧抖草齿及扎草针片，将成把的原料分离开来，然后以每次1～2根的数量送入梭钩；再由梭杆完成“穿草”动作、错经锤完成每次穿草后的“经线换向”动作；最后由编织架把已穿入经线的稻草顺序压紧。通过以上主要构件的依次运动，可完成编织草席所需的分草—穿草—经线换向—压紧等基本动作。

图3 梭杆式草帘编织机

2.1.2 平面式草帘编织机

平面式草帘机编织装置参考工业用封包机的原理设计的，其整机结构如图4所示。封包机与普通缝纫机不同，前者可以采用单线编织结扣，也可以采用双线互锁，而后者只能是双线（即顶线和底线）缝纫。

虽然利用的是封包机原理，但是实现机针动作的机构与封包机完全不同，封包机采用上下联动的机构，机针由上往下编织，而草帘机将全部运动机构都放在下部，由下往上编织，通过多针联动完成宽幅草帘的经线编织，这样使得传动路线缩短，结构更为紧凑。李云林等分析了平面式草帘编织机的工作过程，认为采用封包机单线结扣的形式，适合于草帘的编织，并进行了试验验证。

图4 平面式草帘编织机（单线）结构示意图

单线编织平面草帘机机针的运动主要采用连杆机构（曲柄摇杆机构或曲柄滑块机构）来实现，连杆机构运动存在冲击、振动较大等情况。朴海平等发明了一种编织装置采用齿轮传动的双线草帘编织机，带动编织针运动的主动齿轮与传递秸秆的被动齿轮传动比采用1：1，可解决单线编织过程中，机针采用连杆机构运动，易出现脱扣、振动噪音大，经线间距大，多针同时编织易断线、编织质量差等问题。其结构如图5所示。

由于新型的平面式草帘编织机的生产效率远高于梭杆立式草帘编织机，且具有操作简单、维修保养方便、稻草适应性强、草帘产品质量稳定和设备运行安全可靠等特点，目前应用最为广泛。

2.3 编织原理

2.2.1 双线锁扣

双线即利用顶线和底线进行缝纫，其原理如图4所示。顶线经垂直针上设计的穿线孔，在垂直针的下行过程中，顶线随垂直针穿透稻草；与此同时，底线在水平针的运动下，经垂直针过线孔，到拨线板的缺口，由于拨线板横移，使底线成小段水平；然后水平针前移，贴近垂直针，从垂直针与顶线的中间穿过，水平针设计有一个钩，当钩到底线时，迅速回移，同时拨线板复位，最后垂直针回移复位，一个锁扣完成，此时稻草向前输送一个针距；垂直针继续下移，其插入点为水平针勾住底线形成的环扣中心，进行下一互锁扣的编织。

图5 双线编织平面草帘机

该类型针织锁扣方法在梭杆立式草帘编织机和平面草帘编织机中均有应用。

2.2.2 单线锁扣

单线锁扣工作原理和“结”的形状如图5所示。结合图3所示平面草帘机结构，其工作过程如下：整机由机架、送草钉子方管、机针、喂线孔以及压草板、草帘压板、紧线器和挂线弹簧等组成，由操作人员分别站在机器两侧把稻草整齐均匀地铺在机架的拉杆上，送草钉子方管由偏心轮带动向上运动把草托起并向前推送，压草板把草压住，曲柄摇杆机构带动机针向上运动，当机针向上穿过稻草继续运动到最高位置约3cm时，喂线孔向左移动把线送到机针钩尖与活动舌头中间，机针勾住线往下运动到最低点，线形成一个圆扣，形状如同莲花的花瓣，机针再向上运动时，圆扣套进机针舌头以下的针杆上。等机针再次穿过稻草重复前面的动作，勾住线往下运动时，圆扣滑脱针杆套在另外一个圆扣上形成莲瓣扣，稻草织在每一个花瓣扣中成为草帘。

图6 双线互锁编织方法

单线编织装置结构简单，但针眼较大，需要对各机构的运动进行较为精确的控制，目前在平面式草帘编织机中应用最多。

图7 单线锁扣编织方法

2.4 关键部件典型结构

由于梭杆立式草帘编织机现使用较少，从文献中很难找到相关整机和部件的设计及研究，在这里，主要叙述平面式草帘编织机的典型结构，如图8所示。由于编织草帘较宽且较长，通常是多针并联工作进行缝纫，通过传动机构和编织机构运动间的相互配合来完成草帘的编织过程。

图8 平面草帘机关键部件结构简图

2.4.1 送草装置

平面式草帘编织机送草装置主要利用秸秆自身重力实现送草功能。通过电机驱动减速器带动主轴转动，主轴带动曲轴拨动滑板，通过钉齿板间歇性的耙拨秸秆，托举秸秆沿输送面向编织机构运动。

2.4.2 编草装置

编草部分工艺过程与纺织机械中缝纫过程类似，平面草帘编织机单线锁扣结构，如图9所示。

图9 曲柄摇杆机构

图9-a为机针结构，机针顶部为锥形钩尖，下部安装有一可绕销轴转动的针舌，在图9-b所示的驱动机构作用下，机针上下往复运动。当秸秆束穿过编织装置时先用镇压板固定，缝合初始结时，机针向上运动，针舌往上与钩尖形成封闭的腔体，带着编织线穿过秸秆；往下运动时，锁舌打开，编织线扣沿针杆滑脱，拉出一个线圈，秸秆织在瓣扣中。当针再次穿过草帘时，新的线圈将直接穿过前一个线圈的中间，针舌再次抓住线，围绕下一个线圈做线圈。这样，每个线圈都会把下一个线圈固定到位。

2.4.3 铺草装置

铺草部分现阶段基本由人工完成，一般由1到2人拆捆，4～6人手工横向铺草，铺好的稻草通过送草机构与编草机构最终编织成为草帘，宽度与厚度全部由人工进行控制。

图10 自动铺草装置

翟行彪等研制了一种通过气缸驱动分草机构使得稻草成束，再由电机带动抓草机械手在机架间往复运动，实现抓草与放草动作的自动铺草机，自动铺草机构在运行过程中分为七部分：喂草过程、送入过程、分草过程、压草过程、抓草过程、行进过程和放草过程。提高了秸秆铺放效率，但机器结构复杂，成本较高。

3 存在的主要问题

草帘编织机的发展较为缓慢，目前仍处于半自动化阶段，特别是需要大量人工进行铺草，其研究存在以下几个方面的问题：

3.1 用工量大

当前市场上草帘编织机都是人工理草，其生产流程为：人工解散草捆→人工上草→人工铺草→人工整理→机械编织等工序。为进行工作需要采用6～8人进行人工铺草，2人拽拉草帘、打捆，1人手工锁边，1人操作机器。

3.2 缺乏铺草设备

人工铺草用工多、工作量大、工作环境恶劣、工作效率低、铺草不均匀。并且草帘编织一般在水稻收获后到且入冬之前，大约持续3～4个月时间，而草帘编织地区相对集中，在当前农村劳动力大量涌入城市的背景下，在编织季节易出现招工难、用工荒的现象，工人操作水平也难以保证，影响了草帘的编织数量与质量。

3.3 编织时存在的跳线、输送不均等情况

编织速度过快，稻秸秆横向步进式移动通过平面草帘机时，由于步进机构的输送步长相对秸秆直径大得多，输送过程中存在较多的斜置或乱序情况，特别是秸秆搭接编织时，由于穗头和根部几何尺寸不一，运动过程中容易出现斜置，斜置的秸秆编织时在穗头搭接部分易出现漏编、空扣、编织空洞等情况，对草帘编织质量有一定影响。

3.4 草帘编织行业无标准

由于草帘用途广泛，各行业对草帘的要求各不相同，除草帘编织的宽度、厚度外，如建筑施工、大棚防冻用草帘，还必须考虑草帘紧密性等对保温性能的影响。正因为如此，在草帘编织机研发上，也就出现了各种类型不同，编织质量良莠不齐的机械产品，也限制了草帘编织机械的发展和行业的壮大。

4 发展探讨

在我国由于土地多采用多熟制种植模式，秸秆还田影响作物生长，秸秆焚烧污染大气环境，综合开发利用又面临着技术不成熟、投资比较大、效果比较差的窘境。农民急于焚烧，而政府急于封堵，二者就打起了游击战。刘丰亮等[23]以宁夏为例，按照2011年的市场行情，按草编用水稻秸秆亩产450kg左右，单价0.18元/kg计算，加工成不同的草编制品后，稻草秸秆增值约0.12～0.40元/kg，算得每亩稻草可增加收入54元至180元。可见，草编业效益可观，利用性能良好，产品质量过硬的编织机让农民发展草编业，不仅能够变废为宝，变农闲为农忙，更能快速为农民增收。

而就草帘编织机发展而言，目前急需解决的问题主要由三个：一是模块化设计，提高零部件的互换性，比如自动铺草装置的研发，该装置的设计既要考虑使用成本，又要能够保证作业质量，提高作业效率，切实减少铺草所需的用工量；二是高速编织装置设计，开展适合高速编织的机具研发，提高编织机的作业效率，一方面现有编织机编织速度受限于人工铺草的速度，生产效率不高，另一方面机器本身也存在诸多不适合高速编织的因素，如空扣、漏编、连杆传动振动过大等问题还急需解决；三是半封闭设计，优化传动部件，改善编织作业环境，减少作业现场的噪音粉尘污染，降低现场作业人员劳动强度。

综上所述，开展稻秸秆编织机械的研究，支持农户借助稻秸秆编织机加快发展草编业，既能造福农民，又能杜绝焚烧稻草污染环境，使得废旧稻草得到了合理利用，具有良好的社会效益、经济效益和生态效益。