自走式柠条联合收获机平茬试验

邢东伦，陈月锋，高 威，董世平，丁学谊，贾红建

(中国农业机械化科学研究院，北京100083)

0 引言

柠条是一种集经济效益、生态效益和社会效益为一体的灌木，全世界有100多种，仅我国就有66种[1]。柠条是多年生灌木植物，抗旱耐瘠，具有很强的生命力和抗逆性，是我国北方地区防风固沙、水土保持的理想品种。根据柠条生长特性，每3～5年需要平茬复壮1次，同时考虑其生态功能的要求，一般采取隔年、隔带轮换平茬的方法，否则其生长速度会减慢，甚至停止生长，导致枯死。适时对柠条进行平茬，才能促进其持续生长，保持其生态及生物利用功能。开花期鲜柠条干物质中粗蛋白含量约14%，粗脂肪含量约3.5%，其营养价值高于常规饲草和玉米秸秆，是良好的饲用植物。柠条热值18.0～19.5 MJkg，树皮含有蜡质层，干湿都易燃烧，是优良的燃料资源。目前，仅在内蒙古乌兰察布地区有十几家柠条饲料加工厂；在山西五寨、河北康保及内蒙古赤峰等地区建有以柠条为主要燃料的生物质电厂。柠条平茬后最理想的切割断面是较为光滑的圆形或椭圆形，平茬断面的毛口、撕裂和灼伤对次年返青有直接影响[2-4]。

目前，柠条收获机械普遍存在机械化程度低、可靠性差、平茬效率低和平茬质量差等问题，难以满足柠条平茬复壮及循环利用的需求。中国农业机械化科学研究院生物质能中心一直致力于柠条的机械化收获研究，通过不断技术改进和升级，研制出新型4GM-200A型自走式柠条联合收获机，集平茬、输送、粉碎、抛送和储运为一体。作业时，独特的圆盘锯切割设计可以显著提高平茬效率和改善平茬质量。

1 试验方法

试验时间为2019年4月，试验地点为内蒙古四子王旗。柠条为人工双行种植，两行间距1 m，每两行与下两行之间间距6 m，植株高度0.8～2.5 m，柠条含水率约35%。

1.1主要参数

试验设备为自走式柠条联合收获机，如图1所示。其配套动力118 kW；传动方式为液压传动底盘，机械四驱；收获幅宽2 000 mm；切割直径80 mm；作业速度(无级变速)0～6 kmh。

1.2工作原理

平茬作业时，高速旋转的锯盘将柠条锯断，然后柠条被推送至拨送搅龙，搅龙将其送到中间输送装置的料口，在喂入辊的强制抓取作用下，柠条被输送至喂入装置，由喂入装置的夹持喂入辊将枝条输送到切碎装置，切碎滚筒将柠条枝条切碎，并抛送至储料箱，储料箱装满后，由液压装置将切碎的枝条侧翻卸至运输车内。

该机割台采用锯切原理，双圆锯盘向内旋转对柠条实施无支撑切割，如图2所示。圆盘直径1 000 mm，两个圆盘之间有20 mm左右的重叠量。重叠量过少，易出现“爬刀”和“咬刀”现象；重叠量过大，会使切割点前移，降低切割器夹持茎秆的能力。为了便于安装和更换，每个锯盘锯片平分为8片，通过螺栓把锯片和底座连接在一起。

1.3测试设备、指标及测试方法

卷尺：测量收获机前进距离。秒表：测量收获时间。平茬高度：测量地表面到断面茬口的距离。平口率：平口断面占整个平茬作业数量的比例，即平口数(毛口数+平口数)。平茬后，分析断面质量，记录数据，并对平茬柠条挂签标记，以便次年查看复壮情况。

2 试验结果与分析

2.1平茬断面质量对复壮的影响

平茬断面质量的好坏直接影响柠条的复壮返青率。为科学合理地评价柠条平茬断面质量的优劣，国内一些学者对柠条平茬后断面质量评价指标体系进行了详细深入的研究，如灼伤率、毛茬面积、裂痕长度和裂痕深度等参数对平茬后柠条复壮返青率的影响。在实际平茬作业过程中，通过观察平茬断面是平口还是毛口来快速便捷地判断平茬质量。从次年的复壮返青情况看，大致能判断出平口比毛口复壮返青率更高，如图3所示。

2.2平茬效果影响因素

2.2.1锯片类型

本试验锯片材质均采用高碳合金钢，选用3种不同齿型锯片，齿数分别为13、20和30齿，如图4所示。

通过田间平茬试验，考察、记录其平口率，如表1所示。试验发现，随着锯片齿数增多，齿型变密，平茬平口率升高，平茬效果越好。但是随着齿型变密变小，齿强度相应变差，抗冲击能力变差，试验中就有断齿现象，如图4d所示。

2.2.2锯片转速

通过田间平茬试验，测试锯片锯尖线速度分别为50、60和70 ms时，观察其对平茬效果的影响，平口率如表2所示。从表2中可以看出，随着线速度的提高，平茬平口率也提高，这与柠条的切割原理相关。柠条切割是无支撑切割，仅靠柠条自身的抗弯能力很难与锯片的切割力相平衡。切割速度较低时，柠条被推倒、折断。当锯片以适当的速度进入时，原来静止的柠条在瞬间获得锯片传递的速度，并立即产生较大的加速度以及与其相反方向的惯性力，速度越大惯性力就越大，因此，柠条的抗弯能力也越大，这有利于柠条的切割。

表2 不同线速度的平口率

2.2.3平茬高度

适宜的留茬高度对植物的持续生长具有重要意义[5-6]。芦娟等[7]对人工柠条林进行0、5和10 cm共3种留茬高度处理，发现离地面10 cm平茬处理的效果优于其他2种处理。王世裕等[8]对晋西北地区柠条林更新复壮技术进行研究，发现茬口高度距离地面0～3 cm为宜。王丽莉[9]在柠条平茬复壮更新技术研究中发现，柠条平茬的适宜高度为5 cm，留茬高时，平茬所留下的枝条绝大部分自上而下逐渐抽干至近地表新萌枝部位。左忠等[10]认为，对于覆沙地区可直接齐地平茬，其他地区建议采取5～10 cm的留茬高度。

本试验测试了5种平茬高度，分别为0、5、10、15和30 cm，记录测试平口率分别为59.8%、55.1%、49.5%、43.2%和35.4%。可见平茬高度越高，平口率越低，平茬效果越差。这与柠条的切割原理有关，平茬高度越低，土壤对柠条的扶持力越大，相当于有支撑切割，此时对切割越有利，平茬效果好；反之，平茬高度越高，扶持力越小，切割时柠条容易滑移，端口摩擦力加大，容易形成毛口。从自走式收获机平茬作业实际情况看，如果平茬高度太低，土壤中的砂粒、石头会对收获机刀片等部件造成磨损，如果石头、砂粒带入粉碎室，会对机器造成更大的损坏。

因此，考虑平茬高度对柠条再生性的影响，并兼顾平茬作业的实际环境，建议在平原地区的柠条种植，平茬高度以5 cm为宜；在沙化、多石不平整区域的柠条种植，平茬高度以10～15 cm为宜。

2.2.4机器行驶速度

2.2.5其他因素

试验发现，柠条特性对平茬效果也有一定影响。有些木质化程度低、茎杆较细的柠条(直径在1 cm左右)，由于扶持支撑力弱，锯切时其纤维组织大部分不是被切断，而是被拉断或被打断，平茬后的茬口是毛口。对于木质化程度较高的粗柠条(直径>5 cm)，锯切时进锯较困难，出现弹锯、跳锯现象，不是一次性切断，而是多次重复切割，造成茬口断面撕裂和毛口。

另外，锯片的锋利度对平茬效果也有一定影响。新锯片比使用10 d后的锯片平茬平口率高8%左右。锯片锋利时，能够一次性锯断枝条。当锯片变钝时，一次性切不断就会多次重复切割，造成毛口现象。

2.3其他性能试验

对该机其他性能进行了田间实地测试，结果表明，该机各项技术性能指标达到国家有关标准和设计任务书要求，如表3所示。

表3 性能试验结果

3 结论

通过田间平茬试验，重点分析平茬质量的影响因素。优化锯齿形状，采用硬质耐磨合金，可以提高锯片耐磨性、抗冲击性，延长刀片使用寿命。优化作业参数，以60 ms的锯片线速度配合3～5 kmh的机器行走速度最佳。建议在平原平整地区的柠条种植，平茬高度以5 cm为宜；在沙化多石不平整区的柠条域种植，平茬高度以10～15 cm为宜。

通过减少锯片与柠条的摩擦使切口一次成型，防止重复切割和撕裂，可以提高平茬质量和平茬效率。通过试验分析，对自走式柠条联合收获机的性能改进、规范平茬作业和市场应用推广积累可靠的数据和经验。