柠条机械化收获技术与装备研究现状及发展趋势

2022-01-06苏飞保王振华翟改霞

农业工程 2021年10期

苏飞保，王振华，翟改霞，张宁

(1.中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司，内蒙古呼和浩特010010；2.中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

0 引言

第5次全国荒漠化和沙化监测报告显示，截止到2014年，全国土地荒漠化和沙化面积分别占国土面积的1/4和1/6，是目前我国最为严重的生态问题之一[1]。种植适应性和抗逆性强的沙生灌木是防风固沙的重要措施，而柠条是其中最为重要的灌木之一。柠条作为豆科锦鸡儿属植物，广泛分布于内蒙古、陕西北部、山西、甘肃和宁夏等地区。因其主根和侧根都很发达，柠条生苗在栽种2～4年后可从根部萌发大量的枝条，形成茂密繁稠的灌丛。柠条枝、叶和种子都有很高的饲用价值，加工后可作为牲畜的饲料。同时，柠条热值很高，是一种优质的生物质能源[2-5]。但是随着多年的生长，如果不进行平茬，会出现柠条植株衰老、生长缓慢的情况，所以平茬复壮势在必行。目前，虽然对于柠条资源的重视程度有所增加，柠条平茬收获方式由人工砍切转变为机械作业，但由于柠条种植的区域性条件、种植方法等因素，并不是所有柠条都适合机械化收获，我国柠条机械化收获水平较低，通过人力进行平茬收获的情况普遍存在。随着人工成本的上升，实现柠条机械化收获越来越重要。近年来，许多专家学者致力于柠条机械化收获方面的研究，并取得了一些研究成果，为柠条机械化收获奠定了基础。

随着柠条生长年限和新种植柠条面积的增加，稳定高效的柠条机械化收获问题亟待解决，只有加快柠条机械化收获技术的创新、推动柠条机械化收获技术研究向更高水平发展，才能更加充分发挥柠条资源优势，更好地促进柠条产业的发展和生态环境的保护。

1 收获技术研究现状

随着柠条资源新用途的开发和平坦地区新种植柠条面积的增加，对柠条的平茬复壮需求愈加迫切，柠条灌木机械化收获的关键技术研究同时也有了新的需求。根据柠条的收获工艺，可以把柠条联合收获工序分为切割、输送喂入、粉碎、抛送和收集。柠条灌木机械化收获的关键技术装置包括切割装置、输送装置、仿形装置、粉碎装置和收集装置等。

1.1 切割装置

柠条收获机械的切割装置多采用圆盘式结构。圆盘切割装置的类型按配置方式分为单圆盘式和双圆盘式；按圆盘割刀形式分为刀盘式和锯齿式。柠条灌木的切割装置是整个灌木收获的关键部件，切割质量的好坏由切割装置性能的好坏决定。要保证柠条的切割质量，柠条应被一次切断，漏切或重切都会使柠条切割断面质量较差，影响第2年的返青率。一般柠条机械化收获机具都采用双圆盘刀式切割装置。圆盘切割装置在工作时是无支撑切割，当切割速度较低时，依靠柠条自身的抗弯能力与锯片的切割力相平衡较难，柠条会被推倒，导致切断质量较差。提高切割速度，可以获得较大的加速度和相反的惯性力，提高柠条的抗弯能力，使得切割断面平整，避免拉断和撕裂情况的发生[6]。

为了避免因漏割引起堵塞，柠条联合收获机一般设计成大直径双圆锯盘交错排列。由中国农业机械化科学研究院研制的4GM-200A型自走式柠条联合收获机的切割装置如图1所示，为了便于锯盘安装和更换，创造性地将每个锯盘锯片平分为4片，锯片和底座通过螺栓连接在一起[6]。意大利Biopoplar收割装置、加拿大SAVIOE P设计的收割装置、德国克拉斯的收割装置HS1和HS2都是采用双圆盘式切割装置，不同的是圆盘直径和重叠量，以适应不同环境灌木的收割[7]。

图1 4GM-200A型自走式柠条联合收获机切割装置

1.2 输送喂入装置

输送喂入装置是将切割后的柠条输送到粉碎装置，作为柠条灌木收获机中间作业的关键部件，是整机设计的关键部件之一。随着收获装备技术的不断成熟，对输送机构的研究有了很大进展。青饲作物收储机械的输送喂入装置常采用横向螺旋输送器和喂入叉式输送喂入相结合的方式。在全喂入联合收割机中常见的有带耙式、刮板式和轮转式中间输送装置。带耙式适合粒、块装的散物输送；刮板式适合谷粒、谷穗等输送；轮转式适合大多数作物物料，输送能力强，效率高。

柠条收获机械中一般采用横向螺旋输送器+齿辊式相结合的输送喂入装置，也有收获机械采用轮转式喂入装置。中国农业机械化科学研究院生物质能工程技术研究中心研制的4GM-200型自走式灌木联合收获机采用螺旋输送器+浮动齿辊式输送喂入装置，灌木被切割后前倾倒下，柠条根部被强制送入输送装置，之后输送到粉碎装置进行粉碎。

由于柠条枝条较长，韧性较强，输送装置不能一次将长柠条枝全部输送完，山西农业大学的段震华[8]设计出一种轮转拨齿式输送机构，如图2所示，由输送壳体、拨齿辊组、齿板、拨齿和浮动弹簧等组成，采用3级拨齿辊输送，前一级拨齿辊转速略小于后一级，使柠条被拉薄，可以均匀输送，然后进入后面的切碎装置切段并收集，完成柠条的收获。

1.输送壳体 2.第1级拨齿辊 3.轴承座 4.浮动弹黃 5.弹簧座 6.转轴 7.浮动板 8.第2级拨齿辊 9.端盖 10.第3级拨齿辊

1.3 仿形装置

柠条作为一种防风固沙的灌木植物，20世纪90年代以后，常在平坦地区种植，地面较为平整。但在20世纪80年代以前，常种植在沙地等地区，长时间的沙尘汇聚在柠条灌木丛的根部会形成沙丘，灌木收获机进行人工收获时，主要依靠操作人员的经验。

割台仿形结构包括机械式和传感电控液压驱动式等类型，机械式包括滑板式和轮式。中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司在研制的9GZ-1.0型自走式灌木平茬机中提出了人工操作控制机械结构的仿形和机具自适应仿形两者相结合实现仿形。该机具自适应仿形由纵向仿形、横向仿形和万向滑掌3个部分构成，3者相结合实现空间浮动仿形，加以人工控制举升臂和转臂油缸的机械结构仿形，实现柠条的收获[9]。

山西省农业机械化科学研究院根据割台及仿形动作要求，考虑到割台质量较大和机械仿形机构的空间布置困难、手动控制反应速度受限，以及很难保证紧贴地表和割茬高度的一致性等问题，设计了一种机、电、液一体化仿形装置，使割台仿形部件能随地表的起伏变化做上下仿形运动，保证割台高度在5～15 mm，满足柠条平茬收割的农艺要求[10]。

1.4 切碎装置

为了推进柠条的综合利用，通常要将收获后的柠条切碎。常见的切碎机构主要有滚筒式、甩刀式和盘刀式[11]。柠条切碎通常采用滚筒式切碎装置。滚筒式切碎器主要由动刀、定刀和切碎滚筒体等组成，对于滚筒式切碎器切碎柠条，影响其切碎能力的主要因素是动刀片与定刀片的配置关系、动刀片结构参数、滚筒转速及柠条生物力学特性。段震华[8]和田增强[12]选择传统的滚筒式切碎装置来实现柠条切段作业。

1.5 收集装置

柠条收获后，通常采用料箱收集或者配备同步行走的收集车收集，或者采取打捆的方式，然后进行运输贮存。现有的柠条灌木收获设备大部分采用前一种方式收集，对于打捆操作只有很少的设备可以做到，大多数设备还处于研发阶段。打捆收集不仅需要收获性能稳定的灌木收获装备，同时也需要成熟的打捆技术和设备的支持。

2 收获装备研究现状

2.1 国外研究现状

从1960年开始，国外发达国家已经开始对灌木收获机械进行研究开发，现在生产的灌木收获机械技术成熟，有主流的灌木联合收割粉碎机械，也有具有打捆功能的灌木收获打捆机械。国外的灌木收获作业对象主要是种植于平整土地的人工培植的能源林，品种经过多代的选育，灌木一般主干竖直，粗细较为均匀，长势平均且少侧枝，收获条件好，适宜机械作业[13-14]。

国外短轮伐期作物和国内的柠条相似，同样需要2～4年平茬1次，主要用作工业原料或能源原料。相比需要10～30年才能有收益的传统木材，农民更加愿意种植短轮伐期作物。瑞典是欧洲最先启动大规模种植的国家，试验证明，种植短轮伐期作物具有显著的经济和环境效益。随着短轮伐期作物的种植，机械化收获问题随之显现[15-16]。

国外对灌木收获装备的研发起步较早。为了满足不同的农艺要求，实现机械化收获，灌木种植模式有所不同。加拿大的Labrecque和Teodorescu于1995年在加拿大东部建立了柳树种植园。这种种植模式不同于欧洲国家通常使用的模式，欧洲国家选择成排种植，间隔0.75 m，成排间隔1.5 m。加拿大东部的幼苗被种植成每组6排，组间距3.0 m，排间距1.5 m，株间距0.3 m，如图3所示。加拿大选择的间距是为了促进机械除草，而欧洲国家选择的间距原因是便于化学除草作业。

图3 加拿大柳树种植园种植模式

收获最好在生长的第3年或第4年结束时进行。超过这个时期，茎和叶的密度变得太大，生长潜力大幅降低。收获也必须在植物休眠时进行，最好是在晚秋霜冻后。

国外灌木收获方式主要分为4种形式，如图4所示。

图4 短轮伐期作物收获方式

(1)整枝收获。灌木收获机将灌木切倒后，整枝运输。欧洲Segerslätt Empire 2000型灌木收获机如图5所示，该机具被设计用来收集全长茎，切割头装有2个700 mm的圆锯，液压泵为头部提供动力，使用液压传动是因为它通常比机械传动受到的冲击更小。砍下的树枝堆放在一个V形的箱子里。但因该种收获方式后续还需要人工操作，成本较高，已被其他收获方式取代[10]。

图5 欧洲Segerslätt Empire 2000型灌木收获机

(2)分段收获。采用先收割再粉碎方式，即使用灌木割晒机将灌木切割铺放，在田间晾晒，使灌木的含水量从60%下降到35%～40%时，再使用粉碎机械对灌木捡拾粉碎。2年生的短轮伐期杨树先由割晒机切割，然后由配备有捡拾头的机器进行粉碎，拖拉机拖车跟随收集，如图6～7所示。该方式的主要优点是可以减少土壤压实的负面影响，节约有限的工作时间；缺点是收获工序多，收获成本变高。5年生杨树人工林设计了相同的收获方案，采用割晒机与装有捡拾头的自走式捡拾粉碎机，如图8～9所示[17]。

图6 2年生SRC杨树割晒机

图7 旋切机和圆盘削片机

图8 杨树割晒机

图9 粉碎收集车

(3)切割+粉碎联合收获。这是目前国外对于灌木收获最为主流的一种方式。有众多机型都采用该种收获方式收获灌木。由德国克拉斯配备意大利GBE公司生产的HS2型和GB-1型收割装置如图10～11所示。

图10 HS2型收割装置

德国克拉斯的第1代收割装置是HS1，由2个水平辊组成的进料系统，有时会堵塞，机械传动非常复

图11 GBE-1型收割装置

杂和脆弱。克拉斯第2代收割装置HS2在HS1的基础上进行了改进，使用2个700 mm的60齿圆锯进行切割，之后茎杆被输送到粉碎装置，粉碎装置由标准的饲料收割机改装而成，删除一半的切刀，以产生比饲料颗粒更长的碎片。

美国约翰迪尔7400装备意大利Biopoplar收割装置的大型灌木收获机械如图12所示，这是一种用于收割长周期灌木的专用收割台[18]。

图12 美国约翰迪尔7400装备意大利Biopoplar收割装置

New Holland130 FB进行树木的切割和粉碎并由拖拉机挂车跟随收集如图13所示。

图13 New Holland 130FB

SAVIOE P设计的收获装置如图14所示，该款装置配备224 kW的Fendt 936拖拉机。为了满足不同的切碎长度，切刀数量可调，最多可装12把切刀，切割采用圆盘锯的形式，2个圆盘中心距500 mm，重叠量100 mm，每个锯盘72齿，厚4.8 mm，转速3 000 r/min[19]。

图14 SAVOIE P设计的收获装置

(4)打捆收获。灌木收获打捆机是改良的自走式饲料收割机的替代产品，如图15～16所示，用于切割和收集短周期木本作物。它的用途更广，能够在种植园、废弃农田、灌木林地或森林下层收获木本作物。

图15 灌木收获打捆机作业现场

图16 固定式刀片

这款灌木收获打捆机的工作流程：位于机器前方的固定式刀片切割直立茎秆，通过进料辊强制将压扁的茎秆喂入压缩室，茎秆在压缩室被卷成螺旋形，形成1个直径1.22 m、高度1.22 m的圆形捆包，捆包达到预设密度后，打捆机停机开始捆扎，捆扎完成后，后舱门打开，捆包被弹出并掉落到地面上[20]。

2.2 国内研究现状

柠条在防风固沙、改良土壤和环境保护等方面起着重要作用，同时还可用作饲料、生物质能源和化工原料，其经济、生态和社会效益明显。随着柠条种植面积迅速增加，柠条的机械化收获成为了整个柠条产业链的重要环节而逐步受到重视。几年来，国内的科研院所、高校专家设计出一些灌木收获机械。

2.2.1以切割为主的灌木切割机

以切割为主的灌木切割机是灌木单工序收获的主要机型，切割后将灌木留在地里，后续再收集。北京林业大学设计了5GZ-800型自行手扶式灌木平茬机，可在15 cm范围内手动调节，以适应灌木生长复杂地形，控制平茬高度。该机具在奈曼旗兴隆昭林场完成田间试验。经过观察，连续作业后，不会对表层沙地造成破坏[21]。中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院研制了自走式多功能灌木平茬收割机，基于轮式挖掘机自走式底盘，经过结构改进，在驾驶室前方安装圆盘式切割台，通过铰接式车体结构，实现割台扇面扭腰式摆动切割[9]。

2.2.2多功能自走式灌木联合收获机

4MG-200型灌木联合收获机是中国农业机械化科学研究院生物质能研究所在棉秆收获机的基础上设计制造的，在山西进行了柠条联合收获试验，如图17所示。切割装置是双锯齿形圆盘，螺旋滚筒和浮动齿辊组成喂入机构，粉碎机构采用锤片式结构。该机配套动力64 kW，切割圆盘线速度42 m/s，行走速度3～6 km/h。试验表明，该机对于生物量较小的柠条有良好的收获效果。该机也可由轮胎改变为履带式，并且可根据客户要求加装打捆装置[6]。

图17 4MG-200型灌木联合收获机

蒙翔4G-2型灌木收获机是多功能的自走式灌木收获机，可一次性完成切割、输送、粉碎、抛送、收集和自动卸料作业。该机切割器由上下2个圆盘夹持固定4个锤片式甩刀组成，圆盘直径860 mm，锤片宽度70 mm，厚度10 mm，线速度可达65 m/s，发动机功率55 kW。经生产试验，对于直径较细的柠条收割，该机基本能满足作业要求[22]。

中机美诺科技股份有限公司生产的大功率青贮饲料收获机，同时对于柠条灌木也有较好的收获效果。该联合收获机配套动力190 kW，切割器采用4个直径400 mm的小锯齿圆盘组成，可实现0～18 km/h无级变速。2013年12月，在山西省进行了柠条收获作业试验，试验表明该机能一次性完成柠条的收获、粉碎和抛送等工序，满足柠条的收获作业要求[23]。

河北宗申戈梅利4GM-260型灌木收获机如图18所示。该机效率高、平茬效果好、切碎均匀、漏收率低，可实现柠条等多种类型灌木收割，可一次性完成灌木的平茬、喂入输送、切碎和抛送。采用双转盘灌木专用刀片，柠条收割适应性强，可实现灌木无损收割，切割质量较好。浮动式搅龙设计可以满足较大喂入量，不易发生堵塞。2019年在山西进行收割试验，基本能满足柠条的收获作业，平茬效果良好，且效率较高。

图18 4GM-260型灌木收获机

3 机械化收获装备发展趋势

目前，我国柠条灌木机械化收获发展正处于高速、关键时期，对柠条资源越来越重视。随着收获机械装备和技术的发展，柠条灌木收获机械迎来了新的发展机遇，从机械化收获的源头，根据农艺要求平整种植地，规范行距和间距。柠条灌木机械化收获发展趋势将向切割装置专业化、速度匹配智能化、收获技术集成化和高新技术融合化等方面发展。

3.1 切割装置专业化

现有柠条联合收获机切割装置多数采用圆盘式，堵塞是柠条收获急需解决的问题。研制高性能专用柠条收获装备，切割装置是关键部件，现有柠条收割装置是在参考圆盘式收割装置基础上制造。柠条物理特性和生物学特性不同于其他作物，其收割高度和切割断面要求特殊，因此研究柠条高效专用收割装置十分必要。切割刀具是切割装置的重要部件，刀具的刃口曲线是影响专用切割装置性能的关键因素。

3.2 速度匹配智能化

切割断面直接影响柠条切割后的返青率，影响断面质量的重要因素包括机具行走速度和割刀运转速度，以及两者之间的匹配关系。中国农业机械化科学研究院研发的4GM-200A型自走式柠条联合收获机在试验优化作业参数的过程中发现，以60 m/s的锯片线速度配合3～5 km/h的机器行走速度最佳。山西省农业机械发展中心和中国农业机械化科学研究院生物质能研究所共同研制的4LN-2000型自走式柠条联合收获机，采用了基于DSP的满负荷喂入与行走速度匹配的智能化控制技术，大幅提升作业效率和质量，速度的智能化匹配将成为柠条联合收获技术的发展趋势[24-25]。

3.3 收获技术集成化

柠条灌木单工序机械化收获已趋于成熟，进行技术整合，形成成熟、可靠的柠条联合收获装备，已经成为柠条灌木收获发展的主流趋势。在整机方面，应吸收国内外现有及最新机型技术特点，从底盘、切割装置、输送喂入装置、粉碎装置、抛送收集装置及压缩成型装置等方面综合考虑，研发功能完善、操作方便的柠条联合收获装备成为目前的迫切需求。