中国棉杆压捆收获技术与装备现状

廖培旺，王仁兵，宫建勋，刘凯凯，张爱民

（滨州市农业科学院，山东 滨州 256600）

据统计，2017 年中国棉花产量约占世界棉花总产量的1/4［1］，而棉杆作为棉花种植的主要副产物，产量可达 2 750 万 t［2］。近年来，随着科技的不断发展，棉杆逐渐实现了“五化”（燃料化、饲料化、能源化、基料化、肥料化）利用［3，4］，如果年产棉杆能够充分实现“五化”循环利用，将带来巨大的经济、社会和生态效益［5，6］。

目前，棉杆综合利用率仅为10%，主要由于缺乏高效的棉杆收获机械和棉杆储存、运输困难。为提高棉杆的综合利用率，国内相关科研院所研制了不同工作方式的棉杆收获机械，按棉杆的最终处理方式可分为集箱收获和压缩打捆收获［7，8］。集箱收获主要通过粉碎装置将棉杆粉碎，经过风机将粉碎的棉杆吹入箱体，该方式的缺点在于收获后的棉杆占据空间大，不便于后期的运输与储存，同时耗能较高。例如中国农业机械化科学研究院研发的4MG-240 型自走式棉杆捡拾收获机，农业农村部南京农机化所研发的4MGB-237 型棉杆拔杆切碎联合收获机［9］，Zhi［10］研发的双滚筒式棉杆收获机。相对而言，压缩打捆收获则克服了这些缺点，深受广大棉农的欢迎。

因此，本文旨在通过对中国现有棉杆压捆收获技术与装备进行分析探讨，总结出目前该领域的研究特点和发展趋势，并提出适合中国国情的棉杆压捆收获技术方案，为推动中国棉杆压捆收获提供技术支持。

1 发展棉杆压捆收获技术与装备的意义

1.1 提高棉杆综合利用率

棉杆不仅可以作为生物质燃料，还可以用来发电、造纸、作为菌类的培养基，经加工处理后还可以作为饲料。棉杆能够实现综合利用的前提条件是实现高效收获，并便于储存和运输。因此，为促进棉杆的综合利用率，不仅要解决棉杆的机械化收获问题，还必须使棉杆收获后有利于储存和运输。

棉杆压捆收获作为一种棉杆收获方式，不仅可以高效地收获棉杆，还可以使收获后的棉杆成为形状规则的方捆，可以在很大程度上节省储存空间、提高单次运输量。因此，发展棉杆压捆技术与装备可有效提高棉杆综合利用率。

1.2 增加经济效益、社会效益和生态效益

棉杆被大量浪费主要原因在于棉杆收、储、运困难且成本过高。因此，发展棉杆压捆收获技术与装备可以使棉杆以远低于人工成本从地里收获，并能够将松散的棉杆打成高密度捆，大大降低了棉杆的收、储、运成本。将棉杆回收不仅能够改善土壤结构、提高棉花产量，还能避免棉杆焚烧而造成的环境污染［11］。因此，发展棉杆压捆收获技术与装备对农民节本增收以及棉杆综合利用的持续发展都具有极其重要的作用，经济效益、生态效益显著。

发展棉杆压捆收获技术与装备可以提升棉杆收获机械化水平，加快农村劳动力转移，促进二、三产业发展；加速推进传统农业向现代农业转变，缩小与发达植棉国家的技术差距；有利于农业整体生产结构的调整，加快棉区经济繁荣和城镇化建设的步伐。因此，发展棉杆压捆收获技术与装备社会效益显著。

1.3 促进棉花产业可持续发展

随着社会的不断发展，农民进城务工的收入远大于植棉收入，越来越多的农村青壮年进城务工，导致从事植棉的人员老龄化日渐严重；由于生活成本的不断增加，导致植棉用工成本逐年增加。在植棉方面，用工难、用工贵的问题日渐凸显，直接导致植棉利益的不断下降，间接导致农民的植棉意愿降低。据统计，自2008 年以来，中国棉花产量逐年下滑，从2008 年 的 749.19 万 t 下 降 到 534.00 万 t［12］。 发 展 棉杆压捆收获技术与装备能够有效降低棉花种植成本和劳动力投入，有利于棉花的大面积种植，加快农村土地流转，从而提升植棉在市场的竞争力，稳定中国棉花种植面积，促进棉花产业可持续发展。

2 棉杆压捆收获技术与装备发展现状与特点

2.1 发展现状与特点

相对于国外，中国研究棉杆压捆收获技术与装备起步较晚，2000 年左右中国才开始对棉杆压捆收获技术与装备开展研究［13］。研究初期，中国主要是引进国外的机型进行改进，机型主要是小型牵引式棉杆打捆机；随着研究的不断深入，中国逐渐探索出理论与实践相结合的方法，用理论数据指导棉杆压捆设备的研发，用研发的设备验证理论数据的合理性，使研发的棉杆压捆收获装备更加适合国情、可靠性更高，使棉杆压捆收获技术更加完善。

目前，中国研究出多种类型的棉杆压捆收获装备，根据功能不同可分为分段式压捆收获和联合压捆收获；根据压缩方式不同可分为机械压缩和液压压缩；根据动力来源不同可分为牵引式和自走式；根据成捆方式不同可分为方捆和圆捆。

2.2 棉杆收获切碎压捆联合作业机

棉杆收获切碎压捆联合作业机是由农业农村部南京农业机械化研究所研发，见图1。该机属于自走式分段液压压缩方捆打捆机，作业对象主要是比较粗壮、高大的棉杆，主要包括4MGB-237 型自走式棉杆拔杆切碎联合收获机和9YL-40 型直立式棉杆液压打包机，可一次性完成拔杆、输送、切碎、集料，大大提高了棉杆收获效率，降低了收获成本；棉杆液压打包机可以将切碎后的棉杆压缩打包，在方便储藏和运输的同时，也显著降低了棉杆的运输成本，有利于提高棉杆资源化利用程度［14］。

图1 棉杆收获切碎压捆联合作业机

2.3 小型履带自走式拔棉杆机

小型履带自走式拔棉杆机是由湖南农业大学研发，见图2。该机属于自走式联合机械压缩方捆打捆机，适合南方小面积棉田作业，主要包括棉杆打捆装置、棉杆输送通道、压缩滚筒装置、输送滚筒装置、钉齿输送装置、起拔机构、履带自走式底盘等，可一次性完成拔杆、输送、清土、预压、压缩打捆等作业。

图2 小型履带自走式拔棉杆机

小型履带自走式拔棉杆机的工作原理：机具在行进的同时，起拔机构逆时针旋转将棉杆从地里拔除后抛到钉齿输送装置上，随着钉齿输送装置的运动，棉杆被喂入输送滚筒装置和压缩滚筒装置之间进行棉杆的输送和预压缩，防止棉杆在输送时发生堵塞，最后棉杆经棉杆输送通道喂入棉杆打捆装置，完成棉杆的压缩打捆［15，16］。

其中，小型履带自走式拔棉杆机的打捆装置（图3）安装在机具的后端，主要包括料斗、钉齿滚筒、牵引滚筒、切割机构、压缩机构、打捆机构等。

图3 小型履带自走式拔棉杆机的打捆装置

打捆装置的工作原理：拔取后的棉杆经钉齿输送装置、输送滚筒装置、压缩滚筒装置和棉杆输送通道后由料斗喂入，由钉齿滚筒将喂入的棉杆送入牵引滚筒进行初步压缩后，继续输送至切割机构进行切割，切断的棉杆落入压缩室且在压缩机构的作用下形成棉杆捆，棉杆捆达到一定长度时由打结器进行打捆，完成棉杆压缩打捆作业［17］。

湖南农业大学对该机具采用响应曲面法进行了试验，试验结果表明，当钉齿滚筒转速为112.77 r/min、牵引滚筒转速138.39 r/min、锯片转速1 050.04 r/min、压缩频率66.79 次/min 时，成捆率达98.25%，捆包密度为107.58 kg/m3。

2.4 棉杆收获打捆机

棉杆收获打捆机是由河北科技大学研发，见图4。该机属于牵引式联合液压压缩方捆打捆机，主要包括牵引装置、错位式清拔滚刀、粉碎机构、输送风机、压缩打捆机构等，可一次性完成拔杆、输送、压缩打捆等作业。

图4 棉杆收获打捆机

其中，棉杆收获打捆机的压缩打捆机构（图5）通过液压方式将棉杆压缩，主要包括推送液压缸、料仓、压缩仓、压缩液压缸、打结器等。

图5 棉杆收获打捆机的压缩打捆机构

棉杆收获打捆机的工作原理：机具在前进的同时，错位式清拔滚刀顺时针旋转将棉杆从地里拔除，拔除后的棉杆经导向叉进入粉碎机构，粉碎后的棉杆由风机抛送到料仓内，料仓内的棉杆积累到一定量后，由推送液压缸将料仓内的棉杆推入压缩仓，此时压缩液压缸动作压缩棉杆，当压缩仓内的棉杆被压缩到一定长度时，打结器动作进行打结，完成棉杆的压缩打捆作业［18，19］。

2.5 自走式不对行棉杆联合收获打捆机

自走式不对行棉杆联合收获打捆机是由滨州市农业机械化科学研究所研发，见图6。该机属于自走式联合机械压缩方捆打捆机，主要包括自走底盘、不对行拔杆台、输送链板、压缩打捆装置等，可一次性完成棉杆拔除、输送、切断、压缩和打捆等作业。

其中，自走式不对行棉杆联合收获打捆机的压缩打捆装置（图7）通过曲柄滑块压缩机构对棉杆进行压缩，主要包括滚筒式铡切装置、曲柄滑块压缩机构、压缩室、打结器等；不对行拔杆台主要包括不对行拔杆辊、拨禾轮、输送搅龙等。

图7 自走式不对行棉杆联合收获打捆机的压缩打捆装置

自走式不对行棉杆联合收获打捆机的工作原理：机具在前进的同时，在不对行拔杆辊逆时针旋转与拨禾轮顺时针旋转的共同作用下将棉杆从地里整株拔除，拔除后的棉杆通过输送搅龙输送至输送链板的入口处，然后在输送链板的作用下，棉杆向后输送至滚筒式铡切装置进行切断，切断后的棉杆到达压缩室，曲柄滑块压缩机构对棉杆进行压缩，当被压缩的棉杆达到一定长度时，打结器动作进行打结，完成棉杆压缩打捆作业。

滨州市农业机械化科学研究所对该机具采用单因素和多因素正交试验法进行了田间试验，试验结果表明，当不对行拔杆辊旋转速度为390 r/min，不对行拔杆辊入土深度3 cm，机具行进速度1.2 m/s，曲柄滑块压缩机构压缩频率为90 次/min 时，压捆密度为 159.3 kg/m3，棉杆拔净率为 97.83%［20-22］。

2.6 牵引式棉杆拔除揉搓收获打捆机

牵引式棉杆揉搓收获打捆机是由山东滨州无棣景国农机专业服务合作社研发，见图8。该机属于正牵引式联合机械压缩方捆打捆机，压缩机构为曲柄滑块压缩机构，主要包括牵引架、齿盘式拔棉杆装置、粉碎揉搓机构、压缩打捆装置等，可一次性完成棉杆拔除、揉搓、输送、压缩和打捆等作业。

图8 牵引式棉杆拔除揉搓收获打捆机

牵引式棉杆揉搓收获打捆机的工作原理：机具在行进的同时，拔杆齿盘水平向后旋转将棉杆拔除平铺到地面，粉碎揉搓机构将平铺到地面的棉杆粉碎揉搓后抛送到压缩打捆装置内，完成棉杆的压缩打捆作业。

山东滨州无棣景国农机专业服务合作社采用该机进行了大田作业，作业效果显示，当机具行进速度为1 m/s，拔杆齿盘转速为25 r/min，曲柄滑块压缩机构压缩频率为95 次/min 时，压捆密度为163.2 kg/m3，棉杆拔净率为96.54%。

2.7 齿盘式棉杆收获打捆机

齿盘式棉杆打捆机由滨州市农业机械化科学研究所设计，见图9。该机属于侧牵引式联合机械压缩方捆打捆机，压缩机构为曲柄滑块压缩机构，主要包括齿盘式拔杆装置、牵引架、拨禾轮、棉杆输送装置、压缩打捆装置等，可一次性完成棉杆拔除、输送、压缩和打捆等作业。其中，压缩打捆装置主要包括曲柄滑块压缩机构、横向输送搅龙、压缩室等。

图9 齿盘式棉杆收获打捆机

齿盘式棉杆收获打捆机的工作原理：机具在行进的同时，在齿盘式拔杆装置水平向后旋转和拨禾轮顺时针旋转的共同作用下将棉杆从地里拔除，并向后倒在棉杆输送装置上，棉杆输送装置将拔除后的棉杆输送到横向输送搅龙处，在横向输送搅龙的作用下，棉杆被送入压缩室，最后曲柄滑块压缩机构将棉杆进行压缩，完成棉杆压缩打捆作业［23］。

2.8 侧牵引式棉杆拔杆压捆机

侧牵引式棉杆拔杆压捆机是由农业农村部南京农业机械化研究所设计，见图10。该机属于侧牵引式联合机械压缩方捆打捆机，主要包括V 型齿盘式拔杆装置、牵引底盘、拨禾轮、弧形溜板、振动底板、输送装置、压缩打捆装置等，可一次性完成棉杆拔除、输送、漏土、压缩和打捆等作业。

图10 侧牵引式棉杆拔杆压捆机

侧牵引式棉杆拔杆压捆机的工作原理：机具在前进的同时，在V 型齿盘式拔杆装置逆时针旋转和拨禾轮顺时针旋转的配合下，将棉杆从地里拔除后向后倾倒在弧形溜板上；在输送装置的作用下，拔除后的棉杆横向输送到压缩打捆装置中，完成棉杆的压缩打捆作业，同时在振动底板的作用下，完成漏土作业［24］。

2.9 自走式棉杆拔杆粉碎打捆残膜回收收获机

自走式棉杆拔杆粉碎打捆残膜回收收获机是由新疆中收农牧机械有限公司设计，见图11。该机属于自走式联合机械压缩圆捆打捆机，主要包括拔杆收获台、拨禾轮、揉搓输送槽、粉碎室、物料输送装置、指盘式搂膜装置、打捆装置等，可一次性完成棉杆拔除、揉搓输送、粉碎、打捆等作业，对残膜可完成集条、集堆作业。

图11 自走式棉杆拔杆粉碎打捆残膜回收收获机

自走式棉杆拔杆粉碎打捆残膜回收收获机的工作原理是机具行进的同时，在拔杆收获台和拨禾轮配合下将棉杆从地里拔除，拔除后的棉杆喂入揉搓输送槽并进行揉搓，揉搓后的棉杆被送进粉碎室进行粉碎，粉碎后的棉杆经物料输送装置进入打捆装置，完成棉杆打捆作业；同时指盘式搂膜装置将棉杆拔除后残留在地里的残膜进行集条和集堆［25］。

2.10 棉杆压捆试验平台

棉杆压捆试验平台是由滨州市农业机械化科学研究所和农业农村部南京农业机械化研究所共同研发，见图12。该平台主要用来进行棉杆压捆试验，获取棉杆压捆理论数据，为棉杆压捆装备的设计和研发提供理论支撑，主要包括动力台架、物料输送装置、压缩打捆装置、测试系统等；该平台集成了棉杆输送、填料、铡切、压缩、扎捆等功能，一次性实时采集棉杆压捆过程中的主轴扭矩和转速、曲柄滑块压缩机构的拉压力和压缩室三维应力，并将试验数据保存下来。

图12 棉杆压捆试验平台

棉杆压捆试验平台的工作原理是将预处理的棉杆平铺到物料输送装置上；启动电动液压站，将动力台架和压缩打捆装置升到距离地面12 cm 处；根据试验需要设定曲柄滑块压缩机构的压缩频率和棉杆喂入量；启动测试系统，根据采集需要设定参数；启动主电机和输送电机，达到规定压缩频率和喂入量后，开始采集数据；按数据采集要求采集完数据，先关闭输送电机，再关闭主电机；最后将采集的数据进行保存，并统计棉杆压捆密度。

滨州市农业机械化科学研究所利用该平台进行了棉杆压捆单因素和多因素正交试验，并采用MAT-LAB、1stOpt 分析方法和求解含有约束的非线性多元函数最小值方法分析了试验数据，得出压缩打捆装置工艺参数、棉杆物理特性与棉杆压捆质量等的函数关系以及棉杆压捆最优参数组合。为棉杆的压缩打捆收获提供理论指导，提高了压缩打捆机构的工作效率和可靠性，降低了棉杆的收获成本，从而提高了棉杆的综合利用率［26-28］。

3 棉杆压捆收获技术与装备发展对策

3.1 开展棉杆联合压捆收获技术与装备研究

棉杆分段式压捆收获机将棉杆在田间收获后，再使用配套的压缩打包机械对其进行压缩打捆。这种棉杆压捆收获方式缺点明显，一方面由于棉杆在田间收获时未进行压缩打捆，导致其占据空间大，为使收获机械能有足够的空间储存未进行压缩打捆的棉杆，就必须频繁地将收获的棉杆运出田间，影响机具的工作效率；另一方面使用配套的压缩打包机械进行棉杆压缩打捆，增加劳动力的同时，也增加了棉杆压捆收获的成本。而棉杆联合压捆收获则克服了这些缺点，在田间可以一次性完成棉杆收获和压缩打捆作业，因此，研究棉杆联合压捆收获技术和装备对减轻劳动强度、降低棉杆收获成本和促进棉杆综合利用具有现实意义。

3.2 开展棉杆压捆收获预处理部件研究

棉杆不同于稻麦等软质秸秆，其木质素含量高，直接进行压缩不仅消耗动力大，而且压捆密度低，不利于压缩打捆作业。因此，在进行压缩时必须对其进行预处理。

目前棉杆的预处理方式主要有铡切和揉搓2 种方式，这2 种方式都存在消耗动力大的缺点，因此研发动力消耗低、棉杆预处理效率高的部件对提高其压捆收获效率、降低动力消耗和提高压捆密度尤为重要。

3.3 开展棉杆捆储存装备研究

目前棉杆联合压捆收获装备将压缩打捆的棉杆直接放置田间，还需要使用相配套的装备进入田间进行捡拾，这在一定程度上影响了机具的工作效率。棉杆压捆收获储存装备可实现棉杆捆不落地、集中装卸，能够在很大程度上提高收获效率。因此，研发棉杆压捆收获储存装备对提高棉杆收获效率、促进棉杆综合利用具有现实意义。

3.4 棉杆压捆收获理论研究

目前棉杆联合压捆收获机的研制大多是根据经验对现有的稻麦压捆机械进行改造而成，导致棉杆压捆收获机械性能可靠性低、故障率高。因此，研究适用于棉杆的压缩打捆机械对提高棉杆收获效率、延长机具使用寿命等具有实际意义。

目前，一些学者研制了压捆试验平台及其测试系统，并对稻麦、牧草等作物秸秆进行了压捆试验研究，得出了相应结论［29-32］。棉杆压捆理论可在此基础上进行研究，得出相关结论，根据结论进行棉杆压捆收获机具的研究。

4 小结与展望

棉杆作为一种可再生资源，其利用价值越来越受到人们的关注，棉杆收、储、运困难是制约其综合利用的瓶颈问题。因此，解决棉杆回收的机械化问题对提高其综合利用率、改善生态环境和提高经济效益具有现实意义。

由于棉杆不同于其他农作物秸秆，其木质素含量较高，常态下松散，不易储存和运输，因此棉杆压捆机械化收获是解决机械化收获的最优方式。但是，由于缺乏相应的理论指导，棉杆压捆收获机械研发周期长、成本高，所研发的机具可靠性低。因此，棉杆压捆收获机械的研究应在理论研究的基础上开展试验验证研究，力争研发出可靠性高、适用于棉杆的联合压捆收获机械。