粗莖稈作物切割裝置研究現狀、存在問題及發展建議

王 帥，張 彬，李顯旺，沈 成，田昆鵬，黃繼承

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

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粗莖稈作物切割裝置研究現狀、存在問題及發展建議

王 帥，張 彬，李顯旺，沈 成，田昆鵬，黃繼承

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

秸稈作為一種重要的生物質能源，與傳統礦物能源相比具有諸多優勢。我國的秸稈資源相當豐富，且隨著我國農業機械化水平的提高，許多作物秸稈已經應用在飼料生產等領域中。然而，我國粗莖稈作物的機械化收獲仍存在很多問題，其中切割技術是收獲過程的關鍵環節。為此，通過查閱國內外相關文獻，簡述了國內外粗莖稈作物切割裝置的研究概況及現狀，指出了目前我國秸稈收獲時切割技術中仍存在的問題，著重對回轉式切割裝置進行了介紹，并提出了促進我國秸稈收獲機械化產業發展的相關建議。

粗莖稈作物； 回轉式切割裝置；機械化

0 引言

眾所周知，農作物秸稈是一種可再生資源，具有重要的實用價值。作物秸稈是指將成熟作物籽粒收獲后所留下的作物莖稈，其含有很高的纖維成分，包括禾谷類、油料類、麻類、甘蔗等多種作物的秸稈。作物莖稈是農作物的主要副產品，是自然界數量龐大且具有多種用途的可再生生物質資源[1-2]。

我國是一個農業大國，每年的秸稈資源相當豐富。據調查，每年世界的各類農作物所提供的秸稈資源約20億t，而我國每年農作物秸稈的產量大約為7億t，約占世界秸稈總量的30%[3]。我國農作物秸稈資源量占生物質資源量的50%左右，由此可見，對作物莖稈加以利用，可以為我國解決部分能源問題[4-5]。目前，大部分的農民不再將秸稈作為生活燃料，從而導致大量秸稈在田間直接被燒毀，既污染環境又容易引發火災，對人民的生活及生命財產安全構成了嚴重威脅[6]。作物秸稈作為一種重要的生物質資源，經過加工處理后，可以制成牲畜飼料、農田肥料及造紙原料；也可以通過榨取的方式將其有效的營養成分進行提取，為人們所用[7]。

隨著秸稈畜牧業理論及實踐的快速發展，認識到秸稈養畜對于我國畜牧業的發展具有十分重要的意義[8]。據調查，江蘇地區每公頃僅玉米秸稈的產量就在45t左右，鮮食玉米每公頃秸稈的產量可達75t以上，然而每公頃的秸稈還田量只需要4.5t左右，過多則會危害下茬小麥根系的生長，每年有1 350萬t以上的玉米秸稈成為廢棄物。秸稈問題迫在眉睫，如果不及時處理，將占用大量的空間資源，并帶來嚴的重環境污染。秸稈本身是一種多元化的能源，對其進行多用途開發與綜合利用，可從根本上解決問題。

與此同時，現代畜牧業飛速發展，導致了飼料用糧每年需消耗全國糧食總產量的1/3，人畜爭糧已經成為影響畜牧業可持續發展的重要因素之一。在土地面積占40%、人口占60%的我國南方地區，這一矛盾尤其突出。發展節糧型畜牧業是大勢所趨，而秸稈飼料化則是節糧型畜牧生產的重要環節。采用 “秸稈養畜，過腹還田”這種方式，可以更好地對農區的秸稈資源加以利用，大大減少了飼料用糧，緩解了牲畜對糧食需求的壓力；可以提高土壤中有機質的含量，改善土壤結構；可以減少對玉米秸稈的焚燒，從而達到保護環境的目的[9-10]。

粗莖稈作物主要是指莖稈直徑在15mm以上、高度在1.5m以上的作物。本文著重對麻類、玉米等兩類作物進行了介紹，并進一步研究其切割裝置，為今后的工作提供有力支持。

1)麻類。我國麻類植物多種多樣，包括大麻、亞麻、苧麻及劍麻等。麻類作物作為我國傳統的紡織原料，麻纖維是最具潛在功能的天然纖維[11]。

麻類作物渾身是寶。例如，大麻的麻稈可用來造紙，麻皮可用來作紡織品，麻花與麻葉可用來提取藥物，麻根可生產各類生物質燃料。麻類在我國具有重要的地位，對麻類的收獲也因此至關重要。

目前，我國麻類收獲的機械化程度較低，勞動強度比較大，工效也低，而且目前的收獲機械工作性能不可靠，麻類收獲并沒有得到大家的重視。通過查閱文獻了解到以下因素嚴重影響了麻類收獲機械化程度的進程[12]。

(1)國家投入低。麻類作物雖然是重要的紡織品原料，但其并不能同三大糧食作物比較，因此國家在麻類收獲機械的研制上投入很少，沒有國家項目的資助，研究團隊力量薄弱，難以對關鍵技術進行很好的研發。

(2)種植面積分散，沒有規模，收獲期較短，因此麻類機械的利用率比較低。研究大型麻類收獲機械，成本較高，經濟效益不顯著，難以讓農民接受。

(3)麻類本身莖稈粗細、長短不一，纖維和麻骨均容易折斷，因此給麻類收獲帶來很大的難度。

2)玉米。玉米為高光效C4類植物，具有植株高大、莖稈粗壯、喜暖濕氣候等特點，對土壤的適應能力較強，具有悠久的栽培歷史[13]。目前，全世界每年的玉米種植面積約1.73億hm2。在國外，玉米主要用來生產飼料及工業原料[14]。玉米主要產地為美國、巴西、俄羅斯、墨西哥、阿根廷等。隨著全球經濟的穩速發展，世界各國對能源的需求十分緊迫。據了解，近20年來，美國玉米的生產發展尤為迅速，其種植面積位居三大糧食作物之首，其產量及產值均超過其他谷物的總和，在飼用的谷物生產中比重達60.3%，出口量約占飼用谷物的75%[15]。

目前，我國玉米機械耕種收水平已經有很大提高，然而對青貯玉米的收獲仍處于起步階段。裹包青貯是指將收割好的玉米秸稈用打捆機進行高密度壓實打捆，再用專業的拉伸膜進行裹包，從而形成一個最佳的發酵環境[16]。裹包青貯是玉米秸稈青貯的發展趨勢，而切割技術、揉絲技術及打捆技術是決定裹包青貯質量的幾個關鍵環節。大力研究和發展集摘穗、切割、揉絲、打捆聯合作業的玉米秸稈青貯聯合收獲機械，既節省動力、勞力成本，提高青貯飼料的質量，形成規模化、產業化發展，又為開展以秸稈綜合利用為核心的循環型農業、生態農業打下基礎，促進農業增效和農民增收，實現環境效益、經濟效益和社會效益的多贏。

通過查閱相關文獻資料了解到玉米青貯機的研發對我國具有重要的意義。然而，目前我國玉米青貯收獲機械仍存在以下幾個問題：

(1)現有收獲機械整機的可靠性比較低。據了解，目前我國玉米青貯收獲機尚處于技術發展的初始階段，現有機械在作業時，因為受到種植制度、作業環境等因素的影響，致使整機的負荷波動比較大，收獲性能受到制約。

(2)青貯玉米種植面積少，且地塊分散，玉米青貯收獲機不能更好地進行推廣發展。

(3)國產玉米青貯收獲機關鍵零部件性能不達標。玉米青貯收獲機關鍵工作部件主要有切割刀、切碎動定刀、刃磨器及切碎轉子等，目前存在使用壽命短、磨損嚴重等問題，制約了我國玉米青貯收獲機的發展。

(4)農機與農藝不能很好地融合。種植制度不統一、玉米品種多樣等因素都制約了我國玉米青貯收獲機的發展。

(5)自動化水平低。因為我國青貯機械的研究起步比較晚，與國外先進的青貯機械相比，在割臺設計、切碎器刀片自動刃磨、電液自動控制及系統安全保護等方面仍存在巨大差距。

綜上所述，目前我國對秸稈的收獲尚處于起步研發階段，因此研究出高效的秸稈收獲機對現階段的中國來說具有重要的意義，不僅可以提高我國秸稈的利用率，減少秸稈的污染，增加畜牧業的經濟效益，又可以降低作業成本，具有顯著的經濟效益和社會效益[17]。切割技術在粗莖稈作物的收獲過程中具有舉足輕重的地位。回轉式切割器作為粗莖稈作物收獲機械中其中一個重要的組成部件，其性能對提高機械作業率、降低收獲損失都具有重要意義。在此背景下，本文著重對莖稈收獲機械的切割裝置中的回轉式切割器進行了深入的研究及介紹。

1 國內外粗莖稈作物機械化研究現狀

1.1 國內外粗莖稈收獲機的研究概述

國外對粗莖稈作物收獲的研究較早。19世紀初，國外已經對苧麻剝制技術進行研究，并先后研制出一系列的剝麻機，但其成果并不如人意。20世紀90年代，日本研制苧麻自動收割機，希望采用傳感技術，但未能成功[7]。據了解，國外的青貯飼料技術比較成熟，尤其在青貯玉米莖稈方面。目前，國外的青貯飼料收獲機有懸掛式和自走式。其中，俄羅斯及東歐國家收獲青飼玉米的割臺大多為不對行往復式全幅結構，并配有很大直徑的撥禾輪，在割臺兩側板上裝有往復式切割刀片，代表機型為原東德生產的E-281型青貯飼料收獲機等，而美國跟西歐等國家的青貯飼料全部采用機械化手段生產。除此之外，紐荷蘭公司的FR9000系列自走式青飼料收獲機及克拉斯生產的自走式JAGUAR系列青貯飼料收獲機(見圖1)也備受矚目[18]。

圖1 克拉斯JAGUAR800系列青貯飼料收獲機

自改革開放以來，美國、英國、德國等發達國家的青貯機械相繼進入我國市場，占據了比較大的份額[19]。與此同時，我國粗莖稈作物收獲機也有所發展，由最初的仿制國外引進機械到在借鑒吸收國外先進機械的基礎上，根據我國國情自行研究設計粗莖稈作物收獲機，其技術水平也隨著畜牧業的快速發展得到完善及提高。進入21世紀以后，2004年農機購置補貼政策的落實，使得農民對莖稈收獲機的購買熱情迅速提升，市場需求量逐年增加[20]。

1.2 國內外對回轉式切割器的研究概述

農作物的切割形式主要包括往復式和回轉式切割器。往復式切割器主要用于小麥，牧草等作物收獲；而回轉式切割器主要用于粗莖稈作物的切割，如青貯玉米、大豆、蘆葦、甘蔗及麻類等作物的收獲作業。回轉式切割器也稱為圓盤式切割器及盤刀式切割器等。目前，對回轉式切割器的研究大多從滑切角理論、切割機理、切割器結構和研究手段等方面展開。回轉式切割器一般速度較高，適合高速作業，其慣性力較易平衡，振動較小，但回轉半徑小，所以不適用于在寬幅的情況下切割農作物；割刀的壽命也比較短，并且損耗維修費用較高。

由于切割裝置對收獲機械來說至關重要，我國學者們對此做出了不同的研究。

鄧玲黎等研制了玉米秸稈的切割試驗臺，并且對青貯玉米秸稈的切割過程進行了模擬與分析[21]。

周勇、區穎剛等研發設計了斜置式甘蔗切割喂入裝置，并且進行了裝置性能試驗及對不同生長狀態的甘蔗的適應性試驗[22]。

陳振玉等對聯合收割機往復式切割器切割過程的一次切割區、重割區及漏割區面積在不同切割情況下變化特性進行了理論分析[23]。

羅海峰等為解決現有往復式切割器收割龍須草時的問題，對龍須草莖稈切割間隙、切割速度、切割莖稈部位、切割刀片組合形式及切割莖稈數量等因素進行了單因素試驗[24]。

解福祥、于慶霞等針對粗莖稈作物切割器的重割、漏割等問題，設計了一種螺旋輥式雙刀盤切割器，并通過虛擬樣機技術對切割器進行了運動仿真，為切割器的研制提供可靠數據[25]。

劉楓等對圓盤切割器進行了運動學分析及試驗，并結合實際的收割要求，得出了雙圓盤缺口切割器適合立輥式玉米收獲機的配套部件這一結論[26]。

高愛云等通過正交回歸設計，對動刀刀端線速度、動刀組數、拖拉機擋位3個因素及動刀刀端線速度單因素對切碎功耗的影響進行了研究，建立了切碎功耗的回歸模型，得出了當動刀刀端線速度為30m/s、動刀組數為6把、拖拉機擋位為Ⅰ擋時達到最優組合這一結論[27]。

薛忠等對回轉式莖稈切割器進行了研究，重點介紹了回轉式切割器在玉米秸稈收獲中理論與試驗等方面的進展，并且得出了切割器性能的好壞對收獲作業的順利進行及降低收獲損失都有巨大的作用這一結論[28]。

Huang YanSan , Chang SooHo及Wan F.D.等人對常用的圓盤式玉米切割器的工作原理及結構特點進行了研究[29-31]。

黃繼承等人設計出了適合我國生產現狀的苧麻收獲4LMZ-160型履帶式收割機[32]。

林茂等人模擬分析了甘蔗在不同含水率的土壤里的情況，對回轉刀甘蔗切割器切割甘蔗莖稈的影響因素在室內進行了試驗，并對影響因素進行優化，結果使甘蔗破頭率降至 8.18%以下[33]。

鄧本榮通過對刀片進刀量和滑切角的變化分析后，指出圓盤切割主要以斜切的方式為主，可省力；其進刀量呈現緩慢減小的趨勢，即切割時的阻力會呈現逐漸變小的趨勢，使得工作比較平穩，所以選擇外圓弧刃口刀片比較合理[34]。

倪長安對玉米莖稈采取幾種不同形式的回轉式切割器切割的過程進行了大量的試驗研究，討論了參數對切割裝置工作性能的影響效果，并提供了回轉式切割裝置主要參數的設計依據[35]。

1.3 回轉式切割裝置研究目標

通過設計制作一種粗莖稈作物回轉式切割試驗臺，對影響切割性能的因素(包括刀片數量、刀片形式及刀盤轉速等)進行模擬試驗分析。統計分析試驗數據，以工作性能指標為依據尋求切割器結構參數及切割運動參數最優組合，從而使切割功耗達到最低，為今后粗莖稈作物收獲機切割裝置的設計提供參考。

1.4 回轉式切割裝置的主要研究內容

1)以粗莖稈作物為研究對象，構建力學模型，對這些農作物莖稈的機械物理特性參數進行試驗測定及分析，其試驗內容主要包括對木質部、韌皮部及秸稈進行剪切、拉伸、壓縮、彎曲等力學研究，獲得其楊氏彈性模量、剪切應力、抗壓強度、拉伸強度及彎曲強度等物理力學特性參數。對采樣時間、含水率、取樣部位等影響玉米秸稈力學特性的因素進行綜合的分析，為切割裝置的研究設計提供理論依據及技術參數指導。

2)設計切割試驗臺架的切割部件的傳動機構、夾持機構及喂入輸送機構，并建立切割轉矩、喂入速度及切割速度的數據采集平臺，為進一步的研究提供數據支持。

3)對刀盤進行設計，包含刀片的形式、刀片的數量、刀片的滑切角與直徑、刀盤的厚度及其結構的確定和設計。該內容可通過正交試驗設計，分析不同形式下，各參數不同時的割刀的切割效果及切割功耗，選擇出最優的割刀形式、刀片數量及滑切角等關鍵數據，為進一步的設計研究提供可靠的數據支撐。

4)對切割器進行運動學分析，包含不漏割分析、多刀切割分析、重復切割分析,從而尋找切割器各物理參數之間的約束關系。

1.5 擬解決的關鍵問題

1)結合理論力學及材料力學的理論知識,研究和建立粗莖稈材料模型，從而獲得粗莖稈作物秸稈的力學特性參數。

2)以降低切割功耗、提高切割效率為目的，獲得粗莖稈作物收獲機切割器的最佳割刀形式及切割參數。

3)合理安排切割器、輸送裝置及強制推進機構的位置，減少或消除秸稈的堵塞問題，從而使得切割后的秸稈順利進入切碎揉搓裝置進行切碎揉絲。

1.6 主要研究方法

由于我國對該領域的研究尚處于起步階段，技術比較落后，而國外的相關技術比較發達，所以需要借鑒參考國外已經成熟的技術。此外，可以借鑒其他作物已經成熟的相關技術。

1)根據研究目的及所要解決的問題，查閱相關資料，收集粗壯莖稈作物的力學特性及收割機割刀運動方法的相關資料，為自己的研究提供參考。

2)利用萬能試驗機對粗莖稈作物的秸稈進行相關試驗。建立粗莖稈的機械物理力學模型，其可以看作是由韌皮部、木質部兩種異質材料復合而成的復合材料，運用材料力學的試驗方法進行剪切、拉伸、彎曲等試驗。利用計算機采集相關數據及相關圖像，采用SAS等數據處理軟件對相關數據進行有效處理。

3)搭建粗莖稈作物的秸稈回轉式切割裝置試驗臺，設計合適的動力機構及傳動機構等，并根據所需要測試的參數類型來選擇相應的傳感器及測試部件。利用Creo建立粗莖稈作物的切割試驗臺裝置的三維模型，利用CAD進行二維圖紙的繪制，完成試驗臺的設計然后進行樣機的試制。

4)通過改變各影響因素進行多因素正交試驗的研究。分析割刀刀片數量、刀片形式、刀片滑切角、刀片長度、刀盤直徑、刀盤厚度及結構等因素對切割器切割效率的影響，找出各個因素的最佳組合，為粗莖稈作物收獲機切割裝置的研制提供理論依據。

1.7 研究過程中可能遇到的問題和解決方法

1)目前國內可借鑒的成熟技術比較有限，文獻資料也比較少，因此研究具有一定的局限性。因此，可以通過大量查詢其他莖稈收獲機械的相關文獻，借鑒其他作物切割器的研究成果，結合該類作物自身的特點來思考解決問題。

2)粗莖稈作物因其多樣性，不適合使用國標對木材、竹材等機械物理試驗方法的規定，因此沒有統一的測量力學特性的方法。應根據該類作物的實際情況進行分析，建立相應的物理力學模型，然后運用材料力學等理論方法進行試驗。

3)需要通過試驗確定研制適用于粗莖稈作物收割的圓盤切割臺，并且切割因素及評價指標較多。因此，可以通過安排正交試驗及建立相應的評價標準來解決試驗方面的問題。

2 粗莖稈作物收獲機械化研究前景

粗莖稈作物收獲機械為我國農作物機械化生產技術中的關鍵設備之一，其機具質量的好壞及技術水平的高低直接影響到秸稈飼料生產的健康發展，是農區畜牧業持續健康發展的根本保障[20]。

針對目前我國粗莖稈作物收獲機械的研制及生產應用現狀和存在的問題，提出如下建議：

1)研制符合我國國情的先進粗莖稈作物收獲機，使主機通用化。在現有粗莖稈作物收獲機械基礎上，應充分借鑒國外的先進收獲技術，開發研制出適合我國國情的具有自主知識產權的先進粗莖稈作物收獲機。此外，由于玉米、麻類等粗莖稈代表性作物具有收獲期較短、機器閑置的時間較長的特性，為了提高機器的利用率，可以采用一機多用，達到主機通用化的效果，也就是在一個通用主機上掛接上多種工作部件，來實現不同的功能。這樣既降低了農戶的農機購置成本風險，提高了設備的利用率，增加了經濟效益，又可以使產品由單一化向系列化轉變，降低了企業的產品研發成本。

2)重點研發關鍵部件。和懸掛式及牽引式收獲機相比較，自走式收獲機在技術層面上相對復雜一些，在保證主要的性能達標的基礎上，應努力提高粗莖稈作物收獲機關鍵部件的可靠性。例如，對于故障頻發的割臺，應優化其喂入裝置零部件的工藝性，采用現代設計理論，對其結構進行有限元分析，找出其設計薄弱環節，并加強處理，提高整機工作的可靠性；對切碎器部分的動刀、定刀從材料選取及零件熱處理等方面，著手來提高其可靠性。

3)做到農機與農藝有機融合。將農機與農藝相結合，降低對粗莖稈作物收獲機械的要求，使其各性能易于實現。

4)農機企業要不斷創新，跟上時代步伐。我國的收獲機械由原來的引進到后來的吸收，再到目前完全具有自主知識產權的產品，雖然國內已具規模的粗莖稈作物收獲機設計制造企業有很多，但與國外知名企業相比，整體水平較差，從設計、制造到先進技術應用方面差距明顯。在今后的設計中，企業除了要解決關鍵零部件的可靠性，提高整機的質量外，還應該向自動化、智能化等方向進行發展，在增加產品附加值的同時提升產品的競爭力。

5)政府應增加對粗莖稈作物收獲機械的扶持力度，促進其有效快速推廣應用。目前，我國畜牧業發展迅速，對青飼料需求量大，推廣粗莖稈作物收獲機械有較好的前景。因此，建議政府做到加大對粗莖稈作物收獲機械化技術的宣傳推廣及加大對粗莖稈作物收獲機械化的投資力度，真正地落實農機購置補貼的政策，使農機用戶受益，使百姓受益，從而促進粗莖稈作物收獲機械的健康、快速、穩定發展。

3 結語

我國粗莖稈作物收獲機械的起步較晚，目前其機械化程度也比較低，因此對粗莖稈作物收獲機械的研制具有重要意義。該研究的成功進行能真正地實現對粗莖稈作物秸稈的高效機械化收獲，大大降低動力消耗及勞動成本，既節約了時間，又增加了農民收入，相對于現有的粗莖稈作物秸稈收獲設備來說，具有強大的競爭力及產業化前景。

粗莖稈作物收獲機械的收割技術的研究將為莖稈作物產業的發展提供強有力的支持。提高粗莖稈作物的機械化收獲水平，將促進與粗莖稈作物相關的各個行業加快發展；粗莖稈作物收獲機械化的推廣也可以促進青飼料生產向規模化、標準化、產業化方向發展。

近年來，隨著制造技術的提高和生產經驗的不斷總結，學者們研制出了很多新型的切割器，在做該項研究時，可以借鑒他人的成果，結合粗莖稈作物自身的特點，選擇或設計優化適合的切割器，從而提高收獲質量與效率。

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Research Status on Thick Stalk Crop Cutting Device and Its Problems and Development Proposals

Wang Shuai, Zhang Bin, Li Xianwang, Shen Cheng, Tian Kunpeng, Huang Jicheng

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

As a kind of important biomass energy, straw has many advantages compared with traditional mineral energy. China's straw resources are very rich, and with the improvement of the level of agricultural mechanization, many crops straw has been applied in the field of feed production and so on. However, there are still many problems in China's crude stalk crop harvesting machinery, including cutting technology is a key link in the process of harvesting. In this paper, by reviewing the related literature at home and abroad, this paper introduces domestic and international thick stalk crops cutting device research and the current situation, pointed out that at present China's straw harvest cutting problems still existing in technology, mainly for the rotary cutting device are introduced, and put forward some suggestions to promote China's straw harvest mechanization of industry development.

thick stalk crop; rotary cutting device; mechanization

2016-06-24

國家農業產業技術體系崗位任務(CARS-19-E22)；中國農業科學院科技創新工程項目(2016-2020)

王 帥(1991-)，女，河北衡水人，碩士研究生，(E-mail)964018878@qq.com。

張 彬(1974-)，女，浙江東陽人，副研究員，(E-mail)xtsset@hotmail.com。

S233.4

A

1003-188X(2017)08-0263-06