散草撿拾拖車研究現狀與發展對策

閆二偉， 陳永生， 韓柏和， 張銀平， 陳明江， 謝 虎， 趙維松， 王振偉

(1.農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014； 2.山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博 255000)

我國是農業生產大國，秸稈資源非常豐富，如何有效地轉化利用秸稈資源成為當前亟待解決的問題[1-3]。秸稈收集是秸稈綜合利用的先導環節，是秸稈能否順利進行“五化”利用的先決條件[4]。在政策支持和技術發展條件下，秸稈收儲運機械化程度日漸提高，推廣范圍也逐漸擴大。目前，國內常見的機械化秸稈收儲運方式是先將秸稈打捆(圓捆或方捆)，再進行運輸、儲存利用[5]；不過目前國內還存在一些大型農場和農牧企業，如上海大豐農場采用一種將稻麥、牧草等利用散草撿拾拖車直接進行撿拾、切碎、集廂的模式，這種秸稈收集方式環節簡單，需要的作業人員也較少。利用散草撿拾拖車進行秸稈收集并不是國內獨創，國外早已將利用散草撿拾拖車收集秸稈、牧草等納入到“收儲運”模式中[6](圖1)。

在短距離收集轉運秸稈模式中，利用散草撿拾拖車環節較少、人員需求較少。因此，作為秸稈打捆運輸模式的一種補充，以散草撿拾拖車作為主要設備的秸稈撿拾、切碎、集廂、運輸模式在降低作業成本和提高生產效率方面具有重要的現實意義[7]。

1 散草撿拾拖車結構及工作原理

散草撿拾拖車按照主要部件有彈齒撿拾器、切割喂入轉子、切刀、物料廂、刮板系統以及后廂板(圖2)。其工作原理是牽引機械通過牽引裝置驅動散草撿拾拖車，彈齒撿拾器將地面上的條狀散草撿拾喂入切割轉子中，切刀與切割轉子共同作用將散草切割，然后切割喂入轉子將散草強制推入物料廂中，切割后的散草在物料廂前端逐漸堆積，當散草堆積達到一定體積與密度后，觸發刮板系統將散草向物料廂后部轉移一定距離，刮板系統間歇性運行，直至整個物料廂充滿散草。

散草撿拾拖車不僅可以主動收集散草等物料，還可以通過簡單的機械結構設置屏蔽撿拾喂入裝置而單獨作為散料運輸拖車使用。

2 國外散草撿拾拖車發展現狀

國外的散草撿拾設備從20世紀50年代開始發展，最原始的散草撿拾拖車主要應用在散草長距離運輸上，經過不斷地改進發展，其作業范圍和使用地域越來越廣；目前散草撿拾拖車已不再是僅僅可以進行單一的散草運輸作業，而是可以根據需求掛載不同功能模塊進行收集、裝載、運輸等多種作業。許多歐洲國家如瑞士、德國、奧地利等的散草撿拾拖車已經發展形成一套成熟的集散草撿拾、裝載、運輸等功能于一體的技術體系，相關的產品設備也已經形成模塊化、體系化。克羅尼(KRONE)、克拉斯(CLAAS)、博田(POTTINGER)、施特勞曼(Strautmann)等一系列農機生產商更是精益求精孜孜不倦地發展完善散草撿拾拖車設備。

2.1 散草撿拾拖車撿拾器部件

撿拾器是散草撿拾拖車的重要工作部件之一，其作用是將鋪放在地上的秸稈拾起并傳送給切割喂入機構。撿拾器工作性能的優劣，對撿拾拖車整體工作性能有很大影響[8]。目前散草撿拾拖車所采用的撿拾器主要有2種(圖3)，一種是凸輪滾筒式彈齒撿拾器，另一種是無凸輪式彈齒撿拾器。

德國克拉斯公司[9]與奧地利博田公司[10]制造的撿拾拖車采用凸輪式撿拾器(圖3-a)，凸輪式撿拾器通過凸輪槽的控制實現彈齒與撿拾器轉軸所成角度呈現周期性變化，這種周期性變化能實現撿拾器三個階段：撿拾-傳輸-縮齒工作，有效防止了撿拾器彈齒回帶物料，損傷物料，堵塞撿拾器，造成撿拾效率降低等問題。

德國克羅尼公司的AX、MX、ZX、RX系列散草撿拾拖車撿拾器模塊Easy Flow均采用無凸輪式彈齒撿拾器(圖4)[11-16]；這種撿拾器優點很明顯，結構簡單，活動部件較少，運行平穩，機械磨損較少，維護成本很低；同時比傳統凸輪式撿拾器的撿拾速度提升近30%，工作效率明顯提高；通過重新設計退草板，使退草板與彈齒之間的角度處于較合適的閾值，可以防止撿拾器彈齒回帶物料的情形。

撿拾器彈齒的排列對散草撿拾的流暢度有一定影響。克羅尼在ZX系列中將撿拾器彈齒由直線型排列改為W形排列，這樣能夠有效地將撿拾器前方成團的散草松散開，增加了物料喂入的均勻性；施特勞曼公司將彈齒排列設計成V形，同克羅尼的設計目的一致，都是為了提高物料喂入的流暢度。

凸輪式撿拾器與無凸輪式撿拾器相比，由于彈齒在凸輪槽機構的控制下按規定的軌跡運動，撿拾性能更加優越，撿拾率更高；同時由于凸輪式撿拾器彈齒的規律運動，相較于同尺寸的無凸輪式撿拾器，彈齒掃過的空間更小，所以撿拾器與切割滾子之間的空檔區域較小，使得物料流穩定連續。施特勞曼為了彌補無凸輪式撿拾器增加的這一距離，在撿拾器與切割滾子之間加入了物料加速輥(圖5)[17]，這樣可以防止物料堆積，使得物料喂入的連續性得以保證。

散草撿拾拖車撿拾器模塊具有強大的地面仿形功能，同時撿拾器后方加入了導向輪裝置，能有效防止如車轍等復雜地形對撿拾器的影響，極大地提高了撿拾器應對復雜地形的能力；散草撿拾拖車撿拾器通常采用鏈輪傳遞動力驅動工作，克羅尼在其ZX系列中一改撿拾器鏈輪驅動方式，采用液壓驅動撿拾器，降低了故障率，使撿拾拖車可靠性得到進一步提高。

總之，散草撿拾拖車撿拾器發展的2種形式各有優劣。在研發制造撿拾拖車的過程中應根據物料特性，選擇合適的形式。在無須注重物料質量形態，撿拾率要求不是非常高的情況下，應盡量選擇結構簡單、撿拾速度較高、可靠性較高的無凸輪式撿拾器。

2.2 切割喂入轉子模塊

傳統的撿拾拖車并不帶有物料切割功能，只有物料喂入功能，通常喂入裝置有鏈齒式、推桿式以及擺動式，但是隨著需求的變化以及切割功能的整合，喂入裝置的結構有了很大變化。帶有切割功能的喂入裝置可分為鏈齒式、滾筒式、耙桿式、螺旋式和擺動式，國外生產商基本采用螺旋式喂入裝置(圖6)。切割喂入轉子的工作性能及結構形式對撿拾拖車經濟性指標，如功耗、機構的磨損率等有很大影響。切割喂入轉子在正常工作狀態下撥齒處于長時間張力與磨損狀態，易發生磨損變形，而磨損變形的撥齒對物料切割性能有很大影響。克羅尼散草撿拾拖車切割轉子物料撥齒材料使用了耐磨鋼板，旨在提高撥齒的使用壽命，撥齒以焊接的形式呈螺旋形排布，安裝在轉鼓上，降低了驅動轉子完成切割功能所需的功率；撥齒撥草側設置有一定的寬度，一方面為了降低轉子對物料的損傷，另一方面有利于提升物料喂入物料廂的推力。荷蘭Lely公司將轉鼓上的撥齒設計為可拆卸更換式，便于在撥齒磨損嚴重的情況下，通過簡單的撥齒更換即可快速恢復正常工作狀態[18]。撥齒的合理設計可以減小物料喂入的功耗以及增加物料堆積入廂體內的密度，提高設備的工作效率。

切割喂入轉子與擋草齒組成物料強制喂入裝置(圖7)，轉子撥齒幾何輪廓與擋草齒工作面幾何輪廓對物料喂入的推送力及物料的堆積密度有很大影響。

不同公司采用的切割喂入轉子的驅動方式也略有不同。克羅尼系列拖車采用了3種不同動力傳遞方式的轉子軸驅動方式，在AX系列上采用鏈輪驅動切割喂入轉子，并配備有自動潤滑裝置；在MX、RX系列上采用封閉箱油浸齒輪方式傳遞動力驅動轉子軸，油浸齒輪動力傳遞方式能夠使切割喂入轉子承受住巨大的持續性應力。克拉斯、施特勞曼、Lely等也采用與克羅尼類似的齒輪驅動轉子軸的動力傳遞方式，而克羅尼在ZX系列上獨創了皮帶輪加行星齒輪驅動切割喂入轉子的方式，此動力傳遞方式可以從動力輸入軸傳遞近294 kW的動力。傳統的過載保護裝置是凸輪式離合器，最大能夠傳遞2 500 Nm的扭矩，相比而言，克羅尼采用齒輪箱內嵌的離合裝置可以傳遞2 800 Nm的扭矩，同時使用皮帶傳遞動力，可以更有效地吸收瞬時的過載，使得轉子工作更平穩。利用行星齒輪做減速機構可以將節省下來的空間用于增加切割轉子寬度，進而提升物料的喂入寬度。

總之，切割喂入轉子要求使用壽命長、功耗低、運行平穩、吞吐物料量大且要盡量對物料損傷小。動力傳輸方面要求傳輸力矩大、效率高、過載保護等。如果應用到稻麥秸稈的收獲上，主要考慮設備的壽命、功耗、平穩性及收集效率等問題。

2.3 刀具及刀架

刀具是切割物料的核心部件，它的質量直接影響了物料粉碎的質量及設備的功耗。刀架是刀具的配套組件，一款設計精良的刀架能夠使刀具發揮出其最優的性能，并能延長刀具的壽命以及提高設備維護的效率。切刀結構分為上齒紋刀片、下齒紋刀片和光刃刀片。散草切刀采用上齒紋刀片，因為齒刃對莖稈的鉗制作用較好。為了延長切刀的壽命，生產商設計了單刃口切刀與雙刃口切刀2種形式的刀具(圖8)。

切刀結構的設計水平決定了切刀的質量，切刀的質量是切刀使用可靠性的生命線；切刀的設計工藝是生產商的競爭優勢，所以基本查不到相關的設計標準。但是切刀設計應盡量保證切刀受力合理，在持續受力的部位使用抗疲勞、耐磨損的材料。

切刀通常通過切刀保護裝置與刀架連接在一起；彈性切刀保護裝置是較常見的切刀保護裝置；普通的彈性切刀保護裝置作用過程是當石塊等異物與刀刃相接觸時，切刀刃口在彈性裝置作用下與異物彈性接觸，直至異物被切割滾子清出，可以防止刀刃口與異物剛性碰撞，這在一定程度上保護了刀具。但是這種彈性保護裝置對切刀的保護作用非常有限，石塊等硬質異物在彈簧力的作用下與刀具刃口持續接觸滑行直至清出，在此過程中切刀刃口從與異物接觸點至異物脫離的刃口都被損傷。施特勞曼為了改善這種情況，設計了一款行之有效的切刀保護裝置(圖9)[19]。

在這種切刀保護裝置作用下一旦異物觸碰到切刀刃口的任何一點，切刀會立即縮回到護板后方，即由正常工作狀態轉變為觸發狀態，一定延時后恢復到工作位置；觸發切刀保護裝置動作的相關標準并未說明。

安裝刀具的刀架形式對刀具的日常維護工作有很大影響。合適的刀架能夠大大提高刀具更換維護的效率，降低工作人員的工作量。克羅尼、博田等均采用可旋出刀架(圖10)，可實現單人快速無工具更換切刀。克拉斯尚未采用這種形式的刀架，克拉斯系列拖車撿拾器刀架可以提升至距離地面很高的位置，足夠普通身高的操作人員進入車下進行維護更換切刀及相關部件[20]。切刀須要經常維護，即使工作過程中物料相當純凈，切刀也在不斷地磨損變鈍，緊接著設備會出現功耗增加，切割效率降低等一系列問題。便于維護更換切刀的結構設計顯得不可或缺，可旋出刀架以及一套方便快捷的磨刀裝置是非常有利的；克羅尼ZX[21]，博田TORRO、JUMBO等均是在其原有刀架的基礎上加入了自動磨刀裝置(圖10)，進一步減輕了維護工作，提高了撿拾拖車的工作效率。

總之，切刀的質量高低是切割系統好壞的核心標準；一款設計優良、結構合理的刀架能夠輔助切刀更好地發揮性能，是實現撿拾拖車高效率工作的保障。

2.4 物料裝載廂

裝載廂物料填充性能及自動化程度對散草撿拾拖車裝載運輸效率影響極大。裝載廂對于散草撿拾拖車是必需的功能模塊，裝載廂大體結構形式較固定，發展也較成熟，國外各個生產商配備的裝載廂自動化程度都很高，均具備物料填充狀態監測系統、刮板自動填充系統和輔助加速卸料系統。合理的物料廂結構對提高物料收集轉運效率有很大幫助。Lely公司將物料廂設計為活動前板，通過液壓裝置控制前板的傾斜程度，不僅可以增大物料廂容量，還可以根據要求改變物料填充的密度；在物料卸載過程中可以輔助加速卸料，提高撿拾拖車的轉運效率(圖11)。

3 國內散草撿拾拖車發展現狀

我國從20世紀60年代初開始研制散草運輸車，但是發展十分緩慢[22]。20世紀90年代以來，我國飼草產業發展迅速，為多用途散草撿拾拖車提供了市場，研制適合我國國情的散草拖車系列產品是改進飼草收獲工藝、提高飼草質量、增加經濟效益的有效途徑。因此，根據我國國情研制了中小型多用途的散草撿拾拖車系列。1982年6月在新疆維吾爾自治區阜北農場對9CZ-3型拖車進行了生產考核試驗。該車可同時完成撿拾、切割裝載、運輸3種作業，效率較高，在短距離運輸情況下，小時生產率可達3 t以上。1985年9月在甘肅省甘南藏族自治州夏河縣又對9CZ-3型散草拖車進行性能試驗和生產考核。該機作業質量好，機具具有結構簡單、機動靈活、工作可靠、故障少、生產率高等優點。1987—1990年原機械工業部呼和浩特牧機所機電部呼和浩特牧機所(現中國農機研究院呼和浩特分院)與德國霍恩海姆大學農業工程研究所在內蒙古自治區呼倫貝爾盟草原進行飼草收貯工藝開發與實驗研究的科技合作項目。德方提供的主要設備為克拉斯公司生產的300K型散草撿拾拖車。試驗完成后提出4種最佳牧草收貯工藝，與傳統工藝相比，其中2種工藝只增加1臺散草車即可完成集、垛、運3項作業，其營養成分可保存80%，其作業成本較經濟，生產率也較適應，但其基本屬于仿制，所以發展很受限制[23-24]。2008年8月中國農業機械化研究院呼和浩特分院研制的9CJ-3.0型散草撿拾運輸車在內蒙古自治區呼和浩特市和林格爾縣新店子鎮進行了田間試驗，對樣機性能進行全面考核。2012年12月9CJ-3.0型飼草料撿拾(切碎)運輸車完成中試驗收，根據驗收報告可知，該設備可自動完成撿拾、喂入、切碎、裝廂和卸載等作業工序，同時該機結構簡單、布局合理，實現了飼草料縱向軸線流動，撿拾輸送飼草料工藝流程合理，切碎、輸送阻力小，并提高了機器的喂入量和生產率。9CJ-3.0飼草料撿拾(切碎)運輸車是適合國情、節能環保、配套性好、達到國內領先水平的，集牧草撿拾、切碎、裝載、運輸、卸料作業的一體化設備[25-26]。馬賽等對9CJ-3散草撿拾拖車撿拾器原理進行分析，發現該撿拾拖車采用凸輪滾筒式撿拾器，并通過大量的實踐和田間試驗證明該撿拾器的漏損率非常小，完全可以避免牧草在地面的堆積和漏撿。撿拾器的結構參數完全能滿足各種情況下的撿拾作業要求，對地面的仿形性也能很好地滿足作業要求[27]。9CJ-3.0散草撿拾運輸車喂入切碎裝置設置了前后兩排切刀，其中前排切刀可以方便調整，以選擇是否使用切碎功能，獲得所需要的飼草切段長度。喂入切碎裝置每個切刀均設置了過載保護裝置；根據我國地塊較分散且相對較小的情況，9CJ-3車廂小型化，非常適合實際情況；9CJ-3.0散草撿拾拖車與國外散草撿拾拖車相比，刀架不可旋出，刀具更換維護較麻煩(圖12)。

2013年李洋利用ANSYS有限元分析軟件對9CJ-3.0切刀進行結構受力分析，利用ADAMS軟件對喂入機構進行了運動仿真分析，并對切刀與喂入機構進行了優化設計，保證了切刀作用力在切刀使用材料安全范圍內；同時在喂入過程中物料的損失率也控制在允許范圍內[28]。9CJ-3.0型散草撿拾拖車喂入裝置與國外撿拾拖車選用的喂入裝置有明顯的不同。9CJ-3.0喂入裝置撥齒與切刀切割物料使動力負載出現峰值，即負載不均勻；國外機型普遍采用撥齒螺旋式排列，切割物料過程負載非常均勻，動力輸入平穩，對設備的穩定性非常有利。9CJ-3.0散草撿拾拖車的喂入機構采用擺動式撥齒雙曲柄機構，主要部件包括齒輪中軸、撥齒桿、曲柄和曲柄軸(圖13)。

2015年下半年，哈爾濱萬客特種車設備有限公司在遼寧省沈陽市農機展展出散草撿拾拖車，該車正處于試驗階段。該撿拾拖車仿制奧地利博田系列拖車，但是去除了切割模塊，且物料廂電控檢測模塊均不具備。

國內對利用散草撿拾拖車進行秸稈撿拾、切碎、集廂等方面的研究還處于探索階段，存在很多亟待解決的問題：首先，散草撿拾拖車相關的理論研究、技術資料甚少，研究起步相對困難；其次，國外技術壟斷，設備價格昂貴，小型農場企業難以負擔；再次，目前市場上銷售的機型主要為國外進口，車型普遍龐大，與國內大部分地形不相匹配；最后，雖然我國農機行業有了較大發展，但是和真正的農業機械化差距還很大，國家在農機方面的投入逐漸減少，投入相對不足，對散草撿拾拖車的發展非常不利。可能的解決方案有以下幾點：首先，充分吸收國外的先進設計技術與經驗，提高自主研發能力，在保證散草撿拾拖車功能性能的前提下，降低機器的制造成本；其次，進行實地調研，研究國內實際應用的撿拾拖車情況；同時積極推進學術成果的轉化，讓機器從論文中走到田地間；最后，國家應加強政策引導，建立示范基地并進行模式宣傳。

隨著國內土地改革進程逐漸加快，大量農村勞動力涌向城市，導致農村勞動力越來越少，越來越多的農田集中在少數人手中進行耕種運營，大面積農田的生產模式對散草撿拾拖車的需求與日俱增，所以加強散草撿拾拖車關鍵技術研究勢在必行，本文能為散草撿拾拖車的研究與制造提供可用資料和技術支持，為未來可能的大型農場的發展提供借鑒。