自走式檸條聯合收獲機平茬試驗

邢東倫，陳月鋒，高 威，董世平，丁學誼，賈紅建

(中國農業機械化科學研究院，北京100083)

0 引言

檸條是一種集經濟效益、生態效益和社會效益為一體的灌木，全世界有100多種，僅我國就有66種[1]。檸條是多年生灌木植物，抗旱耐瘠，具有很強的生命力和抗逆性，是我國北方地區防風固沙、水土保持的理想品種。根據檸條生長特性，每3～5年需要平茬復壯1次，同時考慮其生態功能的要求，一般采取隔年、隔帶輪換平茬的方法，否則其生長速度會減慢，甚至停止生長，導致枯死。適時對檸條進行平茬，才能促進其持續生長，保持其生態及生物利用功能。開花期鮮檸條干物質中粗蛋白含量約14%，粗脂肪含量約3.5%，其營養價值高于常規飼草和玉米秸稈，是良好的飼用植物。檸條熱值18.0～19.5 MJkg，樹皮含有蠟質層，干濕都易燃燒，是優良的燃料資源。目前，僅在內蒙古烏蘭察布地區有十幾家檸條飼料加工廠；在山西五寨、河北康保及內蒙古赤峰等地區建有以檸條為主要燃料的生物質電廠。檸條平茬后最理想的切割斷面是較為光滑的圓形或橢圓形，平茬斷面的毛口、撕裂和灼傷對次年返青有直接影響[2-4]。

目前，檸條收獲機械普遍存在機械化程度低、可靠性差、平茬效率低和平茬質量差等問題，難以滿足檸條平茬復壯及循環利用的需求。中國農業機械化科學研究院生物質能中心一直致力于檸條的機械化收獲研究，通過不斷技術改進和升級，研制出新型4GM-200A型自走式檸條聯合收獲機，集平茬、輸送、粉碎、拋送和儲運為一體。作業時，獨特的圓盤鋸切割設計可以顯著提高平茬效率和改善平茬質量。

1 試驗方法

試驗時間為2019年4月，試驗地點為內蒙古四子王旗。檸條為人工雙行種植，兩行間距1 m，每兩行與下兩行之間間距6 m，植株高度0.8～2.5 m，檸條含水率約35%。

1.1主要參數

試驗設備為自走式檸條聯合收獲機，如圖1所示。其配套動力118 kW；傳動方式為液壓傳動底盤，機械四驅；收獲幅寬2 000 mm；切割直徑80 mm；作業速度(無級變速)0～6 kmh。

1.2工作原理

平茬作業時，高速旋轉的鋸盤將檸條鋸斷，然后檸條被推送至撥送攪龍，攪龍將其送到中間輸送裝置的料口，在喂入輥的強制抓取作用下，檸條被輸送至喂入裝置，由喂入裝置的夾持喂入輥將枝條輸送到切碎裝置，切碎滾筒將檸條枝條切碎，并拋送至儲料箱，儲料箱裝滿后，由液壓裝置將切碎的枝條側翻卸至運輸車內。

該機割臺采用鋸切原理，雙圓鋸盤向內旋轉對檸條實施無支撐切割，如圖2所示。圓盤直徑1 000 mm，兩個圓盤之間有20 mm左右的重疊量。重疊量過少，易出現“爬刀”和“咬刀”現象；重疊量過大，會使切割點前移，降低切割器夾持莖稈的能力。為了便于安裝和更換，每個鋸盤鋸片平分為8片，通過螺栓把鋸片和底座連接在一起。

1.3測試設備、指標及測試方法

卷尺：測量收獲機前進距離。秒表：測量收獲時間。平茬高度：測量地表面到斷面茬口的距離。平口率：平口斷面占整個平茬作業數量的比例，即平口數(毛口數+平口數)。平茬后，分析斷面質量，記錄數據，并對平茬檸條掛簽標記，以便次年查看復壯情況。

2 試驗結果與分析

2.1平茬斷面質量對復壯的影響

平茬斷面質量的好壞直接影響檸條的復壯返青率。為科學合理地評價檸條平茬斷面質量的優劣，國內一些學者對檸條平茬后斷面質量評價指標體系進行了詳細深入的研究，如灼傷率、毛茬面積、裂痕長度和裂痕深度等參數對平茬后檸條復壯返青率的影響。在實際平茬作業過程中，通過觀察平茬斷面是平口還是毛口來快速便捷地判斷平茬質量。從次年的復壯返青情況看，大致能判斷出平口比毛口復壯返青率更高，如圖3所示。

2.2平茬效果影響因素

2.2.1鋸片類型

本試驗鋸片材質均采用高碳合金鋼，選用3種不同齒型鋸片，齒數分別為13、20和30齒，如圖4所示。

通過田間平茬試驗，考察、記錄其平口率，如表1所示。試驗發現，隨著鋸片齒數增多，齒型變密，平茬平口率升高，平茬效果越好。但是隨著齒型變密變小，齒強度相應變差，抗沖擊能力變差，試驗中就有斷齒現象，如圖4d所示。

2.2.2鋸片轉速

通過田間平茬試驗，測試鋸片鋸尖線速度分別為50、60和70 ms時，觀察其對平茬效果的影響，平口率如表2所示。從表2中可以看出，隨著線速度的提高，平茬平口率也提高，這與檸條的切割原理相關。檸條切割是無支撐切割，僅靠檸條自身的抗彎能力很難與鋸片的切割力相平衡。切割速度較低時，檸條被推倒、折斷。當鋸片以適當的速度進入時，原來靜止的檸條在瞬間獲得鋸片傳遞的速度，并立即產生較大的加速度以及與其相反方向的慣性力，速度越大慣性力就越大，因此，檸條的抗彎能力也越大，這有利于檸條的切割。

表2 不同線速度的平口率

2.2.3平茬高度

適宜的留茬高度對植物的持續生長具有重要意義[5-6]。蘆娟等[7]對人工檸條林進行0、5和10 cm共3種留茬高度處理，發現離地面10 cm平茬處理的效果優于其他2種處理。王世裕等[8]對晉西北地區檸條林更新復壯技術進行研究，發現茬口高度距離地面0～3 cm為宜。王麗莉[9]在檸條平茬復壯更新技術研究中發現，檸條平茬的適宜高度為5 cm，留茬高時，平茬所留下的枝條絕大部分自上而下逐漸抽干至近地表新萌枝部位。左忠等[10]認為，對于覆沙地區可直接齊地平茬，其他地區建議采取5～10 cm的留茬高度。

本試驗測試了5種平茬高度，分別為0、5、10、15和30 cm，記錄測試平口率分別為59.8%、55.1%、49.5%、43.2%和35.4%。可見平茬高度越高，平口率越低，平茬效果越差。這與檸條的切割原理有關，平茬高度越低，土壤對檸條的扶持力越大，相當于有支撐切割，此時對切割越有利，平茬效果好；反之，平茬高度越高，扶持力越小，切割時檸條容易滑移，端口摩擦力加大，容易形成毛口。從自走式收獲機平茬作業實際情況看，如果平茬高度太低，土壤中的砂粒、石頭會對收獲機刀片等部件造成磨損，如果石頭、砂粒帶入粉碎室，會對機器造成更大的損壞。

因此，考慮平茬高度對檸條再生性的影響，并兼顧平茬作業的實際環境，建議在平原地區的檸條種植，平茬高度以5 cm為宜；在沙化、多石不平整區域的檸條種植，平茬高度以10～15 cm為宜。

2.2.4機器行駛速度

2.2.5其他因素

試驗發現，檸條特性對平茬效果也有一定影響。有些木質化程度低、莖桿較細的檸條(直徑在1 cm左右)，由于扶持支撐力弱，鋸切時其纖維組織大部分不是被切斷，而是被拉斷或被打斷，平茬后的茬口是毛口。對于木質化程度較高的粗檸條(直徑>5 cm)，鋸切時進鋸較困難，出現彈鋸、跳鋸現象，不是一次性切斷，而是多次重復切割，造成茬口斷面撕裂和毛口。

另外，鋸片的鋒利度對平茬效果也有一定影響。新鋸片比使用10 d后的鋸片平茬平口率高8%左右。鋸片鋒利時，能夠一次性鋸斷枝條。當鋸片變鈍時，一次性切不斷就會多次重復切割，造成毛口現象。

2.3其他性能試驗

對該機其他性能進行了田間實地測試，結果表明，該機各項技術性能指標達到國家有關標準和設計任務書要求，如表3所示。

表3 性能試驗結果

3 結論

通過田間平茬試驗，重點分析平茬質量的影響因素。優化鋸齒形狀，采用硬質耐磨合金，可以提高鋸片耐磨性、抗沖擊性，延長刀片使用壽命。優化作業參數，以60 ms的鋸片線速度配合3～5 kmh的機器行走速度最佳。建議在平原平整地區的檸條種植，平茬高度以5 cm為宜；在沙化多石不平整區的檸條域種植，平茬高度以10～15 cm為宜。

通過減少鋸片與檸條的摩擦使切口一次成型，防止重復切割和撕裂，可以提高平茬質量和平茬效率。通過試驗分析，對自走式檸條聯合收獲機的性能改進、規范平茬作業和市場應用推廣積累可靠的數據和經驗。