檸條機械化收獲技術與裝備研究現狀及發展趨勢

蘇飛保，王振華，翟改霞，張 寧

(1.中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司，內蒙古 呼和浩特010010；2.中國農業機械化科學研究院，北京 100083)

0 引言

第5次全國荒漠化和沙化監測報告顯示，截止到2014年，全國土地荒漠化和沙化面積分別占國土面積的1/4和1/6，是目前我國最為嚴重的生態問題之一[1]。種植適應性和抗逆性強的沙生灌木是防風固沙的重要措施，而檸條是其中最為重要的灌木之一。檸條作為豆科錦雞兒屬植物，廣泛分布于內蒙古、陜西北部、山西、甘肅和寧夏等地區。因其主根和側根都很發達，檸條生苗在栽種2～4年后可從根部萌發大量的枝條，形成茂密繁稠的灌叢。檸條枝、葉和種子都有很高的飼用價值，加工后可作為牲畜的飼料。同時，檸條熱值很高，是一種優質的生物質能源[2-5]。但是隨著多年的生長，如果不進行平茬，會出現檸條植株衰老、生長緩慢的情況，所以平茬復壯勢在必行。目前，雖然對于檸條資源的重視程度有所增加，檸條平茬收獲方式由人工砍切轉變為機械作業，但由于檸條種植的區域性條件、種植方法等因素，并不是所有檸條都適合機械化收獲，我國檸條機械化收獲水平較低，通過人力進行平茬收獲的情況普遍存在。隨著人工成本的上升，實現檸條機械化收獲越來越重要。近年來，許多專家學者致力于檸條機械化收獲方面的研究，并取得了一些研究成果，為檸條機械化收獲奠定了基礎。

隨著檸條生長年限和新種植檸條面積的增加，穩定高效的檸條機械化收獲問題亟待解決，只有加快檸條機械化收獲技術的創新、推動檸條機械化收獲技術研究向更高水平發展，才能更加充分發揮檸條資源優勢，更好地促進檸條產業的發展和生態環境的保護。

1 收獲技術研究現狀

隨著檸條資源新用途的開發和平坦地區新種植檸條面積的增加，對檸條的平茬復壯需求愈加迫切，檸條灌木機械化收獲的關鍵技術研究同時也有了新的需求。根據檸條的收獲工藝，可以把檸條聯合收獲工序分為切割、輸送喂入、粉碎、拋送和收集。檸條灌木機械化收獲的關鍵技術裝置包括切割裝置、輸送裝置、仿形裝置、粉碎裝置和收集裝置等。

1.1 切割裝置

檸條收獲機械的切割裝置多采用圓盤式結構。圓盤切割裝置的類型按配置方式分為單圓盤式和雙圓盤式；按圓盤割刀形式分為刀盤式和鋸齒式。檸條灌木的切割裝置是整個灌木收獲的關鍵部件，切割質量的好壞由切割裝置性能的好壞決定。要保證檸條的切割質量，檸條應被一次切斷，漏切或重切都會使檸條切割斷面質量較差，影響第2年的返青率。一般檸條機械化收獲機具都采用雙圓盤刀式切割裝置。圓盤切割裝置在工作時是無支撐切割，當切割速度較低時，依靠檸條自身的抗彎能力與鋸片的切割力相平衡較難，檸條會被推倒，導致切斷質量較差。提高切割速度，可以獲得較大的加速度和相反的慣性力，提高檸條的抗彎能力，使得切割斷面平整，避免拉斷和撕裂情況的發生[6]。

為了避免因漏割引起堵塞，檸條聯合收獲機一般設計成大直徑雙圓鋸盤交錯排列。由中國農業機械化科學研究院研制的4GM-200A型自走式檸條聯合收獲機的切割裝置如圖1所示，為了便于鋸盤安裝和更換，創造性地將每個鋸盤鋸片平分為4片，鋸片和底座通過螺栓連接在一起[6]。意大利Biopoplar收割裝置、加拿大SAVIOE P設計的收割裝置、德國克拉斯的收割裝置HS1和HS2都是采用雙圓盤式切割裝置，不同的是圓盤直徑和重疊量，以適應不同環境灌木的收割[7]。

圖1 4GM-200A型自走式檸條聯合收獲機切割裝置

1.2 輸送喂入裝置

輸送喂入裝置是將切割后的檸條輸送到粉碎裝置，作為檸條灌木收獲機中間作業的關鍵部件，是整機設計的關鍵部件之一。隨著收獲裝備技術的不斷成熟，對輸送機構的研究有了很大進展。青飼作物收儲機械的輸送喂入裝置常采用橫向螺旋輸送器和喂入叉式輸送喂入相結合的方式。在全喂入聯合收割機中常見的有帶耙式、刮板式和輪轉式中間輸送裝置。帶耙式適合粒、塊裝的散物輸送；刮板式適合谷粒、谷穗等輸送；輪轉式適合大多數作物物料，輸送能力強，效率高。

檸條收獲機械中一般采用橫向螺旋輸送器+齒輥式相結合的輸送喂入裝置，也有收獲機械采用輪轉式喂入裝置。中國農業機械化科學研究院生物質能工程技術研究中心研制的4GM-200型自走式灌木聯合收獲機采用螺旋輸送器+浮動齒輥式輸送喂入裝置，灌木被切割后前傾倒下，檸條根部被強制送入輸送裝置，之后輸送到粉碎裝置進行粉碎。

由于檸條枝條較長，韌性較強，輸送裝置不能一次將長檸條枝全部輸送完，山西農業大學的段震華[8]設計出一種輪轉撥齒式輸送機構，如圖2所示，由輸送殼體、撥齒輥組、齒板、撥齒和浮動彈簧等組成，采用3級撥齒輥輸送，前一級撥齒輥轉速略小于后一級，使檸條被拉薄，可以均勻輸送，然后進入后面的切碎裝置切段并收集，完成檸條的收獲。

1.輸送殼體 2.第1級撥齒輥 3.軸承座 4.浮動彈黃 5.彈簧座 6.轉軸 7.浮動板 8.第2級撥齒輥 9.端蓋 10.第3級撥齒輥

1.3 仿形裝置

檸條作為一種防風固沙的灌木植物，20世紀90年代以后，常在平坦地區種植，地面較為平整。但在20世紀80年代以前，常種植在沙地等地區，長時間的沙塵匯聚在檸條灌木叢的根部會形成沙丘，灌木收獲機進行人工收獲時，主要依靠操作人員的經驗。

割臺仿形結構包括機械式和傳感電控液壓驅動式等類型，機械式包括滑板式和輪式。中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司在研制的9GZ-1.0型自走式灌木平茬機中提出了人工操作控制機械結構的仿形和機具自適應仿形兩者相結合實現仿形。該機具自適應仿形由縱向仿形、橫向仿形和萬向滑掌3個部分構成，3者相結合實現空間浮動仿形，加以人工控制舉升臂和轉臂油缸的機械結構仿形，實現檸條的收獲[9]。

山西省農業機械化科學研究院根據割臺及仿形動作要求，考慮到割臺質量較大和機械仿形機構的空間布置困難、手動控制反應速度受限，以及很難保證緊貼地表和割茬高度的一致性等問題，設計了一種機、電、液一體化仿形裝置，使割臺仿形部件能隨地表的起伏變化做上下仿形運動，保證割臺高度在5～15 mm，滿足檸條平茬收割的農藝要求[10]。

1.4 切碎裝置

為了推進檸條的綜合利用，通常要將收獲后的檸條切碎。常見的切碎機構主要有滾筒式、甩刀式和盤刀式[11]。檸條切碎通常采用滾筒式切碎裝置。滾筒式切碎器主要由動刀、定刀和切碎滾筒體等組成，對于滾筒式切碎器切碎檸條，影響其切碎能力的主要因素是動刀片與定刀片的配置關系、動刀片結構參數、滾筒轉速及檸條生物力學特性。段震華[8]和田增強[12]選擇傳統的滾筒式切碎裝置來實現檸條切段作業。

1.5 收集裝置

檸條收獲后，通常采用料箱收集或者配備同步行走的收集車收集，或者采取打捆的方式，然后進行運輸貯存。現有的檸條灌木收獲設備大部分采用前一種方式收集，對于打捆操作只有很少的設備可以做到，大多數設備還處于研發階段。打捆收集不僅需要收獲性能穩定的灌木收獲裝備，同時也需要成熟的打捆技術和設備的支持。

2 收獲裝備研究現狀

2.1 國外研究現狀

從1960年開始，國外發達國家已經開始對灌木收獲機械進行研究開發，現在生產的灌木收獲機械技術成熟，有主流的灌木聯合收割粉碎機械，也有具有打捆功能的灌木收獲打捆機械。國外的灌木收獲作業對象主要是種植于平整土地的人工培植的能源林，品種經過多代的選育，灌木一般主干豎直，粗細較為均勻，長勢平均且少側枝，收獲條件好，適宜機械作業[13-14]。

國外短輪伐期作物和國內的檸條相似，同樣需要2～4年平茬1次，主要用作工業原料或能源原料。相比需要10～30年才能有收益的傳統木材，農民更加愿意種植短輪伐期作物。瑞典是歐洲最先啟動大規模種植的國家，試驗證明，種植短輪伐期作物具有顯著的經濟和環境效益。隨著短輪伐期作物的種植，機械化收獲問題隨之顯現[15-16]。

國外對灌木收獲裝備的研發起步較早。為了滿足不同的農藝要求，實現機械化收獲，灌木種植模式有所不同。加拿大的Labrecque和Teodorescu于1995年在加拿大東部建立了柳樹種植園。這種種植模式不同于歐洲國家通常使用的模式，歐洲國家選擇成排種植，間隔0.75 m，成排間隔1.5 m。加拿大東部的幼苗被種植成每組6排，組間距3.0 m，排間距1.5 m，株間距0.3 m，如圖3所示。加拿大選擇的間距是為了促進機械除草，而歐洲國家選擇的間距原因是便于化學除草作業。

圖3 加拿大柳樹種植園種植模式

收獲最好在生長的第3年或第4年結束時進行。超過這個時期，莖和葉的密度變得太大，生長潛力大幅降低。收獲也必須在植物休眠時進行，最好是在晚秋霜凍后。

國外灌木收獲方式主要分為4種形式，如圖4所示。

圖4 短輪伐期作物收獲方式

(1)整枝收獲。灌木收獲機將灌木切倒后，整枝運輸。歐洲Segersl?tt Empire 2000型灌木收獲機如圖5所示，該機具被設計用來收集全長莖，切割頭裝有2個700 mm的圓鋸，液壓泵為頭部提供動力，使用液壓傳動是因為它通常比機械傳動受到的沖擊更小。砍下的樹枝堆放在一個V形的箱子里。但因該種收獲方式后續還需要人工操作，成本較高，已被其他收獲方式取代[10]。

圖5 歐洲Segersl?tt Empire 2000型灌木收獲機

(2)分段收獲。采用先收割再粉碎方式，即使用灌木割曬機將灌木切割鋪放，在田間晾曬，使灌木的含水量從60%下降到35%～40%時，再使用粉碎機械對灌木撿拾粉碎。2年生的短輪伐期楊樹先由割曬機切割，然后由配備有撿拾頭的機器進行粉碎，拖拉機拖車跟隨收集，如圖6～7所示。該方式的主要優點是可以減少土壤壓實的負面影響，節約有限的工作時間；缺點是收獲工序多，收獲成本變高。5年生楊樹人工林設計了相同的收獲方案，采用割曬機與裝有撿拾頭的自走式撿拾粉碎機，如圖8～9所示[17]。

圖6 2年生SRC楊樹割曬機

圖7 旋切機和圓盤削片機

圖8 楊樹割曬機

圖9 粉碎收集車

(3)切割+粉碎聯合收獲。這是目前國外對于灌木收獲最為主流的一種方式。有眾多機型都采用該種收獲方式收獲灌木。由德國克拉斯配備意大利GBE公司生產的HS2型和GB-1型收割裝置如圖10～11所示。

圖10 HS2型收割裝置

德國克拉斯的第1代收割裝置是HS1，由2個水平輥組成的進料系統，有時會堵塞，機械傳動非常復

圖11 GBE-1型收割裝置

雜和脆弱。克拉斯第2代收割裝置HS2在HS1的基礎上進行了改進，使用2個700 mm的60齒圓鋸進行切割，之后莖桿被輸送到粉碎裝置，粉碎裝置由標準的飼料收割機改裝而成，刪除一半的切刀，以產生比飼料顆粒更長的碎片。

美國約翰迪爾7400裝備意大利Biopoplar收割裝置的大型灌木收獲機械如圖12所示，這是一種用于收割長周期灌木的專用收割臺[18]。

圖12 美國約翰迪爾7400裝備意大利Biopoplar收割裝置

New Holland130 FB進行樹木的切割和粉碎并由拖拉機掛車跟隨收集如圖13所示。

圖13 New Holland 130FB

SAVIOE P設計的收獲裝置如圖14所示，該款裝置配備224 kW的Fendt 936拖拉機。為了滿足不同的切碎長度，切刀數量可調，最多可裝12把切刀，切割采用圓盤鋸的形式，2個圓盤中心距500 mm，重疊量100 mm，每個鋸盤72齒，厚4.8 mm，轉速3 000 r/min[19]。

圖14 SAVOIE P設計的收獲裝置

(4)打捆收獲。灌木收獲打捆機是改良的自走式飼料收割機的替代產品，如圖15～16所示，用于切割和收集短周期木本作物。它的用途更廣，能夠在種植園、廢棄農田、灌木林地或森林下層收獲木本作物。

圖15 灌木收獲打捆機作業現場

圖16 固定式刀片

這款灌木收獲打捆機的工作流程：位于機器前方的固定式刀片切割直立莖稈，通過進料輥強制將壓扁的莖稈喂入壓縮室，莖稈在壓縮室被卷成螺旋形，形成1個直徑1.22 m、高度1.22 m的圓形捆包，捆包達到預設密度后，打捆機停機開始捆扎，捆扎完成后，后艙門打開，捆包被彈出并掉落到地面上[20]。

2.2 國內研究現狀

檸條在防風固沙、改良土壤和環境保護等方面起著重要作用，同時還可用作飼料、生物質能源和化工原料，其經濟、生態和社會效益明顯。隨著檸條種植面積迅速增加，檸條的機械化收獲成為了整個檸條產業鏈的重要環節而逐步受到重視。幾年來，國內的科研院所、高校專家設計出一些灌木收獲機械。

2.2.1以切割為主的灌木切割機

以切割為主的灌木切割機是灌木單工序收獲的主要機型，切割后將灌木留在地里，后續再收集。北京林業大學設計了5GZ-800型自行手扶式灌木平茬機，可在15 cm范圍內手動調節，以適應灌木生長復雜地形，控制平茬高度。該機具在奈曼旗興隆昭林場完成田間試驗。經過觀察，連續作業后，不會對表層沙地造成破壞[21]。中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院研制了自走式多功能灌木平茬收割機，基于輪式挖掘機自走式底盤，經過結構改進，在駕駛室前方安裝圓盤式切割臺，通過鉸接式車體結構，實現割臺扇面扭腰式擺動切割[9]。

2.2.2多功能自走式灌木聯合收獲機

4MG-200型灌木聯合收獲機是中國農業機械化科學研究院生物質能研究所在棉稈收獲機的基礎上設計制造的，在山西進行了檸條聯合收獲試驗，如圖17所示。切割裝置是雙鋸齒形圓盤，螺旋滾筒和浮動齒輥組成喂入機構，粉碎機構采用錘片式結構。該機配套動力64 kW，切割圓盤線速度42 m/s，行走速度3～6 km/h。試驗表明，該機對于生物量較小的檸條有良好的收獲效果。該機也可由輪胎改變為履帶式，并且可根據客戶要求加裝打捆裝置[6]。

圖17 4MG-200型灌木聯合收獲機

蒙翔4G-2型灌木收獲機是多功能的自走式灌木收獲機，可一次性完成切割、輸送、粉碎、拋送、收集和自動卸料作業。該機切割器由上下2個圓盤夾持固定4個錘片式甩刀組成，圓盤直徑860 mm，錘片寬度70 mm，厚度10 mm，線速度可達65 m/s，發動機功率55 kW。經生產試驗，對于直徑較細的檸條收割，該機基本能滿足作業要求[22]。

中機美諾科技股份有限公司生產的大功率青貯飼料收獲機，同時對于檸條灌木也有較好的收獲效果。該聯合收獲機配套動力190 kW，切割器采用4個直徑400 mm的小鋸齒圓盤組成，可實現0～18 km/h無級變速。2013年12月，在山西省進行了檸條收獲作業試驗，試驗表明該機能一次性完成檸條的收獲、粉碎和拋送等工序，滿足檸條的收獲作業要求[23]。

河北宗申戈梅利4GM-260型灌木收獲機如圖18所示。該機效率高、平茬效果好、切碎均勻、漏收率低，可實現檸條等多種類型灌木收割，可一次性完成灌木的平茬、喂入輸送、切碎和拋送。采用雙轉盤灌木專用刀片，檸條收割適應性強，可實現灌木無損收割，切割質量較好。浮動式攪龍設計可以滿足較大喂入量，不易發生堵塞。2019年在山西進行收割試驗，基本能滿足檸條的收獲作業，平茬效果良好，且效率較高。

圖18 4GM-260型灌木收獲機

3 機械化收獲裝備發展趨勢

目前，我國檸條灌木機械化收獲發展正處于高速、關鍵時期，對檸條資源越來越重視。隨著收獲機械裝備和技術的發展，檸條灌木收獲機械迎來了新的發展機遇，從機械化收獲的源頭，根據農藝要求平整種植地，規范行距和間距。檸條灌木機械化收獲發展趨勢將向切割裝置專業化、速度匹配智能化、收獲技術集成化和高新技術融合化等方面發展。

3.1 切割裝置專業化

現有檸條聯合收獲機切割裝置多數采用圓盤式，堵塞是檸條收獲急需解決的問題。研制高性能專用檸條收獲裝備，切割裝置是關鍵部件，現有檸條收割裝置是在參考圓盤式收割裝置基礎上制造。檸條物理特性和生物學特性不同于其他作物，其收割高度和切割斷面要求特殊，因此研究檸條高效專用收割裝置十分必要。切割刀具是切割裝置的重要部件，刀具的刃口曲線是影響專用切割裝置性能的關鍵因素。

3.2 速度匹配智能化

切割斷面直接影響檸條切割后的返青率，影響斷面質量的重要因素包括機具行走速度和割刀運轉速度，以及兩者之間的匹配關系。中國農業機械化科學研究院研發的4GM-200A型自走式檸條聯合收獲機在試驗優化作業參數的過程中發現，以60 m/s的鋸片線速度配合3～5 km/h的機器行走速度最佳。山西省農業機械發展中心和中國農業機械化科學研究院生物質能研究所共同研制的4LN-2000型自走式檸條聯合收獲機，采用了基于DSP的滿負荷喂入與行走速度匹配的智能化控制技術，大幅提升作業效率和質量，速度的智能化匹配將成為檸條聯合收獲技術的發展趨勢[24-25]。

3.3 收獲技術集成化

檸條灌木單工序機械化收獲已趨于成熟，進行技術整合，形成成熟、可靠的檸條聯合收獲裝備，已經成為檸條灌木收獲發展的主流趨勢。在整機方面，應吸收國內外現有及最新機型技術特點，從底盤、切割裝置、輸送喂入裝置、粉碎裝置、拋送收集裝置及壓縮成型裝置等方面綜合考慮，研發功能完善、操作方便的檸條聯合收獲裝備成為目前的迫切需求。

3.4 高新技術融合化

隨著信息技術的發展，自動化、智能化技術將不斷應用于農機行業。金屬和石塊探測技術、機具側翻預警技術、故障檢測技術、智能控制技術及GPS定位技術等技術的融合，將成為未來檸條灌木機械化收獲裝備的發展趨勢。

4 結束語

隨著對檸條資源的不斷重視，檸條產業迅速發展，檸條機械化收獲問題成為制約檸條產業發展的瓶頸，發展檸條灌木收獲機械化，提高檸條機械化收獲關鍵技術水平，發展機械化聯合收獲裝備，強化檸條收獲作業規范，保證檸條機械化作業質量，對于節約人工成本，保護生態環境，發展檸條產業有重大意義。