國內(nèi)外秸稈打捆機(jī)械研究現(xiàn)狀與展望

朱奕庚，姚林曉，古冬冬，張 瑩，楊 杰

(1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，鄭州 451450；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450000)

0 引言

我國的秸稈資源總量十分豐富，年產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量20%～30%。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年中國農(nóng)作物秸稈可收集資源總量達(dá)到8.27億t，其中，小麥、水稻、玉米三大糧食作物秸稈資源量分別為14.7 億，19.1 億，37.2億t，合計(jì)占全國秸稈資源總量的84.8%[1]。

目前，我國大部分地區(qū)的秸稈綜合利用率較低，為了方便處理秸稈，主要采用秸稈粉碎還田的處理方法，但秸稈還田后導(dǎo)致土壤碳氮比失衡、后茬作物出苗質(zhì)量差，進(jìn)而影響產(chǎn)量；部分秸稈進(jìn)行露天焚燒，導(dǎo)致空氣污染嚴(yán)重，嚴(yán)重影響周圍居民的身體健康，且存在一定的安全隱患，因此改善對秸稈的處理方法十分必要[2]。秸稈作為可再生資源，通過合理利用會(huì)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3-4]。

為了減少秸稈還田、秸稈焚燒所帶來的危害，可將秸稈集中回收并應(yīng)用于多種行業(yè)，提高秸稈利用率。前提是需要將秸稈資源合理地收集起來，由于秸稈物料松散，需對其進(jìn)行壓實(shí)打捆，否則很難完成對秸稈的高效收集、貯藏、運(yùn)輸[5-7]。因此，需結(jié)合我國的具體情況設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、功能齊全、高效穩(wěn)定的秸稈打捆機(jī)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

秸稈打捆機(jī)是收集秸稈的必要裝備，其功能是通過機(jī)械部件將地上的秸稈撿拾粉碎，通過壓捆室進(jìn)行擠壓，使其具有較高的密度，方便運(yùn)輸與儲(chǔ)存。根據(jù)草捆不同形狀，可分為圓捆打捆機(jī)、方捆打捆機(jī)；其中為了方便運(yùn)輸，又將方捆打捆機(jī)所成捆的大小分為小方捆、大方捆兩類，按照機(jī)械配套形式的不同，可分為牽引式打捆機(jī)、自走式打捆機(jī)[8]。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對打捆機(jī)的研究較早，距今已有200多年的歷史。1958年，美國人羅托-巴勒研制出圓捆打捆機(jī)，可將秸稈壓縮成重量約18～45 kg的捆，至今有些地方仍在使用該打捆機(jī)；1870年，美國人迪德里克發(fā)明了第一臺(tái)固定式方草捆打捆機(jī)；20世紀(jì)中期，由于國外的人力資源稀缺，持續(xù)加強(qiáng)新型打捆機(jī)研制，從而提高秸稈處理效率，使農(nóng)業(yè)秸稈利用率提升近一倍。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化，1980年以后，歐美農(nóng)機(jī)企業(yè)開始研發(fā)功能多樣化、智能化、節(jié)能高效的打包機(jī)。國外發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的打捆機(jī)性能穩(wěn)定，種類齊全，可以應(yīng)對不同的工作環(huán)境，主要生產(chǎn)廠家有約翰迪爾、庫恩、科樂收、紐荷蘭等。

紐荷蘭公司生產(chǎn)的BC5000系列打捆機(jī)是世界范圍產(chǎn)量最多的小方捆打捆機(jī)，該系列共有BC5050、BC5060、BC5070、BC5080四款，已累計(jì)生產(chǎn)80萬余臺(tái)，在市場上有很高的占有率[9-13]，BC5000系列打捆機(jī)可靠性高，喂入順暢，可應(yīng)對多種環(huán)境作業(yè)，打捆柱塞軸承的維護(hù)與保養(yǎng)更加方便，打出的草捆捆型規(guī)則，方便撿拾與堆垛。其生產(chǎn)的大方捆打捆機(jī)已立足市場30余年，如圖1所示的BIGBALER1270Plus打捆機(jī)，針對不同的農(nóng)作物都能高效穩(wěn)定地完成打捆作業(yè)，同時(shí)采用紐荷蘭專利設(shè)計(jì)LoopMaster環(huán)形打結(jié)器，可以獲得更加強(qiáng)韌堅(jiān)固的草捆，減少了捆繩末端打結(jié)時(shí)的浪費(fèi)，打捆速度最高可達(dá)110捆·h-1。

圖1 紐荷蘭BIGBALER1270Plus大方捆打捆機(jī)

QUADRANT5300方捆機(jī)(圖2)是德國科樂收公司生產(chǎn)的一款可以在多種環(huán)境下工作的智能大型方捆打捆機(jī)，該打捆機(jī)裝配了最新款的撿拾臺(tái)(圖3)，采用五行撿拾彈齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，撿拾更加高效穩(wěn)定。另外該打捆機(jī)采用了新型Cormick打結(jié)器，當(dāng)打節(jié)器大針做完一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后，會(huì)形成雙環(huán)繩結(jié)，繩結(jié)強(qiáng)度高；有效降低捆繩的消耗；地面及草捆上沒有捆繩殘余，保證了打結(jié)器工作的可靠性[14]。喂入系統(tǒng)配備了可連接預(yù)壓室，其作用為當(dāng)預(yù)壓室內(nèi)的傳感裝置受到的壓力達(dá)到規(guī)定值時(shí)，會(huì)自動(dòng)增大撥草叉的動(dòng)作幅度，將秸稈送進(jìn)打捆室，隨后在壓捆室的不斷擠壓下，便可根據(jù)預(yù)定值形成一個(gè)相應(yīng)的草捆，預(yù)處理室可從駕駛室進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 QUADRANT5300打捆機(jī)圖

圖3 QUADRANT5300打捆機(jī)撿拾臺(tái)

約翰迪爾公司生產(chǎn)的L341大型方捆機(jī)(圖4)采用了車載液壓密度控制技術(shù)，根據(jù)作業(yè)水分含量的不同，可在不改變草捆密度的情況下進(jìn)行監(jiān)測調(diào)整液壓系統(tǒng)氣缸對打捆倉的壓力[15-16]。該打捆機(jī)具有BalarAssit系統(tǒng)，即可通過駕駛室內(nèi)的顯示屏或者遙控鑰匙對動(dòng)力輸入系統(tǒng)進(jìn)行正反裝調(diào)節(jié)，正反方向具有兩擋速度可供選擇，一人即可輕松進(jìn)行排堵、維保、故障維修。該打捆機(jī)采用電子打結(jié)技術(shù)(圖5)，可以在駕駛室內(nèi)調(diào)整方捆長度，提高了草捆長度的精確性與一致性，減少了維護(hù)難度。

圖4 約翰迪爾L341大型方捆機(jī)

圖5 電子打結(jié)器

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對打捆機(jī)的研究起步較晚，且發(fā)展速度較慢，20世紀(jì)60年代引進(jìn)國外的小型打捆機(jī)，開始了對打捆機(jī)的研究；20世紀(jì)80年代我國仿制出國外的小型打捆機(jī)，投入國內(nèi)市場[17]。通過對引進(jìn)的打捆機(jī)進(jìn)行技術(shù)學(xué)習(xí)，對部分打捆機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，使產(chǎn)品性能不斷提高。我國的打捆機(jī)產(chǎn)品以中小型為主，主要機(jī)型為小型牽引式方捆打捆機(jī)，部分高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口[18-19]。

通過不斷對國外先進(jìn)打捆機(jī)技術(shù)的學(xué)習(xí)與研究，并結(jié)合我國作物種植與土地的特點(diǎn)及種植戶對打捆機(jī)的需求與使用反饋，逐漸研發(fā)出適合我國行情的秸稈打捆機(jī)，目前，我國打捆機(jī)主要生產(chǎn)制造企業(yè)有中聯(lián)重科、福田雷沃、星光玉龍等[20]。

2016年湖北星光玉龍公司研制的9YFL-1.9型履帶自走式方草捆打捆機(jī)(圖6)采用前置撿拾裝置及壓草結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有撿拾干凈、秸稈無二次碾壓、秸稈喂入效果好、工作效率高等特點(diǎn)；采用了柔性側(cè)面皮帶輸入，傳動(dòng)故障率低，可實(shí)現(xiàn)無級變速，田塊適應(yīng)范圍廣。

圖6 9YFL-1.9型履帶自走式方草捆打捆機(jī)

上海世爾達(dá)公司生產(chǎn)的9YFQ-2.3Z型正牽引方草捆打捆機(jī)(圖7)可以處理多種作物秸稈。該打捆機(jī)采用單向摩擦離合器，具有三重保險(xiǎn)螺栓，可以有效防止機(jī)器超負(fù)荷工作，對關(guān)鍵部件起到過載保護(hù)作用；撿拾寬度增至227 cm，提高了工作效率；可通過彈簧或手柄調(diào)節(jié)草捆密實(shí)度，壓緊效果好，捆型規(guī)則，方便撿拾與堆垛。同時(shí)該機(jī)采用了大角度廣角傳動(dòng)的聯(lián)軸器，打捆機(jī)可以在較窄的范圍內(nèi)完成轉(zhuǎn)向，可以在小田塊的環(huán)境下完成作業(yè)。

圖7 世達(dá)爾9YFQ-2.3Z型正牽引方草捆打捆機(jī)

雷沃公司生產(chǎn)的MF6045打捆機(jī)(圖8)采用德國進(jìn)口RS6003重型打結(jié)器，裝配了打結(jié)器除塵裝置，提高了打結(jié)可靠性，可滿足復(fù)雜工況作業(yè)需求;主傳動(dòng)采用組合式9簧離合器、雙排鏈輪、雙鏈條結(jié)構(gòu)傳動(dòng)，應(yīng)對硬茬作物仍然可以有效完成打捆處理；裝配雙輥粉碎機(jī)構(gòu)，對秸稈進(jìn)行二次破碎，使秸稈更細(xì)化，不需要對秸稈二次加工即可達(dá)到飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)該機(jī)在只更換撿拾裝置的情況下即可完成對牧草等軟秸稈的作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

圖8 雷沃MF6045打捆機(jī)

雖然我國生產(chǎn)的打捆機(jī)與國外的產(chǎn)品在功能上比較接近，但是我國主要以仿制國外的打捆機(jī)為主，關(guān)鍵技術(shù)的研究并不成熟，因此國產(chǎn)打捆機(jī)的工作性能仍存在不足，打捆成捆率、草捆密實(shí)度、繩結(jié)強(qiáng)度、可靠性等方面仍與國外打捆機(jī)存在很大差距。打結(jié)器等關(guān)鍵技術(shù)的部件依賴進(jìn)口，打出的草捆質(zhì)量不理想，直接導(dǎo)致了秸稈、草料壓捆時(shí)的密實(shí)度、尺寸與設(shè)定值存在偏差、散捆率較高。

2 發(fā)展趨勢

近年來，國家將糧食、經(jīng)濟(jì)作物的二元結(jié)構(gòu)調(diào)整為糧食、經(jīng)濟(jì)、飼料作物的三元結(jié)構(gòu)，加上秸稈等替代性飼料資源的需求不斷增加，現(xiàn)在焚燒秸稈與秸稈還田成為了秸稈的主要處理方式，對資源環(huán)境帶來了很大的污染，造成了資源浪費(fèi)。我國開始加大對打捆機(jī)研發(fā)的扶持力度，并將打捆機(jī)列入農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼項(xiàng)目，打捆機(jī)的發(fā)展也隨之迎來了契機(jī)。

1)我國田間地形多變且山地較多，小型打捆機(jī)仍占據(jù)一定的市場地位。因此，提高小型打捆機(jī)的適應(yīng)性、可靠性、工作效率等性能是未來的一個(gè)發(fā)展方向。

2)自然環(huán)境的不斷惡化及國家對環(huán)境的重視程度越來越高，打捆機(jī)在工作及草捆運(yùn)輸過程中對環(huán)境的影響也需要得到改善，打捆機(jī)械會(huì)向著提高撿拾、粉碎及打捆防塵效果，提高草捆密度的方向發(fā)展。

3)隨著社會(huì)的進(jìn)步，為能實(shí)現(xiàn)機(jī)械的自我故障檢測、維護(hù)、數(shù)據(jù)分析等智能化功能，對機(jī)械的工作性能、操作方式等方面要求也越來越高，因此我國打捆機(jī)應(yīng)向智能化方向發(fā)展。

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