王玨 楊欣 王建合張璞

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2、河北省農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)總站

河北省棉柴機(jī)械化處理技術(shù)發(fā)展建議

王玨1楊欣1王建合2張璞1

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2、河北省農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)總站

棉柴收獲處理技術(shù)是棉花全程機(jī)械化的重要組成部分。本文分析了棉柴及根系的生物學(xué)特性和最佳收獲季節(jié)，綜述了棉柴機(jī)械化收獲處理技術(shù)研究現(xiàn)狀及機(jī)具種類和特點(diǎn)，提出河北省棉柴收獲處理技術(shù)的發(fā)展建議，為推動(dòng)本地棉花全程機(jī)械化發(fā)展提供了參考思路。

棉柴；處理技術(shù)；機(jī)械化

引言

河北省是我國(guó)棉花優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，在全國(guó)占有十分重要的地位。自2000年后，全省10萬(wàn)畝以上的植棉大縣達(dá)到87.5%，種植面積在550khm2以上，占全國(guó)棉花種植面積的10%[1-4]。但近幾年來(lái)，河北省棉花種植面積呈下降趨勢(shì)[5-7]。2013年，河北省棉花種植面積為480khm2，比上一年年同比下降16.5%[8,9]；2014～2015年，河北省棉花種植面積約保持在367 khm2[8,10]。造成棉花種植面積減少的重要原因之一是棉花種、管、收等主要靠人工作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度極大，產(chǎn)出效率過(guò)低，植棉效益不高[6,11]。

棉柴是一種重要的可再生生物質(zhì)能源，可通過(guò)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)變成木炭、可燃?xì)怏w或電力等能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每噸棉柴可產(chǎn)木炭300kg、木焦油24 kg、木醋油220kg。棉柴發(fā)電燃燒后的草木灰是高品質(zhì)的鉀肥，棉柴還是造紙、人造板等的優(yōu)質(zhì)原料。棉柴回收處理是棉農(nóng)增收的一條重要途徑，但由于棉柴產(chǎn)量大、收儲(chǔ)季節(jié)性強(qiáng)，河北省棉區(qū)大部分棉柴被隨意丟棄，造成秸稈資源巨大浪費(fèi)，甚至焚燒污染環(huán)境。我國(guó)在20世紀(jì)60年代中期就開(kāi)始研制棉柴收獲機(jī)械，80年代至90年代得到較快發(fā)展。河北省棉區(qū)的種植農(nóng)藝和模式差異較大，棉柴收獲機(jī)械未能很好應(yīng)用，多數(shù)農(nóng)戶仍采用人工收獲，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。本文綜述分析棉柴機(jī)械化處理技術(shù)種類，以期為河北省棉柴機(jī)械化處理提供發(fā)展思路。

1 棉柴特性分析

1.1 棉花根系狀況

棉花屬直根系作物，分為主根和側(cè)根，側(cè)根又生長(zhǎng)支根，如圖1所示。大部分的根系分布在耕作層內(nèi)，在土壤養(yǎng)分、水分和土質(zhì)合適的情況下，根系生長(zhǎng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，主根可深入土層達(dá)2m左右，側(cè)根長(zhǎng)度可達(dá)1m以上。

圖1 棉花根系分布

1.2 棉柴最佳收獲期

棉柴一到立冬就應(yīng)開(kāi)始收獲，大雪以前應(yīng)收獲完畢，較理想的收獲期只有一個(gè)月左右。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，棉花到霜降后，葉子枯萎脫落，但棉稈、棉花根部還未死，棉稈外皮水分大，有粘液，此時(shí)的剪切強(qiáng)度和所需剪切功均比較大，此時(shí)收棉稈，會(huì)使動(dòng)力機(jī)構(gòu)的負(fù)荷比較大。到立冬以后，棉稈、棉花根部都已經(jīng)死亡，此時(shí)棉稈外干里濕，既不打滑，又有較大的韌性，屬于容易收獲時(shí)期。此時(shí)的剪切強(qiáng)度和所需剪切功均較低。如果過(guò)了大雪，此時(shí)棉稈已干透，棉稈脆性增大，很容易折斷，而且由于土地封凍，給收獲也帶來(lái)了很多不便。為了把棉稈在短短的一個(gè)月左右的收獲期內(nèi)適時(shí)收獲完全，并減少剪切棉桿所需要做的功，必須選擇合適的收獲棉稈的有利時(shí)機(jī)。試驗(yàn)表明，最佳收獲棉柴的時(shí)間為12月中下旬一個(gè)月內(nèi)收獲，可以節(jié)省16.4%的剪切功[12]。

2 棉柴處理技術(shù)

棉柴收獲處理方式主要有兩種：一種是待秋收后將棉稈就地粉碎還田，這種方式主要應(yīng)用于以美國(guó)為代表的國(guó)家；另一種是以棉稈收獲為主，代表國(guó)家有蘇丹、俄羅斯等[13]。河北省棉柴收獲目前也基本采用這兩種方式，下面分別進(jìn)行介紹。

2.1 棉柴粉碎還田

該類機(jī)具包括水平刀盤式、垂直刀盤式、滾刀式和甩刀式棉柴切（粉）碎機(jī)等。

2.1.1 水平刀盤式

圖2 4JQS-180型棉柴莖桿切碎還田機(jī)

目前生產(chǎn)中使用的主要機(jī)型為拖拉機(jī)后懸掛式機(jī)具，由機(jī)架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割裝置等部分組成，如圖2所示。機(jī)架采用整體式結(jié)構(gòu)，滑板仿形，并配有超越離合器。切割裝置是其主要工作部件，采用雙刀盤水平配置，由拖拉機(jī)輸出軸驅(qū)動(dòng)。

工作過(guò)程：當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)時(shí)，莖桿喂入機(jī)殼，刀盤在動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀盤與定刀的互相作用下，莖桿被不斷地切割粉碎，并均勻地拋撒在機(jī)具后方。

2.1.2 垂直刀盤式

圖3 垂直刀盤式秸稈粉碎還田及回收多功能機(jī)

垂直刀盤式秸稈粉碎后輸送型還田機(jī)由新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所針對(duì)棉花產(chǎn)區(qū)殘膜回收及秸稈粉碎還田專門研發(fā)，與中型輪式拖拉機(jī)后懸掛配套作業(yè)。該機(jī)是一種成本低、功耗相對(duì)較大、適合粉碎多種作物秸稈，可實(shí)現(xiàn)秸稈粉碎還田又可回收秸稈的多功能機(jī)，如圖3所示。主要是由機(jī)架、粉碎輥刀、機(jī)殼、仿形地輪、回收送料斗、還田送料斗等組成。粉碎輥刀軸支承在機(jī)殼兩側(cè)，由機(jī)殼外的傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。粉碎輥刀由中空軸及連接在該軸上的18～22個(gè)刀頭構(gòu)成，刀頭為“J”形刀片，機(jī)殼上設(shè)置有數(shù)排對(duì)應(yīng)的定刀。機(jī)殼兩側(cè)還裝有仿形地輪，在機(jī)殼上部裝有回收送料斗或還田送料斗。該機(jī)利用刀片的切割力和刀片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)力拋出秸稈，將切碎的秸稈送到裝料車上。也可以更換部件，直接作為秸稈還田機(jī)使用，做到一機(jī)多用。

2.1.3 甩刀式

新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，針對(duì)棉花產(chǎn)區(qū)殘膜回收及秸稈粉碎還田專門研發(fā)了甩刀式秸稈粉碎后拋送型還田及回收多功能機(jī)，如圖4所示，與拖拉機(jī)后懸掛配套作業(yè)。該機(jī)采用水平滾刀輥對(duì)秸稈進(jìn)行有支撐切割，并輸送到后部的絞籠中，橫向布置的絞籠將秸稈側(cè)向輸送至粉碎機(jī)中，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的橫置多頭刀將碎后秸稈拋向后方。該機(jī)特點(diǎn)是工作效率高，使用方便可靠，與現(xiàn)有技術(shù)相比，連接方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、節(jié)能降耗。

圖4 甩刀式秸稈粉碎后拋送型還田及回收多功能機(jī)

2.2 棉柴收獲機(jī)械

目前，河北省應(yīng)用的棉柴收獲機(jī)按收獲原理大致可分為：鏟切式和提拔式以及將兩者結(jié)合在一起的刀輥式3種形式。按照起拔部件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分,則有鋤鏟式、拔輥式、刀輥式、圓盤式、齒盤式等多種形式。

2.2.1 鋤鏟式

鋤鏟式一般采用鏟切拔原理，工作時(shí)利用“V”型雙翼鋤鏟深入土壤下100mm左右，在動(dòng)力（一般為拖拉機(jī)）牽引下將棉根鏟斷或連根拔起，并且向上拖拽棉柴，棉柴被拔起后耬耙隨之將其收集成堆。此收獲方式原理簡(jiǎn)單，機(jī)構(gòu)制造成本低廉且使用方便，對(duì)棉柴行距適應(yīng)性強(qiáng)。不足之處為由于鋤鏟入土造成動(dòng)力消耗較大，棉柴收集不整齊不利于運(yùn)輸，鏟切深度達(dá)不到棉根深度時(shí)，部分棉根被鏟斷留在土里，不易腐爛且傳播病蟲(chóng)害于田間[14]。

2.2.2 拔輥式

拔輥式機(jī)械的工作過(guò)程為：機(jī)具前行，棉柴遇到兩高速反向旋轉(zhuǎn)的拔輥時(shí)被夾住，機(jī)具繼續(xù)前行，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的拔輥產(chǎn)生斜向上的提拔力，被夾持的棉柴即被拔輥從土壤中連根拔出。部分機(jī)械設(shè)有輸送裝置，可將拔出的棉柴從機(jī)組側(cè)面送出，成條狀有序鋪放到地面。此起拔方式不足之處為原理、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且制造成本高，起拔機(jī)械唯有對(duì)行才能工作，對(duì)棉柴行距和播種整齊度要求較高。優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力消耗少，由于對(duì)棉柴采用單根起拔，所以殘留棉根較少，棉稈鋪放整齊[15]。提拔式收獲機(jī)械的起拔機(jī)構(gòu)多采用拔輥、鏈條、圓盤、連桿或齒盤等結(jié)構(gòu)。拔輥式起拔機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多，其拔輥有半圓柱型、圓錐(圓臺(tái))型、圓錐圓柱復(fù)合型3種，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 拔輥式起拔機(jī)構(gòu)示意圖

半圓柱形拔輥每對(duì)拔輥由4個(gè)半圓柱輥組成，為了增加拔輥與棉柴之間的摩擦力，在拔輥的圓周面上加工出縱橫交錯(cuò)的溝槽，減少了起拔時(shí)由于打滑造成的棉稈漏拔現(xiàn)象。拔輥每轉(zhuǎn)1周，棉稈前半周喂入后半周起拔。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于起拔連續(xù)，夾持和起拔性好，不足之處為喂入斷續(xù)、喂入性差；圓錐型拔輥兩輥水平安裝，自然形成喂入角，其優(yōu)點(diǎn)是喂入連續(xù)，不足之處為遇到細(xì)直且根長(zhǎng)的棉柴時(shí)，會(huì)出現(xiàn)由于起拔不連續(xù)、不充分而造成的棉柴漏拔或堵塞倒伏現(xiàn)象；錐柱復(fù)合型拔輥兼具前兩者優(yōu)點(diǎn)，喂入起拔連續(xù)，起拔效果較好[15]。

2.2.3 刀輥式

刀輥式收獲機(jī)械工作原理為鏟切式和提拔式兩者的結(jié)合，同樣采用旋轉(zhuǎn)刀輥?zhàn)鳛槭斋@部件進(jìn)行作業(yè)。工作時(shí)，機(jī)架前進(jìn)的同時(shí)，刀輥逆向旋轉(zhuǎn)切入棉柴根部將棉根鏟斷，將棉柴從地下提拔至地表。由于刀輥為通軸刨刀，作業(yè)寬度在整個(gè)機(jī)具范圍內(nèi)，所以無(wú)需考慮棉柴行距，克服了拔輥式等受棉柴行距及直線度限制的缺點(diǎn)，工作效率高且適應(yīng)性強(qiáng)[16]。

2.2.4 圓盤式

圓盤式收獲機(jī)械采用提拔式工作原理，起拔部件為一對(duì)成一定夾角配置的兩個(gè)圓盤，在兩盤的軸向橫斷面上有一夾持點(diǎn)，夾持點(diǎn)處存在一定的夾持間隙，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 圓盤式起拔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)滾動(dòng)的圓盤隨機(jī)具沿棉柴前行時(shí)，棉柴通過(guò)兩盤形成的夾持點(diǎn)被夾持，隨著盤的滾動(dòng)向前，棉柴被拔起并拋向機(jī)具行進(jìn)后方[17]。

2.2.5 齒盤式

圖7 齒盤式起拔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

齒盤式起拔機(jī)構(gòu)的起拔部件為兩個(gè)開(kāi)有齒槽的圓盤，常用的齒形有鋸形齒、梯形齒、矩形齒等，其工作過(guò)程如圖7所示。兩個(gè)齒盤并行安裝，在其前方中部裝有扶禾器。作業(yè)時(shí)，反方向旋轉(zhuǎn)的兩齒盤切入棉柴根部并與扶禾器擠壓，將棉柴拔起并拋送至機(jī)具后方由收鋪器將棉柴收集成堆[18]。

3 河北省棉柴處理建議

3.1 棉柴機(jī)械化收獲

近年來(lái)，對(duì)棉花秸稈的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的深入研究為棉稈資源的開(kāi)發(fā)和利用提供了重要的理論依據(jù)。秸稈還田能疏松土壤，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和理化性能，增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量。但由于河北省棉花種植區(qū)，種植相對(duì)密集、棉稈植株高大、莖稈木質(zhì)化程度高，棉稈尤其是根系留在土壤里不易腐爛，對(duì)后茬作物生長(zhǎng)不利，容易造成病蟲(chóng)害傳播，因此河北省傾向于棉柴收獲。由于棉柴是一種重要的可再生生物質(zhì)能源，價(jià)值頗高，通過(guò)收獲棉柴是棉農(nóng)創(chuàng)收的一條重要途徑，是解決目前河北省棉花種植面積縮減的有力手段。

3.2 研發(fā)新型棉柴收獲機(jī)械

河北省棉花種植種類多，加上各地自然條件和種植模式也各不相同，棉柴的長(zhǎng)勢(shì)有高有低，有粗有細(xì)，枝杈的長(zhǎng)短多少也有不同，所以對(duì)棉柴收獲機(jī)械的農(nóng)藝要求也千差萬(wàn)別，這就要求棉柴收獲機(jī)械的功能、質(zhì)量、工作部件及行走裝置等能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)藝要求。目前，我國(guó)棉柴收獲存在基礎(chǔ)理論研究不夠深入，現(xiàn)有棉柴收獲機(jī)存在效率低下、漏拔率和拔斷率高等問(wèn)題。結(jié)合當(dāng)前河北省棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化形式，棉花種植模式向機(jī)采棉種植模式發(fā)展[19]，迫切需要發(fā)展收獲效率高、性能可靠并且針對(duì)機(jī)采棉棉柴收獲機(jī)械和技術(shù)，如研發(fā)棉柴收獲揉碎打捆一體機(jī)等，配套研發(fā)收獲后進(jìn)一步加工處理機(jī)械裝備，如粉碎壓塊機(jī)等?？傊?，棉柴收獲處理技術(shù)及機(jī)械裝備需要成套匹配，形成棉柴綜合處理產(chǎn)業(yè)鏈。

4 結(jié)束語(yǔ)

棉柴收獲處理技術(shù)是棉花全程機(jī)械化的重要組成部分，根據(jù)棉柴根系的生物學(xué)特性，河北省棉柴收獲的最佳時(shí)間為12月中下旬一個(gè)月內(nèi)收獲。棉花機(jī)械化處理機(jī)械主要包括棉柴粉碎還田機(jī)械和棉柴收獲機(jī)械，其中粉碎還田機(jī)械主要有水平刀盤式、垂直刀盤式和甩刀式，棉柴收獲機(jī)械主要有鋤鏟式、拔輥式、刀輥式、圓盤式、齒盤式等類型。根據(jù)棉田種植模式可以選擇合適的機(jī)型進(jìn)行棉柴收獲。為了推薦棉花全程機(jī)械化技術(shù)發(fā)展，河北省棉花種植模式需要進(jìn)一步改進(jìn)，按照機(jī)采棉行距統(tǒng)一種植，研發(fā)收獲效率高、性能可靠、針對(duì)機(jī)采棉棉柴收獲機(jī)械和技術(shù)，配套研發(fā)收獲后處理技術(shù)及裝備，形成棉柴綜合處理產(chǎn)業(yè)鏈。

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