周 楊，李顯旺，沈 成，田昆鵬，張 彬，黃繼承

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

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工業(yè)大麻機(jī)械化收割技術(shù)的研究

周 楊，李顯旺，沈 成，田昆鵬，張 彬，黃繼承

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

傳統(tǒng)麻類作物的收割方式一直是制約麻類作物發(fā)展的重要因素，機(jī)械化收割是麻類作物發(fā)展的重要方式。為此，通過(guò)調(diào)研檢索國(guó)內(nèi)外麻類機(jī)械的相關(guān)文獻(xiàn)資料，簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)外麻類作物機(jī)械化收割的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，并在系統(tǒng)地介紹和分析麻類作物收割機(jī)械的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹圓盤切割裝置的研究概況，闡述了國(guó)內(nèi)外麻類收割機(jī)械的所具有的優(yōu)勢(shì)和不足，提出了適合中國(guó)工業(yè)大麻機(jī)械化收割的建議。

工業(yè)大麻；收割技術(shù)；機(jī)械化； 圓盤切割裝置

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)大麻種植面積逐年遞增，根據(jù)國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃， 2020年左右，國(guó)內(nèi)工業(yè)大麻培育的面積預(yù)計(jì)可以達(dá)到66.7萬(wàn)hm2左右，平均每年可提供100萬(wàn)t左右的大麻纖維、500萬(wàn)t左右的木漿和20萬(wàn)t左右的高檔食用油，并且增收1 000億元，可以使300萬(wàn)貧困人口脫貧。然而，工業(yè)大麻收獲難的問(wèn)題限制了大麻產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。為了解決制約工業(yè)大麻快速產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問(wèn)題，推動(dòng)工業(yè)大麻的生產(chǎn)向質(zhì)量更好和效率更高的方向發(fā)展，研制大麻收割機(jī)勢(shì)在必行。工業(yè)大麻的多用途開(kāi)發(fā)與利用成為當(dāng)前大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)途徑，也是資源可持續(xù)發(fā)展的有效手段。工業(yè)大麻麻稈可用于造紙、制造活性炭；麻皮可用于紡織；麻花與麻葉可用于提取藥物，提取的藥物具有止血化淤、解毒等功效；大麻種子含蛋白質(zhì)20%～29%，脂肪30%～35%；麻根可以生產(chǎn)各類生物質(zhì)燃料。

目前，世界上栽培工業(yè)大麻的國(guó)家大約有30個(gè)，如圖1所示。其中，我國(guó)是世界上最大的工業(yè)大麻產(chǎn)品的進(jìn)出口國(guó)，近年來(lái)?yè)?jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，大麻的總種植面積幾乎減少了一半，世界范圍內(nèi)大麻的主要產(chǎn)地在中國(guó)、歐洲和加拿大[1]。大麻又稱漢麻、火麻，是我國(guó)最古老的經(jīng)濟(jì)作物之一，品種之多居世界第一位。大麻生存能力強(qiáng)、適應(yīng)性廣，我國(guó)多數(shù)省(區(qū))都具有適宜大麻的種植條件，以松嫩平原和黃淮海流域?yàn)橹?。我?guó)大麻的改良育種、種植技術(shù)已經(jīng)成熟，機(jī)械化剝麻技術(shù)也大幅提高，后期的機(jī)械化脫膠技術(shù)和纖維開(kāi)發(fā)利用技術(shù)更是處于國(guó)際領(lǐng)先水平。大麻作為一種可持續(xù)資源[2]，在工業(yè)大麻的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，只有機(jī)械化收割技術(shù)國(guó)內(nèi)尚處于空白的狀態(tài)。

圖1 根據(jù)MEUL(2007)世界大麻種植區(qū)域分布

因麻類作物收獲難的問(wèn)題，導(dǎo)致麻類主產(chǎn)區(qū)的種植面積逐年遞減，進(jìn)而產(chǎn)量也隨之減少，所以提高麻類作物種植機(jī)械化程度、改變種麻效益低的現(xiàn)狀成為當(dāng)前麻類作物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然途徑。

大麻的生長(zhǎng)期由于不同品種及播種期和栽培標(biāo)準(zhǔn)等有很大的差異。北部地區(qū)大麻的生育期短，南部大麻的生育期長(zhǎng)。大麻掌形葉，葉披針形，葉緣為鋸齒狀，平均一年一收[3]。工業(yè)大麻栽培簡(jiǎn)便，生長(zhǎng)快速，適應(yīng)能力強(qiáng)。根據(jù)地區(qū)生態(tài)條件和大麻品種特性，大麻植株差異很大，高度在120～500cm之間，莖粗在0. 6～4.5cm之間。傳統(tǒng)的大麻莖稈收割主要采用人工砍割或稻麥?zhǔn)崭顧C(jī)，但是傳統(tǒng)收獲方式使得大麻生產(chǎn)存在以下突出問(wèn)題：

1)由于大麻性狀特殊, 給大麻收獲機(jī)具研發(fā)帶來(lái)很大難度，麻類收獲機(jī)械很多是空白，只有一些剝制機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)大多直接采用稻麥?zhǔn)斋@機(jī)械進(jìn)行大麻收割，部分機(jī)具只在割曬機(jī)上加一排或二排輸送鏈進(jìn)行改裝，還沒(méi)有形成適合工業(yè)大麻收獲的核心技術(shù)。

2)農(nóng)村勞動(dòng)力大量向城市轉(zhuǎn)移，工業(yè)大麻生產(chǎn)所需要的勞動(dòng)生產(chǎn)力出現(xiàn)了嚴(yán)重短缺的情況。目前，大麻生產(chǎn)依舊采用原始傳統(tǒng)的耕作模式，作業(yè)環(huán)境條件惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大且作業(yè)技巧相對(duì)較難掌握。

3)大麻傳統(tǒng)收獲方式效率低、工期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益低，嚴(yán)重影響了麻紡等后續(xù)加工，也影響了大麻纖維產(chǎn)品的品質(zhì)及市場(chǎng)售價(jià)。

綜上所述，如何提升工業(yè)大麻收獲效率和切割質(zhì)量、降低勞動(dòng)成本，是繼續(xù)擴(kuò)大工業(yè)大麻種植規(guī)模以滿足大麻產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的關(guān)鍵，而提高大麻收獲效率關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)大麻機(jī)械化收割。切割器作為工業(yè)大麻機(jī)械化收獲的重要組成元器件之一，其性能是否優(yōu)良直接影響到收割機(jī)工作效果的發(fā)揮。

1 國(guó)內(nèi)外工業(yè)大麻機(jī)械化研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外大麻機(jī)械化研究概述

作物收割和剝制的質(zhì)量難以控制，不少技術(shù)在全世界范圍內(nèi)仍處于空白狀態(tài)，如劍麻與大麻的收獲機(jī)械[4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)麻類作物纖維剝制加工機(jī)械研究頗多，也有人對(duì)收獲模式進(jìn)行探討[5]，但對(duì)收獲機(jī)械的研究較少。其原因在于農(nóng)作物收獲機(jī)械是否適應(yīng)田地里復(fù)雜多變的狀況。麻類作物為纖維作物[6]，物料性狀本身具有其特殊性，工業(yè)大麻的生長(zhǎng)速度相對(duì)其他作物較快，生長(zhǎng)周期一般為2～3個(gè)月，植株高度約1.20～5m。其年產(chǎn)約7.5～22.5t/hm2纖維，是木材的3～4倍以上；韌皮纖維產(chǎn)量能達(dá)到4.5t/hm2左右，是亞麻的2倍，韌皮纖維的單纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)，約為1.5～3.5cm；莖稈粗長(zhǎng)短不一，細(xì)不均勻，且纖維長(zhǎng)而柔韌，麻骨較脆而易折斷。這些麻類作物自身具備的性狀都給機(jī)械的研制與開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大的困難。

有人對(duì)大麻化學(xué)成分及物理特性進(jìn)行了分析[7-12]。20世紀(jì)80年代，宋貽則等人對(duì)黃麻、紅麻進(jìn)行研究并設(shè)計(jì)了4GHM-12型收割機(jī)[13]；近些年來(lái)，黃繼承等人設(shè)計(jì)出了適合我國(guó)生產(chǎn)現(xiàn)狀的苧麻收獲4LMZ-160型履帶式收割機(jī)[14](見(jiàn)圖2)；并且有人對(duì)4LMZ-160苧麻收割機(jī)與農(nóng)藝的結(jié)合進(jìn)行了探討[15]，在某種程度上解決了收獲難的問(wèn)題。

國(guó)外機(jī)具技術(shù)水平相對(duì)較高，如德國(guó)CLASS公司設(shè)計(jì)的大麻收獲機(jī)(見(jiàn)圖3)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，且不適合我國(guó)農(nóng)藝的要求，很難在我國(guó)大范圍推廣使用。

圖2 4LMZ-160型履帶式苧麻聯(lián)合收割機(jī)

圖3 德國(guó)CLASS 4000系列大麻收獲機(jī)

1.2 國(guó)內(nèi)外大麻機(jī)械化研究概述

農(nóng)作物的切割形式以往復(fù)式和圓盤式割刀為主，往復(fù)式切割器多用于小麥、牧草等作物收獲；而圓盤式切割器主要用于粗莖稈作物的切割，如青飼料、大豆、蘆葦及甘蔗的收獲作業(yè)。圓盤式切割器在相關(guān)文獻(xiàn)中也稱為回轉(zhuǎn)式切割器、盤刀式切割器等。目前，對(duì)圓盤式切割的研究大多從滑切角理論、切割機(jī)理、切割器結(jié)構(gòu)和研究手段4個(gè)方面展開(kāi)。圓盤式切割器一般速度較高，適合高速作業(yè)。其慣性力較易平衡，振動(dòng)較??；但回轉(zhuǎn)半徑小，不適用于寬幅下切割農(nóng)作物，割刀的壽命也比較短，且損耗維修費(fèi)用較高。

薛忠等人介紹了圓盤式切割器在甘蔗收獲、玉米莖稈收獲理論與試驗(yàn)等方面的研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上對(duì)圓盤式切割器應(yīng)用前景給出了建議[16]。

李仲愷等人為了找到減少油菜收獲機(jī)損失量的方法，設(shè)計(jì)了一種圓盤式切割裝置并進(jìn)行試驗(yàn)研究。其運(yùn)用自制的自走式切割試驗(yàn)裝置，對(duì)影響切割功耗和落粒損失的切割速度、刀盤傾角及切割高度等進(jìn)行了多因素正交試驗(yàn)并得到了左右試驗(yàn)因素中的最優(yōu)因素組合[17]。

鄧玲黎等人研制開(kāi)發(fā)了回轉(zhuǎn)式玉米莖稈切割試驗(yàn)裝置，很好地模擬了玉米等莖稈作物的切割過(guò)程。同時(shí)，在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)影響玉米莖稈切割因素的主要參數(shù)進(jìn)行正交組合試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了定量描述切割時(shí)的阻力與切割時(shí)功耗的影響規(guī)律，為切割器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供理論依據(jù)[18]。

李玉道研制了用來(lái)模擬棉花秸稈在切割過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的的圓盤式切割試驗(yàn)臺(tái)，找出影響切割性能的切割傾角切割方式、切割速度、喂入輸送速度等因素的較優(yōu)組合，達(dá)到了降低切割功率的目的[19]。

張海龍等人開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出了一種回轉(zhuǎn)式牧草收割機(jī)，設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)割刀的運(yùn)動(dòng)軌跡及結(jié)構(gòu)參數(shù)分別進(jìn)行了具體詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)，顯著地提升了牧草被收割時(shí)的工作效率[20]。

劉兆朋根據(jù)等滑切角切割理論設(shè)計(jì)了等滑切角式圓盤切割裝置,并運(yùn)用有限元?jiǎng)討B(tài)分析仿真的方法研究了圓盤刀切割苧麻莖稈的切割運(yùn)動(dòng)機(jī)理,為苧麻莖稈切割的試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)[21]。

陳國(guó)晶等人利用設(shè)計(jì)的甘蔗莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)，建立并分析了在不同工作情況下的圓盤切割器的結(jié)構(gòu)因素及地面不平度所引起的劇烈振動(dòng)對(duì)工作性能指標(biāo)造成影響的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型。綜合優(yōu)化分析結(jié)構(gòu)因素后，優(yōu)化后的圓盤切割器的工作參數(shù)降低了甘蔗德破頭率，并在硬土和軟土的條件下使得圓盤切割器的切割質(zhì)量達(dá)到了較好工作水平[22]。同時(shí)，用ADAMS 進(jìn)行了圓盤切割器切割甘蔗莖稈過(guò)程中的仿真分析，通過(guò)觀察每一根甘蔗在被切割過(guò)程的甘蔗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)法中圖解法分析了這些因素對(duì)甘蔗破頭率的影響過(guò)程機(jī)理，最終得出頻率與振幅對(duì)甘蔗破頭率影響顯著的結(jié)論，進(jìn)而提出了圓盤切割器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮增加減振措施的意見(jiàn)[23]。

紀(jì)東偉等人通過(guò)甘蔗收割過(guò)程中的單圓盤刀切割過(guò)程不漏切割條件、單圓盤切割系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程及刀盤與甘蔗不接觸的一般條件式，并結(jié)合甘蔗收割過(guò)程的具體要求，建立了仿真分析試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型；并對(duì)切割過(guò)程不漏割的過(guò)程在 ADAMS 軟件中進(jìn)行了仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為甘蔗收割機(jī)圓盤切割系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了理論研究的依據(jù)[24]。

萬(wàn)其號(hào)設(shè)計(jì)了一種回轉(zhuǎn)式切割刀與現(xiàn)有回轉(zhuǎn)式鋸片的切割過(guò)程的對(duì)比試驗(yàn)，并建立了數(shù)學(xué)模型，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析優(yōu)化，為今后開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)割灌機(jī)的切割器研究了提供理論基礎(chǔ)和參考數(shù)據(jù)[25]。

向家偉等人根據(jù)小型甘蔗收割機(jī)的切割裝置一定要具備切割損失和切割功耗小的特征，建立數(shù)學(xué)模型，利用該數(shù)學(xué)模型對(duì)切割參數(shù)進(jìn)行了分析優(yōu)化，獲得了切割過(guò)程損失和切割功耗均較小的切割器的最佳切割參數(shù)組合，為甘蔗莖稈收割機(jī)切割裝置的開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)[26]。

楊堅(jiān)等人在室內(nèi)利用甘蔗莖稈切割綜合試驗(yàn)臺(tái)對(duì)影響甘蔗切割過(guò)程的影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)，建立了數(shù)學(xué)分析模型，分析研究了結(jié)構(gòu)因素和田間因素對(duì)甘蔗切割過(guò)程的影響機(jī)理[27]。

劉慶庭等人自己制作了單圓盤切割試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行了試驗(yàn)，采用高速攝像機(jī)延遲拍攝了莖稈在光刃切割刀的切割過(guò)程中的破壞過(guò)程，分析了切割速度和切割方式對(duì)各種破壞模式的影響[28]。

段天青開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了雙圓盤割草機(jī)，研究了圓盤式切割器切割牧草的效果，證明了其在各種極端情況下工作過(guò)程平穩(wěn)、生產(chǎn)率高[29]。

林茂等人模擬分析了甘蔗在不同含水率的土壤里的情況，對(duì)回轉(zhuǎn)刀甘蔗切割器切割甘蔗莖稈的影響因素在室內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)影響因素進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果使甘蔗破頭率降至 8.18%以下[30]。

鄧本榮對(duì)刀片進(jìn)刀量和滑切角的變化進(jìn)行分析后，指出圓盤切割主要以斜切的方式為主，可省力；其進(jìn)刀量呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，即切割時(shí)的阻力會(huì)呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)、使得工作比較平穩(wěn)，所以選擇外圓弧刃口刀片比較合理[31]。

孫永海采用計(jì)算機(jī)模擬、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的技術(shù)方案，通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)式切割器進(jìn)行試驗(yàn)分析研究，表明對(duì)大豆采用回轉(zhuǎn)式切割裝置切割的方案是可行的，切割時(shí)的阻力比較小，切割損失小[32]。

倪長(zhǎng)安對(duì)玉米莖稈采取幾種不同形式的回轉(zhuǎn)式切割器切割的過(guò)程進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，討論了參數(shù)對(duì)切割裝置工作性能的影響效果，并提供了回轉(zhuǎn)式切割裝置主要參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)[33]。

澳大利亞S．Kroes等人創(chuàng)建了雙圓盤割刀的數(shù)學(xué)理論的模型，并給出了不漏割及避免切割前刀盤刀刃與莖稈接觸的條件[34]。

1.3 圓盤切割裝置研究目標(biāo)

通過(guò)設(shè)計(jì)制作一種工業(yè)大麻圓盤式切割試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)影響切割性能的因素即刀片數(shù)量、刀片形式及刀盤轉(zhuǎn)速等進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析。通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，以工作性能指標(biāo)為依據(jù)尋求切割器結(jié)構(gòu)參數(shù)及切割運(yùn)動(dòng)參數(shù)最優(yōu)組合以達(dá)到切割功耗最小，為今后工業(yè)大麻收割機(jī)切割裝置的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1.4 圓盤切割裝置的主要研究?jī)?nèi)容

1)建立大麻莖稈的力學(xué)模型，對(duì)成熟期大麻莖稈機(jī)械物理特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定和分析。試驗(yàn)研究主要包括對(duì)木質(zhì)部、韌皮部和莖稈的剪切、拉伸、壓縮及彎曲的力學(xué)研究，獲得其楊氏彈性模量、剪切應(yīng)力、抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等物理力學(xué)特性參數(shù)。對(duì)采樣時(shí)間、含水率、取樣部位等影響大麻莖稈力學(xué)特性的因素進(jìn)行綜合分析，為切割裝置的研究設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

2)設(shè)計(jì)切割試驗(yàn)臺(tái)架的切割部件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工業(yè)大麻莖稈夾持機(jī)構(gòu)及喂入輸送機(jī)構(gòu)，并建立切割轉(zhuǎn)矩、喂入速度和切割速度的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)平臺(tái)。

3)進(jìn)行刀盤的設(shè)計(jì)，包括刀片的形式、刀片數(shù)量、刀片滑切角與直徑、刀盤厚度，以及其結(jié)構(gòu)的確定和設(shè)計(jì)。通過(guò)正交試驗(yàn)分析不同形式和參數(shù)的割刀的切割效果和切割功耗，選擇最優(yōu)的割刀形式和參數(shù)。

4)對(duì)切割器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，包括不漏割分析、多刀切割分析及重復(fù)切割分析，以尋找切割器各物理參數(shù)之間的約束關(guān)系。

1.5 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

1)以復(fù)合材料力學(xué)、彈性力學(xué)和材料力學(xué)理論為基礎(chǔ)建立作物莖稈材料模型來(lái)獲得莖稈的力學(xué)特性參數(shù)。

2)根據(jù)地區(qū)生態(tài)條件和大麻品種特性，解決割臺(tái)的適應(yīng)性問(wèn)題。

3)以降低切割功耗及提高切割效率為目的，獲得大麻收割機(jī)切割器最佳的割刀形式和切割參數(shù)。

1.6 主要研究方法

由于工業(yè)大麻收獲機(jī)械國(guó)內(nèi)外研究較少，該領(lǐng)域?yàn)榍罢靶匝芯浚郧捌谛枰獏⒖挤治鰢?guó)內(nèi)外稻麥?zhǔn)崭顧C(jī)及其他高莖稈類作物收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀，借鑒其他收獲機(jī)械的切割裝置的研究成果。

1)依據(jù)研究目的和所要解決的問(wèn)題，查閱相關(guān)資料，收集高莖稈作物生物力學(xué)特性和收割機(jī)割刀運(yùn)動(dòng)方法的相關(guān)資料。

2)利用電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)大麻莖稈進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，建立工業(yè)大麻莖稈的機(jī)械物理力學(xué)模型。其可以認(rèn)為是由韌皮部、木質(zhì)部?jī)煞N異質(zhì)材料復(fù)合而成的復(fù)合材料，運(yùn)用材料力學(xué)試驗(yàn)方法進(jìn)行剪切、拉伸及彎曲試驗(yàn)。利用計(jì)算機(jī)采集相關(guān)數(shù)據(jù)和相關(guān)圖像，數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理。

3)搭建工業(yè)大麻圓盤式莖稈切割裝置試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)合適的動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并根據(jù)需要測(cè)試的參數(shù)類型來(lái)選擇相應(yīng)的傳感器和測(cè)試部件；利用三維仿真軟件建立大麻莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)裝置的三維模型，利用CAD軟件進(jìn)行二維圖紙的繪制，完成試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行樣機(jī)的試制。

4)通過(guò)改變各影響因素進(jìn)行多因素正交試驗(yàn)研究，分析割刀刀片數(shù)量、刀片形式、刀片滑切角、刀片長(zhǎng)度、刀盤直徑、刀盤厚度及結(jié)構(gòu)，找出各個(gè)影響因素的最佳組合，為大麻收割機(jī)切割裝置的研制提供理論依據(jù)。

1.7 研究過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題及解決方法

1)由于大麻收割機(jī)國(guó)內(nèi)空白，可查詢的相關(guān)資料文獻(xiàn)也比較少，選題來(lái)源的課題組試制的大麻收割機(jī)也是處于前瞻性研究階段，因此擬通過(guò)大量查詢其他莖稈收獲機(jī)械相關(guān)文獻(xiàn)，借鑒其他作物切割器的研究成果，結(jié)合大麻自身特點(diǎn)思考解決。

2)由于大麻材料不適用于國(guó)標(biāo)對(duì)木材、竹材等機(jī)械物理試驗(yàn)方法的規(guī)定，沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)量力學(xué)特性的方法，所以根據(jù)大麻莖稈實(shí)際情況，建立相應(yīng)的物理力學(xué)模型，然后運(yùn)用材料力學(xué)方法試驗(yàn)。

3)需要通過(guò)試驗(yàn)確定研制適用于大麻收割的圓盤切割臺(tái)，因切割因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，擬通過(guò)正交試驗(yàn)和建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解決試驗(yàn)問(wèn)題。

2 工業(yè)大麻機(jī)械化研究前景及建議

2.1 研究前景

目前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有大麻收割機(jī)方面的研究，開(kāi)發(fā)的機(jī)具將在大麻生產(chǎn)應(yīng)用的同時(shí)促進(jìn)紡織纖維產(chǎn)業(yè)的研究[35]，使企業(yè)和農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益最大化，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)麻類作物高效利用和自然資源農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。國(guó)家大力支持“三農(nóng)”產(chǎn)業(yè)，對(duì)工業(yè)大麻行業(yè)的快速發(fā)展提供了前所未有的良機(jī)。大麻可紡性好，在國(guó)際紡織市場(chǎng)上也有一定的競(jìng)爭(zhēng)力，尤其伴隨著發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體近幾年興起的大麻熱潮，使大麻纖維及其工業(yè)制品供不應(yīng)求[36]。

通過(guò)引進(jìn)國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù),加快發(fā)展符合我國(guó)實(shí)際情況、具有特色的麻類作物收獲機(jī)械。應(yīng)用大麻田間生產(chǎn)機(jī)械化綜合技術(shù)，將促進(jìn)相關(guān)大麻的各個(gè)行業(yè)加速發(fā)展，機(jī)械化的推廣可以促進(jìn)大麻生產(chǎn)向規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展[37]。

2.2 研究建議

1)大麻收獲機(jī)的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)應(yīng)朝著多元化發(fā)展，加強(qiáng)對(duì)新型大麻收獲機(jī)的開(kāi)發(fā)，滿足市場(chǎng)多元化需求，針對(duì)大麻生產(chǎn)新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用及農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相結(jié)合的原則，基于農(nóng)業(yè)裝備虛擬設(shè)計(jì)方法針對(duì)目前大麻收獲機(jī)在虛擬設(shè)計(jì)應(yīng)用研究中存在的問(wèn)題和局限性，從關(guān)鍵機(jī)構(gòu)入手，結(jié)合虛擬設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行大麻物理特性的研究，完善虛擬樣機(jī)的理論模型并研發(fā)高效的機(jī)器。

2)國(guó)外農(nóng)業(yè)多為大農(nóng)場(chǎng)模式，尤其是歐美國(guó)家，設(shè)計(jì)的大麻收獲機(jī)械體型龐大、制造成本高，價(jià)格昂貴。我國(guó)大麻多為小農(nóng)戶種植、分布廣而分散，小型而且實(shí)用性強(qiáng)的機(jī)型更適宜于我國(guó)大麻的種植模式。

3)對(duì)于工業(yè)大麻收獲技術(shù)的研究，不能局限于單機(jī)開(kāi)發(fā)，而應(yīng)該綜合考慮大麻收獲全過(guò)程機(jī)械化收獲的合理性，來(lái)發(fā)展適合我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀的大麻田間收獲機(jī)械。

4)深入研究大麻收獲機(jī)械的基礎(chǔ)理論及世界先進(jìn)技術(shù)和新工藝，對(duì)大麻收獲機(jī)的性能適應(yīng)性進(jìn)行重點(diǎn)科技攻關(guān)，適當(dāng)從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)工業(yè)大麻收割方式主要依靠人工，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。高效率的大麻收割機(jī)不僅可以降低麻農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，而且可以實(shí)現(xiàn)大麻規(guī)?；N植、統(tǒng)一收獲和加工，保證麻紡企業(yè)獲得優(yōu)質(zhì)原麻供應(yīng)，提高農(nóng)民收入，提升大麻產(chǎn)品的附加值。

大麻收割技術(shù)的研究將為大麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持，提高大麻機(jī)械化收獲水平將促進(jìn)相關(guān)大麻的各個(gè)行業(yè)加快發(fā)展。大麻機(jī)械化的推廣可以促進(jìn)大麻生產(chǎn)向規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

近年來(lái)，隨著制造技術(shù)的提高，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的不斷總結(jié)，研制出了很多新型的切割器，因而選擇適合的切割器是提高收獲質(zhì)量與效率的關(guān)鍵因素。

[1] Salentijn Elma M J, Zhang Qingying, Amaducci Stefano, et al. New developments in fiber hemp (Cannabis sativa L.) breeding[J]. Industrial Crops and Products, 2015,68:32-41.

[2] Finnan John,Styles David.Hemp: A more sustainable annual energy crop for climate and energy policy[J].Energy Policy, 2013,58:152-162.

[3] 孫福來(lái),王緒芬,張秀慧.高效環(huán)保型經(jīng)濟(jì)作物工業(yè)大麻及栽培技術(shù)[J].中國(guó)種業(yè), 2004(10):49-50.

[4] 呂江南,龍超海,馬蘭,等.我國(guó)麻類作物機(jī)械化作業(yè)技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀與建議[J].中國(guó)麻業(yè)科學(xué), 2013(6):307-312.

[5] Lijun Liu, Chengying Lao, Na Zhang, et al. The effect of new continuous harvest technology of ramie (Boehmeria nivea L. Gaud.) on fiber yield and quality[J].Industrial Crops and Products, 2013,44:677-683.

[6] 李曉平.工業(yè)大麻稈的顯微構(gòu)造和纖維形態(tài)研究[J].纖維素科學(xué)與技術(shù),2010(9):28-33.

[7] Beaugrand Johnny,Nottez Mélanie, Konnerth Johannes, et al. Multi-scale analysis of the structure and mechanical performance of woody hemp core and the dependence on the sampling location[J].Industrial Crops and Products, 2014,60:193-204.

[8] Marrot L, Lefeuvre A, Pontoire B, et al. Analysis of the hemp fiber mechanical properties and their scattering (Fedora 17)[J]. Industrial Crops and Products, 2013,51:317-327.

[9] Li Xiaoping,Wang, Siqun,Du Guanben, et al. Variation in physical and mechanical properties of hemp stalk fibers along height of stem[J]. Industrial Crops and Products, 2013,42:344-348.

[10] Singh Sukhdeep, Deepak Dharmpal, Aggarwal Lakshya, et al. Tensile and Flexural Behavior of Hemp Fiber Reinforced Virgin-recycled HDPE Matrix Composites[J].Procedia Materials Science, 2014(6):1696-1702.

[11] Kronbergs E. Mechanical strength testing of stalk materials and compacting energy evaluation[J].Industrial Crops & Products, 2000,11(2):211-216.

[12] Mwaikambo Leonard Y, Tucker Nick, Clark Andrew J. Mechanical properties of hemp-fibre-reinforced euphorbia composites[J].Macromolecular Materials and Engineering,2007,292(9):993-1000.

[13] 宋則貽,王紹文,龍超海,等.4GHM-12型黃麻紅麻收割機(jī)的研究[J].中國(guó)麻作,1981(2):38-46.

[14] 黃繼承,李顯旺,張彬,等.4LMZ160型履帶式苧麻聯(lián)合收割機(jī)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(9):155-158.

[15] 熊常財(cái),李顯旺,汪紅武,等.4LMZ-160苧麻收割機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合的探討[J].中國(guó)麻業(yè)科學(xué), 2014(2):82-84.

[16] 薛忠,宋德慶,郭向明,等.圓盤式莖稈切割器研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2014,36(5):239-243.

[17] 李仲愷,謝方平,劉科,等.油菜收獲圓盤式切割器的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2014(1):83-88.

[18] 鄧玲黎,李耀明,徐立章,等.圓盤式玉米莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與切割過(guò)程分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2013,35(1):73-77.

[19] 李玉道.回轉(zhuǎn)式棉花秸稈切割試驗(yàn)臺(tái)的研制與試驗(yàn)研究[D].泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

[20] 張海龍,張多利,祁文博,等.小型圓盤式牧草收割機(jī)結(jié)構(gòu)研究[J].農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化, 2011(2):16-17.

[21] 劉兆朋.圓盤式苧麻切割器的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[22] 陳國(guó)晶,趙冰,楊堅(jiān),等.甘蔗收割機(jī)單圓盤切割器工作參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2010,32(2):146-148.

[23] 陳國(guó)晶,趙冰.單圓盤甘蔗切割器切割破頭率影響機(jī)理研究[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2010，32(10):47-50.

[24] 紀(jì)東偉,孫德鵬,李尚平,等.單圓盤甘蔗切割系統(tǒng)不漏割運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2008(3):24-27.

[25] 萬(wàn)其號(hào).沙生灌木圓盤式切割器切割對(duì)比試驗(yàn)研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2007.

[26] 向家偉,楊連發(fā),李尚平.小型甘蔗收獲機(jī)切割器試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2007(11):158-163.

[27] 楊堅(jiān),陳國(guó)晶,梁兆新,等.單圓盤甘蔗切割器切割破頭率影響因素的試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007,38(3):69-74.

[28] 劉慶庭,區(qū)穎剛,卿上樂(lè),等.光刃刀片切割甘蔗莖稈破壞過(guò)程高速攝像分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007(10):31-35.

[29] 陳國(guó)晶.單圓盤甘蔗收割機(jī)切割器切割破頭率影響因素的試驗(yàn)研究與機(jī)理分析[D].南寧：廣西大學(xué), 2006.

[30] 林茂,楊堅(jiān),梁兆新,等.雙刀盤甘蔗切割器工作參數(shù)的試驗(yàn)優(yōu)化研究[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2006(12):146-150.

[31] 鄧本榮,楊靜.回轉(zhuǎn)式切割器刀片設(shè)計(jì)[J]. 湖南農(nóng)機(jī), 2004(2):18-19.

[32] 孫永海,常振臣,李寶霖,等.大豆收割機(jī)圓盤式切割器切割參數(shù)的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 1999(4):27-31.

[33] 倪長(zhǎng)安, 藺公振, 姬江濤, 等. 圓盤切割器切割玉米莖稈的試驗(yàn)與分析[J]. 洛陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào), 1995(4):36-41.

[34] Kroes S, Harris H D.A Kinematic Model of the Dual Basecutter of a Sugar Cane Harvester[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1995,62:163-172.

[35] 張建春,張華.工業(yè)用大麻纖維綜合開(kāi)發(fā)研究[J]. 中國(guó)麻業(yè)科學(xué), 2007(S1):63-65.

[36] 王殿奎,關(guān)鳳芝.黑龍江省大麻生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策[J]. 中國(guó)麻業(yè), 2005,27(2):98-101.

[37] 郭勇,吳潮洋,賈正恩,等.亞麻田間生產(chǎn)機(jī)械化綜合增產(chǎn)技術(shù)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2004(3):40-41.

Research of Industrial Hemp Mechanization Harvester Technology

Zhou Yang, Li Xianwang, Shen Cheng, Tian Kunpeng, Zhang Bin, Huang Jicheng

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Traditional way of hemp crops harvest has been the important factors restricting the development of hemp crops. Mechanized harvesting is important way in the development of hemp crops. Mechanical cutting and fiber peeling are important parts in the hemp production process, and its working process is the process of interaction between rigid body and flexible body. To make the developed harvester and peeling machine to meet the working requirement of high quality, efficiency and low consumption. By looking for the information about hemp machinery all over the world. This paper briefly describes the present situation and characteristics of hemp crops harvest mechanization. The analysis based on hemp crops harvest machinery, the research emphatically introduces the development of disc cutter. The paper elaborated the advantages and disadvantages of hemp harvest machinery and put forward the suitable for China's industrial hemp harvest mechanization research proposals.

industrial hemp; harvester technology; mechanization; disc cutter

2016-12-24

國(guó)家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位任務(wù)(CARS-19-E22);中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(莖稈作物機(jī)械化收獲團(tuán)隊(duì)，2016-2020)

周 楊(1990-)，男，遼寧丹東人，碩士研究生，(E-mail)347100380@qq.com。

李顯旺(1961-)，男，湖北漢川人，研究員，(E-mail)xw3871@163.com。

S233.75

A

1003-188X(2017)02-0253-06