劉大為 ，謝方平 ，王修善 ，李 旭 ，鄔 備

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128；3.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年可生成7億多噸秸稈，成為“用處不大”但必須處理掉的“廢棄物”。以湖南省水稻生產(chǎn)為例，據(jù)2018年統(tǒng)計(jì)，全省水稻全年播種面積達(dá)到6013.5萬畝，按照秸稈總重與稻谷總量比1：1估算，光湖南省一年的水稻秸稈產(chǎn)量就高達(dá)250億公斤。由于秸稈還田處理需要一定腐爛的時(shí)間，新鮮的秸稈容易影響稻田耕作及復(fù)種。傳統(tǒng)的秸稈處理方式往往是農(nóng)民在收獲糧食后，把秸稈搬運(yùn)到田頭，拋棄在溝渠邊或堆在路邊樹林下，甚至門前屋后，遇到雨季還會(huì)散發(fā)出難聞的氣味，既影響了村容村貌，又污染了環(huán)境。近年來，農(nóng)作物秸稈還成為農(nóng)村面源污染的新源頭，在每年夏收和秋冬之際，總有大量的秸稈在田間焚燒，產(chǎn)生了大量濃重的煙霧，不僅成為農(nóng)村環(huán)境保護(hù)的瓶頸問題，甚至成為殃及城市環(huán)境的罪魁禍?zhǔn)字?。?duì)此，解決秸稈問題的關(guān)鍵在于提高農(nóng)作物秸稈的綜合開發(fā)利用水平及其生產(chǎn)效益。

2015年11月25日，國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部、農(nóng)業(yè)部、環(huán)境保護(hù)部等聯(lián)合文，要求各地進(jìn)一步加強(qiáng)秸稈綜合利用與禁燒工作，力爭(zhēng)到2020年全國(guó)秸稈綜合利用率達(dá)到85%以上。四部委要求通過推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展拓寬秸稈利用渠道，推行秸稈機(jī)械化還田作業(yè)和留茬高度等標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)秸稈就地還田或應(yīng)收盡收；積極扶持秸稈收儲(chǔ)運(yùn)服務(wù)組織發(fā)展，建立規(guī)范的秸稈儲(chǔ)存場(chǎng)所，促進(jìn)秸稈后續(xù)利用；支持秸稈代木、纖維原料、清潔制漿、生物質(zhì)能、商品有機(jī)肥等新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，完善配套產(chǎn)業(yè)及下游產(chǎn)品開發(fā)，延伸秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈。

1 秸稈綜合利用現(xiàn)狀

秸稈作為農(nóng)作物的重要副產(chǎn)品，其也是工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要生產(chǎn)資源，利用種類繁多，技術(shù)簡(jiǎn)稱“五化”，其主要利用如圖1所示。

圖1 秸稈五化利用技術(shù)

其中在原料化利用方面，利用秸稈編織制作的草簾、草包、草苫等草制品，由于價(jià)值低、使用方便、無需回收、自動(dòng)分解、廢棄物易處理等特點(diǎn)。常作為低值易耗品被廣泛用于鑄件、陶瓷的包裝、建筑物件生產(chǎn)中的保溫材料、防洪草袋、樹木越冬防護(hù)品、日光溫棚保溫材料，而這些產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品隨著農(nóng)業(yè)和工業(yè)的不斷發(fā)展，需求量也不斷增大。隨著人工成本的不斷攀升，草編行業(yè)對(duì)開發(fā)相應(yīng)編織機(jī)具的需求越來越迫切。

2 草簾編織機(jī)械國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從秸稈利用情況看，國(guó)外特別是在北美、歐洲和日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家，通過科技進(jìn)步與創(chuàng)新，為農(nóng)作物秸稈的綜合開發(fā)利用找到了多種用途。除傳統(tǒng)的將秸稈粉碎還田作有機(jī)肥料外，還走出了秸稈飼料、秸稈汽化、秸稈發(fā)電、秸稈乙醇、秸稈建材等新路子，大大提高了秸稈的利用值和利用率，鮮有草簾編織機(jī)械的研究和報(bào)道。

國(guó)內(nèi)從1991年遼寧省劉柏林發(fā)明LBLC-1型草簾縫紉機(jī)以來，伴隨著我國(guó)制造業(yè)近30多年飛速發(fā)展，形成了多種不同型號(hào)、不同種類的草簾編織機(jī)械，實(shí)現(xiàn)使人工編織草簾向機(jī)械編織草簾的方向上邁進(jìn)了一大步。

2.1 草簾編織工藝流程

草簾編織工藝流程主要包括送草和編草兩個(gè)步驟，其作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 秸稈編織作業(yè)流程圖

“送草”指的是稻草在機(jī)械設(shè)備帶動(dòng)下自動(dòng)進(jìn)給到縫紉區(qū)域編織成為草簾，其工藝過程曾是草簾編織機(jī)研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)發(fā)展已初步完善?！熬幉荨敝傅氖遣莺煹木幙楁i扣，其工藝過程與紡織機(jī)械中縫紉過程類似，但由于編制草簾較寬且較長(zhǎng)，通常是多針并聯(lián)工作進(jìn)行縫紉，編織質(zhì)量難以控制，工作機(jī)構(gòu)還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 草簾編織機(jī)的類型

草簾編織機(jī)主要以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，類似“織布”原理，經(jīng)線為織線，緯線為稻草進(jìn)行縫紉，根據(jù)送草機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式的不同，可分為梭桿立式和平面式兩種。

2.2.1 梭桿立式草簾編織機(jī)

其結(jié)構(gòu)如圖3所示。梭桿立式草簾編織機(jī)中兩根織線的分叉運(yùn)動(dòng)一般通過齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，梭桿的送草運(yùn)動(dòng)通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)完成，有自動(dòng)進(jìn)草和手動(dòng)進(jìn)草兩種模式（多采用自動(dòng)進(jìn)草方式）。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸帶動(dòng)齒輪、凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并將動(dòng)力傳至各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由凸輪控制雙側(cè)抖草齒及扎草針片，將成把的原料分離開來，然后以每次1～2根的數(shù)量送入梭鉤；再由梭桿完成“穿草”動(dòng)作、錯(cuò)經(jīng)錘完成每次穿草后的“經(jīng)線換向”動(dòng)作；最后由編織架把已穿入經(jīng)線的稻草順序壓緊。通過以上主要構(gòu)件的依次運(yùn)動(dòng)，可完成編織草席所需的分草—穿草—經(jīng)線換向—壓緊等基本動(dòng)作。

圖3 梭桿式草簾編織機(jī)

2.1.2 平面式草簾編織機(jī)

平面式草簾機(jī)編織裝置參考工業(yè)用封包機(jī)的原理設(shè)計(jì)的，其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。封包機(jī)與普通縫紉機(jī)不同，前者可以采用單線編織結(jié)扣，也可以采用雙線互鎖，而后者只能是雙線（即頂線和底線）縫紉。

雖然利用的是封包機(jī)原理，但是實(shí)現(xiàn)機(jī)針動(dòng)作的機(jī)構(gòu)與封包機(jī)完全不同，封包機(jī)采用上下聯(lián)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，機(jī)針由上往下編織，而草簾機(jī)將全部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都放在下部，由下往上編織，通過多針聯(lián)動(dòng)完成寬幅草簾的經(jīng)線編織，這樣使得傳動(dòng)路線縮短，結(jié)構(gòu)更為緊湊。李云林等分析了平面式草簾編織機(jī)的工作過程，認(rèn)為采用封包機(jī)單線結(jié)扣的形式，適合于草簾的編織，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 平面式草簾編織機(jī)（單線）結(jié)構(gòu)示意圖

單線編織平面草簾機(jī)機(jī)針的運(yùn)動(dòng)主要采用連桿機(jī)構(gòu)（曲柄搖桿機(jī)構(gòu)或曲柄滑塊機(jī)構(gòu)）來實(shí)現(xiàn)，連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)存在沖擊、振動(dòng)較大等情況。樸海平等發(fā)明了一種編織裝置采用齒輪傳動(dòng)的雙線草簾編織機(jī)，帶動(dòng)編織針運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)齒輪與傳遞秸稈的被動(dòng)齒輪傳動(dòng)比采用1：1，可解決單線編織過程中，機(jī)針采用連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，易出現(xiàn)脫扣、振動(dòng)噪音大，經(jīng)線間距大，多針同時(shí)編織易斷線、編織質(zhì)量差等問題。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由于新型的平面式草簾編織機(jī)的生產(chǎn)效率遠(yuǎn)高于梭桿立式草簾編織機(jī)，且具有操作簡(jiǎn)單、維修保養(yǎng)方便、稻草適應(yīng)性強(qiáng)、草簾產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和設(shè)備運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)，目前應(yīng)用最為廣泛。

2.3 編織原理

2.2.1 雙線鎖扣

雙線即利用頂線和底線進(jìn)行縫紉，其原理如圖4所示。頂線經(jīng)垂直針上設(shè)計(jì)的穿線孔，在垂直針的下行過程中，頂線隨垂直針穿透稻草；與此同時(shí)，底線在水平針的運(yùn)動(dòng)下，經(jīng)垂直針過線孔，到撥線板的缺口，由于撥線板橫移，使底線成小段水平；然后水平針前移，貼近垂直針，從垂直針與頂線的中間穿過，水平針設(shè)計(jì)有一個(gè)鉤，當(dāng)鉤到底線時(shí)，迅速回移，同時(shí)撥線板復(fù)位，最后垂直針回移復(fù)位，一個(gè)鎖扣完成，此時(shí)稻草向前輸送一個(gè)針距；垂直針繼續(xù)下移，其插入點(diǎn)為水平針勾住底線形成的環(huán)扣中心，進(jìn)行下一互鎖扣的編織。

圖5 雙線編織平面草簾機(jī)

該類型針織鎖扣方法在梭桿立式草簾編織機(jī)和平面草簾編織機(jī)中均有應(yīng)用。

2.2.2 單線鎖扣

單線鎖扣工作原理和“結(jié)”的形狀如圖5所示。結(jié)合圖3所示平面草簾機(jī)結(jié)構(gòu)，其工作過程如下：整機(jī)由機(jī)架、送草釘子方管、機(jī)針、喂線孔以及壓草板、草簾壓板、緊線器和掛線彈簧等組成，由操作人員分別站在機(jī)器兩側(cè)把稻草整齊均勻地鋪在機(jī)架的拉桿上，送草釘子方管由偏心輪帶動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)把草托起并向前推送，壓草板把草壓住，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)針向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)針向上穿過稻草繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到最高位置約3cm時(shí)，喂線孔向左移動(dòng)把線送到機(jī)針鉤尖與活動(dòng)舌頭中間，機(jī)針勾住線往下運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)，線形成一個(gè)圓扣，形狀如同蓮花的花瓣，機(jī)針再向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓扣套進(jìn)機(jī)針舌頭以下的針桿上。等機(jī)針再次穿過稻草重復(fù)前面的動(dòng)作，勾住線往下運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓扣滑脫針桿套在另外一個(gè)圓扣上形成蓮瓣扣，稻草織在每一個(gè)花瓣扣中成為草簾。

圖6 雙線互鎖編織方法

單線編織裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但針眼較大，需要對(duì)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行較為精確的控制，目前在平面式草簾編織機(jī)中應(yīng)用最多。

圖7 單線鎖扣編織方法

2.4 關(guān)鍵部件典型結(jié)構(gòu)

由于梭桿立式草簾編織機(jī)現(xiàn)使用較少，從文獻(xiàn)中很難找到相關(guān)整機(jī)和部件的設(shè)計(jì)及研究，在這里，主要敘述平面式草簾編織機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，如圖8所示。由于編織草簾較寬且較長(zhǎng)，通常是多針并聯(lián)工作進(jìn)行縫紉，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和編織機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)間的相互配合來完成草簾的編織過程。

圖8 平面草簾機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.4.1 送草裝置

平面式草簾編織機(jī)送草裝置主要利用秸稈自身重力實(shí)現(xiàn)送草功能。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸帶動(dòng)曲軸撥動(dòng)滑板，通過釘齒板間歇性的耙撥秸稈，托舉秸稈沿輸送面向編織機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

2.4.2 編草裝置

編草部分工藝過程與紡織機(jī)械中縫紉過程類似，平面草簾編織機(jī)單線鎖扣結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

圖9-a為機(jī)針結(jié)構(gòu)，機(jī)針頂部為錐形鉤尖，下部安裝有一可繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)的針舌，在圖9-b所示的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下，機(jī)針上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)秸稈束穿過編織裝置時(shí)先用鎮(zhèn)壓板固定，縫合初始結(jié)時(shí)，機(jī)針向上運(yùn)動(dòng)，針舌往上與鉤尖形成封閉的腔體，帶著編織線穿過秸稈；往下運(yùn)動(dòng)時(shí)，鎖舌打開，編織線扣沿針桿滑脫，拉出一個(gè)線圈，秸稈織在瓣扣中。當(dāng)針再次穿過草簾時(shí)，新的線圈將直接穿過前一個(gè)線圈的中間，針舌再次抓住線，圍繞下一個(gè)線圈做線圈。這樣，每個(gè)線圈都會(huì)把下一個(gè)線圈固定到位。

2.4.3 鋪草裝置

鋪草部分現(xiàn)階段基本由人工完成，一般由1到2人拆捆，4～6人手工橫向鋪草，鋪好的稻草通過送草機(jī)構(gòu)與編草機(jī)構(gòu)最終編織成為草簾，寬度與厚度全部由人工進(jìn)行控制。

圖10 自動(dòng)鋪草裝置

翟行彪等研制了一種通過氣缸驅(qū)動(dòng)分草機(jī)構(gòu)使得稻草成束，再由電機(jī)帶動(dòng)抓草機(jī)械手在機(jī)架間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抓草與放草動(dòng)作的自動(dòng)鋪草機(jī)，自動(dòng)鋪草機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中分為七部分：喂草過程、送入過程、分草過程、壓草過程、抓草過程、行進(jìn)過程和放草過程。提高了秸稈鋪放效率，但機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

3 存在的主要問題

草簾編織機(jī)的發(fā)展較為緩慢，目前仍處于半自動(dòng)化階段，特別是需要大量人工進(jìn)行鋪草，其研究存在以下幾個(gè)方面的問題：

3.1 用工量大

當(dāng)前市場(chǎng)上草簾編織機(jī)都是人工理草，其生產(chǎn)流程為：人工解散草捆→人工上草→人工鋪草→人工整理→機(jī)械編織等工序。為進(jìn)行工作需要采用6～8人進(jìn)行人工鋪草，2人拽拉草簾、打捆，1人手工鎖邊，1人操作機(jī)器。

3.2 缺乏鋪草設(shè)備

人工鋪草用工多、工作量大、工作環(huán)境惡劣、工作效率低、鋪草不均勻。并且草簾編織一般在水稻收獲后到且入冬之前，大約持續(xù)3～4個(gè)月時(shí)間，而草簾編織地區(qū)相對(duì)集中，在當(dāng)前農(nóng)村勞動(dòng)力大量涌入城市的背景下，在編織季節(jié)易出現(xiàn)招工難、用工荒的現(xiàn)象，工人操作水平也難以保證，影響了草簾的編織數(shù)量與質(zhì)量。

3.3 編織時(shí)存在的跳線、輸送不均等情況

編織速度過快，稻秸稈橫向步進(jìn)式移動(dòng)通過平面草簾機(jī)時(shí)，由于步進(jìn)機(jī)構(gòu)的輸送步長(zhǎng)相對(duì)秸稈直徑大得多，輸送過程中存在較多的斜置或亂序情況，特別是秸稈搭接編織時(shí)，由于穗頭和根部幾何尺寸不一，運(yùn)動(dòng)過程中容易出現(xiàn)斜置，斜置的秸稈編織時(shí)在穗頭搭接部分易出現(xiàn)漏編、空扣、編織空洞等情況，對(duì)草簾編織質(zhì)量有一定影響。

3.4 草簾編織行業(yè)無標(biāo)準(zhǔn)

由于草簾用途廣泛，各行業(yè)對(duì)草簾的要求各不相同，除草簾編織的寬度、厚度外，如建筑施工、大棚防凍用草簾，還必須考慮草簾緊密性等對(duì)保溫性能的影響。正因?yàn)槿绱?，在草簾編織機(jī)研發(fā)上，也就出現(xiàn)了各種類型不同，編織質(zhì)量良莠不齊的機(jī)械產(chǎn)品，也限制了草簾編織機(jī)械的發(fā)展和行業(yè)的壯大。

4 發(fā)展探討

在我國(guó)由于土地多采用多熟制種植模式，秸稈還田影響作物生長(zhǎng)，秸稈焚燒污染大氣環(huán)境，綜合開發(fā)利用又面臨著技術(shù)不成熟、投資比較大、效果比較差的窘境。農(nóng)民急于焚燒，而政府急于封堵，二者就打起了游擊戰(zhàn)。劉豐亮等[23]以寧夏為例，按照2011年的市場(chǎng)行情，按草編用水稻秸稈畝產(chǎn)450kg左右，單價(jià)0.18元/kg計(jì)算，加工成不同的草編制品后，稻草秸稈增值約0.12～0.40元/kg，算得每畝稻草可增加收入54元至180元?？梢?，草編業(yè)效益可觀，利用性能良好，產(chǎn)品質(zhì)量過硬的編織機(jī)讓農(nóng)民發(fā)展草編業(yè)，不僅能夠變廢為寶，變農(nóng)閑為農(nóng)忙，更能快速為農(nóng)民增收。

而就草簾編織機(jī)發(fā)展而言，目前急需解決的問題主要由三個(gè)：一是模塊化設(shè)計(jì)，提高零部件的互換性，比如自動(dòng)鋪草裝置的研發(fā)，該裝置的設(shè)計(jì)既要考慮使用成本，又要能夠保證作業(yè)質(zhì)量，提高作業(yè)效率，切實(shí)減少鋪草所需的用工量；二是高速編織裝置設(shè)計(jì)，開展適合高速編織的機(jī)具研發(fā)，提高編織機(jī)的作業(yè)效率，一方面現(xiàn)有編織機(jī)編織速度受限于人工鋪草的速度，生產(chǎn)效率不高，另一方面機(jī)器本身也存在諸多不適合高速編織的因素，如空扣、漏編、連桿傳動(dòng)振動(dòng)過大等問題還急需解決；三是半封閉設(shè)計(jì)，優(yōu)化傳動(dòng)部件，改善編織作業(yè)環(huán)境，減少作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的噪音粉塵污染，降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

綜上所述，開展稻秸稈編織機(jī)械的研究，支持農(nóng)戶借助稻秸稈編織機(jī)加快發(fā)展草編業(yè)，既能造福農(nóng)民，又能杜絕焚燒稻草污染環(huán)境，使得廢舊稻草得到了合理利用，具有良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。