劉凱凱，陳明江，廖培旺，郝延杰，王仁兵，張愛民，王 成*

(1.濱州市農業(yè)科學院，山東濱州 256600；2.農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014)

我國是世界上最大的棉花生產國和消費國，黃河流域棉區(qū)是我國三大棉花主產區(qū)之一，包括天津、河北、山西、山東、河南和陜西6省(市)，在國內棉花產業(yè)體系中占據重要位置。棉稈是棉花生產過程中的副產物，是重要的可再生生物質資源。棉稈木質化程度高、韌皮纖維豐富、密度和熱值高，是優(yōu)良的生物質資源。棉稈經焚燒和掩埋可進行有效利用，如生物質燃料、生物菌栽培基質、有機肥及秸稈人造板產業(yè)化應用等，將產生巨大的經濟效益和社會效益。但是，棉稈資源量龐大、分散、收儲季節(jié)性強，適宜的棉稈收獲裝備比較匱乏，棉稈收儲運困難、成本高，導致植棉區(qū)出現大量棉稈露天焚燒，嚴重制約棉稈的規(guī)模化利用。筆者針對黃河流域區(qū)域棉稈的生長特性，對棉稈機械化收獲裝備的現狀、技術和問題進行研究和分析，以期為棉稈機械化收獲裝備提供技術指導。

1 國內外棉稈收獲技術現狀

在20世紀60年代中期，我國已經開始棉稈收獲機械的研制；到70年代末、80年代初，棉花種植規(guī)模逐漸擴大，棉稈收獲機械的種類增多，許多單位都對棉稈收獲機進行過研制。近年來，棉稈被廣泛應用于飼料、造紙及能源等領域，棉稈收獲技術與裝備的研究備受關注。

我國研制的棉稈收獲裝備主要有鏟切式、滾切式、提拔式、聯(lián)合作業(yè)等。鏟切式棉稈收獲機，挖掘部件入土切斷棉稈，結構簡單、制造和使用方便，需要對行作業(yè)，作業(yè)時容易產生壅土，存在效率低、殘留根茬較多，對種植農藝的要求比較高。滾切式棉稈收獲機，通過旋轉軸的圓周方向固定多組刀片，刀片入土作業(yè)將棉稈根茬切斷提拔出來，該結構的優(yōu)點是通過刀片橫向布置，不需要對行作業(yè)，存在動力消耗大的問題。旋轉提拔式棉稈收獲機，用起拔器把棉稈從土壤中提拔出來，根據起拔器的結構可分為對輥式、齒盤式、齒輥式等，該類機型對機手的操作有一定的要求，不需要入土作業(yè)功耗降低，代表機具是4MG-2型齒盤式棉稈收獲機。聯(lián)合作業(yè)式棉稈收獲機主要有拔取收獲和切割收獲2種類型。代表機型如中國農業(yè)機械化科學研究院研制的4MG-275型自走式棉稈聯(lián)合收割機，采用切割割臺可以實現西北內陸棉花密植細稈性狀及土地凍結后棉稈收獲難題，采用撿拾割臺，配合其他棉稈拔稈機具，可以實現棉稈拔取后撿拾作業(yè)。

在國外，多個國家經歷過棉稈露天焚燒的時期，考慮到焚燒秸稈的危害性，秸稈焚燒的行為逐漸被禁止。隨著棉稈收獲技術的發(fā)展，美國、印度等主要的棉花生產和貿易國家研發(fā)的棉稈收獲機大多都是與拖拉機配套作業(yè)的牽引式、懸掛式機型。棉稈大部分直接粉碎還田，較少部分用于回收再利用。棉稈收獲裝備按照作業(yè)原理的不同分為鏟切式、刨挖式和拔稈式3種。

棉稈鏟切技術，通過不同結構式的挖掘部件深入土層把棉稈根部切斷，將棉稈從土壤中挖出，達到稈土分離的目的(圖1)。主要機型有烏茲別克斯坦生產的KV-3.6A型和KV-4A型，其包括機架、挖根鏟、柵狀導向板、星形喂入輪和錐形齒輪減速器。該機由拖拉機牽引作業(yè)，棉稈拔取后擺放成條，待曬干后撿拾打捆。該技術優(yōu)點是挖掘部件的作業(yè)面寬度大，對行要求低，切根作業(yè)比較徹底；缺點是入土作業(yè)需克服土壤阻力以及棉稈根部的切斷阻力，動力消耗較大，挖掘部件磨損嚴重。

圖1 鏟切式棉稈拔稈機Fig.1 Cotton stalk puller of shovel-cut type

棉稈刨挖技術，主要是采用1組對稱的傾斜雙圓盤刨挖(圖2)。該機型的圓盤角度及高度均可調節(jié)，拔稈機構可折疊，采用平行四連稈仿形機構，并且可以在拔稈機構后面安裝切碎裝置，棉稈拔取后同步切碎還田。該機構優(yōu)點是動力消耗相對減少，缺點是作業(yè)過程中對行精度要求較高，代表機型有美國的Dave Koenig和Orthman棉稈刨挖機。

圖2 刨挖式棉稈拔稈機Fig.2 Cotton stalk puller of digging type

棉稈對輥提拔技術，采用具有45°傾角安裝的橡膠對輥夾取，安裝傾角可根據實際調整，將棉稈連根拔起(圖3)。該技術優(yōu)點是不需入土，可靠性高，動力消耗降低；但是對種植行距的標準性要求高，對機手操作的熟練程度有要求，適合標準化栽植的模式，典型機型有澳大利亞的Muti拔棉花秸稈機和美國的AMADAS棉花秸稈拔取切碎收獲機。

圖3 對輥式棉稈拔稈機Fig.3 Cotton stalk puller of double roller type

對國外已有的棉稈收獲裝備及收獲模式進行總結，并結合國內棉區(qū)的棉稈生長特性，可以為棉稈機械化收獲及裝備研發(fā)提供有價值的技術參考。

2 黃河流域棉區(qū)棉稈收獲技術與裝備

研究發(fā)現，棉田土壤含水率對棉稈拔取力影響較大，起拔力隨棉稈根部直徑的增大而增大；棉稈硬度、破碎強度和彎曲強度等力學特性以及棉稈含水率對棉稈收獲機械性能的發(fā)揮影響顯著。

齒盤式棉稈拔稈機主要由拔稈齒盤、地輪、傳動機構、機架等組成，地輪傳動提供動力，通過地輪的錐齒輪驅動拔稈齒盤實現拔稈作業(yè)(圖4)。工作時拖拉機前進帶動前懸掛的拔稈機向前運動，地輪通過動力傳動部件帶動齒盤旋轉，齒盤上的三角卡槽把棉稈鉗住，在拖拉機的前進推力與齒盤的旋轉扭力的合力作用下將棉稈從土壤中拔出。該機具的優(yōu)點是結構簡單、成本低，可以解決小規(guī)模棉田的棉稈拔除問題，具有較強的適應性；缺點是需要對行作業(yè)，對駕駛員的操作技術有一定的要求，并且需要處理拔除后散落田間的棉稈。該機主要性能指標見表1。

圖4 齒盤式棉稈拔稈機Fig.4 Dentate disc cotton stalk uprooting machinery

表1 齒盤式棉稈拔稈機主要技術參數

齒盤是拔稈機構的核心工作部件，薦世春等分析了齒盤夾持棉稈的運動速度和軌跡，為齒盤機構關鍵齒形、角速度優(yōu)化提供理論數據。賈健設計的“V”型齒盤機構，在莖稈直徑為10～25 mm，前進速度2 m/s時，拔凈率達到95%以上。 陳明江等通過速比(齒盤圓周線速度/機具前進速度)和齒盤圓周線速度試驗，確定速比范圍控制在0.55～0.80，齒盤圓周線速度控制在0.24～1.10 m/s，可以保證作業(yè)質量。根據不同地形和棉稈特點，確定適宜的速比和拖拉機前進速度，可以優(yōu)化改進棉稈的拔除質量，其大田性能試驗見圖5。

圖5 大田性能試驗Fig.5 Picture of field performance test

自走式棉稈撿拾收獲機由中國農業(yè)機械化科學研究院研制，該機主要由撿拾臺、輸送過橋、喂入裝置、切碎裝置、儲料箱、發(fā)動機、底盤、駕駛室、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成(圖6)。棉稈拔起后鋪放在田間，晾曬后進行撿拾作業(yè)；田間鋪放的棉稈被撿拾滾筒撿拾送至橫向輸送器，經輸送器送至過橋喂入口，在過橋喂入輥的抓取力作用下輸送至喂入裝置，由喂入裝置的夾持喂入輥將棉稈輸送到切碎裝置，在切碎滾筒的作用下將棉稈切碎并拋送至儲料箱，裝滿后可通過液壓裝置將切碎的棉稈側翻卸至運輸車內。

圖6 自走式棉稈撿拾收獲機Fig.6 Self-propelled cotton stalk combine harvester

撿拾收獲臺采用釘齒式撿拾滾筒和橫向輸送機構，進行木質化纏繞冠狀植株的撿拾和連續(xù)喂入，動力消耗少。釘齒式棉稈撿拾輸送裝置主要由壓料桿、撿拾滾筒、輸送器、機架、傳動裝置組成，撿拾滾筒位于撿拾臺的前方，釘齒式撿拾齒在滾筒圓周均勻布置8排，橫向為螺旋線排列。為防止撿拾滾筒堵塞，撿拾滾筒的線速度設計值比機器的最大工作行走速度高20%。撿拾滾筒后方是輸送裝置，可將兩端的棉稈橫向輸送至中間喂入口。該機具的優(yōu)點是可以一次完成棉稈的撿拾、輸送、切碎、拋送、裝箱、翻轉卸料等作業(yè)過程，集成作業(yè)效率高；缺點是需要與棉稈拔取機配合，即將棉稈拔取后放置田間，在聯(lián)合收獲的集成度上可以進一步優(yōu)化，主要技術參數見表2。

針對棉稈收獲過程中拔除、撿拾的分段收獲現狀，濱州市農業(yè)機械化科學研究所在齒盤式棉稈拔稈機的基礎上研發(fā)4MG-2型棉稈粉碎集箱收獲機，一次完成棉稈的拔稈、粉碎、集箱等多個作業(yè)環(huán)節(jié)，收獲效率高。該機主要由拔取機構、調直輸送機構、鍘切送料機構、集料箱、動力輸出機構和裝配機架等組成，棉稈拔取機構、調直輸送機構采用前懸掛方式，鍘切送料機構通過連接機構固定在拖拉機前端，集料箱置于拖拉機正上方(圖7)。

表2 自走式棉稈撿拾聯(lián)合收獲機技術參數Table 2 Technical parameters of self-propelled cotton stalk combine harvester

注：1.集料箱；2.鍘切送料機構；3.調直輸送機構；4.拔取機構；5.動力機構；6.動力輸出機構 Note：1.Aggregate box；2.Cutting and feeding mechanism；3.Straighten the conveying mechanism；4.Extraction mechanism；5.Power mechanism；6.Power take-off mechanism圖7 棉稈拔稈集箱收獲機結構Fig.7 Structure of cotton stalk uprooting and boxing combine harvester

工作時，機具推動棉稈拔取機構的地輪向前滾動，地輪軸的轉動經錐齒輪副帶動拔稈齒盤水平轉動，棉稈卡入齒盤，隨著齒盤的轉動，棉稈被拔出并向中間集中；再經一對相對轉動的撥稈軸撥向輸送機構，通過相對轉動的上下喂入輥夾持，沿著升運柵板向后斜上方輸送，經兩級撥輥輸送到切碎滾筒的喂入口，喂入口下方的定刀和旋轉刀軸上的切刀將棉稈鍘切成40～60 mm的長段；高速旋轉的刀軸盤上的葉片以及鍘切刀所產生的風力將切碎工序后的棉稈通過送料筒向上吹入集料箱；棉稈滿箱后，通過操縱液壓機構可以將切碎的棉稈從集料箱的箱體卸下。機具的主要技術參數見表3。

調直輸送是完成棉稈聯(lián)合收獲的關鍵步驟，主要由機架、前撥輪、中撥輥、上下喂入輥、后撥輥、升運柵板、傳動鏈輪齒輪、安全防護罩等組成(圖8)。拔取的棉稈需要經過相對轉動的前撥輪調直作業(yè)后撥向后方，解決棉稈直接喂入容易導致的堵塞問題；然后，棉稈再通過相對轉動的上下喂入輥夾持沿著升運柵板向后斜上方輸送，經2級撥輥的作用送入切碎滾筒的喂入口。通過調直輸送機構，解決棉稈拔稈作業(yè)后雜亂無序、輸送不暢等問題。

表3 棉稈拔稈集箱收獲機主要技術參數Table 3 Technical parameters of cotton stalk uprooting and boxing combine harvester

注：1.機架；2.后撥輥；3.傳動鏈輪；4.前撥輪；5.上下喂入輥；6.中撥輥；7.升運柵板 Note：1.Rack；2.Rear shift roller；3.Drive sprocket；4.Front wheel；5.Upper and lower feed rollers；6.Middle shift roller；7.Lifting grid圖8 調直輸送機構Fig.8 Mechanism of straightening and conveying

4MG-2型棉稈拔稈集箱收獲機，將棉稈的拔除及處理環(huán)節(jié)進行初步聯(lián)合，降低棉稈收獲綜合成本，提高作業(yè)效率。在山東省無棣縣棉花種植示范基地進行田間試驗(圖9)，各項性能參數均達到設計要求。該機具的優(yōu)點是在齒盤式拔稈機的基礎上實現棉稈拔稈、粉碎、集箱的聯(lián)合作業(yè)，避免二次撿拾，實現棉稈一次性離田收獲；缺點是作業(yè)需對行作業(yè)，勞動強度大。

圖9 大田性能試驗Fig.9 Picture of field performance test

針對棉稈拔稈收獲后需要配合打捆機二次撿拾作業(yè)的情況，濱州市農業(yè)機械化科學研究所研發(fā)自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機，實現了棉稈拔稈、鍘切、打捆聯(lián)合收獲。

4MGZ-210型自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機，主要由收獲臺、鏈板輸送器、行走底盤、打捆機構和動力機構等組成(圖10)。棉稈通過收獲臺完成拔稈、清稈、撥稈作業(yè)過程，經鏈板輸送器將棉稈輸送至打捆機構，打捆裝置的撥叉將棉稈扒到壓捆室進行壓縮打捆，壓捆后棉稈捆沿著溜板滑落田間。機具的主要技術參數和性能設計指標見表4。

注：1.收獲臺；2.鏈板輸送器；3.行走底盤；4.打捆機構；5.繩箱；6.駕駛室；7.動力機構；8.油箱 Note：1.Harvester；2.Chain plate conveyor；3.Traveling chassis；4.Baling mechanism；5.Rope box；6.Cab；7.Power mechanism；8.Tank圖10 自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機結構Fig.10 Structure diagram of self-propelled cotton harvest bundling machine

表4 自走式棉稈聯(lián)合收獲打捆機主要技術參數

棉稈收獲臺是整機的關鍵機構，主要是由拔稈棍、清稈輥、撥稈輥、撥禾輪、攪龍和機架等組成。收獲臺的拔稈輥與撥禾輪配合作業(yè)將棉稈拔除，拔稈輥上沿軸線方向均布有3排“V”型齒結構，“V”型齒的齒寬23 mm，齒形角25°，齒頂圓弧半徑3 mm；清稈輥在拔稈輥的斜后上方，清稈輥中心軸線高于拔稈輥軸中心軸線，清理出夾持在拔稈輥“V”型齒上的棉稈；撥稈輥在清稈輥后上方，中心軸線高于清稈輥中心軸線，同時高于收獲臺底板上沿，將棉稈拔稈、清稈、撥稈呈現階梯狀上升運動階段，強制撥送到收獲臺。棉稈收獲作業(yè)原理見圖11。

注：1.棉稈；2.拔稈棍；3.清稈輥；4.撥稈輥；5.攪龍；6.撥禾輪 Note：1.Cotton stalk；2.Stalk pulling stick；3.Stalk cleaning roller；4.Straw shifting roller；5.Auger；6.Reel圖11 棉稈收獲原理Fig.11 Schematic diagram of cotton stalk harvesting

棉稈直接壓捆作業(yè)負載大，在壓捆機構前段設計一種滾筒式棉稈鍘切機構，采用破碎板與鍘切刀交錯布置，鍘切刀選擇65 MN，鍘切滾筒直徑轉速185 r/min時，棉稈鍘切長度合格率可以達到92%以上。

通過田間試驗，前進速度1.0～1.2 m/s，拔稈棍轉速390～420 m/s，棉稈拔凈率達到95%以上，研發(fā)機具滿足棉稈田間機械化收獲要求(圖12)。機具優(yōu)點是多功能集成，棉稈不對行收獲，效率高；缺點是“V”型齒結構易纏繞雜草、地膜及滴灌帶等，清理輥清理不及時會造成纏繞擁堵。

圖12 試驗現場Fig.12 Picture of test site

3 總結與展望

棉稈機械化收獲裝備作為棉稈回收處理的重要機械，國內已研發(fā)出可以適應不同模式的多種機械，但離規(guī)?；茝V應用仍存在較大差距，原因如下：

(1)棉稈收獲機研發(fā)與推廣缺乏政策的支持。目前的農機補貼政策主要針對農作物秸稈還田機械、打捆機械，缺乏對棉稈拔稈收獲等新型農機裝備的支持，制約了棉稈收獲機的發(fā)展和應用；同時棉稈收獲機種類繁多，缺乏系統(tǒng)性的技術標準，需要進一步完善。

(2)機具作業(yè)時，雖解決棉稈拔除的難題，但由于棉稈木質化程度高，機具作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性有待提升；棉稈拔除機功能單一，需其他類型的機具配合作業(yè)，增加了機具購置和使用成本。自走式棉稈聯(lián)合作業(yè)機械，尤其是集成棉稈的拔稈、鍘切、壓捆的集成度高，節(jié)省作業(yè)成本。

(3)棉稈回收過程中，與后續(xù)的運輸、儲藏、應用等環(huán)節(jié)結合不緊密，需要開展對棉稈進行二次處理的研究，進一步提升收獲后棉稈的利用價值。