飼用苧麻機(jī)械化收獲與農(nóng)藝融合技術(shù)研究

唐守偉，劉凱，戴求仲，魏仲珊，劉頭明，王延周，朱四元，方友祥

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙410205；2.益陽創(chuàng)輝農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備有限公司，湖南益陽413059；3.湖南德人牧業(yè)科技有限公司，湖南常德415900）

飼草是奶牛的主要食物來源，飼草品質(zhì)的好壞直接影響奶牛的生長、產(chǎn)奶量及奶產(chǎn)品的品質(zhì)。紫花苜蓿、燕麥草等是目前公認(rèn)的奶牛用優(yōu)質(zhì)牧草，但因其不適應(yīng)南方高溫、高濕氣候環(huán)境等原因，目前在南方推廣種植面積非常有限，難以滿足南方奶牛養(yǎng)殖生產(chǎn)對優(yōu)質(zhì)蛋白類飼草的需求。南方奶牛養(yǎng)殖生產(chǎn)中所需的紫花苜蓿產(chǎn)品仍主要依靠從北方或國外調(diào)運(yùn)，不但成本高，也難以保障產(chǎn)品的新鮮度和質(zhì)量穩(wěn)定性。因此，篩選種植適應(yīng)南方氣候特點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)蛋白類飼草資源，滿足日益發(fā)展的奶牛養(yǎng)殖生產(chǎn)需求顯得尤為迫切。

傳統(tǒng)上苧麻主要收獲纖維用于紡織工業(yè)，但由于其嫩莖葉營養(yǎng)豐富，粗蛋白質(zhì)含量高達(dá)20%以上，且氨基酸組成平衡，是一種很好的植物性蛋白飼料資源；該作物還具有適應(yīng)南方氣候、生物產(chǎn)量高，一年栽培多年收獲等特點(diǎn)，近年來在南方一些地區(qū)作為新型蛋白質(zhì)飼料推廣，種植面積逐年增加。但在飼用苧麻收獲技術(shù)方面，由于其高植株、硬莖稈、高纖維等特點(diǎn)，機(jī)械收獲技術(shù)難度大，目前國內(nèi)外尚無適合的飼用苧麻收獲機(jī)械，主要依靠人工收割，不僅勞動強(qiáng)度大，工作效率低，而且成本高，嚴(yán)重制約了飼用苧麻規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，研制專用飼用苧麻收割機(jī)，已成為推動飼用苧麻產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和提高飼用苧麻種植效益必需解決的瓶頸問題。

1 總體方案設(shè)計

飼用苧麻是一種含多種營養(yǎng)成份的麻類作物，一年內(nèi)可收割5～6次，產(chǎn)量最高可達(dá)150～180噸／公頃，干重粗蛋白含量達(dá)20%以上，具有較高的飼用價值。飼用苧麻植株高、莖桿硬，采用機(jī)械收獲在切割、輸送、切碎方面存在與其它牧草不同的技術(shù)問題，而且南方的田地面積不大，大型青飼料收割機(jī)的適用性較差，現(xiàn)有青飼料收割機(jī)輪式行走裝置對作物根系的破壞性大，不利于飼用苧麻后茬的生長，影響飼用苧麻的割株次數(shù)和產(chǎn)量。根據(jù)南方氣候條件和飼用苧麻生長特點(diǎn)，特對飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行如下設(shè)計：

1.1 割臺－輸送槽－切碎裝置－集料箱合理布局，形成最佳物料走向

為實(shí)現(xiàn)飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)身集約適中，功能完善，功率消耗節(jié)省的工作要求，考慮到一機(jī)多用能兼顧蔓生型紫花苜蓿等其它牧草。本機(jī)采用往復(fù)式切割器，臥式割臺和鏈?zhǔn)捷斔脱b置等工作部件，加上旋刀鼓風(fēng)組合切碎裝置，草料提升攪龍和集料箱，形成了一種新穎的整機(jī)設(shè)計技術(shù)思路（見圖1），在飼用苧麻收獲中基本實(shí)現(xiàn)切割、切碎、集料的聯(lián)合作業(yè)，形成從割臺－輸送槽－切碎裝置－集料箱的最佳料走向合理的整體布局，解決了現(xiàn)有青飼料聯(lián)合收割機(jī)機(jī)身龐大，不適應(yīng)南方田塊的問題。

圖1 整機(jī)設(shè)計技術(shù)思路圖Fig.1 The design idea of the wholemachine

1.2 采用履帶自走式行走系統(tǒng)，增加整機(jī)的接地面積，降低大田作業(yè)的植株損傷

現(xiàn)有的青飼料收割機(jī)大多采用輪胎式行走裝置，在南方潮濕松軟的田塊行駛，接地面積小、壓力大，輪胎碾壓之處，對飼用苧麻的根系破壞嚴(yán)重，不利于后茬的生長，嚴(yán)重影響割株次數(shù)和牧草產(chǎn)量。飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)采用橡膠履帶行走裝置，增大了行走裝置的接觸面積，極大地減少了機(jī)械的接地壓力，減輕了對飼用苧麻根系的破壞，適用于南方牧草可多次割株、持續(xù)生長的農(nóng)藝要求。

1.3 利用雙攪龍割臺聯(lián)動，促使物料雙向輸出

現(xiàn)有的青飼料聯(lián)合收割機(jī)，一般采用圓盤式切割器加立式割臺的結(jié)構(gòu)，功率消耗大，且無法適應(yīng)飼用苧麻等牧草的收獲，高植株、硬莖桿的飼用苧麻在臥式割臺中輸送進(jìn)料困難，并容易從割臺滑落，造成收割損失。飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)在原有割臺攪龍的后上方平行增設(shè)一根副攪龍（見圖2），使切割后的植株在割臺內(nèi)能上下同時向進(jìn)料口移動，并可有效實(shí)現(xiàn)對苧麻莖桿的折壓，試驗(yàn)表明，臥式雙攪龍割臺結(jié)構(gòu)不僅適應(yīng)于高植株、硬莖桿的飼用苧麻收割，還能滿足蔓生型紫花苜蓿等牧草的收割，同時能夠減少機(jī)械體量，降低了功率消耗。

圖2 臥式雙攪龍割臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structual diagram of horizontal doublemixing table

1.4 采用旋刀鼓風(fēng)組合式切碎裝置，降低韌皮纖維纏繞運(yùn)動部件

飼用苧麻莖皮中含有大量纖維，在切碎過程中，溢出的纖維物極易粘附在切碎裝置殼體和切碎輪轉(zhuǎn)盤上，形成長纖維纏繞運(yùn)動部件的技術(shù)難題。飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)采用旋刀鼓風(fēng)組合式切碎裝置（見圖3），切碎過程中邊切碎邊吹送，及時將溢出的纖維物經(jīng)出料口吹至集料箱，較好地解決了飼用苧麻在切碎過程中長纖維物易纏繞運(yùn)動部件的問題。旋刀鼓風(fēng)組合式切碎裝置由切碎筒、轉(zhuǎn)盤組成。切碎筒圓弧面頂端和前端設(shè)有進(jìn)料口，進(jìn)料口下側(cè)邊緣處設(shè)有一排定刀片。轉(zhuǎn)盤形狀類似于風(fēng)機(jī)的葉輪，在兩相鄰風(fēng)機(jī)葉片間設(shè)有一排動切刀，動切刀通過螺栓固定在刀座上，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，通過動、定切刀的配合對飼用苧麻實(shí)行支承切碎，與此同時，轉(zhuǎn)盤上的風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生風(fēng)力，將切碎過程中產(chǎn)生的長纖維物經(jīng)切碎筒出料口吹出。該結(jié)構(gòu)在有效防止飼用苧麻在切碎過程中長纖維物對運(yùn)動部件纏繞的同時，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)部件的功能融合，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了功率消耗。

圖3 旋刀鼓風(fēng)組合式切碎裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram for rotary knife and blast

1.5 改革傳統(tǒng)種植模式，促進(jìn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合

飼用苧麻經(jīng)過多次收獲后，因機(jī)器作業(yè)對田塊的碾壓造成土地板結(jié)，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重影響作物的生長。傳統(tǒng)的栽培模式是在勞動力密集條件下形成的，存在成本高和勞動強(qiáng)度大的弊病。根據(jù)青飼料收割機(jī)大田作業(yè)時形成的軌跡，本項(xiàng)目設(shè)計了?；久绲膶捳蟹N植，并研發(fā)了青飼料中耕施肥一體機(jī)。

其技術(shù)路線為：

設(shè)置廂寬為4.5 m，寬行為70 cm，窄行為30 cm，飼用苧麻每公頃栽42000～45000蔸，豐產(chǎn)期保證有效株為30萬株。

2 樣機(jī)生產(chǎn)與效果分析

經(jīng)過多次方案的優(yōu)化和田間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，飼用苧麻履帶自走式聯(lián)合收割機(jī)達(dá)到了試驗(yàn)設(shè)計要求，獲得較好的應(yīng)用效果。

2.1 整機(jī)的性能與配制優(yōu)化

飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)采用履帶自走方式，配置帶往復(fù)切割器的雙攪龍臥式割臺，采用旋刀鼓風(fēng)組合式切碎裝置，在實(shí)現(xiàn)高植株、硬莖桿、高纖維飼用苧麻機(jī)械化收獲的同時，有效解決了南方牧草一年多次割株，作物根系需較好保護(hù)的問題，同時可兼顧其它牧草的收獲作業(yè)（圖4）。

圖4 飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)工作圖Fig.4Working of forage ramie combine harvester

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters

2.2 幾個關(guān)鍵部件的特性與效果

臥式雙攪龍割臺和風(fēng)刀組合式切碎裝置使得收割機(jī)高效生產(chǎn)。臥式雙攪龍由主攪龍和副攪龍組成。通過往復(fù)式割刀運(yùn)動，在撥禾輪的引導(dǎo)下，主攪龍將飼用苧麻切斷并向輸送槽轉(zhuǎn)運(yùn)，副攪龍協(xié)助將植株壓折與壓斷并向進(jìn)料口撥動。

為適應(yīng)高纖維飼用苧麻切碎而研發(fā)的旋刀鼓風(fēng)組合式切碎裝置，可使飼用苧麻從進(jìn)料口進(jìn)入，通過定刀和動刀的相互配合而切碎植株，然后采用鼓風(fēng)片產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流，將莖稈和碎纖維從鼓風(fēng)筒內(nèi)側(cè)底部位置吹送至出料口。將切碎與吹送的功能融為一體，既解決了長纖維作物切碎易纏繞的技術(shù)難題，又簡化了結(jié)構(gòu)，是對現(xiàn)有青飼料聯(lián)合收割機(jī)切碎裝置的創(chuàng)新。

2.3 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合促進(jìn)青飼料高效生產(chǎn)

根據(jù)飼用苧麻生長發(fā)育規(guī)律，對栽培模式進(jìn)行了大膽創(chuàng)新。在兼顧光能吸收和通風(fēng)的條件下，采用寬窄行種植和地上收獲物移走后中耕施肥一體田間作業(yè)，提高了作物生產(chǎn)效率并大大降低了勞動生產(chǎn)成本。

（1）飼用苧麻收獲期的試驗(yàn)

針對飼用苧麻的生物量和飼用品質(zhì)雙向考慮，設(shè)計了梯度收獲期的試驗(yàn)，其結(jié)果見表2。從表2可以看出，隨著收獲高度的增加，生物干量總體是增加的。然而，葉莖比和相對飼用價值在下降，粗蛋白含量在莖稈100～120 cm高時，總蛋白含量達(dá)到最高。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，飼用苧麻建議以100～120 cm高度時收獲最佳。

表2 “中飼苧1號”不同收割高度生物量與飼用品質(zhì)調(diào)查Table 2 Biomass and feeding quality of different harvest heights

（2）寬窄行密度種植與機(jī)器中耕施肥效果調(diào)查

根據(jù)本項(xiàng)目研制的青飼料（飼用苧麻）收割機(jī)的技術(shù)參數(shù)，履帶寬40 cm，軌距90 cm，設(shè)計行距為40 cm，株距為70、30 cm等系列處理，調(diào)查有效蔸和有效株。從表3可以看出，栽培密度與農(nóng)機(jī)融合以寬窄行70 cm×30 cm，株距為40 cm為宜。

表3 “中飼苧1號”不同種植密度效果統(tǒng)計Table 3 Statistics on different planting density of ramie

履帶自走式飼用苧麻中耕施肥一體機(jī)將施肥、旋耕、除草功能一體化，極大的提高了生產(chǎn)效率。該一體機(jī)在現(xiàn)有履帶叉車基礎(chǔ)上進(jìn)行較為簡單的結(jié)構(gòu)改造，易于制造，且制造成本較低（圖 5）。

2017年在常德西湖管理區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)地試驗(yàn)，將傳統(tǒng)中耕施肥方式與機(jī)械中耕施肥方式進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。由表4可知，進(jìn)行機(jī)械中耕施肥管理的田塊，平均株高要高24%，有效株率提高75%。

圖5 飼用苧麻中耕施肥一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The structure of a ramie integrated tillage and fertilizingmachine

表4 機(jī)械中耕施肥效果比較調(diào)查Table 4 Comparative investigation ofmechanical plowing and fertilization

3 分析與討論

3.1 大大提高了工作效率，降低了勞動生產(chǎn)成本

經(jīng)濟(jì)效益分析：飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)效率高，一臺機(jī)械每小時可收割飼用苧麻0.3 hm2以上，按每天工作8 h計算，一天可收割飼用苧麻3 hm2左右，而人力收割一名人工每天只能收割0.05 hm2左右，機(jī)械一天的工作量相當(dāng)于60名工人的工作量。

機(jī)械使用的經(jīng)濟(jì)效益由下式得出：

經(jīng)濟(jì)效益＝替代人工數(shù)×人工工資－（機(jī)械作業(yè)成本＋機(jī)械折舊）×作業(yè)公頃數(shù)

其中：

替代人工數(shù)為60人；

人工工資：按120元／天計算；

機(jī)械作業(yè)：成本按600元／公頃計算；

機(jī)械折舊：按450元／公頃計算；

經(jīng)濟(jì)效益＝60×120－（600＋450）×3＝4050元／天

由此可見聯(lián)合收割機(jī)使用者的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

3.2 飼用苧麻與纖維用麻的效益對比

飼用苧麻一年可割株5～6次，每公頃產(chǎn)鮮牧草150～180噸，按牧場鮮草收購價400元／噸計算，每公頃苧麻的年收入為60000～72000元，而用于提取纖維的苧麻，一年可打麻3次，每公頃收獲干纖維麻2250～3000千克，按干纖維麻15元／千克計算，每公頃產(chǎn)纖維麻的年收入為33750～45000元，二者相比，種植1 hm2飼用苧麻的年收益高出26250～27000元。飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)的研制，為麻農(nóng)規(guī)模經(jīng)營創(chuàng)造了可靠的條件，將為麻農(nóng)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

社會效益分析：飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)機(jī)械化收割技術(shù)的推廣不僅給麻農(nóng)和牧業(yè)企業(yè)、生產(chǎn)制造企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，同時也具有良好的社會效益。飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)采用橡膠履帶式行走裝置，可有效減輕機(jī)械行駛時對牧草根系的破壞，有利于后茬生長，提高了苧麻的割株次數(shù)和單位產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了土地資源利用的最大化，符合創(chuàng)建資源節(jié)約型社會的要求。

綜上所述，飼用苧麻聯(lián)合收割機(jī)，順應(yīng)南方牧業(yè)生產(chǎn)和麻農(nóng)需求，具有良好市場應(yīng)用前景和重要的推廣價值，機(jī)械收獲的高效率和使用制造成本的降低可為畜牧企業(yè)、麻農(nóng)和收割機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，與此同時，該技術(shù)的應(yīng)用將在推動社會創(chuàng)新驅(qū)動節(jié)能減排、合理利用資源、解放勞動力、提高農(nóng)民生活幸福指數(shù)等各方面帶來明顯的社會效益。

3.3 存在的問題及解決方案

一是陰雨過多造成田塊壓實(shí)過緊的問題。南方地區(qū)上半年雨水較多，田塊過于潮濕，機(jī)器作業(yè)時自身重量對多年生飼用苧麻壓實(shí)過緊，影響下茬苧麻的生長。解決的辦法即密切關(guān)注天氣動態(tài)，待天晴一天或多天后進(jìn)行搶收和搶貯，保證牧草質(zhì)量和防止霉變。

二是田塊漬水對飼用苧麻地下部分損傷，出現(xiàn)漬害。解決的辦法即及時清除圍溝，疏通中溝，做到丘丘地塊水流通暢。采用寬窄密植技術(shù)，促進(jìn)飼用苧麻園通風(fēng)，防止倒伏和病蟲害的大規(guī)模發(fā)生。