自走式檸條聯(lián)合收獲機(jī)平茬試驗(yàn)

邢東倫，陳月鋒，高 威，董世平，丁學(xué)誼，賈紅建

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083)

0 引言

檸條是一種集經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益為一體的灌木，全世界有100多種，僅我國就有66種[1]。檸條是多年生灌木植物，抗旱耐瘠，具有很強(qiáng)的生命力和抗逆性，是我國北方地區(qū)防風(fēng)固沙、水土保持的理想品種。根據(jù)檸條生長特性，每3～5年需要平茬復(fù)壯1次，同時考慮其生態(tài)功能的要求，一般采取隔年、隔帶輪換平茬的方法，否則其生長速度會減慢，甚至停止生長，導(dǎo)致枯死。適時對檸條進(jìn)行平茬，才能促進(jìn)其持續(xù)生長，保持其生態(tài)及生物利用功能。開花期鮮檸條干物質(zhì)中粗蛋白含量約14%，粗脂肪含量約3.5%，其營養(yǎng)價值高于常規(guī)飼草和玉米秸稈，是良好的飼用植物。檸條熱值18.0～19.5 MJkg，樹皮含有蠟質(zhì)層，干濕都易燃燒，是優(yōu)良的燃料資源。目前，僅在內(nèi)蒙古烏蘭察布地區(qū)有十幾家檸條飼料加工廠；在山西五寨、河北康保及內(nèi)蒙古赤峰等地區(qū)建有以檸條為主要燃料的生物質(zhì)電廠。檸條平茬后最理想的切割斷面是較為光滑的圓形或橢圓形，平茬斷面的毛口、撕裂和灼傷對次年返青有直接影響[2-4]。

目前，檸條收獲機(jī)械普遍存在機(jī)械化程度低、可靠性差、平茬效率低和平茬質(zhì)量差等問題，難以滿足檸條平茬復(fù)壯及循環(huán)利用的需求。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院生物質(zhì)能中心一直致力于檸條的機(jī)械化收獲研究，通過不斷技術(shù)改進(jìn)和升級，研制出新型4GM-200A型自走式檸條聯(lián)合收獲機(jī)，集平茬、輸送、粉碎、拋送和儲運(yùn)為一體。作業(yè)時，獨(dú)特的圓盤鋸切割設(shè)計可以顯著提高平茬效率和改善平茬質(zhì)量。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時間為2019年4月，試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古四子王旗。檸條為人工雙行種植，兩行間距1 m，每兩行與下兩行之間間距6 m，植株高度0.8～2.5 m，檸條含水率約35%。

1.1主要參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備為自走式檸條聯(lián)合收獲機(jī)，如圖1所示。其配套動力118 kW；傳動方式為液壓傳動底盤，機(jī)械四驅(qū)；收獲幅寬2 000 mm；切割直徑80 mm；作業(yè)速度(無級變速)0～6 kmh。

1.2工作原理

平茬作業(yè)時，高速旋轉(zhuǎn)的鋸盤將檸條鋸斷，然后檸條被推送至撥送攪龍，攪龍將其送到中間輸送裝置的料口，在喂入輥的強(qiáng)制抓取作用下，檸條被輸送至喂入裝置，由喂入裝置的夾持喂入輥將枝條輸送到切碎裝置，切碎滾筒將檸條枝條切碎，并拋送至儲料箱，儲料箱裝滿后，由液壓裝置將切碎的枝條側(cè)翻卸至運(yùn)輸車內(nèi)。

該機(jī)割臺采用鋸切原理，雙圓鋸盤向內(nèi)旋轉(zhuǎn)對檸條實(shí)施無支撐切割，如圖2所示。圓盤直徑1 000 mm，兩個圓盤之間有20 mm左右的重疊量。重疊量過少，易出現(xiàn)“爬刀”和“咬刀”現(xiàn)象；重疊量過大，會使切割點(diǎn)前移，降低切割器夾持莖稈的能力。為了便于安裝和更換，每個鋸盤鋸片平分為8片，通過螺栓把鋸片和底座連接在一起。

1.3測試設(shè)備、指標(biāo)及測試方法

卷尺：測量收獲機(jī)前進(jìn)距離。秒表：測量收獲時間。平茬高度：測量地表面到斷面茬口的距離。平口率：平口斷面占整個平茬作業(yè)數(shù)量的比例，即平口數(shù)(毛口數(shù)+平口數(shù))。平茬后，分析斷面質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)，并對平茬檸條掛簽標(biāo)記，以便次年查看復(fù)壯情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1平茬斷面質(zhì)量對復(fù)壯的影響

平茬斷面質(zhì)量的好壞直接影響檸條的復(fù)壯返青率。為科學(xué)合理地評價檸條平茬斷面質(zhì)量的優(yōu)劣，國內(nèi)一些學(xué)者對檸條平茬后斷面質(zhì)量評價指標(biāo)體系進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究，如灼傷率、毛茬面積、裂痕長度和裂痕深度等參數(shù)對平茬后檸條復(fù)壯返青率的影響。在實(shí)際平茬作業(yè)過程中，通過觀察平茬斷面是平口還是毛口來快速便捷地判斷平茬質(zhì)量。從次年的復(fù)壯返青情況看，大致能判斷出平口比毛口復(fù)壯返青率更高，如圖3所示。

2.2平茬效果影響因素

2.2.1鋸片類型

本試驗(yàn)鋸片材質(zhì)均采用高碳合金鋼，選用3種不同齒型鋸片，齒數(shù)分別為13、20和30齒，如圖4所示。

通過田間平茬試驗(yàn)，考察、記錄其平口率，如表1所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著鋸片齒數(shù)增多，齒型變密，平茬平口率升高，平茬效果越好。但是隨著齒型變密變小，齒強(qiáng)度相應(yīng)變差，抗沖擊能力變差，試驗(yàn)中就有斷齒現(xiàn)象，如圖4d所示。

2.2.2鋸片轉(zhuǎn)速

通過田間平茬試驗(yàn)，測試鋸片鋸尖線速度分別為50、60和70 ms時，觀察其對平茬效果的影響，平口率如表2所示。從表2中可以看出，隨著線速度的提高，平茬平口率也提高，這與檸條的切割原理相關(guān)。檸條切割是無支撐切割，僅靠檸條自身的抗彎能力很難與鋸片的切割力相平衡。切割速度較低時，檸條被推倒、折斷。當(dāng)鋸片以適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)入時，原來靜止的檸條在瞬間獲得鋸片傳遞的速度，并立即產(chǎn)生較大的加速度以及與其相反方向的慣性力，速度越大慣性力就越大，因此，檸條的抗彎能力也越大，這有利于檸條的切割。

表2 不同線速度的平口率

2.2.3平茬高度

適宜的留茬高度對植物的持續(xù)生長具有重要意義[5-6]。蘆娟等[7]對人工檸條林進(jìn)行0、5和10 cm共3種留茬高度處理，發(fā)現(xiàn)離地面10 cm平茬處理的效果優(yōu)于其他2種處理。王世裕等[8]對晉西北地區(qū)檸條林更新復(fù)壯技術(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)茬口高度距離地面0～3 cm為宜。王麗莉[9]在檸條平茬復(fù)壯更新技術(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，檸條平茬的適宜高度為5 cm，留茬高時，平茬所留下的枝條絕大部分自上而下逐漸抽干至近地表新萌枝部位。左忠等[10]認(rèn)為，對于覆沙地區(qū)可直接齊地平茬，其他地區(qū)建議采取5～10 cm的留茬高度。

本試驗(yàn)測試了5種平茬高度，分別為0、5、10、15和30 cm，記錄測試平口率分別為59.8%、55.1%、49.5%、43.2%和35.4%?？梢娖讲绺叨仍礁撸娇诼试降?，平茬效果越差。這與檸條的切割原理有關(guān)，平茬高度越低，土壤對檸條的扶持力越大，相當(dāng)于有支撐切割，此時對切割越有利，平茬效果好；反之，平茬高度越高，扶持力越小，切割時檸條容易滑移，端口摩擦力加大，容易形成毛口。從自走式收獲機(jī)平茬作業(yè)實(shí)際情況看，如果平茬高度太低，土壤中的砂粒、石頭會對收獲機(jī)刀片等部件造成磨損，如果石頭、砂粒帶入粉碎室，會對機(jī)器造成更大的損壞。

因此，考慮平茬高度對檸條再生性的影響，并兼顧平茬作業(yè)的實(shí)際環(huán)境，建議在平原地區(qū)的檸條種植，平茬高度以5 cm為宜；在沙化、多石不平整區(qū)域的檸條種植，平茬高度以10～15 cm為宜。

2.2.4機(jī)器行駛速度

2.2.5其他因素

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，檸條特性對平茬效果也有一定影響。有些木質(zhì)化程度低、莖桿較細(xì)的檸條(直徑在1 cm左右)，由于扶持支撐力弱，鋸切時其纖維組織大部分不是被切斷，而是被拉斷或被打斷，平茬后的茬口是毛口。對于木質(zhì)化程度較高的粗檸條(直徑>5 cm)，鋸切時進(jìn)鋸較困難，出現(xiàn)彈鋸、跳鋸現(xiàn)象，不是一次性切斷，而是多次重復(fù)切割，造成茬口斷面撕裂和毛口。

另外，鋸片的鋒利度對平茬效果也有一定影響。新鋸片比使用10 d后的鋸片平茬平口率高8%左右。鋸片鋒利時，能夠一次性鋸斷枝條。當(dāng)鋸片變鈍時，一次性切不斷就會多次重復(fù)切割，造成毛口現(xiàn)象。

2.3其他性能試驗(yàn)

對該機(jī)其他性能進(jìn)行了田間實(shí)地測試，結(jié)果表明，該機(jī)各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計任務(wù)書要求，如表3所示。

表3 性能試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過田間平茬試驗(yàn)，重點(diǎn)分析平茬質(zhì)量的影響因素。優(yōu)化鋸齒形狀，采用硬質(zhì)耐磨合金，可以提高鋸片耐磨性、抗沖擊性，延長刀片使用壽命。優(yōu)化作業(yè)參數(shù)，以60 ms的鋸片線速度配合3～5 kmh的機(jī)器行走速度最佳。建議在平原平整地區(qū)的檸條種植，平茬高度以5 cm為宜；在沙化多石不平整區(qū)的檸條域種植，平茬高度以10～15 cm為宜。

通過減少鋸片與檸條的摩擦使切口一次成型，防止重復(fù)切割和撕裂，可以提高平茬質(zhì)量和平茬效率。通過試驗(yàn)分析，對自走式檸條聯(lián)合收獲機(jī)的性能改進(jìn)、規(guī)范平茬作業(yè)和市場應(yīng)用推廣積累可靠的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。