檸條聯(lián)合收獲機(jī)裝備技術(shù)研究現(xiàn)狀

張世杰

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

檸條（Caragana korshinskii Kom） 是錦雞兒屬植物栽培種的通稱，全世界有100 余種，我國(guó)有66 種[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前山西省檸條種植地區(qū)主要分布在大同、朔州、忻州、呂梁等23 個(gè)檸條種植縣，面積約153.33 khm2。不僅能保持水土、防風(fēng)固沙，又能精深加工，增加附加值，提高灌木林經(jīng)濟(jì)效益。由于檸條木質(zhì)化高，莖桿上多硬刺，作業(yè)環(huán)境十分惡劣且種植分散面積廣，所以人工砍切和收集非常不容易。機(jī)具也不易收割。經(jīng)實(shí)地考察，檸條株高都在0.4～2.0 m，大部分為成年老齡檸條，一直處于自然生長(zhǎng)狀態(tài)，木質(zhì)化程度增高。依據(jù)灌木生物學(xué)特性，要求3～5 年平茬一次，如不及時(shí)進(jìn)行平茬，將面臨衰老或枯死?，F(xiàn)階段面臨主要問題是，檸條機(jī)械化程度非常低，多數(shù)是用割灌機(jī)（人工半機(jī)械化），檸條收獲機(jī)種類和數(shù)量也很少，無法保證平茬作業(yè)質(zhì)量，不能滿足檸條生長(zhǎng)特性。目前，國(guó)內(nèi)外暫時(shí)還沒有出現(xiàn)對(duì)檸條聯(lián)合收獲機(jī)成型機(jī)械的報(bào)道。因此，發(fā)展檸條聯(lián)合收獲刻不容緩、勢(shì)在必行，可保護(hù)生態(tài)環(huán)境、助推畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，對(duì)推動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展顯得尤為重要。

1 國(guó)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)研究現(xiàn)狀

檸條聯(lián)合收獲機(jī)具有能夠一次性切割、輸送、揉絲（搓）、收集、打包等功能的機(jī)械設(shè)備。20 世紀(jì)中后期，我國(guó)才開始對(duì)檸條收機(jī)進(jìn)行研究，由于起步晚，所以現(xiàn)在研究水平停留在仿制水平基礎(chǔ)上。產(chǎn)品質(zhì)量差、性能不完善、品種單一、生產(chǎn)廠家少[2]。國(guó)內(nèi)具有代表性聯(lián)合作業(yè)的檸條機(jī)有4MG-200 型灌木收獲機(jī)和4G-2 型自走式灌木平茬多功能收割機(jī)。

1.1 切割器的研究

切割器是檸條收獲機(jī)關(guān)鍵工作部件，切割是平茬、收獲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。切割器好壞直接影響著檸條切割質(zhì)量。檸條割茬要求一次性切斷，切割后端面為光滑圓形或橢圓形，不能有撕裂、燒焦現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)實(shí)地調(diào)查，現(xiàn)在收割檸條的方式相當(dāng)落后，有的地方還采用人工作業(yè)，即用砍刀等農(nóng)用工具用力將枝條砍斷。這種方式影響其正常生長(zhǎng)，目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的檸條切割器類型主要是圓盤鋸齒式割刀、甩刀式、往復(fù)（剪切） 式。割臺(tái)割刀組合型式有重疊式、反復(fù)式、單圓盤等。具有典型代表研究如下。

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)郭玉明教授等人對(duì)割臺(tái)仿形和割刀齒形、材料、大小等進(jìn)行了大量研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)檸條莖根粗細(xì)不同應(yīng)用不同大小、厚度、材料、齒形的切割器，對(duì)檸條切割器研究的比較全面。所生產(chǎn)設(shè)計(jì)的4GN-1600E 型檸條收割機(jī)，是把檸條切割到機(jī)具一側(cè)的地面上，是山西省唯一具有仿形割臺(tái)功能的全液壓驅(qū)動(dòng)的檸條收獲機(jī)，割臺(tái)由6 個(gè)直徑為400 mm 的圓盤鋸片兩兩重疊而成3 組，齒形為木工鋸齒，每個(gè)據(jù)片齒數(shù)為71 個(gè)。

4GN-1600E 型檸條收割機(jī)見圖1。

圖1 4GN-1600E 型檸條收割機(jī)

北京林業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的5GZ-800 型自行手扶式灌木平茬機(jī)[3]，通過對(duì)樣機(jī)試驗(yàn)，確定了切割裝置結(jié)構(gòu)尺寸和功率消耗。認(rèn)為鋸片切割速度越高越好，檸條的拉毛、燒焦、劈裂情況發(fā)生越少，切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與檸條根部形成的沙包相適應(yīng)。切割寬度與檸條直徑相一致。采用多鋸片（3 個(gè)） 的方式切割，轉(zhuǎn)速2 900～3 200 r/min[4]，直徑305 mm，厚度2 mm，齒數(shù)72 和80。平茬效果好，鋸齒線速度為46.3～51.1 m/s，劈茬率為1.6%。

馬永康[5]對(duì)檸條切割機(jī)理及收割機(jī)切割器進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，結(jié)合圓盤鋸片型切割器和回轉(zhuǎn)式甩刀切割器切割檸條時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)綜合利弊，提出了一種新型的復(fù)合式切割器（已獲實(shí)用型專利）。該切割器結(jié)構(gòu)形式為一個(gè)圓盤形刀體，周圍聯(lián)結(jié)6～8 片斜扇形動(dòng)刀片，刃口上有與徑向成45°角的斜齒。齒間距為2 mm，齒深0.5 mm，外圓弧半徑245 mm，內(nèi)圓弧半徑160 mm，厚6 mm，扇形角度60°，刀盤直徑600 mm，動(dòng)刀片厚度6 mm，材料為65 Mn 調(diào)質(zhì)處理，刃口高頻淬火，硬度為HRC6～65。通過對(duì)切割器機(jī)理理論研究和大量試驗(yàn)證明，該復(fù)合式切割器具有工作阻力小、自磨刃、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)檸條平茬、收割需要。

內(nèi)蒙古4G-2 型自走式灌木平茬多功能收獲機(jī)，具有切割、輸送、揉搓、收集功能，是山西省主要應(yīng)用的機(jī)型之一。該機(jī)在性能上還不完善，但目前對(duì)農(nóng)民起到了一定的作用。該機(jī)切割器由2 片鋸齒形鋸片和圓盤周圍固定的4 個(gè)甩刀組成，直徑860 mm，甩刀寬度70 mm，甩刀厚度10 mm，甩刀線速度大于65 m/s，割幅2 000 mm，鋸盤傾角9°。

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)使用DG-2 型割灌機(jī)進(jìn)行割臺(tái)試驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)分析，建立回歸方程，優(yōu)化圓盤曲線形割刀的參數(shù)，設(shè)計(jì)了一款圓盤割刀。指出割刀在工作過程中不僅與機(jī)器的前進(jìn)速度和割刀轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與割刀的質(zhì)量與割幅有關(guān)。綜合考濾，設(shè)計(jì)直徑為200 mm，割刀的刀片個(gè)數(shù)為15 個(gè)，刀片間距為7 mm，厚度2 mm，材料65 Mn，機(jī)器前進(jìn)速度0.2 m/s，轉(zhuǎn)速為4 870 r/min。

1.2 仿形機(jī)構(gòu)的研究

福建師范大學(xué)研制了一種新型仿形收割設(shè)備，該設(shè)備能夠根據(jù)不同地形對(duì)切割器的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。割臺(tái)具有橫向仿形機(jī)構(gòu)和縱向仿形機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)。橫向仿形機(jī)構(gòu)比較好實(shí)現(xiàn)，割臺(tái)遇到障礙物時(shí)會(huì)自動(dòng)抬起，實(shí)現(xiàn)大角度翻轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)采用圓錐齒輪傳動(dòng)，依據(jù)行星齒輪結(jié)構(gòu)原理達(dá)到仿形目的。由于側(cè)向傳動(dòng)復(fù)雜，縱向仿形機(jī)構(gòu)比較難實(shí)現(xiàn)，采用雙萬向聯(lián)軸節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)，利用萬向聯(lián)軸節(jié)的傳動(dòng)特性能夠保證縱向仿形時(shí)動(dòng)力傳動(dòng)順利。

1.3 動(dòng)力方面的研究

經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢索，目前主要檸條平茬機(jī)主要?jiǎng)恿τ衃6]：①小型便攜式收割機(jī)，功率一般為1.5～2.0 kW；②以小型汽油機(jī)為動(dòng)力的收割機(jī)機(jī)，功率≤1.84 kW。此類型工作頭多為橫截圓鋸片；③以小四輪拖拉機(jī)作為配套動(dòng)力的收割機(jī)，如大同研制的9GN-1.2 型檸條機(jī)收割機(jī)；④以中型拖拉機(jī)為動(dòng)力的收割機(jī)，功率在22.06～44.12 kW，如2GP-100 型收割機(jī)；⑤自走式檸條收割機(jī)，該類機(jī)械具有收割、輸送、拋送、收集等多功能作業(yè)工序，這類機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)底盤自行設(shè)計(jì)，配套動(dòng)力往往≥58.8 kW，如4G-2 型自走式多功能收割機(jī)。

2 國(guó)外裝備發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)后期，加拿大、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，檸條收獲機(jī)技術(shù)比較完善，機(jī)具品種齊全，形成系列產(chǎn)品，在割、摟、捆、裝、運(yùn)輸?shù)确矫嫜芯勘容^成熟。大型拖拉機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)，切割檸條直徑達(dá)100 mm，這些國(guó)家的研制的灌木機(jī)械技術(shù)比較完善，機(jī)具品種比較齊全，結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能指標(biāo)至今沒有大的變化，只是在操作舒適度和智能仿形的應(yīng)用方面有所改進(jìn)。在研究既能收割檸條，又能把檸條用輸送帶輸送到一側(cè)定向擺入的收割機(jī)領(lǐng)域還屬于空白。

3 存在問題

近年來，畜牧產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，檸條飼料供不應(yīng)求，由于檸條機(jī)械化程度不高，成為檸條生產(chǎn)利用環(huán)節(jié)的“瓶頸”。制約著檸條不能及時(shí)收獲，使環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益受到了很大影響。

3.1 切割質(zhì)量不高

切割器是收獲機(jī)關(guān)鍵部件，如果切割器的切割質(zhì)量不高，不僅直接影響著收獲的質(zhì)量，還會(huì)對(duì)檸條的次年生長(zhǎng)發(fā)育受到很大的影響。目前，機(jī)型收割后，出現(xiàn)撕裂、燒焦現(xiàn)象，甚至有漏割發(fā)生、割刀易磨損等現(xiàn)象。

切割割茬效果見圖2。

圖2 切割割茬效果

3.2 機(jī)械化程度不高

目前，市場(chǎng)上應(yīng)用的檸條作業(yè)機(jī)械大部分是檸條平茬和收割機(jī)，收割機(jī)的收割效率也很低，作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的問題很多。缺少成熟聯(lián)合收獲機(jī)，能一次作業(yè)實(shí)現(xiàn)收割、強(qiáng)制喂入切碎、集裝、液壓自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料、打包成熟機(jī)型還是空白。農(nóng)民大部分是半機(jī)化收割檸條，檸條撿拾仍然由人工來完成。

3.3 功能不全

由于檸條帶刺，人工不易直接接觸，現(xiàn)有的機(jī)具割茬后將檸條收集在收集箱，然后倒入地頭，再由人工裝入另外一個(gè)運(yùn)輸車，應(yīng)增加打包裝置、提高工作效率。

3.4 配套動(dòng)力不足

檸條韌性大，切割截面光滑圓形或橢圓形，不能有撕裂。要求割刀要有很高的線速度，消耗動(dòng)力會(huì)更佳，目前機(jī)型配套動(dòng)力全不足，造成切割不符合要求，甚至是造成堵塞的主要原因，導(dǎo)致不能正常進(jìn)行田間作業(yè)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要充分估算各部件動(dòng)力消耗，動(dòng)力分配要合理。

4 市場(chǎng)前景分析

以自走式多功能檸條收獲機(jī)為例，按山西省檸條面積約633.33 khm2計(jì)算，根據(jù)有關(guān)部門和專家預(yù)測(cè)，年需求量為1 200 臺(tái)左右，實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)值2.8 億元；自走式檸條收獲機(jī)具有一次性完成切割、輸送、切碎、拋送、裝車的功能，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，市場(chǎng)前景十分廣闊。

5 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)日益成熟的檸條產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)，政府有關(guān)部門的重視和廣大農(nóng)民認(rèn)識(shí)的提高，檸條的種植面積逐年增加。檸條聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)備機(jī)械化程度卻不高，缺乏可靠的機(jī)械作業(yè)機(jī)具作保護(hù)。檸條聯(lián)合收獲機(jī)已成為制約檸條種植面積擴(kuò)大和資源利用瓶頸，檸條聯(lián)合收獲機(jī)的機(jī)械作業(yè)已經(jīng)成為亟需解決的問題。