采繭機(jī)械研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

陳苗苗 王義鵬 張 巍 趙幫泰 程方平 楊昌敏 郭 曦

（四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，四川 成都 610066）

我國蠶桑產(chǎn)業(yè)歷史悠久，隨著國家蠶桑產(chǎn)業(yè)“東桑西移”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國蠶桑生產(chǎn)區(qū)域逐步由東部地區(qū)向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移。蠶桑產(chǎn)業(yè)是四川省的特色產(chǎn)業(yè)之一。在“十三五”脫貧攻堅(jiān)期間實(shí)現(xiàn)了規(guī)模效益提質(zhì)擴(kuò)容，四川省有19 個(gè)市（州）、95個(gè)縣（區(qū)）、100 多萬人從事繭絲綢產(chǎn)業(yè)，蠶桑產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值達(dá)1777.5 億元。2023 年，全省桑園面積230 萬畝（15.3 萬hm2），蠶繭產(chǎn)量為8.3 萬t、蠶絲9421.8 t，分別占全國19%、12.1%、17.6%，皆位居全國第2 位。絲綢大省的地位和優(yōu)勢不斷鞏固提升。

我國過去的蠶桑生產(chǎn)主要靠手工操作，基本使用簡單的工具設(shè)備。而采繭是蠶絲生產(chǎn)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，也是影響繭絲質(zhì)量的主要環(huán)節(jié)，是蠶農(nóng)能否增產(chǎn)增收的重要因素。傳統(tǒng)的人工處理是將蠶繭一個(gè)個(gè)從蔟上采摘下來。采用人工采繭不僅存在效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，還需支付大量的人工采繭費(fèi)用，人工成本高。伴隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，農(nóng)村人口大量向城鎮(zhèn)化轉(zhuǎn)移，帶來農(nóng)村人口的減少及勞動(dòng)力老齡化，使得可用人力資源減少，人力成本上升。在蠶業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)背景下，機(jī)械化采繭有利于提高工作效率，降低了人力成本。機(jī)械化采繭將成為必然的發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外采繭發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 日本采繭發(fā)展現(xiàn)狀

許多亞洲國家如日本、韓國、印度、泰國等地也有發(fā)展蠶桑產(chǎn)業(yè)的歷史和經(jīng)驗(yàn)。其中日本曾是規(guī)模最大、蠶繭產(chǎn)量第一的國家。為加快蠶桑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，日本研制了多種蠶桑養(yǎng)殖機(jī)械。研制起步較早，機(jī)械化程度最高。為解決熟蠶在蔟具中營繭，并從大量蔟具中采摘需大量用工的問題，采繭機(jī)由此產(chǎn)生。日本的采繭機(jī)技術(shù)相對成熟，具有高效率和高穩(wěn)定性，一些采繭機(jī)還擁有先進(jìn)的傳感器和控制系統(tǒng)，能夠檢測繭的質(zhì)量和形狀，并根據(jù)需求進(jìn)行相應(yīng)的處理和分揀。這些機(jī)器可以適用于不同類型的蠶繭，具備廣泛的適應(yīng)性和可調(diào)節(jié)性。部分先進(jìn)技術(shù)也傳入了中國。由于日本所用蔟具均為方格蔟，也是蠶農(nóng)使用的最多的一種蔟具，很大程度促進(jìn)了機(jī)械化采繭機(jī)的研制。日本發(fā)展了多種類型的采繭機(jī)[1-2]，種類主要有腳踏式采繭機(jī)和全自動(dòng)采繭剝繭衣機(jī)，有效地提高了勞動(dòng)效率，同時(shí)由于機(jī)械采繭時(shí)對蠶繭的損壞小，保證了蠶繭的品質(zhì)[3]。日本研制的采繭機(jī)如圖1 所示。

圖1 日本研制的采繭機(jī)

1.2 國內(nèi)采繭發(fā)展現(xiàn)狀

我國蠶絲業(yè)歷史悠久，以傳統(tǒng)手工操作為主。常用的蔟具種類很多，普遍使用的有蜈蚣蔟（俗稱草龍）、折蔟、傘形蔟、方格蔟等，有的地方直接用菜籽稈、麥稈、松枝等供蠶兒上蔟[4]。其中，方格蔟因其結(jié)構(gòu)合理、利于保存等因素，逐漸被廣泛使用。經(jīng)對比使用發(fā)現(xiàn)，方格蔟可有效提高蠶繭質(zhì)量，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[5]。是優(yōu)質(zhì)的上蔟蔟具。我國采繭機(jī)械化的發(fā)展經(jīng)歷了較長時(shí)間的積累和努力。隨著蠶農(nóng)大量使用方格蔟，先后發(fā)明了多種與方格蔟適配的自動(dòng)采繭機(jī)，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化和技術(shù)創(chuàng)新，提高了產(chǎn)量和質(zhì)量。

1.2.1 傳統(tǒng)采繭機(jī)

由于前期我國機(jī)械化水平較低，主要采用手工的、簡單的傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)行采繭，生產(chǎn)效率低。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化推進(jìn)，我國開始引進(jìn)和發(fā)展更先進(jìn)的采繭機(jī)械，提高了采繭效率[6-9]。江蘇科技大學(xué)的王孝祥等[10]研制的紙板方格蔟采繭機(jī)，把需要采繭的方格蔟放置在方格蔟支撐架上，通過絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)頂桿安裝板及其下方的頂桿向下直線運(yùn)動(dòng)，利用頂桿把蠶繭從孔格內(nèi)頂出，如圖2 所示。該機(jī)由于將頂桿設(shè)計(jì)成兩種長度，便于對孔定位，減少對蔟具的損壞。但由于方格蔟四角的孔格有一個(gè)非直角，而采繭機(jī)頂桿尺寸一致，因此進(jìn)入此四邊格時(shí)會(huì)很困難，需頻繁地控制電機(jī)取放方格蔟，無法連續(xù)作業(yè)。

圖2 紙板方格蔟采繭機(jī)

四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的馬勇等[11]研制一種毛刷式采繭機(jī)，利用柔性毛刷將蠶繭從方格蔟中刷出，即使變形的方格蔟也不會(huì)影響采收，減少了對方格蔟和蠶繭造成的損傷，如圖3 所示。這種采繭機(jī)能很好解決方格蔟變形的問題，減少因方格蔟變形而重新購置的成本，且利用柔性毛刷刷出蠶繭，不易損傷蠶蛹，不污染蠶繭影響蠶絲品質(zhì)。但變形的方格蔟易產(chǎn)生卡機(jī)，需在采收過程中隨時(shí)關(guān)注，因出料口未設(shè)計(jì)收集籃，故在采繭過程中還需及時(shí)清理采摘下來的蠶繭。

覃德斌[12]發(fā)明了一種電動(dòng)采繭機(jī)，利用電機(jī)帶動(dòng)收縮桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)頂繭柱上下運(yùn)動(dòng)，將蠶繭從方格蔟中頂出。后利用刮繭耙在導(dǎo)軌上左右滑動(dòng)，割斷蠶繭和方格蔟間的繭衣，刮下蠶繭，采繭效率高、操作簡便。但此采繭機(jī)需采收使用木制方格蔟的蠶繭，成本較高。高偉等[13]發(fā)明了一種自動(dòng)上蔟和快速采繭裝置，通過將蔟具放在蠶座上自動(dòng)上蔟，然后帶蠶繭的蔟具從落繭口通過，實(shí)現(xiàn)蠶繭和蔟具自行分離，完成采繭工作，如圖4 所示。該裝置將上蔟與采繭環(huán)節(jié)相結(jié)合，減少了上蔟和采繭的勞動(dòng)強(qiáng)度以及時(shí)間，也減輕蠶農(nóng)購置多種設(shè)備的負(fù)擔(dān)。

圖4 自動(dòng)上蔟和快速采繭機(jī)

1.2.2 采繭機(jī)與智能化結(jié)合

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，采繭機(jī)械逐漸與智能化技術(shù)相結(jié)合。采繭機(jī)械化得到了進(jìn)一步提升。如中國計(jì)量學(xué)院的趙明巖等[14]將圖像識(shí)別技術(shù)與自動(dòng)采繭機(jī)構(gòu)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種可以自動(dòng)分選上繭、雙宮繭與下腳的繭采摘機(jī)具。該機(jī)具可同時(shí)獲取蠶繭質(zhì)量與數(shù)量的信息。可提高使用紙板方格蔟自動(dòng)采繭及不同品質(zhì)的蠶繭分選的勞動(dòng)工效，如圖5、圖6 所示。但該設(shè)備生產(chǎn)成本較高，不利于在規(guī)?；Q繭生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

圖5 不同品質(zhì)蠶繭采摘布局

圖6 紙板方格蔟專用自動(dòng)采繭機(jī)

針對常用采繭機(jī)存在需遍歷所有方格蔟、無法進(jìn)行選擇性采摘上繭的問題，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的劉保季等[15]在直角坐標(biāo)式方格蔟自動(dòng)采繭機(jī)的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)最大最小蟻群算法將方格蔟采繭機(jī)采繭路徑進(jìn)行優(yōu)化，針對未營繭空格和下繭問題進(jìn)行改進(jìn)，如圖7 所示。這種采繭機(jī)大大提高了采繭效率，也提高了上繭率，且時(shí)間節(jié)省2.8%左右。

圖7 直角坐標(biāo)式方格蔟自動(dòng)采繭機(jī)

2 目前存在的問題

蠶桑是四川的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)及特色產(chǎn)業(yè)，但發(fā)展不平衡，采繭、收繭環(huán)節(jié)仍存在許多問題：

一是自動(dòng)化程度不高。目前市面上通用的采繭機(jī)雖節(jié)省了采繭環(huán)節(jié)的大量用工，從人工采繭向自動(dòng)化采繭轉(zhuǎn)變，但主要為純機(jī)械設(shè)備，仍需人工進(jìn)行輔助控制電機(jī)、取放方格蔟，收集采繭等。對于方格蔟中產(chǎn)生的不同品質(zhì)的蠶繭，仍需靠技術(shù)人員分選，勞動(dòng)力消耗大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響采繭效率。

二是蔟具的不穩(wěn)定性。目前蠶農(nóng)常用的方格蔟材質(zhì)由紙板或木板構(gòu)成。針對紙板構(gòu)成的方格蔟在上蔟過程中，繭絲連結(jié)可能會(huì)造成紙板蔟孔格變形的情況。而在自動(dòng)采繭過程中既要保證蠶繭順利脫落，且不損壞方格蔟，增加了操作難度。

三是蔟具與機(jī)械的不匹配。蠶農(nóng)使用方格蔟有不同的規(guī)格型號(hào)、紙質(zhì)或木質(zhì)，大部分采繭機(jī)無法完全適用。而不適配的方格蔟與采繭機(jī)在采繭過程中，機(jī)器不僅會(huì)損壞蠶繭，也易對方格蔟造成損傷，增加蠶繭的損耗，也提高了后期需購置的方格蔟成本。

3 發(fā)展建議

一是持續(xù)推動(dòng)轉(zhuǎn)型升級。隨著機(jī)械化技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，采繭環(huán)節(jié)也逐漸智能化、機(jī)械化。除了純機(jī)械化采繭機(jī)上進(jìn)行更新外，也可在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)上應(yīng)用智能化技術(shù)，加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)型升級，提高機(jī)械先進(jìn)性，提升采繭效率。

二是柔性采繭，降低損耗。根據(jù)方格蔟常見變形問題，調(diào)整采繭機(jī)的采摘裝置、放蔟平臺(tái)，從現(xiàn)有的采繭結(jié)構(gòu)（擠壓式、頂出式、齒形結(jié)構(gòu)）上進(jìn)行調(diào)整。如利用柔軟的毛刷將蠶繭刷出進(jìn)行采摘，避免因機(jī)器采繭導(dǎo)致蠶繭損傷及蔟具的二次損壞。

三是提高采繭機(jī)械適用性，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。因市面上有不同型號(hào)的方格蔟，對蠶農(nóng)常用方格蔟進(jìn)行研究，確定標(biāo)準(zhǔn)化方格蔟，開發(fā)一種能與標(biāo)準(zhǔn)化型號(hào)方格蔟相匹配的采繭機(jī)械，向蠶農(nóng)推廣，對上蔟環(huán)節(jié)使用的蔟具進(jìn)行改造，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。使用標(biāo)準(zhǔn)化蔟具，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備共享，降低因與方格蔟不匹配而購買多臺(tái)機(jī)械，或人工采繭的成本，提高蠶農(nóng)采繭效率與質(zhì)量。

四是降低成本，加大扶持。政府出臺(tái)相應(yīng)的蠶桑機(jī)械扶持政策，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)政策、財(cái)稅政策和財(cái)政資金等引導(dǎo)作用。在保證機(jī)械工作性能的情況下，將符合條件的采繭裝備納入農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼范圍，降低成本，使蠶戶有能力進(jìn)行購買，也利于采繭設(shè)備的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

采繭機(jī)械在提高蠶繭采摘效率和質(zhì)量方面具有重要作用。我國針對桑蠶機(jī)械化發(fā)展也在不斷創(chuàng)新及提高，政府相關(guān)部門應(yīng)根據(jù)目前采繭機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀，加大政策支持，完善相應(yīng)機(jī)制。支持蠶桑示范基地建設(shè)、科技創(chuàng)新以及裝備研發(fā)、技術(shù)改造，統(tǒng)籌市場力量等。企業(yè)還應(yīng)重視技術(shù)創(chuàng)新，加強(qiáng)智能化技術(shù)應(yīng)用、加強(qiáng)機(jī)械化的研制。通過不斷創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，增加蠶繭產(chǎn)量，加強(qiáng)蠶絲質(zhì)量，提高生產(chǎn)采摘效率，提升蠶絲產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。