蘆葦收割技術與裝備

季彬彬，李耀明，徐立章，尹 強

(1.江蘇大學農業工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019)

0 引言

蘆葦為多年水生或濕生的高大禾草，生于江河湖澤、池塘溝渠沿岸和低濕地[1]。國內有白洋淀、新疆博斯騰、東北松嫩平原、黑龍江三江平原地區、內蒙烏梁素海、遼寧盤錦、江蘇鹽城和射陽的海濱及河口附近、洞庭湖和洪湖、鄱陽湖蘆葦9大蘆葦產區[2]。蘆葦原料基地年產量約為130萬t[3]。生長期的蘆葦可用于制作青貯飼料，成熟蘆葦可用于編制手工藝品、用作建筑材料或是造紙工業。蘆葦纖維含量高(30%左右)，木素含量低，是理想的非木材纖維造紙行業的原料，且在非木材纖維制漿中，蘆葦制漿相比于麥草化學制漿污染較低，有取代麥草化學制漿的趨勢[4-5]。蘆葦制漿的環保效益和經濟效益顯著。2019年，國內蘆葦制漿比例為0.7%[6]。

對蘆葦進行資源化利用的前提是實現高效機械化收集。國外蘆葦收割機械化起步較早，蘆葦收割的機械化程度較高。國內蘆葦的機械化收獲研究從20世紀50年代開始，首先由遼寧盤錦葦場從前蘇聯引進大麻收割機，在此基礎上改裝成臥式蘆葦收割機，為實現蘆葦收割機械化進行了第1次嘗試，但效果不佳。1970—1985年，少數研究單位投入了大量的財力、物力，先后研制了若干種蘆葦收割機，但由于技術不夠成熟，并未得到廣泛推廣應用。我國南方地區的蘆葦與北方蘆葦存在較大的形態差異，因此國內北方現有的大部分蘆葦收割機不適用于南方蘆葦收割。南方蘆葦高4～5 m(北方僅為2 m左右)，莖稈直徑為25 mm左右(北方為10 mm左右)，密度小，一般為15～30株/m2(北方密度大，一般為95～105株/m2)，湖區多水、泥腳深，加之風吹、蟲害和藤纏等，導致蘆葦莖稈相互交錯、倒伏，收割比較困難[7]。

1 收獲工藝

根據蘆葦的生長習性和主要用途，蘆葦收割工藝要求主要有以下3點。

(1)割茬高度。蘆葦割茬高度要求在5 cm左右，割茬過高會影響產量和利潤，割茬過低會傷及蘆葦的冬眠芽，影響下一年的蘆葦產量[8]。

(2)物料形式。整稈收獲成捆或粉碎壓縮成捆。

(3)整機質量。在蘆葦收割作業前期，葦塘凍層只有幾厘米厚，不能夠承受質量太大的收割機械作業，否則，同樣容易傷害蘆葦的冬眠芽[8]。

2 收獲關鍵技術

2.1 切割技術

蘆葦收割割刀系統類似于玉米秸稈的收割系統。其基本型式一般有往復式動刀片切割器、齒形鏈式切割器、圓盤割刀切割器和轉子式切割粉碎器。

往復式動刀片切割器用于整稈收割，有單動刀和雙動刀之分，其結構易于調節，割幅大。切割刀片可采用光刃或齒紋刃，理論上光刃切割較省力，割茬整齊，但使用壽命短，工作中需經常磨刃，而齒紋刃不需磨刃，但切割阻力較大。蘆葦切割試驗表明，光刃切割蘆葦比齒紋刃好，功耗低[9]。田昆鵬等[10]運用仿生學原理，通過提取天牛上顎切割齒部位齒廓曲線，設計了仿生切割刀片。大麻切割試驗表明，仿生刀片具有切入能力強、切割茬口較平齊和切割質量好的優勢。馬慶勇等[11]在4WS-2000型高稈蘆葦收割機割臺設計中采用往復式單動刀和光刃刀片，分別針對粗莖稈的蘆葦和割臺實際工作情況，確定了割刀切割速度、動刀片切割角、刃部高度、刀片寬度和頂寬及刀片厚度等結構基本參數。沈曉平[12]在4W-2.0型蘆葦收割機割刀設計中采用雙曲柄驅動的往復式雙動刀，利用上、下動力桿往復慣性力的相互抵消來降低割臺振動和沖擊，使割臺運行更平穩。

齒形鏈式切割器用于蘆葦整稈收割，其刀片作單向運動，割臺振動小，噪聲低。廖慶喜等[13]在4ZG-2.1型蘆竹收割機上設計了齒形鏈式切割器，并利用基于高速攝像技術的蘆竹收割機切割試驗系統，得出了影響蘆竹切割質量和切割效率的要素。同時，針對蘆竹高、粗、硬的特征，采用從德國Wikus公司進口的雙金屬斜齒鋸片對蘆竹實現高效切割[14]。

圓盤割刀切割器同樣用于蘆葦整稈收割，其結構復雜，但摩擦阻力小，利用慣性切割莖粗、稈硬的蘆葦，所需切割力較小，切割效果好[15]。袁茂強等[16]根據整稈收割的蘆葦需要側向鋪放或后鋪放的要求，設計了一種多圓盤割刀斜向布置的收割臺。一方面利用了圓盤割刀片高速切割，切割性能好、運轉平穩和壽命較長的特點；另一方面配套的斜向輸送裝置相對于通常的橫向輸送裝置更有利于抓取莖稈和實現與縱向輸送的圓滑過渡連接，以避免莖稈傾倒和卡堵。

轉子式切割器一般用于蘆葦的切割粉碎，又稱圓柱形切割器，屬于無支承切割方式，有兩種結構形式。一種是轉子式切割切碎器，又叫甩刀式粉碎器，其上裝有水平轉軸，切割元件剛性或鉸接固定在轉軸上。另一種是轉子銑刀式回轉切割器，在一根水平管軸上固定兩組成對裝配的異形刀片。轉子式切割切碎器在切割蘆葦的同時將葦稈切碎，并拋撒在田間或通過氣流輸送把碎葦稈拋送到運輸設備。

2.2 蘆葦夾持輸送

蘆葦整稈收割捆扎時，分禾、扶禾和夾持機構的合理設計是保證收獲機連續切割、輸送、鋪放或捆扎的必要條件。因蘆葦植株高，特別南方蘆葦重心高度一般在1.8 m左右，蘆竹重心高度更是在2.2 m左右，故蘆葦夾持輸送機構的設計在參考稻麥聯合收割機相應機構的基礎上，根據蘆葦重心高度作相應調整。

荷蘭Hanze Wetlands公司的HWT Retriever 121型蘆葦收獲打捆一體機的割臺針對蘆葦收割機設計了3層蘆葦橫向輸送撥指，保證蘆葦在收割后由割臺兩側向中間收集。同時，蘆葦夾持帶高度可隨時調整，調整范圍0.6～3.0 m。

華中農業大學[17]在4ZG-2.1型蘆竹收獲機的割臺中設計有多層蘆葦橫向輸送撥指，其上層輸送撥齒的離地高度為2.4 m左右，略高于蘆竹重心，以利于多層撥齒將割臺蘆竹平穩的輸送到割臺左側。

割臺蘆葦經撥指收集后如需傳輸到機器后部打捆，同樣需要根據蘆葦重心高度設計特殊的蘆葦夾持輸送鏈。山東禹城亞泰機械制造有限公司的4GL-2100/VI型蘆葦收割機，設計有雙層夾持輸送鏈，以保證蘆葦在傳輸中的形態，為后續的有序鋪放或打捆提供方便[18]。

2.3 蘆葦成捆打結

蘆葦整稈收割時，為了提高工作效率，減少人工的消耗，一般需要蘆葦在收割后能立即成捆打結；而蘆葦打碎并壓縮成方捆或圓捆時，也必須由打結系統來保證葦捆不松散。國外蘆葦收割機中成捆打結系統已是標配。國內的蘆葦收割機也正在普及成捆打結系統。打結器是由割捆機發展而成，早期首先由美國的MeCortale和Deering兩家農機公司制造，經不斷改進完善后，形成打活繩結的MeCortale打結系統(C型打結器)和打死繩結的Deering打結系統(D型打結器)兩種。現在國際上較為通用的打結器是德國RASSPE(拉斯伯)D型打結器[19]。德國及美國生產的打結器質量都比較好，成捆率都能達到99%。

國內目前打結器的設計和生產主要還是仿制為主。蘆杰[20]分析了9YFQ-1.9型方形壓捆機關鍵部件D型打結器及輔助結構，揭示了D型打結器的打結原理，通過設計打結器動作分析試驗臺對打結器的關鍵部件進行機理分析。張安琪[21]分析了D型打結器空間結構參數之間的關聯性影響，深入研究了D型打結器成結動作的數值模型，對D型打結器的空間結構參數進行解析匹配。結合逆向工程技術及精密制造技術，對D型打結器進行了模型構建及試制。總體來講，國內研究還未完全掌握打結器各工作部件的運動規律和參數，如打結器支架上空間異面孔之間角度的精確表達和輔助結構的運動時序等，導致國產打結器工作不可靠，工作壽命不達標，國產壓捆機還是得依賴進口打結器。

3 蘆葦收獲典型機型

3.1 整稈收割

3.1.1 手持式蘆葦收割機

手持式蘆葦收割機結構型式類似于割灌機(圖1)，由人工手持收割機收割蘆葦并鋪放。其優點在于體積小，質量輕，僅需一人操作，便于控制，不受地形影響，沒有沉陷的可能。缺點在于工作效率低，每人每天僅能收割0.3～0.5 t蘆葦，收割成本較高；割下的蘆葦不能有序鋪放，給后續打捆集堆帶來不便。

圖1 手持式蘆葦收割機

3.1.2 配套式蘆葦收割機

配套式蘆葦割曬機(圖2)，配套動力一般為拖拉機，蘆葦割臺一般為前懸掛或側掛式，拖拉機負責行走，并將動力傳遞給掛載的蘆葦割臺，完成蘆葦收割。配套式蘆葦收割機結構簡單，成本低，便于控制，是目前國內葦場使用最廣泛的蘆葦收割裝備，僅遼寧盤錦葦場這種機型的保有量就達1 700臺[22]。其中，手扶式功率6～9 kW，割幅1.6～1.8 m，效率30 t/班次；乘坐式功率11～15 kW，割幅1.8 m，效率60 t/班次。這種機型一般只能將蘆葦割斷后鋪放在一邊，不具有捆扎功能，且收割效率相對較低。為此，遼寧盤錦蘆葦科學研究所開發過一款4W-2.0型蘆葦收割機。該收割機采用側向聯接、立式收割、橫向輸送和定時放堆的收割方式。割臺齒鏈定時放堆機械和專用摟撥集堆裝置實現蘆葦在割臺右側每隔3.86 s完成1次放堆動作，放堆間隔長度約7 m，堆放質量約12 kg，提高了后續人工打捆的效率[12]。但對于懸掛式機具特別是前懸掛，存在拖拉機的前輪承載過重，在工作中拖拉機易出現后輪打滑、前輪下陷的現象，并且由于整臺機器重心靠前，可能會壓壞葦芽。

圖2 配套式蘆葦收割機

3.1.3 自走式蘆葦收割機

自走式蘆葦收割機自帶專用行走底盤，接地比壓低，通過性好，可完成蘆葦的夾持輸送與打捆。

馬慶勇等[11]設計了采用履帶式底盤，割臺前置，蘆葦縱向輸送的4WS-2000型高稈蘆葦收割機。針對高稈蘆葦的扶禾，設計中采用上下兩層撥葦輪，使蘆葦切割后兩點受力，保證其平穩進入輸送機構。上層撥葦輪采用柔性撥葦輪，以防止上層撥葦輪對蘆葦產生較大的彎矩，破壞蘆葦。其蘆葦輸送機構使被切割蘆葦在割臺上橫向收集并沿機器側邊縱向傳輸到機器身后鋪放。

山東禹城亞泰機械制造有限公司的4GL-2100/VI型蘆葦收割機(圖3)，采用履帶自走式底盤和往復式雙動刀切割系統，扶禾采用一對三指扶禾輪或電動螺桿扶禾，蘆葦在割臺整稈切割、收集后由夾持輸送系統將蘆葦垂直輸送到車身后部成堆鋪放。其割幅2 m，割茬高度<5 cm，配套動力63 kW，工作效率0.4～0.6 hm2/h。

圖3 4GL-2100/VI型自走式蘆葦收割機

國內出現過一款自制的蘆葦收割機(圖4)，其增加了適合南方高稈蘆葦的夾持輸送機構，蘆葦收割并收集后輸送到機器后部配置的打捆機，完成蘆葦打捆后自動從機器后部推出。這款機器適合南方蘆葦的收割，且能實現蘆葦自動打捆，大大提高了蘆葦收割的效率。

圖4 自走式蘆葦收割機

在國外，意大利BCS622型手扶式割捆機(圖5)作業時能一次完成收割、捆扎和成捆鋪放。發動機設在割臺后部，割臺安裝在割捆機車架前端。

圖5 BCS622型手扶式割捆機

該機具質量輕、操作方便，小田塊作業適應性強。如用于蘆葦收割則只適用于泥腳深度淺的旱地或冰面低稈蘆葦，在泥腳深度深的沼澤、灘涂通過性較差，且割幅小，操作費力。

英國LOGLOGIC公司的SOFTRAK系列蘆葦割捆一體機(圖6)采用履帶式底盤，通過性好，其割幅為1.4 m，每分鐘可收割20～25捆蘆葦，其自帶料倉，自動打捆，葦捆由人工在料倉堆垛成形并集中卸載。該機型在國外蘆葦收割市場運行多年，是一款較為成熟的產品。但這些機型一般適用于收割莖稈不高、稈徑較細和生長密度高的蘆葦，不適合收割我國南方莖稈高、稈徑粗的蘆葦。

圖6 SOFTRAK系列蘆葦收割打捆一體機

匈牙利Seiga系列蘆葦收割機(圖7)采用4輪或6輪輪式自走底盤，往復式割刀，無蘆葦夾持輸送裝置。蘆葦在割臺一次性完成蘆葦切割、打捆。葦捆由人工在料倉堆垛成形并集中卸載，正常工作需操作人員2～3名。機器自帶4 m×3 m的料倉，可存放1.0～1.5 t蘆葦，一個工作日可收割2 000捆蘆葦(1.0～1.5 hm2)。該收割機在葦場地面平坦、堅實的時候工作較好，但如果在較泥濘，泥腳深的沼澤、灘涂等葦場，性能會受影響[23]。

圖7 Seiga系列蘆葦收割機

荷蘭Hanze Wetlands公司的HWT Retriever 121型蘆葦收獲打捆一體機(圖8)工作可靠，效率高。該機器對地面的壓力<1 kPa，其獨特的履帶布置使機器可以駛過1 m深的水域，該機割幅2.9 m，切割器采用Busatis Bidux雙動刀，蘆葦夾持帶高度可隨時調整，調整范圍0.6～3.0 m，自帶2.4 m寬的料倉，蘆葦標準堆高1.2 m。

圖8 HWT Retriever 121型蘆葦收獲打捆一體機

3.2 蘆葦切割粉碎、壓縮成捆

在這種工藝要求下，蘆葦收割裝備一般將蘆葦收割后直接粉碎，然后通過撿拾裝置將打碎的蘆葦莖稈撿拾收集起來，再利用打捆作業裝備打成方捆或圓捆。該工藝容易形成高密度方捆或圓捆，以便于收集運輸，但在莖稈撿拾過程中易混入石子等硬物，在沼澤地中還容易吸入水分，影響葦捆的后續操作。

國內典型機型有山東裕田農機公司的柴進9YZJF-2.0-3F570型自走式秸稈打捆機(圖9)。該收割機可用于蘆葦的收割、粉碎、撿拾和打捆，配套動力103 kW，工作效率0.6～1.0 hm2/h，方捆尺寸0.5 m×0.7 m，長度0.3～1.4 m可調，撿拾寬度1.9 m，其采用輪式行走底盤，不適合灘涂作業。

圖9 柴進9YZJF-2.0-3F570型自走式秸稈打捆機

法國庫恩WS320 BIO型滅茬機和LSB1290型打捆機組合成的蘆葦收獲、粉碎、撿拾、打捆一體化作業裝備如圖10所示。WS320 BIO型滅茬機是一款帶有割曬裝置的前置滅茬機，該機與打捆機聯合作業，可以減少田間通過次數和機具數量。這意味著只需要一名駕駛員，便可一遍完成滅茬、收割和打捆作業，收割效率高[24]。LSB1290型大方捆打捆機集合了INTEGRAL ROTOR整體轉子、POWER DENSITY預壓縮和TWIN-STEP打結等突破性技術，產出的草捆緊實堅固。方捆尺寸0.9 m×1.2 m，方捆長度0.6～3.0 m可調，配套動力110 kW[25]。該收割裝備行走系統為輪式底盤，適用于泥腳淺的大型葦場。

圖10 庫恩蘆葦收獲、粉碎、撿拾和打捆一體化作業裝備

4 結束語

蘆葦收割機作為一種專門針對蘆葦收割的收獲機械，它大大提高了蘆葦收割的效率和質量，促進了蘆葦的資源化利用。在蘆葦收割技術和裝備的發展上，主要呈現出以下趨勢。

(1)配備低接地比壓的專用行走底盤，使蘆葦能適應沼澤、灘涂等泥腳深的生長環境。

(2)蘆葦收割、輸送和打捆一次完成，不管是整稈收割還是粉碎壓縮成捆，收割、輸送、打捆一次完成都大大提高了蘆葦收割和運輸的效率。

(3)蘆葦收割機的智能化，與其他作物的收割機類似，智能化程度反應了收割機的設計水平與工作效率，蘆葦收割機的智能化包括收割機工作參數的識別與調整，如割臺前方蘆葦形態的識別、割臺功率的分配、夾持輸送鏈高度的調整、自動導航與無人駕駛等。

國外蘆葦收割機的發展水平明顯要高于國內，國外機型已基本是自帶專用底盤的收割、輸送和打捆一體機。而國內的蘆葦收割還是人工收割為主，而機收也是以配套式機型為主流。所以，國內蘆葦收割機的發展還有很長的路要走。一方面要根據國內蘆葦生長與收割的現狀發展適應性強、通過性好的小型蘆葦收割打捆一體機，以利于收割機的推廣使用。另一方面，要明確蘆葦收割機智能化發展的方向，在智能化技術與裝備的研發上投入精力，逐步提高國產裝備的智能化水平。