果園綠肥粉碎打捆裝備研究現(xiàn)狀分析

譚洪巖，冶 瑞，韓蘇健，王貞元，趙勁飛，廖結(jié)安※

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

果園綠肥是指在果樹行間或全園種植草本植物用作肥料的一種果園土壤管理方式。綠肥是指通過(guò)對(duì)綠色植物體直接翻壓還田、供給牲畜、異地施用、集中發(fā)酵等用作生物肥料的綠色植物體，是一種富含有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀及微量元素的天然肥料。

隨著我國(guó)對(duì)果園機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)和裝備的迫切需求及發(fā)展，果園綠肥生產(chǎn)管理機(jī)械化水平的提升已成為實(shí)現(xiàn)“綠色果業(yè)”現(xiàn)代化的必然要求。由于果園中農(nóng)作物種類較多，現(xiàn)需要研制出適宜果園的粉碎打捆裝備，集中對(duì)果園中農(nóng)作物進(jìn)行粉碎打捆，成捆后方便運(yùn)輸、便于儲(chǔ)存。綠肥可供牲畜食用，亦可作為綠肥進(jìn)行施用等。

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比國(guó)外，我國(guó)粉碎打捆裝備的研制與開(kāi)發(fā)相對(duì)較晚，1940年著手研究固定式打捆裝備；1960年從國(guó)外引進(jìn)小方捆撿拾壓捆機(jī)進(jìn)行初步的測(cè)繪仿形；1970年部分企業(yè)相繼開(kāi)始仿制國(guó)外方捆機(jī)并開(kāi)始了批量生產(chǎn)[1]。2010年我國(guó)開(kāi)始自主研發(fā)粉碎打捆裝備，我國(guó)在粉碎打捆裝備方面發(fā)展較為緩慢，主要由于基礎(chǔ)理論不成熟、制造技術(shù)不完善等因素。

1.1 傳統(tǒng)打捆裝備

圓草捆打捆裝備，主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)、撿拾裝置、喂入系統(tǒng)、成型室、纏網(wǎng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、拋捆系統(tǒng)和牽引裝置。其工作原理為：打捆機(jī)在拖拉機(jī)的牽引下，通過(guò)拖拉機(jī)提供動(dòng)力給傳動(dòng)系統(tǒng)，撿拾系統(tǒng)通過(guò)彈齒旋轉(zhuǎn)將牧草或秸稈撿拾后拋向喂入系統(tǒng)，喂入轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)將秸稈推送到成型室，秸稈在成型室內(nèi)隨鋼輥不停地旋轉(zhuǎn)，當(dāng)成型室內(nèi)秸稈密度到達(dá)設(shè)定值后，將信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)反饋信號(hào)，纏網(wǎng)裝置對(duì)草捆進(jìn)行捆軋操作，最后開(kāi)啟成型室倉(cāng)門將成型的草捆拋出，完成一個(gè)草捆的打捆工作，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)草捆的撿拾打捆工作循環(huán)[2]。

圖1 傳統(tǒng)打捆機(jī)類型

我國(guó)研發(fā)的圓草捆打捆裝備具有工作效率高、適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、打捆直徑可控、打捆密度可調(diào)等特點(diǎn)。可自動(dòng)卸捆，繞線準(zhǔn)確可靠，繞線間距幅寬可調(diào)、低平彈齒撿拾器動(dòng)作輕柔，撿拾精準(zhǔn)可靠，可最大程度減少作物損失[3]。但由于在粉碎打捆技術(shù)方面起步較晚，粉碎打捆技術(shù)不成熟以及粉碎打捆裝備設(shè)計(jì)方案不夠健全，因此我國(guó)在設(shè)計(jì)制造上仍處于測(cè)繪仿形階段，國(guó)產(chǎn)打捆裝備在性能方面和國(guó)外產(chǎn)品有一定差距。另有一些關(guān)鍵性技術(shù)，始終受制于人，例如德國(guó)D型打結(jié)器以及刀輥等[4]，由于技術(shù)層面的不足，導(dǎo)致成捆后密度尺寸不均勻、散捆率較高以及秸稈的未完全利用等問(wèn)題。

1.2 打捆裝備最新研究現(xiàn)狀

目前，果園綠肥粉碎打捆裝備的研發(fā)較迅速，如中聯(lián)重科研制開(kāi)發(fā)的9YF-2200型方草捆打捆裝備（圖2），整機(jī)設(shè)計(jì)采用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度錳鋼板材，除增大喂入室，加裝多機(jī)構(gòu)草捆調(diào)節(jié)壓力以及高強(qiáng)度雙排鏈和剔草刀外，還配備了德國(guó)拉司伯重型雙D打結(jié)器（RS6003），具有打捆高效、成捆后草捆密度高、穩(wěn)定可靠、堅(jiān)實(shí)耐用等特點(diǎn)[5]。

星光玉龍9YYD-1.25型圓草捆打捆機(jī)（圖2），該機(jī)無(wú)凸輪盤、無(wú)彈齒梁的彈齒，降低了撿拾器故障率，提高了撿拾率。切網(wǎng)系統(tǒng)中刀片采用特殊鋼材鋸齒形設(shè)計(jì)，大大提高切刀率和穩(wěn)定性。電控系統(tǒng)界面簡(jiǎn)單易用，在其控制下自動(dòng)卷網(wǎng)系統(tǒng)和草捆密度控制系統(tǒng)協(xié)同工作、緊密配合，完成高效作業(yè)[6]。該機(jī)具有體積小、工作效率高、工作性能可靠、適用于果園作業(yè)等特點(diǎn)。

圖2 新型打捆裝備

孫芊芊等人設(shè)計(jì)研發(fā)的9YG-1.2A型圓草捆打捆機(jī)（圖3）其工作原理為：圓捆機(jī)的前下方有撿拾器，撿拾器里的彈齒旋轉(zhuǎn)會(huì)將地面的草條和秸稈撿拾收集、喂入由多個(gè)壓輥滾筒形成的圓柱形打捆室。草條在打捆室內(nèi)受到離心力的作用，逐漸擠壓形成一個(gè)草芯。在不斷喂入草條的條件下鋼輥會(huì)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)草芯越滾越大，最后形成一個(gè)內(nèi)緊外松的圓草捆，同時(shí)打繩器進(jìn)行打捆工作。打捆機(jī)結(jié)束打捆后釋放草捆，通過(guò)引導(dǎo)緩沖裝置放置于地面[7]。其對(duì)果園綠肥粉碎打捆裝備的研制開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

圖3 9YG-1.2A型圓捆機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

由于農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展以及我國(guó)市場(chǎng)對(duì)打捆裝備的需求，我國(guó)形成了以中機(jī)美諾、蒙拓科技、星光玉龍、德沃科技等為代表的打捆裝備生產(chǎn)制造廠商，生產(chǎn)的打捆機(jī)具有工作效率高、適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、打捆直徑可控、打捆密度可調(diào)、可自動(dòng)卸捆、繞線準(zhǔn)確可靠、繞線間距幅寬可調(diào)、低平彈齒撿拾器動(dòng)作輕柔和撿拾精準(zhǔn)可靠等特點(diǎn)，可最大程度減少作物損失。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)外，綠肥被稱作“覆蓋作物”，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，國(guó)外的綠肥粉碎打捆作業(yè)和作物翻壓作業(yè)同時(shí)進(jìn)行[8]。著名的圓草捆打捆裝備生產(chǎn)企業(yè)有：德國(guó)克拉斯、科羅尼，美國(guó)約翰迪爾、凱斯紐荷蘭，法國(guó)庫(kù)恩，挪威格蘭等。在國(guó)外生產(chǎn)圓草捆打捆裝備的過(guò)程中，其機(jī)械配置、動(dòng)力輸出、液壓傳動(dòng)和自動(dòng)控制等方面都各有其特色，并且產(chǎn)品已經(jīng)規(guī)格化生產(chǎn)，其較高的作業(yè)效率以及機(jī)械化水平在國(guó)際上遙遙領(lǐng)先。

國(guó)外粉碎打捆裝備的種類齊全，可以實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)要求[9]。早在70多年前，紐荷蘭公司就開(kāi)始對(duì)方形草捆打捆裝備進(jìn)行研發(fā)。紐荷蘭生產(chǎn)的打捆裝備具有操作容易、性能可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單便捷和配套動(dòng)力適應(yīng)性廣等特點(diǎn)。成捆后尺寸大小統(tǒng)一、密度適中、成捆率高，方便運(yùn)輸儲(chǔ)存[10]。但由于紐荷蘭生產(chǎn)的大方草捆打捆機(jī)，機(jī)型過(guò)大，需要配備大型動(dòng)力，并不適合我國(guó)實(shí)際生產(chǎn)（圖4）。

圖4 國(guó)外相關(guān)打捆裝備

由于國(guó)外粉碎打捆機(jī)械大多以大中型為主，價(jià)格高昂、與國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)動(dòng)力匹配度較差，而且考慮到我國(guó)果園作業(yè)條件、綠肥種植規(guī)模以及農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)水平等各方面因素，國(guó)外綠肥粉碎打捆機(jī)械在國(guó)內(nèi)果園綠肥的推廣應(yīng)用方面存在很大的局限性。

3 我國(guó)果園綠肥打捆裝備存在的問(wèn)題

一是在粉碎打捆裝備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，關(guān)鍵性核心技術(shù)始終受制于人，仿制出來(lái)的粉碎打捆裝備在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了很多的技術(shù)問(wèn)題[11]。

二是國(guó)內(nèi)在果園綠肥打捆裝備方面略顯不足，玉米秸稈和稻稈是打捆裝備的主要收獲對(duì)象，對(duì)其他如麥秸、苜蓿等農(nóng)作物秸稈研究不多，同時(shí)由于各種農(nóng)作物的物理性特性不同，其粉碎打捆裝備制造工藝流程也不同，現(xiàn)階段我國(guó)缺乏針對(duì)特定作物的專用粉碎打捆裝備。

三是粉碎打捆裝備的傳動(dòng)方式，目前國(guó)內(nèi)粉碎打捆裝備的傳動(dòng)方式以掛接牽引偏多，缺乏自走式粉碎打捆裝備，相對(duì)牽引掛接式粉碎打捆裝備而言，結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、轉(zhuǎn)彎半徑小是自走式粉碎打捆裝備具有的特點(diǎn)，更適宜小地塊以及果園內(nèi)作業(yè)，目前我國(guó)缺乏對(duì)自走式粉碎打捆裝備的研究。

4 展望

通過(guò)我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備上的不斷開(kāi)發(fā)與研究，我國(guó)果園綠肥粉碎打捆裝備的研究與制造取得一定成績(jī)，今后粉碎打捆裝備的發(fā)展應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面。

4.1 深化理論研究，攻破關(guān)鍵技術(shù)

從科學(xué)理論研究出發(fā)入手深入研究打捆物料在粉碎捆室的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性，分析捆在成型前和成型后的原理，突破快速粉碎捆繩自動(dòng)纏網(wǎng)控制技術(shù)，研發(fā)一套高效率的快速捆繩自動(dòng)纏網(wǎng)控制裝置[12]。

4.2 借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提高研發(fā)效率

在深入研究國(guó)外先進(jìn)作業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的同時(shí)，重點(diǎn)研究目前我國(guó)果園綠肥粉碎打捆裝備技術(shù)研制的薄弱環(huán)節(jié)，研究高效的粉碎壓縮技術(shù)和打捆裝備，對(duì)粉碎打捆室的結(jié)構(gòu)形狀及壓縮輥的大小數(shù)量精度進(jìn)行控制優(yōu)化，從而達(dá)到高效率、高質(zhì)量的粉碎打捆作業(yè)要求。

4.3 提高機(jī)器自動(dòng)化作業(yè)程度，向智能化方向發(fā)展

隨著我國(guó)果園綠肥項(xiàng)目的發(fā)展與推進(jìn)，果園綠肥的高質(zhì)量收獲作業(yè)，成為發(fā)展的重中之重。攻破作業(yè)參數(shù)傳感器采集技術(shù)，精準(zhǔn)采集粉碎打捆作業(yè)信息（粉碎速度、物料含水率等）與粉碎打捆質(zhì)量指標(biāo)（成捆率、能耗等），時(shí)時(shí)顯示粉碎打捆裝置作業(yè)狀態(tài)，以向駕駛員、農(nóng)戶反映真實(shí)作業(yè)情況，同時(shí)建立各因素對(duì)粉碎打捆質(zhì)量的響應(yīng)模型，建立精準(zhǔn)多參數(shù)融合的智能調(diào)控方法，以實(shí)現(xiàn)效率與效益并存的智能高效粉碎打捆作業(yè)。