河北省棉柴机械化处理技术发展建议

王珏 杨欣 王建合张璞

1、河北农业大学机电工程学院 2、河北省农机化技术推广服务总站

河北省棉柴机械化处理技术发展建议

王珏1杨欣1王建合2张璞1

1、河北农业大学机电工程学院 2、河北省农机化技术推广服务总站

棉柴收获处理技术是棉花全程机械化的重要组成部分。本文分析了棉柴及根系的生物学特性和最佳收获季节，综述了棉柴机械化收获处理技术研究现状及机具种类和特点，提出河北省棉柴收获处理技术的发展建议，为推动本地棉花全程机械化发展提供了参考思路。

棉柴；处理技术；机械化

引言

河北省是我国棉花优势产区，在全国占有十分重要的地位。自2000年后，全省10万亩以上的植棉大县达到87.5%，种植面积在550khm2以上，占全国棉花种植面积的10%[1-4]。但近几年来，河北省棉花种植面积呈下降趋势[5-7]。2013年，河北省棉花种植面积为480khm2，比上一年年同比下降16.5%[8,9]；2014～2015年，河北省棉花种植面积约保持在367 khm2[8,10]。造成棉花种植面积减少的重要原因之一是棉花种、管、收等主要靠人工作业，劳动强度极大，产出效率过低，植棉效益不高[6,11]。

棉柴是一种重要的可再生生物质能源，可通过生物质能转化技术变成木炭、可燃气体或电力等能源。据统计，每吨棉柴可产木炭300kg、木焦油24 kg、木醋油220kg。棉柴发电燃烧后的草木灰是高品质的钾肥，棉柴还是造纸、人造板等的优质原料。棉柴回收处理是棉农增收的一条重要途径，但由于棉柴产量大、收储季节性强，河北省棉区大部分棉柴被随意丢弃，造成秸秆资源巨大浪费，甚至焚烧污染环境。我国在20世纪60年代中期就开始研制棉柴收获机械，80年代至90年代得到较快发展。河北省棉区的种植农艺和模式差异较大，棉柴收获机械未能很好应用，多数农户仍采用人工收获，劳动强度大，生产效率低。本文综述分析棉柴机械化处理技术种类，以期为河北省棉柴机械化处理提供发展思路。

1 棉柴特性分析

1.1 棉花根系状况

棉花属直根系作物，分为主根和侧根，侧根又生长支根，如图1所示。大部分的根系分布在耕作层内，在土壤养分、水分和土质合适的情况下，根系生长相当发达，主根可深入土层达2m左右，侧根长度可达1m以上。

图1 棉花根系分布

1.2 棉柴最佳收获期

棉柴一到立冬就应开始收获，大雪以前应收获完毕，较理想的收获期只有一个月左右。根据实践经验，棉花到霜降后，叶子枯萎脱落，但棉秆、棉花根部还未死，棉秆外皮水分大，有粘液，此时的剪切强度和所需剪切功均比较大，此时收棉秆，会使动力机构的负荷比较大。到立冬以后，棉秆、棉花根部都已经死亡，此时棉秆外干里湿，既不打滑，又有较大的韧性，属于容易收获时期。此时的剪切强度和所需剪切功均较低。如果过了大雪，此时棉秆已干透，棉秆脆性增大，很容易折断，而且由于土地封冻，给收获也带来了很多不便。为了把棉秆在短短的一个月左右的收获期内适时收获完全，并减少剪切棉杆所需要做的功，必须选择合适的收获棉秆的有利时机。试验表明，最佳收获棉柴的时间为12月中下旬一个月内收获，可以节省16.4%的剪切功[12]。

2 棉柴处理技术

棉柴收获处理方式主要有两种：一种是待秋收后将棉秆就地粉碎还田，这种方式主要应用于以美国为代表的国家；另一种是以棉秆收获为主，代表国家有苏丹、俄罗斯等[13]。河北省棉柴收获目前也基本采用这两种方式，下面分别进行介绍。

2.1 棉柴粉碎还田

该类机具包括水平刀盘式、垂直刀盘式、滚刀式和甩刀式棉柴切（粉）碎机等。

2.1.1 水平刀盘式

图2 4JQS-180型棉柴茎杆切碎还田机

目前生产中使用的主要机型为拖拉机后悬挂式机具，由机架、传动机构、切割装置等部分组成，如图2所示。机架采用整体式结构，滑板仿形，并配有超越离合器。切割装置是其主要工作部件，采用双刀盘水平配置，由拖拉机输出轴驱动。

工作过程：当拖拉机前进时，茎杆喂入机壳，刀盘在动力的驱动下做水平旋转运动，在高速旋转的动刀盘与定刀的互相作用下，茎杆被不断地切割粉碎，并均匀地抛撒在机具后方。

2.1.2 垂直刀盘式

图3 垂直刀盘式秸秆粉碎还田及回收多功能机

垂直刀盘式秸秆粉碎后输送型还田机由新疆维吾尔自治区农业科学院农业机械化研究所针对棉花产区残膜回收及秸秆粉碎还田专门研发，与中型轮式拖拉机后悬挂配套作业。该机是一种成本低、功耗相对较大、适合粉碎多种作物秸秆，可实现秸秆粉碎还田又可回收秸秆的多功能机，如图3所示。主要是由机架、粉碎辊刀、机壳、仿形地轮、回收送料斗、还田送料斗等组成。粉碎辊刀轴支承在机壳两侧，由机壳外的传动装置驱动。粉碎辊刀由中空轴及连接在该轴上的18～22个刀头构成，刀头为“J”形刀片，机壳上设置有数排对应的定刀。机壳两侧还装有仿形地轮，在机壳上部装有回收送料斗或还田送料斗。该机利用刀片的切割力和刀片旋转产生的风力抛出秸秆，将切碎的秸秆送到装料车上。也可以更换部件，直接作为秸秆还田机使用，做到一机多用。

2.1.3 甩刀式

新疆维吾尔自治区农业科学院农业机械化研究所，针对棉花产区残膜回收及秸秆粉碎还田专门研发了甩刀式秸秆粉碎后抛送型还田及回收多功能机，如图4所示，与拖拉机后悬挂配套作业。该机采用水平滚刀辊对秸秆进行有支撑切割，并输送到后部的绞笼中，横向布置的绞笼将秸秆侧向输送至粉碎机中，通过高速旋转的横置多头刀将碎后秸秆抛向后方。该机特点是工作效率高，使用方便可靠，与现有技术相比，连接方便、结构简单、生产成本低、节能降耗。

图4 甩刀式秸秆粉碎后抛送型还田及回收多功能机

2.2 棉柴收获机械

目前，河北省应用的棉柴收获机按收获原理大致可分为：铲切式和提拔式以及将两者结合在一起的刀辊式3种形式。按照起拔部件和结构进行划分,则有锄铲式、拔辊式、刀辊式、圆盘式、齿盘式等多种形式。

2.2.1 锄铲式

锄铲式一般采用铲切拔原理，工作时利用“V”型双翼锄铲深入土壤下100mm左右，在动力（一般为拖拉机）牵引下将棉根铲断或连根拔起，并且向上拖拽棉柴，棉柴被拔起后耧耙随之将其收集成堆。此收获方式原理简单，机构制造成本低廉且使用方便，对棉柴行距适应性强。不足之处为由于锄铲入土造成动力消耗较大，棉柴收集不整齐不利于运输，铲切深度达不到棉根深度时，部分棉根被铲断留在土里，不易腐烂且传播病虫害于田间[14]。

2.2.2 拔辊式

拔辊式机械的工作过程为：机具前行，棉柴遇到两高速反向旋转的拔辊时被夹住，机具继续前行，带动旋转的拔辊产生斜向上的提拔力，被夹持的棉柴即被拔辊从土壤中连根拔出。部分机械设有输送装置，可将拔出的棉柴从机组侧面送出，成条状有序铺放到地面。此起拔方式不足之处为原理、结构复杂且制造成本高，起拔机械唯有对行才能工作，对棉柴行距和播种整齐度要求较高。优点是动力消耗少，由于对棉柴采用单根起拔，所以残留棉根较少，棉秆铺放整齐[15]。提拔式收获机械的起拔机构多采用拔辊、链条、圆盘、连杆或齿盘等结构。拔辊式起拔机构应用较多，其拔辊有半圆柱型、圆锥(圆台)型、圆锥圆柱复合型3种，结构如图5所示。

图5 拔辊式起拔机构示意图

半圆柱形拔辊每对拔辊由4个半圆柱辊组成，为了增加拔辊与棉柴之间的摩擦力，在拔辊的圆周面上加工出纵横交错的沟槽，减少了起拔时由于打滑造成的棉秆漏拔现象。拔辊每转1周，棉秆前半周喂入后半周起拔。该结构优点在于起拔连续，夹持和起拔性好，不足之处为喂入断续、喂入性差；圆锥型拔辊两辊水平安装，自然形成喂入角，其优点是喂入连续，不足之处为遇到细直且根长的棉柴时，会出现由于起拔不连续、不充分而造成的棉柴漏拔或堵塞倒伏现象；锥柱复合型拔辊兼具前两者优点，喂入起拔连续，起拔效果较好[15]。

2.2.3 刀辊式

刀辊式收获机械工作原理为铲切式和提拔式两者的结合，同样采用旋转刀辊作为收获部件进行作业。工作时，机架前进的同时，刀辊逆向旋转切入棉柴根部将棉根铲断，将棉柴从地下提拔至地表。由于刀辊为通轴刨刀，作业宽度在整个机具范围内，所以无需考虑棉柴行距，克服了拔辊式等受棉柴行距及直线度限制的缺点，工作效率高且适应性强[16]。

2.2.4 圆盘式

圆盘式收获机械采用提拔式工作原理，起拔部件为一对成一定夹角配置的两个圆盘，在两盘的轴向横断面上有一夹持点，夹持点处存在一定的夹持间隙，其结构示意图如图6所示。

图6 圆盘式起拔机构结构示意图

当滚动的圆盘随机具沿棉柴前行时，棉柴通过两盘形成的夹持点被夹持，随着盘的滚动向前，棉柴被拔起并抛向机具行进后方[17]。

2.2.5 齿盘式

图7 齿盘式起拔机构结构示意图

齿盘式起拔机构的起拔部件为两个开有齿槽的圆盘，常用的齿形有锯形齿、梯形齿、矩形齿等，其工作过程如图7所示。两个齿盘并行安装，在其前方中部装有扶禾器。作业时，反方向旋转的两齿盘切入棉柴根部并与扶禾器挤压，将棉柴拔起并抛送至机具后方由收铺器将棉柴收集成堆[18]。

3 河北省棉柴处理建议

3.1 棉柴机械化收获

近年来，对棉花秸秆的形态结构和化学组成的深入研究为棉秆资源的开发和利用提供了重要的理论依据。秸秆还田能疏松土壤，改善土壤团粒结构和理化性能，增加土壤的有机质含量。但由于河北省棉花种植区，种植相对密集、棉秆植株高大、茎秆木质化程度高，棉秆尤其是根系留在土壤里不易腐烂，对后茬作物生长不利，容易造成病虫害传播，因此河北省倾向于棉柴收获。由于棉柴是一种重要的可再生生物质能源，价值颇高，通过收获棉柴是棉农创收的一条重要途径，是解决目前河北省棉花种植面积缩减的有力手段。

3.2 研发新型棉柴收获机械

河北省棉花种植种类多，加上各地自然条件和种植模式也各不相同，棉柴的长势有高有低，有粗有细，枝杈的长短多少也有不同，所以对棉柴收获机械的农艺要求也千差万别，这就要求棉柴收获机械的功能、质量、工作部件及行走装置等能够适应当地的农艺要求。目前，我国棉柴收获存在基础理论研究不够深入，现有棉柴收获机存在效率低下、漏拔率和拔断率高等问题。结合当前河北省棉花生产全程机械化形式，棉花种植模式向机采棉种植模式发展[19]，迫切需要发展收获效率高、性能可靠并且针对机采棉棉柴收获机械和技术，如研发棉柴收获揉碎打捆一体机等，配套研发收获后进一步加工处理机械装备，如粉碎压块机等。总之，棉柴收获处理技术及机械装备需要成套匹配，形成棉柴综合处理产业链。

4 结束语

棉柴收获处理技术是棉花全程机械化的重要组成部分，根据棉柴根系的生物学特性，河北省棉柴收获的最佳时间为12月中下旬一个月内收获。棉花机械化处理机械主要包括棉柴粉碎还田机械和棉柴收获机械，其中粉碎还田机械主要有水平刀盘式、垂直刀盘式和甩刀式，棉柴收获机械主要有锄铲式、拔辊式、刀辊式、圆盘式、齿盘式等类型。根据棉田种植模式可以选择合适的机型进行棉柴收获。为了推荐棉花全程机械化技术发展，河北省棉花种植模式需要进一步改进，按照机采棉行距统一种植，研发收获效率高、性能可靠、针对机采棉棉柴收获机械和技术，配套研发收获后处理技术及装备，形成棉柴综合处理产业链。

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