饲用苎麻机械化收获与农艺融合技术研究

唐守伟，刘凯，戴求仲，魏仲珊，刘头明，王延周，朱四元，方友祥

（1.中国农业科学院麻类研究所，长沙410205；2.益阳创辉农业机械装备有限公司，湖南益阳413059；3.湖南德人牧业科技有限公司，湖南常德415900）

饲草是奶牛的主要食物来源，饲草品质的好坏直接影响奶牛的生长、产奶量及奶产品的品质。紫花苜蓿、燕麦草等是目前公认的奶牛用优质牧草，但因其不适应南方高温、高湿气候环境等原因，目前在南方推广种植面积非常有限，难以满足南方奶牛养殖生产对优质蛋白类饲草的需求。南方奶牛养殖生产中所需的紫花苜蓿产品仍主要依靠从北方或国外调运，不但成本高，也难以保障产品的新鲜度和质量稳定性。因此，筛选种植适应南方气候特点的优质蛋白类饲草资源，满足日益发展的奶牛养殖生产需求显得尤为迫切。

传统上苎麻主要收获纤维用于纺织工业，但由于其嫩茎叶营养丰富，粗蛋白质含量高达20%以上，且氨基酸组成平衡，是一种很好的植物性蛋白饲料资源；该作物还具有适应南方气候、生物产量高，一年栽培多年收获等特点，近年来在南方一些地区作为新型蛋白质饲料推广，种植面积逐年增加。但在饲用苎麻收获技术方面，由于其高植株、硬茎秆、高纤维等特点，机械收获技术难度大，目前国内外尚无适合的饲用苎麻收获机械，主要依靠人工收割，不仅劳动强度大，工作效率低，而且成本高，严重制约了饲用苎麻规模化、产业化发展。因此，研制专用饲用苎麻收割机，已成为推动饲用苎麻产业化开发和提高饲用苎麻种植效益必需解决的瓶颈问题。

1 总体方案设计

饲用苎麻是一种含多种营养成份的麻类作物，一年内可收割5～6次，产量最高可达150～180吨／公顷，干重粗蛋白含量达20%以上，具有较高的饲用价值。饲用苎麻植株高、茎杆硬，采用机械收获在切割、输送、切碎方面存在与其它牧草不同的技术问题，而且南方的田地面积不大，大型青饲料收割机的适用性较差，现有青饲料收割机轮式行走装置对作物根系的破坏性大，不利于饲用苎麻后茬的生长，影响饲用苎麻的割株次数和产量。根据南方气候条件和饲用苎麻生长特点，特对饲用苎麻联合收割机进行如下设计：

1.1 割台－输送槽－切碎装置－集料箱合理布局，形成最佳物料走向

为实现饲用苎麻联合收割机结构紧凑，机身集约适中，功能完善，功率消耗节省的工作要求，考虑到一机多用能兼顾蔓生型紫花苜蓿等其它牧草。本机采用往复式切割器，卧式割台和链式输送装置等工作部件，加上旋刀鼓风组合切碎装置，草料提升搅龙和集料箱，形成了一种新颖的整机设计技术思路（见图1），在饲用苎麻收获中基本实现切割、切碎、集料的联合作业，形成从割台－输送槽－切碎装置－集料箱的最佳料走向合理的整体布局，解决了现有青饲料联合收割机机身庞大，不适应南方田块的问题。

图1 整机设计技术思路图Fig.1 The design idea of the wholemachine

1.2 采用履带自走式行走系统，增加整机的接地面积，降低大田作业的植株损伤

现有的青饲料收割机大多采用轮胎式行走装置，在南方潮湿松软的田块行驶，接地面积小、压力大，轮胎碾压之处，对饲用苎麻的根系破坏严重，不利于后茬的生长，严重影响割株次数和牧草产量。饲用苎麻联合收割机采用橡胶履带行走装置，增大了行走装置的接触面积，极大地减少了机械的接地压力，减轻了对饲用苎麻根系的破坏，适用于南方牧草可多次割株、持续生长的农艺要求。

1.3 利用双搅龙割台联动，促使物料双向输出

现有的青饲料联合收割机，一般采用圆盘式切割器加立式割台的结构，功率消耗大，且无法适应饲用苎麻等牧草的收获，高植株、硬茎杆的饲用苎麻在卧式割台中输送进料困难，并容易从割台滑落，造成收割损失。饲用苎麻联合收割机在原有割台搅龙的后上方平行增设一根副搅龙（见图2），使切割后的植株在割台内能上下同时向进料口移动，并可有效实现对苎麻茎杆的折压，试验表明，卧式双搅龙割台结构不仅适应于高植株、硬茎杆的饲用苎麻收割，还能满足蔓生型紫花苜蓿等牧草的收割，同时能够减少机械体量，降低了功率消耗。

图2 卧式双搅龙割台结构示意图Fig.2 Structual diagram of horizontal doublemixing table

1.4 采用旋刀鼓风组合式切碎装置，降低韧皮纤维缠绕运动部件

饲用苎麻茎皮中含有大量纤维，在切碎过程中，溢出的纤维物极易粘附在切碎装置壳体和切碎轮转盘上，形成长纤维缠绕运动部件的技术难题。饲用苎麻联合收割机采用旋刀鼓风组合式切碎装置（见图3），切碎过程中边切碎边吹送，及时将溢出的纤维物经出料口吹至集料箱，较好地解决了饲用苎麻在切碎过程中长纤维物易缠绕运动部件的问题。旋刀鼓风组合式切碎装置由切碎筒、转盘组成。切碎筒圆弧面顶端和前端设有进料口，进料口下侧边缘处设有一排定刀片。转盘形状类似于风机的叶轮，在两相邻风机叶片间设有一排动切刀，动切刀通过螺栓固定在刀座上，转盘旋转时，通过动、定切刀的配合对饲用苎麻实行支承切碎，与此同时，转盘上的风机叶片产生风力，将切碎过程中产生的长纤维物经切碎筒出料口吹出。该结构在有效防止饲用苎麻在切碎过程中长纤维物对运动部件缠绕的同时，实现了机构部件的功能融合，简化了结构，降低了功率消耗。

图3 旋刀鼓风组合式切碎装置示意图Fig.3 Schematic diagram for rotary knife and blast

1.5 改革传统种植模式，促进农机与农艺融合

饲用苎麻经过多次收获后，因机器作业对田块的碾压造成土地板结，团粒结构破坏，严重影响作物的生长。传统的栽培模式是在劳动力密集条件下形成的，存在成本高和劳动强度大的弊病。根据青饲料收割机大田作业时形成的轨迹，本项目设计了保基本苗的宽窄行种植，并研发了青饲料中耕施肥一体机。

其技术路线为：

设置厢宽为4.5 m，宽行为70 cm，窄行为30 cm，饲用苎麻每公顷栽42000～45000蔸，丰产期保证有效株为30万株。

2 样机生产与效果分析

经过多次方案的优化和田间实验验证，饲用苎麻履带自走式联合收割机达到了试验设计要求，获得较好的应用效果。

2.1 整机的性能与配制优化

饲用苎麻联合收割机采用履带自走方式，配置带往复切割器的双搅龙卧式割台，采用旋刀鼓风组合式切碎装置，在实现高植株、硬茎杆、高纤维饲用苎麻机械化收获的同时，有效解决了南方牧草一年多次割株，作物根系需较好保护的问题，同时可兼顾其它牧草的收获作业（图4）。

图4 饲用苎麻联合收割机工作图Fig.4Working of forage ramie combine harvester

表1 主要技术参数Table 1 Main technical parameters

2.2 几个关键部件的特性与效果

卧式双搅龙割台和风刀组合式切碎装置使得收割机高效生产。卧式双搅龙由主搅龙和副搅龙组成。通过往复式割刀运动，在拨禾轮的引导下，主搅龙将饲用苎麻切断并向输送槽转运，副搅龙协助将植株压折与压断并向进料口拨动。

为适应高纤维饲用苎麻切碎而研发的旋刀鼓风组合式切碎装置，可使饲用苎麻从进料口进入，通过定刀和动刀的相互配合而切碎植株，然后采用鼓风片产生的强大气流，将茎秆和碎纤维从鼓风筒内侧底部位置吹送至出料口。将切碎与吹送的功能融为一体，既解决了长纤维作物切碎易缠绕的技术难题，又简化了结构，是对现有青饲料联合收割机切碎装置的创新。

2.3 农机与农艺融合促进青饲料高效生产

根据饲用苎麻生长发育规律，对栽培模式进行了大胆创新。在兼顾光能吸收和通风的条件下，采用宽窄行种植和地上收获物移走后中耕施肥一体田间作业，提高了作物生产效率并大大降低了劳动生产成本。

（1）饲用苎麻收获期的试验

针对饲用苎麻的生物量和饲用品质双向考虑，设计了梯度收获期的试验，其结果见表2。从表2可以看出，随着收获高度的增加，生物干量总体是增加的。然而，叶茎比和相对饲用价值在下降，粗蛋白含量在茎秆100～120 cm高时，总蛋白含量达到最高。根据试验结果，饲用苎麻建议以100～120 cm高度时收获最佳。

表2 “中饲苎1号”不同收割高度生物量与饲用品质调查Table 2 Biomass and feeding quality of different harvest heights

（2）宽窄行密度种植与机器中耕施肥效果调查

根据本项目研制的青饲料（饲用苎麻）收割机的技术参数，履带宽40 cm，轨距90 cm，设计行距为40 cm，株距为70、30 cm等系列处理，调查有效蔸和有效株。从表3可以看出，栽培密度与农机融合以宽窄行70 cm×30 cm，株距为40 cm为宜。

表3 “中饲苎1号”不同种植密度效果统计Table 3 Statistics on different planting density of ramie

履带自走式饲用苎麻中耕施肥一体机将施肥、旋耕、除草功能一体化，极大的提高了生产效率。该一体机在现有履带叉车基础上进行较为简单的结构改造，易于制造，且制造成本较低（图 5）。

2017年在常德西湖管理区进行试验地试验，将传统中耕施肥方式与机械中耕施肥方式进行对比，结果见表4。由表4可知，进行机械中耕施肥管理的田块，平均株高要高24%，有效株率提高75%。

图5 饲用苎麻中耕施肥一体机结构示意图Fig.5 The structure of a ramie integrated tillage and fertilizingmachine

表4 机械中耕施肥效果比较调查Table 4 Comparative investigation ofmechanical plowing and fertilization

3 分析与讨论

3.1 大大提高了工作效率，降低了劳动生产成本

经济效益分析：饲用苎麻联合收割机作业效率高，一台机械每小时可收割饲用苎麻0.3 hm2以上，按每天工作8 h计算，一天可收割饲用苎麻3 hm2左右，而人力收割一名人工每天只能收割0.05 hm2左右，机械一天的工作量相当于60名工人的工作量。

机械使用的经济效益由下式得出：

经济效益＝替代人工数×人工工资－（机械作业成本＋机械折旧）×作业公顷数

其中：

替代人工数为60人；

人工工资：按120元／天计算；

机械作业：成本按600元／公顷计算；

机械折旧：按450元／公顷计算；

经济效益＝60×120－（600＋450）×3＝4050元／天

由此可见联合收割机使用者的经济效益十分可观。

3.2 饲用苎麻与纤维用麻的效益对比

饲用苎麻一年可割株5～6次，每公顷产鲜牧草150～180吨，按牧场鲜草收购价400元／吨计算，每公顷苎麻的年收入为60000～72000元，而用于提取纤维的苎麻，一年可打麻3次，每公顷收获干纤维麻2250～3000千克，按干纤维麻15元／千克计算，每公顷产纤维麻的年收入为33750～45000元，二者相比，种植1 hm2饲用苎麻的年收益高出26250～27000元。饲用苎麻联合收割机的研制，为麻农规模经营创造了可靠的条件，将为麻农带来可观的经济效益。

社会效益分析：饲用苎麻联合收割机机械化收割技术的推广不仅给麻农和牧业企业、生产制造企业带来显著的经济效益，同时也具有良好的社会效益。饲用苎麻联合收割机采用橡胶履带式行走装置，可有效减轻机械行驶时对牧草根系的破坏，有利于后茬生长，提高了苎麻的割株次数和单位产量，实现了土地资源利用的最大化，符合创建资源节约型社会的要求。

综上所述，饲用苎麻联合收割机，顺应南方牧业生产和麻农需求，具有良好市场应用前景和重要的推广价值，机械收获的高效率和使用制造成本的降低可为畜牧企业、麻农和收割机生产制造企业带来显著的经济效益，与此同时，该技术的应用将在推动社会创新驱动节能减排、合理利用资源、解放劳动力、提高农民生活幸福指数等各方面带来明显的社会效益。

3.3 存在的问题及解决方案

一是阴雨过多造成田块压实过紧的问题。南方地区上半年雨水较多，田块过于潮湿，机器作业时自身重量对多年生饲用苎麻压实过紧，影响下茬苎麻的生长。解决的办法即密切关注天气动态，待天晴一天或多天后进行抢收和抢贮，保证牧草质量和防止霉变。

二是田块渍水对饲用苎麻地下部分损伤，出现渍害。解决的办法即及时清除围沟，疏通中沟，做到丘丘地块水流通畅。采用宽窄密植技术，促进饲用苎麻园通风，防止倒伏和病虫害的大规模发生。