芦苇收割技术与装备

季彬彬，李耀明，徐立章，尹 强

(1.江苏大学农业工程学院，江苏 镇江 212013；2.南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019)

0 引言

芦苇为多年水生或湿生的高大禾草，生于江河湖泽、池塘沟渠沿岸和低湿地[1]。国内有白洋淀、新疆博斯腾、东北松嫩平原、黑龙江三江平原地区、内蒙乌梁素海、辽宁盘锦、江苏盐城和射阳的海滨及河口附近、洞庭湖和洪湖、鄱阳湖芦苇9大芦苇产区[2]。芦苇原料基地年产量约为130万t[3]。生长期的芦苇可用于制作青贮饲料，成熟芦苇可用于编制手工艺品、用作建筑材料或是造纸工业。芦苇纤维含量高(30%左右)，木素含量低，是理想的非木材纤维造纸行业的原料，且在非木材纤维制浆中，芦苇制浆相比于麦草化学制浆污染较低，有取代麦草化学制浆的趋势[4-5]。芦苇制浆的环保效益和经济效益显著。2019年，国内芦苇制浆比例为0.7%[6]。

对芦苇进行资源化利用的前提是实现高效机械化收集。国外芦苇收割机械化起步较早，芦苇收割的机械化程度较高。国内芦苇的机械化收获研究从20世纪50年代开始，首先由辽宁盘锦苇场从前苏联引进大麻收割机，在此基础上改装成卧式芦苇收割机，为实现芦苇收割机械化进行了第1次尝试，但效果不佳。1970—1985年，少数研究单位投入了大量的财力、物力，先后研制了若干种芦苇收割机，但由于技术不够成熟，并未得到广泛推广应用。我国南方地区的芦苇与北方芦苇存在较大的形态差异，因此国内北方现有的大部分芦苇收割机不适用于南方芦苇收割。南方芦苇高4～5 m(北方仅为2 m左右)，茎秆直径为25 mm左右(北方为10 mm左右)，密度小，一般为15～30株/m2(北方密度大，一般为95～105株/m2)，湖区多水、泥脚深，加之风吹、虫害和藤缠等，导致芦苇茎秆相互交错、倒伏，收割比较困难[7]。

1 收获工艺

根据芦苇的生长习性和主要用途，芦苇收割工艺要求主要有以下3点。

(1)割茬高度。芦苇割茬高度要求在5 cm左右，割茬过高会影响产量和利润，割茬过低会伤及芦苇的冬眠芽，影响下一年的芦苇产量[8]。

(2)物料形式。整秆收获成捆或粉碎压缩成捆。

(3)整机质量。在芦苇收割作业前期，苇塘冻层只有几厘米厚，不能够承受质量太大的收割机械作业，否则，同样容易伤害芦苇的冬眠芽[8]。

2 收获关键技术

2.1 切割技术

芦苇收割割刀系统类似于玉米秸秆的收割系统。其基本型式一般有往复式动刀片切割器、齿形链式切割器、圆盘割刀切割器和转子式切割粉碎器。

往复式动刀片切割器用于整秆收割，有单动刀和双动刀之分，其结构易于调节，割幅大。切割刀片可采用光刃或齿纹刃，理论上光刃切割较省力，割茬整齐，但使用寿命短，工作中需经常磨刃，而齿纹刃不需磨刃，但切割阻力较大。芦苇切割试验表明，光刃切割芦苇比齿纹刃好，功耗低[9]。田昆鹏等[10]运用仿生学原理，通过提取天牛上颚切割齿部位齿廓曲线，设计了仿生切割刀片。大麻切割试验表明，仿生刀片具有切入能力强、切割茬口较平齐和切割质量好的优势。马庆勇等[11]在4WS-2000型高秆芦苇收割机割台设计中采用往复式单动刀和光刃刀片，分别针对粗茎秆的芦苇和割台实际工作情况，确定了割刀切割速度、动刀片切割角、刃部高度、刀片宽度和顶宽及刀片厚度等结构基本参数。沈晓平[12]在4W-2.0型芦苇收割机割刀设计中采用双曲柄驱动的往复式双动刀，利用上、下动力杆往复惯性力的相互抵消来降低割台振动和冲击，使割台运行更平稳。

齿形链式切割器用于芦苇整秆收割，其刀片作单向运动，割台振动小，噪声低。廖庆喜等[13]在4ZG-2.1型芦竹收割机上设计了齿形链式切割器，并利用基于高速摄像技术的芦竹收割机切割试验系统，得出了影响芦竹切割质量和切割效率的要素。同时，针对芦竹高、粗、硬的特征，采用从德国Wikus公司进口的双金属斜齿锯片对芦竹实现高效切割[14]。

圆盘割刀切割器同样用于芦苇整秆收割，其结构复杂，但摩擦阻力小，利用惯性切割茎粗、秆硬的芦苇，所需切割力较小，切割效果好[15]。袁茂强等[16]根据整秆收割的芦苇需要侧向铺放或后铺放的要求，设计了一种多圆盘割刀斜向布置的收割台。一方面利用了圆盘割刀片高速切割，切割性能好、运转平稳和寿命较长的特点；另一方面配套的斜向输送装置相对于通常的横向输送装置更有利于抓取茎秆和实现与纵向输送的圆滑过渡连接，以避免茎秆倾倒和卡堵。

转子式切割器一般用于芦苇的切割粉碎，又称圆柱形切割器，属于无支承切割方式，有两种结构形式。一种是转子式切割切碎器，又叫甩刀式粉碎器，其上装有水平转轴，切割元件刚性或铰接固定在转轴上。另一种是转子铣刀式回转切割器，在一根水平管轴上固定两组成对装配的异形刀片。转子式切割切碎器在切割芦苇的同时将苇秆切碎，并抛撒在田间或通过气流输送把碎苇秆抛送到运输设备。

2.2 芦苇夹持输送

芦苇整秆收割捆扎时，分禾、扶禾和夹持机构的合理设计是保证收获机连续切割、输送、铺放或捆扎的必要条件。因芦苇植株高，特别南方芦苇重心高度一般在1.8 m左右，芦竹重心高度更是在2.2 m左右，故芦苇夹持输送机构的设计在参考稻麦联合收割机相应机构的基础上，根据芦苇重心高度作相应调整。

荷兰Hanze Wetlands公司的HWT Retriever 121型芦苇收获打捆一体机的割台针对芦苇收割机设计了3层芦苇横向输送拨指，保证芦苇在收割后由割台两侧向中间收集。同时，芦苇夹持带高度可随时调整，调整范围0.6～3.0 m。

华中农业大学[17]在4ZG-2.1型芦竹收获机的割台中设计有多层芦苇横向输送拨指，其上层输送拨齿的离地高度为2.4 m左右，略高于芦竹重心，以利于多层拨齿将割台芦竹平稳的输送到割台左侧。

割台芦苇经拨指收集后如需传输到机器后部打捆，同样需要根据芦苇重心高度设计特殊的芦苇夹持输送链。山东禹城亚泰机械制造有限公司的4GL-2100/VI型芦苇收割机，设计有双层夹持输送链，以保证芦苇在传输中的形态，为后续的有序铺放或打捆提供方便[18]。

2.3 芦苇成捆打结

芦苇整秆收割时，为了提高工作效率，减少人工的消耗，一般需要芦苇在收割后能立即成捆打结；而芦苇打碎并压缩成方捆或圆捆时，也必须由打结系统来保证苇捆不松散。国外芦苇收割机中成捆打结系统已是标配。国内的芦苇收割机也正在普及成捆打结系统。打结器是由割捆机发展而成，早期首先由美国的MeCortale和Deering两家农机公司制造，经不断改进完善后，形成打活绳结的MeCortale打结系统(C型打结器)和打死绳结的Deering打结系统(D型打结器)两种。现在国际上较为通用的打结器是德国RASSPE(拉斯伯)D型打结器[19]。德国及美国生产的打结器质量都比较好，成捆率都能达到99%。

国内目前打结器的设计和生产主要还是仿制为主。芦杰[20]分析了9YFQ-1.9型方形压捆机关键部件D型打结器及辅助结构，揭示了D型打结器的打结原理，通过设计打结器动作分析试验台对打结器的关键部件进行机理分析。张安琪[21]分析了D型打结器空间结构参数之间的关联性影响，深入研究了D型打结器成结动作的数值模型，对D型打结器的空间结构参数进行解析匹配。结合逆向工程技术及精密制造技术，对D型打结器进行了模型构建及试制。总体来讲，国内研究还未完全掌握打结器各工作部件的运动规律和参数，如打结器支架上空间异面孔之间角度的精确表达和辅助结构的运动时序等，导致国产打结器工作不可靠，工作寿命不达标，国产压捆机还是得依赖进口打结器。

3 芦苇收获典型机型

3.1 整秆收割

3.1.1 手持式芦苇收割机

手持式芦苇收割机结构型式类似于割灌机(图1)，由人工手持收割机收割芦苇并铺放。其优点在于体积小，质量轻，仅需一人操作，便于控制，不受地形影响，没有沉陷的可能。缺点在于工作效率低，每人每天仅能收割0.3～0.5 t芦苇，收割成本较高；割下的芦苇不能有序铺放，给后续打捆集堆带来不便。

图1 手持式芦苇收割机

3.1.2 配套式芦苇收割机

配套式芦苇割晒机(图2)，配套动力一般为拖拉机，芦苇割台一般为前悬挂或侧挂式，拖拉机负责行走，并将动力传递给挂载的芦苇割台，完成芦苇收割。配套式芦苇收割机结构简单，成本低，便于控制，是目前国内苇场使用最广泛的芦苇收割装备，仅辽宁盘锦苇场这种机型的保有量就达1 700台[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。这种机型一般只能将芦苇割断后铺放在一边，不具有捆扎功能，且收割效率相对较低。为此，辽宁盘锦芦苇科学研究所开发过一款4W-2.0型芦苇收割机。该收割机采用侧向联接、立式收割、横向输送和定时放堆的收割方式。割台齿链定时放堆机械和专用搂拨集堆装置实现芦苇在割台右侧每隔3.86 s完成1次放堆动作，放堆间隔长度约7 m，堆放质量约12 kg，提高了后续人工打捆的效率[12]。但对于悬挂式机具特别是前悬挂，存在拖拉机的前轮承载过重，在工作中拖拉机易出现后轮打滑、前轮下陷的现象，并且由于整台机器重心靠前，可能会压坏苇芽。

图2 配套式芦苇收割机

3.1.3 自走式芦苇收割机

自走式芦苇收割机自带专用行走底盘，接地比压低，通过性好，可完成芦苇的夹持输送与打捆。

马庆勇等[11]设计了采用履带式底盘，割台前置，芦苇纵向输送的4WS-2000型高秆芦苇收割机。针对高秆芦苇的扶禾，设计中采用上下两层拨苇轮，使芦苇切割后两点受力，保证其平稳进入输送机构。上层拨苇轮采用柔性拨苇轮，以防止上层拨苇轮对芦苇产生较大的弯矩，破坏芦苇。其芦苇输送机构使被切割芦苇在割台上横向收集并沿机器侧边纵向传输到机器身后铺放。

山东禹城亚泰机械制造有限公司的4GL-2100/VI型芦苇收割机(图3)，采用履带自走式底盘和往复式双动刀切割系统，扶禾采用一对三指扶禾轮或电动螺杆扶禾，芦苇在割台整秆切割、收集后由夹持输送系统将芦苇垂直输送到车身后部成堆铺放。其割幅2 m，割茬高度<5 cm，配套动力63 kW，工作效率0.4～0.6 hm2/h。

图3 4GL-2100/VI型自走式芦苇收割机

国内出现过一款自制的芦苇收割机(图4)，其增加了适合南方高秆芦苇的夹持输送机构，芦苇收割并收集后输送到机器后部配置的打捆机，完成芦苇打捆后自动从机器后部推出。这款机器适合南方芦苇的收割，且能实现芦苇自动打捆，大大提高了芦苇收割的效率。

图4 自走式芦苇收割机

在国外，意大利BCS622型手扶式割捆机(图5)作业时能一次完成收割、捆扎和成捆铺放。发动机设在割台后部，割台安装在割捆机车架前端。

图5 BCS622型手扶式割捆机

该机具质量轻、操作方便，小田块作业适应性强。如用于芦苇收割则只适用于泥脚深度浅的旱地或冰面低秆芦苇，在泥脚深度深的沼泽、滩涂通过性较差，且割幅小，操作费力。

英国LOGLOGIC公司的SOFTRAK系列芦苇割捆一体机(图6)采用履带式底盘，通过性好，其割幅为1.4 m，每分钟可收割20～25捆芦苇，其自带料仓，自动打捆，苇捆由人工在料仓堆垛成形并集中卸载。该机型在国外芦苇收割市场运行多年，是一款较为成熟的产品。但这些机型一般适用于收割茎秆不高、秆径较细和生长密度高的芦苇，不适合收割我国南方茎秆高、秆径粗的芦苇。

图6 SOFTRAK系列芦苇收割打捆一体机

匈牙利Seiga系列芦苇收割机(图7)采用4轮或6轮轮式自走底盘，往复式割刀，无芦苇夹持输送装置。芦苇在割台一次性完成芦苇切割、打捆。苇捆由人工在料仓堆垛成形并集中卸载，正常工作需操作人员2～3名。机器自带4 m×3 m的料仓，可存放1.0～1.5 t芦苇，一个工作日可收割2 000捆芦苇(1.0～1.5 hm2)。该收割机在苇场地面平坦、坚实的时候工作较好，但如果在较泥泞，泥脚深的沼泽、滩涂等苇场，性能会受影响[23]。

图7 Seiga系列芦苇收割机

荷兰Hanze Wetlands公司的HWT Retriever 121型芦苇收获打捆一体机(图8)工作可靠，效率高。该机器对地面的压力<1 kPa，其独特的履带布置使机器可以驶过1 m深的水域，该机割幅2.9 m，切割器采用Busatis Bidux双动刀，芦苇夹持带高度可随时调整，调整范围0.6～3.0 m，自带2.4 m宽的料仓，芦苇标准堆高1.2 m。

图8 HWT Retriever 121型芦苇收获打捆一体机

3.2 芦苇切割粉碎、压缩成捆

在这种工艺要求下，芦苇收割装备一般将芦苇收割后直接粉碎，然后通过捡拾装置将打碎的芦苇茎秆捡拾收集起来，再利用打捆作业装备打成方捆或圆捆。该工艺容易形成高密度方捆或圆捆，以便于收集运输，但在茎秆捡拾过程中易混入石子等硬物，在沼泽地中还容易吸入水分，影响苇捆的后续操作。

国内典型机型有山东裕田农机公司的柴进9YZJF-2.0-3F570型自走式秸秆打捆机(图9)。该收割机可用于芦苇的收割、粉碎、捡拾和打捆，配套动力103 kW，工作效率0.6～1.0 hm2/h，方捆尺寸0.5 m×0.7 m，长度0.3～1.4 m可调，捡拾宽度1.9 m，其采用轮式行走底盘，不适合滩涂作业。

图9 柴进9YZJF-2.0-3F570型自走式秸秆打捆机

法国库恩WS320 BIO型灭茬机和LSB1290型打捆机组合成的芦苇收获、粉碎、捡拾、打捆一体化作业装备如图10所示。WS320 BIO型灭茬机是一款带有割晒装置的前置灭茬机，该机与打捆机联合作业，可以减少田间通过次数和机具数量。这意味着只需要一名驾驶员，便可一遍完成灭茬、收割和打捆作业，收割效率高[24]。LSB1290型大方捆打捆机集合了INTEGRAL ROTOR整体转子、POWER DENSITY预压缩和TWIN-STEP打结等突破性技术，产出的草捆紧实坚固。方捆尺寸0.9 m×1.2 m，方捆长度0.6～3.0 m可调，配套动力110 kW[25]。该收割装备行走系统为轮式底盘，适用于泥脚浅的大型苇场。

图10 库恩芦苇收获、粉碎、捡拾和打捆一体化作业装备

4 结束语

芦苇收割机作为一种专门针对芦苇收割的收获机械，它大大提高了芦苇收割的效率和质量，促进了芦苇的资源化利用。在芦苇收割技术和装备的发展上，主要呈现出以下趋势。

(1)配备低接地比压的专用行走底盘，使芦苇能适应沼泽、滩涂等泥脚深的生长环境。

(2)芦苇收割、输送和打捆一次完成，不管是整秆收割还是粉碎压缩成捆，收割、输送、打捆一次完成都大大提高了芦苇收割和运输的效率。

(3)芦苇收割机的智能化，与其他作物的收割机类似，智能化程度反应了收割机的设计水平与工作效率，芦苇收割机的智能化包括收割机工作参数的识别与调整，如割台前方芦苇形态的识别、割台功率的分配、夹持输送链高度的调整、自动导航与无人驾驶等。

国外芦苇收割机的发展水平明显要高于国内，国外机型已基本是自带专用底盘的收割、输送和打捆一体机。而国内的芦苇收割还是人工收割为主，而机收也是以配套式机型为主流。所以，国内芦苇收割机的发展还有很长的路要走。一方面要根据国内芦苇生长与收割的现状发展适应性强、通过性好的小型芦苇收割打捆一体机，以利于收割机的推广使用。另一方面，要明确芦苇收割机智能化发展的方向，在智能化技术与装备的研发上投入精力，逐步提高国产装备的智能化水平。