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技术论文
国外玉米和小麦秸秆收集装备发展及启示
刘天舒

摘  要:农作物秸秆是重要的可再生生物质资源,国外开展以秸秆为主生物质能的技术与装备已成为一个新兴的产业。本文总结了国外玉米和小麦等主要粮食作物秸秆的收集技术体系发展概况,详细阐述了国外秸秆收获、装载运输以及储存等环节典型装备与技术发展历程与现状,由此提出对我国秸秆收集技术装备领域的发展启示。
关键词:秸秆 收集 收获 装载 运输 打捆机
中图分类号:S216.2               文献标识码:A

引言
农作物秸秆收集是秸秆综合利用的基础,其设备是规模化工业利用工程技术体系的重要组成部分,在解决秸秆原料集中收集与持续均衡需求矛盾,在保障规模化与标准化秸秆原料供应,在促进工业化综合利用发展等方面,具有不可替代的作用,得到了各个国家的高度重视。国外大宗粮食作物秸秆收集已形成了与秸秆综合利用产业相衔接、与农业技术发展相适宜、与农业产业经营相结合、与农业装备相配套的产业技术体系。满足了以农作物秸秆为原料的规模化饲养、工业化发电以及液化、气化等新兴技术发展的需要。本文研究总结国外主要的粮食作物玉米和小麦等秸秆的收集装备技术发展,以期对我国农作物秸秆收集技术装备发展提供启示性意义。
1 国外技术发展简况
国外秸秆生产机械具有100多年的历史,经历了以畜力为动力到以配套拖拉机为动力,从单项作业机具到成套作业机具,从分段作业机具到联合作业机具等发展过程,产品品种齐全,系列完整,能满足各种生产条件下全面机械化的需要(如图1所示)[1。产品朝着系列化、标准化,大型、自动化与信息化方向发展,满足了以农作物秸秆为原料的规模化工业利用产业的发展需求。

图1  国外秸秆收集利用技术体系
Fig.1 Overseas straw harvesting and utilization system
主要体现在以下几个方面:一是秸秆收集技术与农业产业体系的一致性高。欧美等发达国家现代农业体系健全,规模化种植占主要份额,一般单季种植,农业生产实现了机械化,从土地耕整,到作物的播种,一直到田间的管理等,标准化作业对秸秆收集技术和设备奠定了良好的作业基础。二是秸秆收集技术与工业化利用原料需求标准化的一致性高。如瑞典、丹麦、法国等,在秸秆发电工程中,从运输要求、燃料供给、燃烧炉设计运行等,充分考虑了秸秆原料设备的标准化问题,实现了二者的相互衔接。三是与经济社会发展的一致性高。规模化饲养、工业化发电等秸秆主要需求商,根据自身生产正常要求,与农场主签订秸秆供应协议,农场主在收获季节将秸秆原料集中收集、堆放储存,按照协议有条不紊送至消纳厂。四是与农业装备配套的一致性高。国外主要以拖拉机配套的作业机具为主,除了与农艺要求相配套外,更主要的是考虑到秸秆收割前所用机具标准和秸秆收集后装载、运输、储藏设备标准,与农业装备形成完整专业化配套体系。五是秸秆收集设备本身与信息化、自动化技术结合的一致性高。广泛采用电液控制技术、电子信息技术,实现自动调节、自动监视与智能控制,提高作业的高效性、作业性能的稳定性以及作业质量的可靠性[2]。
2 典型装备技术发展
国外玉米和小麦收集装备技术涵盖了收获、装载、运输及存储等各环节。
2.1秸秆收获设备
国外玉米秸秆利用方式主要有三种,一种为青贮饲料,另一种是粉碎还田,第三种是收集利用。前两种技术采用的设备可分为玉米青饲收割机和玉米联合收获机。玉米青饲收割机技术已经非常成熟,除了与拖拉机配套的悬挂式、牵引式等机械外,还有自走式联合收获设备。国外玉米收获机的研究与生产技术已经成熟,目前美国、德国、乌克兰、俄罗斯等西方国家,玉米的收获(包括籽粒和秸秆青贮)已基本实现了全部机械化作业,多适合于一年一季种植、收获时玉米籽粒的含水率很低的条件,大多数国家采用玉米摘穗并脱粒的收获方式,在秸秆处理上采用直接还田。如美国的John Deere公司、case公司、德国的Mengle公司、道依茨公司等的玉米联合收获机。针对玉米秸秆的回收利用,一般采用分段收获,将摘完穗的玉米秸秆调质、晾晒,再打捆成形。如通过玉米联合收获机作业,将摘完穗的玉米秸秆切碎或调质,放置田间自然晾干,当秸秆降至合适的水分时,利用捡拾打捆机(大方打捆机或圆捆机)进行收获。该方式也仅限于一年一季的种植模式,农艺上能够允许留有足够的晾晒时间。
国外小麦秸秆的收获采用的技术主要是分段式,即联合收获机收获后,采用捡拾打捆的收集方式。国外小麦产区大多为一年一季,小麦谷物收获后,空闲周期较长,经过联合收获以后秸秆大多放铺在田间晾晒,待含水率符合要求后,再利用捡拾打捆机具对秸秆进行收集打捆,储放地头。捡拾打捆设备主要以圆捆和方捆为主,圆捆打捆机有内卷式和外卷式两种形式,著名生产厂家有海斯顿、克拉斯、纽荷兰、爱科、迪尔等公司,捆直径一般0.6~1.2m,目前市场上甚至出现了1.8m的大型圆捆打捆机,生产效率高,但是存在着捆密度低的缺陷,且圆捆储存、运输占用空间较大。方捆打捆机相对于圆捆来说,技术和结构更复杂,虽然各个厂家采用的捡拾、预压、打结正时传动的方式和结构以及自动化程度等有一定的差异,但一般都经过捡拾、预压和利用活塞的冲击与挤压,预压草条通过相对固定的压缩室,草捆密度高,捆型整齐,易于储运,应用量有高于圆捆的趋势。国外方捆设备生产商以海斯顿、克拉斯、纽荷兰、爱科、迪尔等公司著称。捆型截面有0.46×0.36m的小捆型,0.8×0.7m、0.8×0.9m系列中型捆,1.2×0.7m、1.2×0.8m、1.2×0.9m、1.2×1.0m以及1.2×1.3m系列的大捆型,捆长度根据需要可以调节,捆包最大长度可以达到2.8m。
2.2装载运输设备
国外小方捆、圆捆以及大方捆装载运输均形成了以大农场为基础的全过程机械化与自动化作业方式,专用设备可完成草捆田间自动捡拾、码放、堆垛乃至卸捆等全过程作业。如针对小方捆,采用直接挂接在小方捆打捆机出捆槽后面的草捆收集车,利用成型捆运动惯性自动在收集车内顺序排放,以8捆或12捆为一个单元,然后利用专门抓取机具抓取、转移、再码放至另一相同大小草捆单元上,累计10次,堆积成小垛,最后采用捆垛运输车整垛抓取、运输至仓库,并进行堆垛,利用改设备同样可以完成拆垛,卸料。针对圆捆,美国威猛公司、加拿大HighLine公司开发的系列圆捆自动捡拾装载车可以完成圆捆自动捡拾、码放、运输及自动卸捆等,一次性可完成6捆、8捆到16捆直径1.2m的大圆捆搬运,允许载重量最大可达10t以上。针对大方捆,英国Big Bale公司开发的集大方捆捡拾、装载、码放、堆垛于一体的大方捆捡拾装载车,一次性捡拾多个捆包,且可以满足目前打捆机生产的各种规格的大中型捆,如12捆1.2×1.3m的捆包、14捆1.2×0.9m的捆包、18捆1.2×0.7m的捆包、21捆0.8×0.9m的捆包、27捆0.8×0.7m的捆包。
针对场地作业的大捆型秸秆捆装载搬运,开发了一系列具有自动伸缩臂、属具自动调平、防倾翻等功能的装载机、叉车等,以及针型、叉状、抓状、夹具等辅助属具。国外针对捆型秸秆装载码垛的伸缩臂叉装车已形成系列化产品,通过工作属具的更换,不仅装载捆型秸秆,也可以用于工业货物等的装载与场地运输。如英国的JCB公司,法国的MANTOU公司,美国的OMNIQUIP公司,GRADALL公司等。八十年代,流动式装卸机械增添了新成员,英国JCB,Matbro,Sambron,Bonser,Sandersen及芬兰Valmat等公司相继推出了伸缩臂装运机。采用液压传动技术,前后轮驱动,实现蟹行、原地转向等功能,伸缩臂能够举升到30余米,最大举升重量超过3t。有防倾翻装置,属具实现自动调平,提高了安全运行的可靠性。主机可以配套十几种属具,实现多种功能。
2.3散状秸秆收集设备
散草料收获主要有两类机型,一类是秸秆青饲收获机,另一类是散秆捡拾装运车。目前,秸秆青饲料收获已由单一的针对具体作物的专用机型发展成为以设计开发青饲联合收获作业底盘,集田间越野行走、喂入、切碎、抛送为一体,再配以青饲割台、捡拾系统或者收割喂入系统等模块化部装,完成各种功能要求。目前,纽荷兰公司的青饲收获底盘配套功率最大已超过500kW,应用于条铺秸秆的捡拾割台,工作幅宽达到5m以上,而应用于玉米秸秆青饲的割台,工作幅宽最大接近9m。散秆捡拾装运车已有最初的捡拾、装载、卸料等功能,发展成为集收割、搂集、喂入、切割、抛送、压缩、计量、自动卸料一体化的复合作业设备,而且演变为牵引式和自走式两种机型,配备了更为精密的电液控制系统,有效容积也衍伸为大、中、小等不同规格的机型,如德国科恩公司的捡拾装运车配套动力最高达到105kW,最大有效容积可达35m3。
2.4秸秆加工与存储设备
秸秆收获后,为了运输、利用以及储存的方便,需要进行预处理和存储,如压块造粒、通风仓干燥存储等。
压块造粒设备通常有四种类型:活塞挤压成型、螺旋挤压成型、模压成型(包括平模和环模)[3]。国外应用最为普遍的压块设备为模压成型设备,代表机型有美国沃润贝尔格公司生产的200HD型压块机,生产能力为8~10t/h(以含水率为10%~12%计),在压块机顶部安装了可以调节水分的喷洒装置,该装置能够在秸秆含水率很低的条件压块成型,密度可达500kg/m3。该公司生产的另一种WBSCS168型移动式压块块机是一种新型的移动式、适合小规模加工的秸秆压块加工设备,自带动力,能够移动至不同地点进行加工[4]。
对于捆型的储藏,通常采用干燥仓或者通风仓储藏,利用热风强制循环或空气被动通风对流干燥方式,使热风在捆间或者缝隙之间流动进行热交换使捆型秸秆达到安全储藏水分12%~15%,从而延长储存时间和尽可能保持捆型秸秆燃料品质。
3 国外技术发展的启示
3.1立足自主创新,实现跨越发展
国外相关设备研究、生产、推广已具有100多年的历史,具有成熟的技术、稳定的市场、知名的品牌,且国外企业产品和技术始终保持着较快的更新速度,既是挑战,也是机遇,我们需要紧密结合国外的最前沿技术,结合我国农业种植模式和特点,立足自主创新,通过引进消化吸收再创新,必将最有效的缩短国际差距。
3.2加强技术储备、注重产权保护
国外机械生产厂家十分注重技术创新和技术储备,而且注重加强知识产权保护,如打结器、旋转切刀等核心部件拥有自己的知识产权和核心技术,即便是被仿制,依然可以销售其核心产权零配件获取高额利润。查阅美国知识产权专利局文献可知,仅涉及打捆技术的公开专利便有1600多项,专利所代表的技术水平至少领先目前市场成型设备技术20年以上,所以国外产品能够始终保持自己的领先优势。因此,国内企业如不加强技术创新和产权储备,则永远被国外企业牵着鼻子走。
3.3树立品牌意识,丰富产品系列
克拉斯、纽荷兰、库恩、约翰迪尔、爱科等著名农机厂商发展历经百年,以其先进的技术产品、完善的服务体系,塑造了其知名的品牌,始终代表了着本领域发展方向,主要产品涵盖了收割、搂集、翻晒、打捆、装载、运输、加工储存等环节,且具有各种功能和规格型号,如打捆机有小型方捆、大型方捆、圆捆等,配套动力范围从55马力到190马力,圆捆直径范围0.5~1.8m,方捆截面0.36×0.46m、0.8×0.7m、0.8×0.9m、1.2×0.7m、1.2×0.9m、1.2×1.3m等各种规格,可以满足各种生产条件和规模的限制,无疑具有竞争优势。
3.4加强理论研究,实现自主创新
一直以来,国内厂家普遍走着一条模仿的道路,创新不足,而打结器、集中润滑系统等核心部件还是完全依赖进口,结果是生产成本下不来,自动化程度和可靠性能上不去,产品销售利润低,必然导致企业竞争能力下降。究其原因:一是缺乏理论支撑,特别是涉及与饲草生产加工特性、多机构运动相位匹配等相关理论;二是没有采用先进设计开发手段,如三维建模、虚拟样机、有限元分析等工具,依靠传统的设计、试制、试验,再改进设计的老路子,必然是引进一台、消化一台,既增加了生产成本,延长了开发生产周期,又无力支撑系列化产品开发。
3.5产学研相结合,加快技术转化
目前,国内企业从产、学、研整体水平来讲,跟国外知名公司无法匹敌,但是,经过半个多世纪的快速发展,我国一批高等院校、研究院所已经取得了长足的进步,储备了相当水平的技术,但是转化不足,因此,可以以企业为牵头,联合高等学校、研究院所,充分发挥企业生产制造和转化能力,院校的研究开发能力,以联盟形式应对国外公司的竞争。
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