工业大麻微型收获机械技术探讨

 论文栏目:机械工业论文     更新时间:2018/3/22 16:15:26   

摘要:介绍国内外工业大麻的种植分布与生产概况,以及工业大麻机械化收获应用技术工艺及其机械装备的研发现状,着重分析我国丘陵山区对于工业大麻微型收获机械的客观需求和现有技术基础,指出针对我国工业大麻机械化收获存在的共性问题,提出丘陵山区微型机具重点研究内容,最后分析微型工业大麻收获机械的发展前景。分析结果表明,工业大麻微型收获机械在我国目前仍是一片空白,存在极大的市场发展空间,其主要市场是在西南和西北丘陵山区,需求量大约在2000~3000台上下。

关键词:工业大麻;收获机械;微型

引言

工业大麻(cannabissativa)是大麻科大麻属一年生草本植物[1],在我国工业大麻又被称为汉麻。据相关记载,我国工业大麻种植历史非常久远,是最早的种植作物之一[2]。工业大麻纤维是天然纤维,具有透气、散湿、耐热等性能[3],是造纸,纺织和绳索制品等的原材料,麻骨可用于生产塑料、复合材料和食用菌基质;麻秆可用于造纸、制造活性炭(大麻秆芯吸收甲醛是松木的11倍,且具有分解化学有害气体的特殊功能);麻叶、麻花可提取药物,有止血化淤、解毒等功效;麻根可生产各种生物燃料;工业大麻种子含脂肪30%~35%,蛋白质20%~29%,可制成高档食用油,其不饱和脂肪酸含量高于深海鱼油;亦可提炼生物柴油[45]。因此,工业大麻全身是宝,是一种经济价值很高的作物,广泛地应用于人们的生活和生产中。工业大麻是四氢叶酸(THC)含量低于0.3%的大麻[6],根据品种的不同,工业大麻的生长培育期以及其播种期的差异和栽培条件等有很大的差异[7]。目前,亚洲和欧洲地区是工业大麻的主要种植区域,工业大麻的多用价值得到越来越多国家的重视,美国、日本等国纷纷开放许可种植低毒纤维型大麻。我国是世界上工业大麻种植面积最大的国家之一,且分布广泛,主要是西南的云南、贵州,东北的黑龙江、辽宁,西北的宁夏、陕西和中部的安徽、山东、山西等地区。目前,国内工业大麻收获仍然采用传统的人工作业方式,通过人工田间收割、人工剥皮,机械化程度很低。麻类收获作业劳动强度大,人工用工成本逐渐增加,导致工业大麻种植面积和总产量急剧减少,而提高工业大麻收获效率,降低劳动强度和成本的关键在于实现工业大麻的机械化收获。国内工业大麻机械化收获研究较多的是工业大麻纤维剥制加工机械,工业大麻收割机械的研究很少,许多收获技术仍然处于空白状态。其主要原因是由于我国工业大麻种植分布广、面积?。郏福?,加上地形复杂与地理位置的特殊性等等。工业大麻作物本身具有许多特殊性质,如韧皮纤维长而柔韧,易对切割刀具造成磨损,并且容易缠绕刀具,工业大麻茎秆粗细不均,长短不一,这些因素都会给收获作业带来不利影响。我国地形地貌的复杂,生态环境差异大,传统的大中型工业大麻收割机不适应山区丘陵等小地块作业和转移。因此,针对我国工业大麻当前的种植现状,适时开展微型工业大麻收割机的研究与开发,提高收获效率和降低劳动成本对工业大麻产业的发展具有重要的现实意义。微型工业大麻收获机械的特点是结构小巧、操作灵活、转移方便和价格低廉等,能够较好地适应我国小农户、分布广而散的大麻种植模式,顺应时代发展需要和市场需求[9]。

1国内外工业大麻机械化收获研究现状

1.1工业大麻机械化收获研究概况

目前工业大麻机械化收获主要有分段和联合两种收获工艺。所谓分段收获是指整个收获作业过程分不同阶段完成,主要机具包括工业大麻收割机和剥制机,联合收获则是一次性完成收割和剥制作业,主要有全喂入和半喂入两种类型的机具。国内工业大麻机械化研究方向主要以工业大麻的剥制机械化为主,而对收获机械化的研究相对较少,其主要原因是工业大麻作物种植地形的复杂多变和地理位置差异的特殊性。近年来,我国南方地区工业大麻种植快速发展,吸引了许多高校、科研院所、相关企业对工业大麻收割和剥皮机械化开展研究,主要是借鉴苎麻等其他麻类收获技术[10],并取得了一定的突破和进展。如4GM—1.85型(图1)和4GM—2.2型工业大麻专用割晒机,前者收割效率能够达到0.4~0.53km2/h[11],大大提高了收获效率,满足了大麻的收割要求。南京农业机械化研究所李显旺研究员从2014年开始对工业大麻收获技术进行研究,利用履带式苎麻联合收割机(图2),对工业大麻进行田间收获试验,切割率达到93.5%,平均生产率为0.94hm2/h,作业性能指标达到基本要求[12]。图14GM—1.85型工业大麻专用割晒机Fig.14GM—1.85typeIndustrialhempspecialwindrower欧洲工业大麻机械化收获起步早、水平较高。世界上第一台分段收获HempCut3000/4500机型是由荷兰研发设计的,该机在世界范围内应用广泛;德国公司增加切割滚筒装置,将茎秆切碎形成料堆[13]。俄罗斯研制的整秆收获ZK—1,9机型,能够进行整秆收获和铺放[14]。加拿大马尼托巴大学生物工程系研制了工业大麻纤维分离机械[15],它是直接悬挂在工业大麻收获机上,对工业大麻的茎秆直接进行剥制分离、清选,其分离刀盘配置了切割刀和打麻刀,分别用来打断茎秆和剥制纤维。该机器可以直接在田间进行工业大麻纤维的分离,减少工业大麻的运送,大大提高了作业效率。

1.2微型工业大麻收获机械的研究现状

微型收获机械是为适应特殊的作业与转移环境、作业条件、区域经济发展水平等而专门设计制造的作业机具,与一般常规的同类型产品相比具有强烈的地区性、功能性、经济性等方面的特征差异。例如我国丘陵和山地地区,耕作条件差,经济发展水平相对落后,道路及田块不便于大型机械的行走和作业,而微型收获机械具有体积小、重量轻、转移方便、功率消耗小、作业效率高于人工、能够减轻劳动强度等特点,适合多梯田、多丘陵的地形地貌[1617]。就工业大麻而言,总体上微型收获机械的研发仍处于初级阶段,主要还是以传统的成熟技术经验为主,其中最为直接的是借鉴谷物微型收获机械的技术和设计经验。为了促进我国微型工业大麻收获机械技术的进步与发展,还有待加强微型工业大麻收获机械的技术创新和技术突破,加大技术、人才和资金的投入。湖南厂商研发了一种3个联体??榭刹鸨阈轿⑿土鲜崭罨?,拆分后由人工进行转移,该机很好地解决了南方烂泥地、高岸田机收获难的问题[18]。河南厂商自主研制了一种多功能微型秸秆收割机,主要是用于收割玉米、高粱、甘蔗等高秸秆作物,该机采用小型内燃机为动力,整机质量轻、体积小,收割效率可达到22.5~30hm2/h,是人工收割的10倍以上,收割的秸秆通过传输机构自动铺放成行,不需要人工捡拾[19]。河南科技大学刘师多等研究了以手扶拖拉机为配备动力的微型小麦联合收割机[20]。该机切割、输送、脱粒都采用传统装置,适用于南方丘陵山区的小麦收割。唐山市农机研究所研制的四轮型4LW—80型微型联合收割机[21],质量轻、方便作业和转移。湖南省郴州市农机所研制了自走式半喂入微型联合收割机[22],该机填补了我国山区丘陵作业的半喂入联合收割机的空白,与全喂入式联合收割机相比,降低了功率消耗,提高了收割效率。

2工业大麻机械化收获存在的问题和研究策略

2.1工业大麻机械化收获存在的问题

工业大麻机械化收获是大麻产业中重要的一个环节之一,收获机械化程度对工业大麻产业的发展起着关键作用。由于我国特殊的工业大麻种植模式和麻纺要求,使得国外传统的大型工业大麻收获机械难以在我国市场推广使用,且造价高。但是可以学习和引进。近年来,我国工业大麻机械化收获取得了较大的发展,但依然存在着以下主要问题。1)工业大麻种植模式与地形复杂多样,单一品种机械难以满足收获要求。我国南方和西北部分地区工业大麻种植多以丘陵、山地地形为主,工业大麻种植呈现小田块、分布散的小农种植特点,传统的工业大麻收获机械体积庞大,质量重,作业及运输转移难度较大。而目前我国市场上工业大麻收获机械以大型为主,产品单一,作业与环境适应性差,并不适合于我国山区丘陵地形地貌的工业大麻种植模式,因此,难以满足我国工业大麻机械化收获的要求。2)工业大麻特殊的组织纹理结构和物理机械特性对收获机构提出更高的要求。工业大麻横截面由内向外分别为中心髓部、木质层、韧皮纤维层和青皮层(图3),各部分物理特性和组织纹理结构差异很大。其中,中心髓部呈现泡沫状,组织结构疏松;木质层则质地较硬,容易对刀具造成磨损;而韧皮纤维层中的纤维组织具有柔性强、抗拉强度较大等特性,但也极易缠绕切割刀具且不易清理;青皮层很薄很脆,易切割。正是由于工业大麻这种特殊的组织纹理结构和物理机械特性差异,增加了工业大麻收获机械的研发和设计的难度。3)工业大麻收获机械通用化程度低。试验研究表明,工业大麻雄株开花期收获的纤维产量高、品质好;收获越晚产量越高,但纤维粗硬,品质变差;收获过早则纤维不够成熟,虽色白、柔软,但强度降低。即不同收获时间对工业大麻的全麻率有较大的影响[23],由此导致工业大麻作物的实际有效收获期的缩短,错过最佳收获期,将会在很大程度上影响工业大麻的产量和品质,从而进一步影响种植者的经济效益。正是由于工业大麻的收获期短,机器闲置期长,且国产自主研发的专用工业大麻收获机通常只是针对特定麻种,通用化程度低,因此,机器利用率很低,投资回收期长,经济效益差,从而极大地影响了机器的推广使用。4)工业大麻生产农艺与农机缺乏有效的融合。目前在我国工业大麻产业,品种选育、栽培技术和机械收获之间缺乏有机的结合[24]。对适应工业大麻机械化收获的栽培密度和栽培方式等农作制度的研究很少,没有机械化作业的标准示范田,仅仅是一味地要求相应的机具无条件适应工业大麻作物生产,无形之中加大了机具的研发难度,也提高了对收获机械使用性能和适应性的要求。

2.2工业大麻机械化收获的重点研究内容

1)收割中茎草缠绕问题。这是当前工业大麻机械化收获作业过程中需要着重解决和改进的一个机具功能问题,它制约着整机工作效率、可靠性、稳定性和使用寿命等使用性能的提升。2)丘陵山区工业大麻机械化收获问题。由于我国工业大麻产业发展迅速,特别是丘陵山区工业大麻种植面积不断扩大;但另一方面,工业大麻作物机械化收获作业机具却严重滞后于生产的发展。纵观目前我国工业大麻作物种植制度和多品种现状可以发现,虽然目前国外大型工业大麻收获机技术水平较高,但由于其体积庞大、结构复杂、造价高、使用成本高,因此,针对我国工业大麻作物区域生产需求的适应性和适用性受到限制,尤其是难以在丘陵山区进行推广和使用。由于我国工业大麻微型收获机械的市场需求量较大,国内对微型工业大麻收获机械的研究依然处于空白状态,客观上造成了较为突出的供需矛盾,需要在技术研发、政策扶持和政府宣传等方面加大投入力度与合作,加快工业大麻微型收获机具的发展。3)微型机具功率的合理匹配问题?;诠ひ荡舐橹种材J胶椭种补婺5牟钜?,首先需要研究满足工业大麻微型收获机械的作业性能、生产率、适应性、可靠性和实用性,以及生产与使用成本等基本要求,在保证工业大麻收割质量的同时做到价格便宜。其中,功耗大小决定了机器的牵引性、适应性、通过性,以及完成预期功能和技术性能指标的能力,这就需要对工业大麻微型收获机收获部件进行系统地试验与分析,在保证各部件功率消耗控制在合理的范围内,达到收获效率高、功率消耗少的目的。4)农艺—农机有机融合问题。针对不同地区工业大麻种植制度与作物特点,开展农艺—农机协同创新研究,从品种、生长状态、物理特性等方面,通过培育新品种、改良传统品种入手,结合种植制度改革(如栽培密度、栽培方式等),实施标准化和规范化种植模式,使以往单纯要求农机适应农艺的单向研究模式,转变为既注重农艺又关注农机的双向融合模式,从根本上降低工业大麻作物对收获机械的要求,使其易于实现各项收获技术经济指标,为工业大麻机械化收获奠定基础。深入系统地从理论上和实践过程中开展工业大麻机械化收获工艺及其相关技术的试验与研究,结合国际上先进的收获技术和种植方法,对于提高工业大麻机械化收获技术经济性能和适应性具有重要意义,而要想攻克以上诸多技术难题,不能简单停留在单机的开发,更重要的是在系统思想的指导下,综合考虑工业大麻收获作业系统与作物栽培。中间管理、收获、物流以及收获后的处理等全过程农艺生产系统间的协调。

3我国微型工业大麻机械化收获前景与展望

我国是工业大麻生产大国,但是生产技术相对落后,还是以传统的人工收获为主,其主要原因是我国丘陵山区的地形地貌特征,大型收获机械作业难以施展,因此,微型工业大麻收获机械具有巨大的潜在市场。另一方面,国家富农惠农政策对农民的大力扶持,使山区农民逐步实现脱贫致富,希望用微型农机替代繁重的体力劳动。据相关调研统计,大部分农村家庭表示愿意使用微型收获机械进行收割作业,希望购买一台价格合理、性能优异的微型收获机械。工业大麻微型收获机械的出现将会有效地降低种植者的劳动强度,提高作业效率和企业的经济利益,有利于促进我国工业大麻产业和纺织行业向产业化和规?;⒄?。目前,我国工业大麻的整体机收率较低,微型收获机械更是一片空白,市场发展空间极大。其中,微型机具的主要市场是西南和西北地区。2010年以来,云南地区大力开展大麻种植,种植面积已达到14.67khm2,遍及13市的38个县,对微型工业大麻收获机械的市场需求非常迫切。

4结语

收获机械化程度对工业大麻的生产起着很关键的作用,长期以来我国南方地区工业大麻的收获都是以人工收获为主,劳动强度大、生产效率低,微型工业大麻收获机械的研究对我国工业大麻产业的发展具有重要的意义。南方工业大麻种植呈现小农户、分布广的特点,工业大麻微型收获机械还是很有前景,满足了我国微型农机发展的要求和顺应了市场要求。加快对微型工业大麻收获机械的研究,使它能够满足故障少、性能可靠和价格适宜等要求,来适应农民的需要和达到高效、低成本收获的目的。微型工业大麻收获机械的发展道路还很长,加大科研经费的投入和相关政策的推动,我国微型工业大麻收获机械必将走上产业化之路和实现中国品牌的目标。

作者:唐斌 李显旺 袁建宁 张彬 黄继承 单位:农业部南京农业机械化研究所 南京工程学院

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