草簾編織機械研究進展及發(fā)展探討

劉大為 ，謝方平 ，王修善 ，李 旭 ，鄔 備

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南 長沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128；3.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128）

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年可生成7億多噸秸稈，成為“用處不大”但必須處理掉的“廢棄物”。以湖南省水稻生產(chǎn)為例，據(jù)2018年統(tǒng)計，全省水稻全年播種面積達到6013.5萬畝，按照秸稈總重與稻谷總量比1：1估算，光湖南省一年的水稻秸稈產(chǎn)量就高達250億公斤。由于秸稈還田處理需要一定腐爛的時間，新鮮的秸稈容易影響稻田耕作及復種。傳統(tǒng)的秸稈處理方式往往是農(nóng)民在收獲糧食后，把秸稈搬運到田頭，拋棄在溝渠邊或堆在路邊樹林下，甚至門前屋后，遇到雨季還會散發(fā)出難聞的氣味，既影響了村容村貌，又污染了環(huán)境。近年來，農(nóng)作物秸稈還成為農(nóng)村面源污染的新源頭，在每年夏收和秋冬之際，總有大量的秸稈在田間焚燒，產(chǎn)生了大量濃重的煙霧，不僅成為農(nóng)村環(huán)境保護的瓶頸問題，甚至成為殃及城市環(huán)境的罪魁禍首之一。對此，解決秸稈問題的關(guān)鍵在于提高農(nóng)作物秸稈的綜合開發(fā)利用水平及其生產(chǎn)效益。

2015年11月25日，國家發(fā)展改革委、財政部、農(nóng)業(yè)部、環(huán)境保護部等聯(lián)合文，要求各地進一步加強秸稈綜合利用與禁燒工作，力爭到2020年全國秸稈綜合利用率達到85%以上。四部委要求通過推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展拓寬秸稈利用渠道，推行秸稈機械化還田作業(yè)和留茬高度等標準，促進秸稈就地還田或應(yīng)收盡收；積極扶持秸稈收儲運服務(wù)組織發(fā)展，建立規(guī)范的秸稈儲存場所，促進秸稈后續(xù)利用；支持秸稈代木、纖維原料、清潔制漿、生物質(zhì)能、商品有機肥等新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，完善配套產(chǎn)業(yè)及下游產(chǎn)品開發(fā)，延伸秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈。

1 秸稈綜合利用現(xiàn)狀

秸稈作為農(nóng)作物的重要副產(chǎn)品，其也是工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要生產(chǎn)資源，利用種類繁多，技術(shù)簡稱“五化”，其主要利用如圖1所示。

圖1 秸稈五化利用技術(shù)

其中在原料化利用方面，利用秸稈編織制作的草簾、草包、草苫等草制品，由于價值低、使用方便、無需回收、自動分解、廢棄物易處理等特點。常作為低值易耗品被廣泛用于鑄件、陶瓷的包裝、建筑物件生產(chǎn)中的保溫材料、防洪草袋、樹木越冬防護品、日光溫棚保溫材料，而這些產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品隨著農(nóng)業(yè)和工業(yè)的不斷發(fā)展，需求量也不斷增大。隨著人工成本的不斷攀升，草編行業(yè)對開發(fā)相應(yīng)編織機具的需求越來越迫切。

2 草簾編織機械國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從秸稈利用情況看，國外特別是在北美、歐洲和日韓等發(fā)達國家，通過科技進步與創(chuàng)新，為農(nóng)作物秸稈的綜合開發(fā)利用找到了多種用途。除傳統(tǒng)的將秸稈粉碎還田作有機肥料外，還走出了秸稈飼料、秸稈汽化、秸稈發(fā)電、秸稈乙醇、秸稈建材等新路子，大大提高了秸稈的利用值和利用率，鮮有草簾編織機械的研究和報道。

國內(nèi)從1991年遼寧省劉柏林發(fā)明LBLC-1型草簾縫紉機以來，伴隨著我國制造業(yè)近30多年飛速發(fā)展，形成了多種不同型號、不同種類的草簾編織機械，實現(xiàn)使人工編織草簾向機械編織草簾的方向上邁進了一大步。

2.1 草簾編織工藝流程

草簾編織工藝流程主要包括送草和編草兩個步驟，其作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 秸稈編織作業(yè)流程圖

“送草”指的是稻草在機械設(shè)備帶動下自動進給到縫紉區(qū)域編織成為草簾，其工藝過程曾是草簾編織機研究的熱點，現(xiàn)發(fā)展已初步完善。“編草”指的是草簾的編織鎖扣，其工藝過程與紡織機械中縫紉過程類似，但由于編制草簾較寬且較長，通常是多針并聯(lián)工作進行縫紉，編織質(zhì)量難以控制，工作機構(gòu)還有待進一步優(yōu)化。

2.2 草簾編織機的類型

草簾編織機主要以電動機為動力源，類似“織布”原理，經(jīng)線為織線，緯線為稻草進行縫紉，根據(jù)送草機構(gòu)運動方式的不同，可分為梭桿立式和平面式兩種。

2.2.1 梭桿立式草簾編織機

其結(jié)構(gòu)如圖3所示。梭桿立式草簾編織機中兩根織線的分叉運動一般通過齒輪傳動來實現(xiàn)，梭桿的送草運動通過曲柄連桿機構(gòu)完成，有自動進草和手動進草兩種模式（多采用自動進草方式）。

電動機驅(qū)動主軸帶動齒輪、凸輪轉(zhuǎn)動，并將動力傳至各運動機構(gòu)，由凸輪控制雙側(cè)抖草齒及扎草針片，將成把的原料分離開來，然后以每次1～2根的數(shù)量送入梭鉤；再由梭桿完成“穿草”動作、錯經(jīng)錘完成每次穿草后的“經(jīng)線換向”動作；最后由編織架把已穿入經(jīng)線的稻草順序壓緊。通過以上主要構(gòu)件的依次運動，可完成編織草席所需的分草—穿草—經(jīng)線換向—壓緊等基本動作。

圖3 梭桿式草簾編織機

2.1.2 平面式草簾編織機

平面式草簾機編織裝置參考工業(yè)用封包機的原理設(shè)計的，其整機結(jié)構(gòu)如圖4所示。封包機與普通縫紉機不同，前者可以采用單線編織結(jié)扣，也可以采用雙線互鎖，而后者只能是雙線（即頂線和底線）縫紉。

雖然利用的是封包機原理，但是實現(xiàn)機針動作的機構(gòu)與封包機完全不同，封包機采用上下聯(lián)動的機構(gòu)，機針由上往下編織，而草簾機將全部運動機構(gòu)都放在下部，由下往上編織，通過多針聯(lián)動完成寬幅草簾的經(jīng)線編織，這樣使得傳動路線縮短，結(jié)構(gòu)更為緊湊。李云林等分析了平面式草簾編織機的工作過程，認為采用封包機單線結(jié)扣的形式，適合于草簾的編織，并進行了試驗驗證。

圖4 平面式草簾編織機（單線）結(jié)構(gòu)示意圖

單線編織平面草簾機機針的運動主要采用連桿機構(gòu)（曲柄搖桿機構(gòu)或曲柄滑塊機構(gòu)）來實現(xiàn)，連桿機構(gòu)運動存在沖擊、振動較大等情況。樸海平等發(fā)明了一種編織裝置采用齒輪傳動的雙線草簾編織機，帶動編織針運動的主動齒輪與傳遞秸稈的被動齒輪傳動比采用1：1，可解決單線編織過程中，機針采用連桿機構(gòu)運動，易出現(xiàn)脫扣、振動噪音大，經(jīng)線間距大，多針同時編織易斷線、編織質(zhì)量差等問題。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由于新型的平面式草簾編織機的生產(chǎn)效率遠高于梭桿立式草簾編織機，且具有操作簡單、維修保養(yǎng)方便、稻草適應(yīng)性強、草簾產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和設(shè)備運行安全可靠等特點，目前應(yīng)用最為廣泛。

2.3 編織原理

2.2.1 雙線鎖扣

雙線即利用頂線和底線進行縫紉，其原理如圖4所示。頂線經(jīng)垂直針上設(shè)計的穿線孔，在垂直針的下行過程中，頂線隨垂直針穿透稻草；與此同時，底線在水平針的運動下，經(jīng)垂直針過線孔，到撥線板的缺口，由于撥線板橫移，使底線成小段水平；然后水平針前移，貼近垂直針，從垂直針與頂線的中間穿過，水平針設(shè)計有一個鉤，當鉤到底線時，迅速回移，同時撥線板復位，最后垂直針回移復位，一個鎖扣完成，此時稻草向前輸送一個針距；垂直針繼續(xù)下移，其插入點為水平針勾住底線形成的環(huán)扣中心，進行下一互鎖扣的編織。

圖5 雙線編織平面草簾機

該類型針織鎖扣方法在梭桿立式草簾編織機和平面草簾編織機中均有應(yīng)用。

2.2.2 單線鎖扣

單線鎖扣工作原理和“結(jié)”的形狀如圖5所示。結(jié)合圖3所示平面草簾機結(jié)構(gòu)，其工作過程如下：整機由機架、送草釘子方管、機針、喂線孔以及壓草板、草簾壓板、緊線器和掛線彈簧等組成，由操作人員分別站在機器兩側(cè)把稻草整齊均勻地鋪在機架的拉桿上，送草釘子方管由偏心輪帶動向上運動把草托起并向前推送，壓草板把草壓住，曲柄搖桿機構(gòu)帶動機針向上運動，當機針向上穿過稻草繼續(xù)運動到最高位置約3cm時，喂線孔向左移動把線送到機針鉤尖與活動舌頭中間，機針勾住線往下運動到最低點，線形成一個圓扣，形狀如同蓮花的花瓣，機針再向上運動時，圓扣套進機針舌頭以下的針桿上。等機針再次穿過稻草重復前面的動作，勾住線往下運動時，圓扣滑脫針桿套在另外一個圓扣上形成蓮瓣扣，稻草織在每一個花瓣扣中成為草簾。

圖6 雙線互鎖編織方法

單線編織裝置結(jié)構(gòu)簡單，但針眼較大，需要對各機構(gòu)的運動進行較為精確的控制，目前在平面式草簾編織機中應(yīng)用最多。

圖7 單線鎖扣編織方法

2.4 關(guān)鍵部件典型結(jié)構(gòu)

由于梭桿立式草簾編織機現(xiàn)使用較少，從文獻中很難找到相關(guān)整機和部件的設(shè)計及研究，在這里，主要敘述平面式草簾編織機的典型結(jié)構(gòu)，如圖8所示。由于編織草簾較寬且較長，通常是多針并聯(lián)工作進行縫紉，通過傳動機構(gòu)和編織機構(gòu)運動間的相互配合來完成草簾的編織過程。

圖8 平面草簾機關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)簡圖

2.4.1 送草裝置

平面式草簾編織機送草裝置主要利用秸稈自身重力實現(xiàn)送草功能。通過電機驅(qū)動減速器帶動主軸轉(zhuǎn)動，主軸帶動曲軸撥動滑板，通過釘齒板間歇性的耙撥秸稈，托舉秸稈沿輸送面向編織機構(gòu)運動。

2.4.2 編草裝置

編草部分工藝過程與紡織機械中縫紉過程類似，平面草簾編織機單線鎖扣結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 曲柄搖桿機構(gòu)

圖9-a為機針結(jié)構(gòu)，機針頂部為錐形鉤尖，下部安裝有一可繞銷軸轉(zhuǎn)動的針舌，在圖9-b所示的驅(qū)動機構(gòu)作用下，機針上下往復運動。當秸稈束穿過編織裝置時先用鎮(zhèn)壓板固定，縫合初始結(jié)時，機針向上運動，針舌往上與鉤尖形成封閉的腔體，帶著編織線穿過秸稈；往下運動時，鎖舌打開，編織線扣沿針桿滑脫，拉出一個線圈，秸稈織在瓣扣中。當針再次穿過草簾時，新的線圈將直接穿過前一個線圈的中間，針舌再次抓住線，圍繞下一個線圈做線圈。這樣，每個線圈都會把下一個線圈固定到位。

2.4.3 鋪草裝置

鋪草部分現(xiàn)階段基本由人工完成，一般由1到2人拆捆，4～6人手工橫向鋪草，鋪好的稻草通過送草機構(gòu)與編草機構(gòu)最終編織成為草簾，寬度與厚度全部由人工進行控制。

圖10 自動鋪草裝置

翟行彪等研制了一種通過氣缸驅(qū)動分草機構(gòu)使得稻草成束，再由電機帶動抓草機械手在機架間往復運動，實現(xiàn)抓草與放草動作的自動鋪草機，自動鋪草機構(gòu)在運行過程中分為七部分：喂草過程、送入過程、分草過程、壓草過程、抓草過程、行進過程和放草過程。提高了秸稈鋪放效率，但機器結(jié)構(gòu)復雜，成本較高。

3 存在的主要問題

草簾編織機的發(fā)展較為緩慢，目前仍處于半自動化階段，特別是需要大量人工進行鋪草，其研究存在以下幾個方面的問題：

3.1 用工量大

當前市場上草簾編織機都是人工理草，其生產(chǎn)流程為：人工解散草捆→人工上草→人工鋪草→人工整理→機械編織等工序。為進行工作需要采用6～8人進行人工鋪草，2人拽拉草簾、打捆，1人手工鎖邊，1人操作機器。

3.2 缺乏鋪草設(shè)備

人工鋪草用工多、工作量大、工作環(huán)境惡劣、工作效率低、鋪草不均勻。并且草簾編織一般在水稻收獲后到且入冬之前，大約持續(xù)3～4個月時間，而草簾編織地區(qū)相對集中，在當前農(nóng)村勞動力大量涌入城市的背景下，在編織季節(jié)易出現(xiàn)招工難、用工荒的現(xiàn)象，工人操作水平也難以保證，影響了草簾的編織數(shù)量與質(zhì)量。

3.3 編織時存在的跳線、輸送不均等情況

編織速度過快，稻秸稈橫向步進式移動通過平面草簾機時，由于步進機構(gòu)的輸送步長相對秸稈直徑大得多，輸送過程中存在較多的斜置或亂序情況，特別是秸稈搭接編織時，由于穗頭和根部幾何尺寸不一，運動過程中容易出現(xiàn)斜置，斜置的秸稈編織時在穗頭搭接部分易出現(xiàn)漏編、空扣、編織空洞等情況，對草簾編織質(zhì)量有一定影響。

3.4 草簾編織行業(yè)無標準

由于草簾用途廣泛，各行業(yè)對草簾的要求各不相同，除草簾編織的寬度、厚度外，如建筑施工、大棚防凍用草簾，還必須考慮草簾緊密性等對保溫性能的影響。正因為如此，在草簾編織機研發(fā)上，也就出現(xiàn)了各種類型不同，編織質(zhì)量良莠不齊的機械產(chǎn)品，也限制了草簾編織機械的發(fā)展和行業(yè)的壯大。

4 發(fā)展探討

在我國由于土地多采用多熟制種植模式，秸稈還田影響作物生長，秸稈焚燒污染大氣環(huán)境，綜合開發(fā)利用又面臨著技術(shù)不成熟、投資比較大、效果比較差的窘境。農(nóng)民急于焚燒，而政府急于封堵，二者就打起了游擊戰(zhàn)。劉豐亮等[23]以寧夏為例，按照2011年的市場行情，按草編用水稻秸稈畝產(chǎn)450kg左右，單價0.18元/kg計算，加工成不同的草編制品后，稻草秸稈增值約0.12～0.40元/kg，算得每畝稻草可增加收入54元至180元?？梢?，草編業(yè)效益可觀，利用性能良好，產(chǎn)品質(zhì)量過硬的編織機讓農(nóng)民發(fā)展草編業(yè)，不僅能夠變廢為寶，變農(nóng)閑為農(nóng)忙，更能快速為農(nóng)民增收。

而就草簾編織機發(fā)展而言，目前急需解決的問題主要由三個：一是模塊化設(shè)計，提高零部件的互換性，比如自動鋪草裝置的研發(fā)，該裝置的設(shè)計既要考慮使用成本，又要能夠保證作業(yè)質(zhì)量，提高作業(yè)效率，切實減少鋪草所需的用工量；二是高速編織裝置設(shè)計，開展適合高速編織的機具研發(fā)，提高編織機的作業(yè)效率，一方面現(xiàn)有編織機編織速度受限于人工鋪草的速度，生產(chǎn)效率不高，另一方面機器本身也存在諸多不適合高速編織的因素，如空扣、漏編、連桿傳動振動過大等問題還急需解決；三是半封閉設(shè)計，優(yōu)化傳動部件，改善編織作業(yè)環(huán)境，減少作業(yè)現(xiàn)場的噪音粉塵污染，降低現(xiàn)場作業(yè)人員勞動強度。

綜上所述，開展稻秸稈編織機械的研究，支持農(nóng)戶借助稻秸稈編織機加快發(fā)展草編業(yè)，既能造福農(nóng)民，又能杜絕焚燒稻草污染環(huán)境，使得廢舊稻草得到了合理利用，具有良好的社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。