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创新型多功能牧草农业机械的可持续设计和生命周期评估
马可·博尔托利尼（Marco Bortolini）亚历山德罗·卡西尼（alessandro Cascini）莫罗·甘贝里（mauro Gamberi）克里斯蒂娜·莫拉（cristina Mora）阿尔贝托·雷加蒂（Alberto Regattieri）
摘 要:从经济和环境的角度来看，减少原材料的使用以及推广节能工艺和组件都是必要的。本文介绍了一种创新的多功能农业机械的设计，该机械能够集成用于干草，干草捆和草捆包装的三种独立的传统工具，即干草耙，圆形打包机和草捆包装机，旨在加快收割速度运营并降低能耗和对全球环境的影响。报告了对采用传统工具和新型多功能机械的比较分析。特别是，减少了燃料消耗（-32％）和人工（-66）。7％）与提议的系统和传统工具的差异环境分析一起讨论。为了达到这样的最后目的，本研究采用了生命周期评估方法，对人类健康，生态系统质量和资源耗竭这三个不同类别的影响指标进行了仔细量化。结果表明，全球环境影响减少了约35％。拟议的系统代表了一种有效的竞争性改进，可以简化和加快制干草过程，并减少这种重要农民活动对环境的影响。结果表明，全球环境影响减少了约35％。拟议的系统代表了一种有效的竞争性改进，可以简化和加快制干草过程，并减少这种重要农民活动对环境的影响。结果表明，全球环境影响减少了约35％。拟议的系统代表了一种有效的竞争性改进，可以简化和加快制干草过程，并减少这种重要农民活动对环境的影响。。
关键词:农业机械干草制作生态设计生命周期评估
1 介绍
近年来，农业链条正经历着重大转型时期。影响整个农业部门的经济危机使人们对生产成本更加敏感，因此更加重视发展高效的流程（粮农组织，2010年）。化学肥料的使用，土壤的过度开发和使用强力杀虫剂证明了它们的无效性，并具有长期影响，并且受到市场的负面评价（Mózner等人，2012年，Dorais ，2007）。最近，国际社会经常讨论农产品的环境可持续性以及污染对公共卫生和产品质量的影响（多名作者，2005；Lagerberg和Brown，1999）。在这种情况下，机械化自动化起着至关重要的作用。如果生产商能够降低与提供给最终客户的产品生命周期相关的经济成本和环境影响，则可持续的竞争优势来源将有可能为其自身部门和整个社区带来利益。因此，制造商希望基于自动化农业的环境和机械效率来设计有效的方法。
一家意大利牧草制造系统制造商正在开发一种创新的多功能机械（MFM），该机器可以共同执行通常由相同数量的独立设备进行的三种操作，即干草耙，圆捆打包机，草捆包皮机。这种多功能系统对制干草程序进行了重大修改：干草收集，干草捆和草捆包扎均在一个步骤中完成，需要用拖拉机拖曳单个设备。图1代表了新MFM背后的创新概念。
尽管效率的提高是可以预见的，但是与相应的三台独立机器相比，使用MFM所带来的环境效益并不明显，其评估是本研究的目的。提出了一个比较性的生命周期评估（LCA）：将新的MFM与独立工具根据其生命周期带来的环境负担进行比较。假定的功能单位是生产98,700包干草，相当于3000台机器的工作时间。在机器设计阶段开发的干草生产过程和MFM功能的描述之后，将进行比较性的LCA演示。然后同时显示结果，
根据所介绍的主题，本文的其余部分安排如下：下一部分第2部分介绍了将LCA方法学集成到生态设计过程中的介绍，以及有关LCA研究中最重要的科学贡献的文献综述。农业环境。第3节介绍了本研究中分析的干草生产过程和农业机械的功能。LCA步骤在第4节中进行了详细说明，而比较LCA的主要结果在第5节中进行了报告，并在第6节中进行了全面讨论。最后的第7节在本文末尾给出了与改善环境相关的环境影响的结论。重新定义了干草制作程序。
2 .LCA在农业和农业运营中的最新技术
2.1 。LCA和生态设计
在整个产品生命周期中，与资源保护，环境保护和人类健康有关的设计问题的系统性考虑被定义为“生态设计”或同义词，即“环境设计”（Fiksel，1993；Hauschild等，2005）。Bovea和Pérez-Belis（2012）提出了基于最相关的环境设计方法文献的生态设计工具的扩展分类法。他们确定了20种主要的生态设计方法，其中一半以上是基于LCA（或简化的LCA）的使用，作为评估产品环境概况的工具。有效地将LCA集成到生态设计过程中的潜在好处在文献中得到了很好的讨论（Keoleian，1993；Robèrt等，2002），以及LCA方法辅助的局限性（Millet等，2006）。Nielsen和Wenzel（2002）提出了在生态设计过程中整合环境绩效评估的框架，该框架涉及在不同设计步骤中应用LCA。LCA是一种标准化方法，其应用在农业和食品生产研究领域中很受欢迎。
2.2 。农业LCA
近年来，科学界对与农业生产有关的过程的环境影响评估的贡献显着增加。从2010年至今，已发表了200多篇以“生命周期评估”和“农业”为主要主题的文章。食品生产与环境影响的相关性证明了这种受欢迎程度是合理的。Tukker等。（2006年）评估认为，食品和饮料行业占欧盟公民消费所造成的总环境影响的20％至30％，其中肉类和奶制品分别占当量的4-12％和2-4％二氧化碳排放量。罗伊等。（2009年）提议对与食品生产相关的LCA研究进行扩展审查，并根据食品特性对几种贡献进行分类。整个章节专门针对LCA的乳制品和肉类生产。这组作者说，据报道，农业阶段是牛奶和半硬奶酪生命周期中的主要热点。柏林（2002年）和福斯特等人得出了农业阶段对乳制品和肉类生产影响的相关性的可比较结论。（2006）。Hospido等，2003分析了西班牙的牛奶生产，发现饲料生产阶段是牛奶生命周期的热点。特别是，青贮饲料的产量占动物饲料的21％（重量），据估计占全球变暖和酸化的29％，占整个牛奶生产过程中富营养化作用的23％。一些采用扩展的系统边界的生命周期评估研究表明，农业生产是影响肉类产品生命周期的主要来源（Mattsson等，2000；Foster等，2006；Roy等，2008）。与青贮饲料生产对环境的影响不严格相关。威廉姆斯等。（2006年）分析了英国的牛肉产量，并计算出饲料产量（其中41％由饲草组成）占总碳足迹的48％。Ogino et al。，2002 ; Ogino et al。，2004提供了牧草生产在肉类生命周期中的相关性的另外证据，他们证明了牛肉育肥系统对环境的影响在很大程度上取决于青贮饲料的生产和生产。类型。
2.3 .LCA在农业运营和机械领域
尽管对牛饲料和饲料生产在肉类和奶制品生命周期中的作用进行了深入研究，但很少有研究集中在收获操作或关于机械效率和可持续农业机具设计的争论。Biswas等。（2008年）和Meisterling等人。（2009）进行了小麦生产的LCA。前者估计，农场作业（即肥料，除草剂和种子的喷雾以及收获）占小麦生命周期碳足迹的44％。后者估计，农业经营占小麦产量的29-32％，其中4％来自农业机械的生产。Saer等。（2013年）讨论了食物垃圾堆肥操作的热点。作者将机械使用（例如，研磨，牵引，混合，装载，筛选，堆放和转弯操作）引起的燃料燃烧和电力消耗视为堆肥生命周期的热点，并提出了计算每个个体贡献的方法为了引入有效的效率改善措施。Dyer and Desjardins（2006）提出了一个旨在量化农业生产所消耗能量的模型。根据他们的研究，制造农业机械所需的能量与农田工作期间消耗的化石燃料能量相当。Mousazadeh等。（2011年）介绍了一种太阳能混合动力电动拖拉机，并分析了其生命周期的经济成本和环境状况。电动拖拉机原型也与传统拖拉机进行了比较，突出了优点和缺点。Lee等。（2012年）的重点是最大程度地减少了农业设备在使用过程中对环境的影响。估计每年农业生产大米所带来的温室气体和大气污染物排放。最后，提出了一种模型，该模型旨在确定农具的最佳组合，以最大程度地减少与其在田间使用有关的环境影响，并将其应用于案例研究。
粮食农业生产对环境的影响问题在文献中得到了广泛的讨论，还有一些专门针对牲畜产品的贡献。相反，从可持续性的角度来看，与畜牧业青贮饲料生产造成的环境负担以及与优化干草生产过程相关的影响的问题并未得到深化。最后，对农业机械原型的环境影响评估的调查特别有限。本文的目的是全面评估青贮饲料的生产过程，确定每台机器对环境的影响，如Saer等人所建议。（2013年） 并提出一种原型制干草机械的LCA分析，该分析可能能够大大减少与青贮饲料生产相关的环境负担。
3 .造干草过程：传统与多功能系统
牧草是将绿色，易腐烂的草料变成可以安全存储和轻松运输的产品的过程。特别地，这种方法的目的是通过利用太阳辐射和空气对流能将切草的水分干燥来减少。干燥过程称为“固化”，它涉及减少新鲜草料的水分含量，因此可以将其存储而不会变质或营养损失。根据水分百分比，可以区分不同种类的草料：
青饲料：水的百分比为75–80％。它可以直接用作饲料，也可以固化并保存为青贮饲料。
青贮饲料（枯草）：水分30–40％。水分足以引发厌氧发酵，从而在不损害草料的情况下保持营养质量（发酵草料也称为青贮饲料）。
干草料：低水分含量（15–16％）可使棉包长期保存。
干草制造过程允许获得每种前述产品。它显示了五个主要步骤：修剪，整理，割草，打包和包裹（参见图2）。下图详细说明了每个阶段。对于上述每个步骤，都需要特定的工具。这项工作的目的是显着改善提供新MFM的阶段3、4和5，该MFM可以同时执行这些阶段，并通过单个设备达到与传统机器相同的效果。
新型MFM的主要优点是仅需通过一个现场即可完成第3、4和5阶段，并节省了运行时间，成本和环境排放。
3.1 .传统制干草机
在传统的制干草过程中，使用了三个独立的工具：干草耙，圆形打包机和打包机。它们分别设计用于耙，打包和包裹。它们的主要特征和操作功能在以下段落中介绍。
3.1.1 .捡拾带干草耙
本文中考虑的干草耙是上一代的皮草干草耙（PB-HR）（见图3）。这是一台不会用传统轮耙拖拉草条的机器，但它可以提高草料，最大程度地减少干草损失，并防止灰尘和土壤的聚集，从而提高产品质量。该PB-HR包括一个支撑钢架和两个侧翼，总跨度为8.2 m。机翼构型根据所需的风行类型具有可变的几何形状，例如一个中央风行，两个侧风行，两个对称条带。底盘配备有轮式推车，使耙子既可以在野外也可以在道路上移动。在使用阶段，PB-HR必须由功率为70hp的拖拉机拖曳，其重量为2,000 kg。
3.1.2 .压捆机
本研究中考虑的圆形打捆机（RB）是可变室的圆形打捆机（见图4）。它允许获得所需大小的草捆，同时，借助专用的控制单元，可以确保均匀且恒定的草料压缩。通常，草捆芯要保持通风良好，以确保最佳干燥和保存条件。RB包含滚筒和皮带。在第一阶段，草料进入鸡舍。腔室逐渐充满，并且当捆包达到所需大小时，装订单元会在其仍在旋转时用聚合物网或细绳使捆包旋转。最终，腔室后部的开口使捆包自动卸载。RB重2400公斤，需要用100马力的拖拉机牵引。
3.1.3 .捆包机
捆包机（BW）是用于使用聚乙烯薄膜包裹完成的捆包的机器（参见图5）。通常，在缠绕过程中，需要四到六层聚合物薄膜以确保完全保护内部青贮饲料。捆包机将捆包放在皮带桌上，使捆包绕其轴线旋转。一组臂垂直于草捆旋转方向旋转，并在保持薄膜紧张的情况下包裹草捆。为了正确缠绕，必须适当设置薄膜的张力，通常为拉伸伸长的65-70％。这意味着在捆包周围一米的胶片变成1.65-1.70 m。包装完成后，切割系统将松开捆包，最后将其卸下。BW重1,400千克，需要提供50马力的动力。
3.2 .多功能机
对于青贮捆包的生产过程，设计了一种新的MFM，通过一个集成了三个功能模块的独特设备执行耙草，捆包和包裹的操作（参见图6）。）。MFM前支架移至土壤附近，形成中央堆垛。随着系统的发展，打包机的拾取系统会收集并累积草捆在打包室内。捆包完成后，MFM会停止一段时间以用网或麻线捆扎捆包。一旦将草捆卸载到包裹区域，当包裹系统同时将上述聚乙烯薄膜包裹在第一捆草上时，捆捆室立即重新开始处理下一个草捆。一旦包装单元完成捆包的拍摄，在下一站中，将完成的捆包卸到地面上。MFM重7380公斤，必须由功率为150hp的拖拉机拖曳。
3.2.1 .MFM设计阶段
MFM设计过程从上述意大利制造商已经提供并设计的三个传统机具分离项目开始。设计阶段的目标是将这三台机器集成到一台机器中，以获得时间，成本和环境影响方面的优势。基本上，出于标准化的目的，功能模块的结构（即直接负责干草处理的机器子组件）不会进行相关更改，以降低设计复杂性和相关的时间消耗。特别是，圆形打捆机和捆包机模块在传统机具和MFM之间只有很小的变化，而干草耙则必须进行重大的重新设计，因为它在MFM中的位置以及指向圆形打捆机的不同干草流。此外，
在选择设计方案和选择方案时要考虑到制造商的专业知识和专有技术以及用户的典型情况，例如，使用150hp的动力牵引车来拖曳MFM，不会进一步增加投资成本。
最后，在项目验证过程中将采用第4节中描述的环境评估，以从技术，经济和环境角度全面证明系统的性能。此外，图6中的原型用于现场测试开发的MFM。
