楊朵珍，刁培松，李曉偉，苗河泉，李少川，趙洪達(dá)，趙永利，李向浩

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255022）

0 引言

玉米作為主要的糧食作物，不僅可以供人食用，還可以為牲畜提供飼料。隨著機(jī)械化的發(fā)展，玉米機(jī)械化作業(yè)率越來越高，但與大宗作物小麥和水稻相比機(jī)械化水平仍然較低，而且玉米收獲時只考慮了玉米果穗的收獲，忽略了對糖分含量極高的秸稈的收獲和使用，收獲果穗后秸稈一般被焚燒或丟棄。近年來隨著國家對環(huán)境保護(hù)的重視[1]，穗莖兼收型玉米聯(lián)合收割機(jī)成為玉米聯(lián)合收獲機(jī)的主要發(fā)展方向。傳統(tǒng)玉米收獲機(jī)在收獲果穗后還需要機(jī)具多次進(jìn)地收獲秸稈及其它田間作業(yè)，增加了對土地的碾壓次數(shù)，加重了翻耕土地的任務(wù)量，而穗莖兼收型玉米收獲機(jī)只需一次進(jìn)地作業(yè)就能實(shí)現(xiàn)果穗收獲、脫粒、秸稈收獲、切碎[2]以及秸稈的粉碎作業(yè)，減少了機(jī)械進(jìn)地作業(yè)的次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強(qiáng)度。秸稈可以拋灑還田或者收集后飼養(yǎng)牲畜，不僅改善了環(huán)境，還增加了農(nóng)民收入，提高了秸稈利用率，促進(jìn)了玉米機(jī)械化生產(chǎn)的進(jìn)步，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

本文通過以下幾種機(jī)型來分析穗莖兼收玉米收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀以及機(jī)械化存在的問題并提出相應(yīng)建議。

1 玉米機(jī)械化率及玉米秸稈產(chǎn)量

2018～2021年我國玉米綜合機(jī)械化率分別為88.31%、88.95%、89.76%和90%[3]。

我國玉米的種植面積長期維持在40 000 萬hm2左右，秸稈產(chǎn)量按照草谷比1.2[4,5]來估算，通過從國家統(tǒng)計(jì)局查詢的從2013 年開始的玉米產(chǎn)量來計(jì)算秸稈的產(chǎn)量，得到如表1 中最近10 年的秸稈產(chǎn)量。如果對其合理開發(fā)利用，可以提高秸稈利用率，減少資源浪費(fèi)，增加農(nóng)民收入，也有利于我國環(huán)境生態(tài)的改善。

表1 近十年我國玉米播種面積、玉米產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量

2 國外穗莖兼收裝備現(xiàn)狀

1921年，澳大利亞的艾倫（George Hand）設(shè)計(jì)出世界上首臺玉米聯(lián)合收獲機(jī)，目前國外玉米聯(lián)合收獲機(jī)的研究和生產(chǎn)水平已趨于成熟，基本實(shí)現(xiàn)了玉米的機(jī)械化收獲[6,7]。

目前主要有兩種類型的玉米聯(lián)合收獲機(jī)：一種是直接在谷物聯(lián)合收獲機(jī)上將割臺換為專門收獲玉米的收獲臺，目前歐美等發(fā)達(dá)國家多采用籽粒直收，其中美國在1980年就全部實(shí)現(xiàn)了籽粒直收[8,9]；另一種是只將玉米果穗進(jìn)行剝皮而不進(jìn)行脫粒，由于籽粒含水率高，直接脫粒會造成籽粒大量破碎，不適合直接脫粒，因此專門用來收獲玉米果穗，這種收獲機(jī)在烏克蘭等一些東歐國家使用較多，其中烏克蘭赫爾松聯(lián)合收獲機(jī)制造公司制造的KCKY-6型玉米聯(lián)合收獲機(jī)可以進(jìn)行玉米摘穗和秸稈切碎收集作業(yè)從而實(shí)現(xiàn)穗莖兼收（圖1）[10]。

圖1 烏克蘭赫爾松聯(lián)合收獲機(jī)KCKY-6

Claas公司分別設(shè)計(jì)了兩種穗莖兼收玉米收獲臺[11-13]，如圖2和圖3。縱臥式摘穗裝置采用圓盤式切割器進(jìn)行玉米植株切割，并將玉米植株喂入到縱置式拉莖裝置中，果穗由撥禾鏈輸送至攪龍式輸送器中；橫置式摘穗裝置中采用多個并排的喂入單元，用夾持輸送鏈夾持輸送玉米植株至水平橫置式摘穗裝置進(jìn)行摘穗。

圖2 Claas 公司的縱臥式摘穗裝置

圖3 Claas 公司的橫置式摘穗裝置

3 國內(nèi)穗莖兼收裝備研究現(xiàn)狀

我國的玉米種植區(qū)相對集中，主要分布于東北和黃淮海地區(qū)，其種植特點(diǎn)分別為一年一熟及麥玉輪作的一年兩熟。種植玉米主要是為了收獲玉米果穗，秸稈回收后與果穗分開存放，該特點(diǎn)與國外的青飼收獲略有不同。我國對玉米收獲機(jī)的研制起步較晚，黑龍江省趙光機(jī)械廠研制生產(chǎn)的豐收牌4YW-2型玉米聯(lián)合收獲機(jī)[14]是我國首臺自主研發(fā)的玉米收獲機(jī)，該玉米收獲機(jī)為后續(xù)國產(chǎn)玉米收獲機(jī)的發(fā)展提供了借鑒。近年來出現(xiàn)了以下幾種新型的穗莖兼收型玉米收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)了玉米果穗與玉米秸稈的同時收獲，既提高了用戶的經(jīng)濟(jì)收益，又解決了秸稈處理問題，今后穗莖兼收玉米收獲機(jī)將是玉米收獲機(jī)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[15]。

3.1 撿拾式穗莖兼收玉米收獲機(jī)

撿拾式穗莖兼收玉米收獲機(jī)是在玉米收獲機(jī)的中部（圖4）或者尾部（圖5）加裝秸稈撿拾收集裝置，摘穗后的玉米秸稈滑落到地表，秸稈撿拾收集裝置對地表的玉米秸稈進(jìn)行撿拾、粉碎、收集和拋送[16]。秸稈撿拾粉碎輸送裝置可以單獨(dú)在拖拉機(jī)牽引下使用，與打捆機(jī)組合后就成為撿拾式打捆機(jī)。撿拾收集裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，但由于其收獲的秸稈是在落地時撿拾的，因此收獲后的秸稈含有大量土壤，不利于秸稈的后續(xù)利用。

圖4 撿拾式穗莖兼收玉米收獲機(jī)（中部加裝秸稈撿拾收集裝置）

圖5 撿拾式穗莖兼收玉米收獲機(jī)（尾部加裝秸稈撿拾收集裝置）

3.2 夾持輸送穗莖兼收玉米收獲機(jī)

夾持輸送穗莖兼收玉米收獲機(jī)工作時先由夾持鏈將玉米植株夾持住并由往復(fù)式割刀將玉米植株切斷，切斷后的玉米植株在夾持鏈的作用下向后輸送，然后由臥式摘穗輥將玉米果穗摘下，刮板升運(yùn)器將摘下的果穗推送到橫向果穗攪龍，于此同時，安裝在摘穗輥下方的滾刀將玉米秸稈粉碎，安裝在切碎刀下的橫向絞龍將粉碎的秸稈收集并輸送到拋送器，隨后通過拋送器將粉碎的秸稈拋送到指定位置。該機(jī)可以在摘穗的同時收獲秸稈，與撿拾式穗莖兼收玉米收獲機(jī)相比，該機(jī)收獲秸稈時秸稈不落地，含雜質(zhì)少[17]。圖6 為懸掛式夾持輸送穗莖兼收玉米收獲機(jī)，后又改進(jìn)為自走式夾持輸送穗莖兼收玉米收獲機(jī)（圖7）。

圖6 懸掛式夾持輸送穗莖兼收玉米收獲機(jī)

圖7 自走式夾持輸送穗莖兼收玉米收獲機(jī)

3.3 立式割臺穗莖兼收玉米收獲機(jī)

立式割臺穗莖兼收玉米收獲機(jī)工作時先由夾持鏈將玉米植株夾持住，然后由往復(fù)式割刀將玉米植株切斷，被切斷的玉米植株由夾持鏈輸送到摘穗輥進(jìn)行摘穗[18]，摘下的果穗掉落到下方的橫向果穗輸送器上，果穗被橫向輸送器輸送到一側(cè)后經(jīng)果穗輸送裝置輸送到果穗箱中[19]。摘過果穗的莖稈通過拉莖輥拉送，經(jīng)滾刀切碎后由拋送器拋送到莖稈箱或拖車中，玉米的根茬由滅茬機(jī)粉碎還田。立式割臺穗莖兼收玉米收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖8，立式摘穗結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特的布置方式有效縮短了割臺長度，玉米果穗與輥組的接觸時間短，具有摘穗過程損失小的優(yōu)點(diǎn)[20]，但立式摘穗輥有效摘穗段較臥式摘穗輥短，加上目前立式摘穗割臺的摘穗間隙不可調(diào)節(jié)，植株莖稈易被拉斷，不易通過輥組間隙，因此立式割臺易出現(xiàn)斷莖及擁堵現(xiàn)象，影響收獲質(zhì)量及效率，現(xiàn)階段立式摘穗輥結(jié)構(gòu)使用較少[21]。

圖8 立式割臺穗莖兼收玉米收獲機(jī)

3.4 復(fù)式割臺型穗莖兼收玉米收獲機(jī)

復(fù)式割臺型穗莖兼收玉米收獲機(jī)工作時玉米植株進(jìn)入扶禾器，莖稈先接觸撥禾鏈并在其輸送作用下向后運(yùn)動，由于果穗直徑大于莖稈直徑，在拉莖輥的拉送作用下向下運(yùn)動時果穗與莖稈連接斷開，實(shí)現(xiàn)摘取果穗的功能。摘下的果穗被輸送鏈送入果穗收集輸送器，隨后依次進(jìn)入升運(yùn)器，通過橫向攪龍分流后進(jìn)入剝皮機(jī)剝皮，最后掉入果穗箱，實(shí)現(xiàn)果穗收獲。果穗被摘穗板摘下的同時下割臺上的轉(zhuǎn)子銑刀將莖稈切斷，通過莖稈收集輸送器收攏，再經(jīng)單層輥將莖稈強(qiáng)制喂入切碎拋送器切碎后經(jīng)拋送器拋送至集草車[22]。第一代樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖9，第二代樣機(jī)將轉(zhuǎn)子銑刀改為往復(fù)式割刀，同時在下割臺增加鏈耙輸送裝置避免下割臺堵塞，增加秸稈喂入量，結(jié)構(gòu)示意如圖10。

圖9 第一代復(fù)式割臺的穗莖兼收玉米收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖10 第二代復(fù)式割臺的穗莖兼收玉米收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意

3.5 新型復(fù)式割臺型穗莖兼收玉米收獲機(jī)

新型復(fù)式割臺型穗莖兼收玉米收獲機(jī)與普通復(fù)式割臺的上割臺結(jié)構(gòu)無明顯差異，主要區(qū)別在下割臺喂入切碎部分，摘穗后被切斷的秸稈落入下割臺攪龍，在下割臺攪龍的作用下，秸稈被集中在中間，通過攪龍的伸縮齒將秸稈喂入上、下抓取輥，由上、下抓取輥?zhàn)ト〔⑾蚝筝斔停舷螺価X結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了對秸稈的抓取力，秸稈經(jīng)中間輸送輥繼續(xù)向后輸送，上、下抓取輥將輸送過來的秸稈壓緊夾持后向切碎口輸送。下喂入輥光滑，利于有效壓緊喂入的秸稈層，使秸稈連續(xù)穩(wěn)定地喂入切碎裝置，由動定刀配合橫置的切碎滾筒進(jìn)行切碎作業(yè)，有效改善了長秸稈在遠(yuǎn)距離傳輸過程中易發(fā)生堵塞的問題，同時縮短了秸稈傳輸距離，代表機(jī)型如圖11。

圖11 新型復(fù)式割臺型穗莖兼收玉米收獲機(jī)

3.6 穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)

賈春陽等人在吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)了4YK-4 型穗莖兼收秸稈打捆玉米收獲機(jī)。該機(jī)型的切碎方式為滾筒式切碎，采用曲柄連桿壓縮式結(jié)構(gòu)進(jìn)行打捆，機(jī)型結(jié)構(gòu)緊湊、作業(yè)效果較好，4YK-4 型穗莖兼收秸稈打捆玉米收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖12。與其它玉米收獲機(jī)的不同之處是其增加了秸稈打捆裝置，機(jī)器一次進(jìn)地就可完成對玉米果穗的剝皮、收集和對秸稈的切碎、打捆以及對秸稈根茬的滅茬粉碎工作[23]。

圖12 穗莖兼收秸稈打捆型玉米收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)

4 推廣應(yīng)用面臨的困難

（1）玉米收獲機(jī)械一次投入大，回收期長，農(nóng)民難以負(fù)擔(dān)且收效慢，農(nóng)戶為了減少開支不愿使用機(jī)械收割，大都由人力完成。

（2）穗莖兼收型玉米收獲機(jī)體型較龐大，十分不利于雨季收獲玉米，機(jī)器進(jìn)地后會因體積龐大陷入地里，導(dǎo)致收獲效率降低。

（3）與普通玉米收獲機(jī)相比，穗莖兼收型玉米收獲機(jī)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，更易出現(xiàn)下割臺切碎堵塞等故障。

5 發(fā)展趨勢

我國各地種植模式不盡相同，玉米品種多樣，秸稈利用方式也各不相同，導(dǎo)致了我國玉米機(jī)械化作業(yè)的復(fù)雜性和多樣性。傳統(tǒng)的玉米收割方式費(fèi)時費(fèi)力，機(jī)械化極大地減輕了農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，目前我國還在不斷探索穗莖兼收玉米收獲領(lǐng)域，尚未研制出比較成熟的機(jī)型，為了發(fā)揮秸稈的價值，應(yīng)在收獲玉米的同時收獲秸稈來實(shí)現(xiàn)玉米全株利用。

（1）高可靠性。隨著穗莖兼收玉米收獲機(jī)功能的增加，機(jī)器的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，機(jī)器的可靠性面臨著更大的挑戰(zhàn)，因此在保證工作性能的前提下提高單一零件和由單一零件組成的系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要，保證機(jī)具至少在一個作業(yè)期不發(fā)生故障。

（2）輕量化。隨著穗莖兼收玉米收獲機(jī)功能的增加，機(jī)具變得更加笨重，無法在土壤含水率高的環(huán)境下作業(yè)，因此需要對機(jī)器進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在保證機(jī)器作業(yè)性能和安全性的前提下優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu)及采用新材料降低機(jī)具質(zhì)量，使機(jī)具能夠在土壤含水率高的情況下進(jìn)行高效作業(yè)。

（3）智能化。隨著穗莖兼收玉米收獲機(jī)功能的增加，操作變得更加復(fù)雜，因此需發(fā)展智能化，使機(jī)器更易操縱，如對機(jī)器的自動對行、自動磨刀、動定刀間隙進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，使收獲作業(yè)更加可靠便捷，從而節(jié)省人力物力。