孫明慧

(成武縣農(nóng)業(yè)機(jī)械服務(wù)中心，山東 成武 274200)

0 引言

玉米作為我國主要的糧食作物，近年來實(shí)現(xiàn)了持續(xù)的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年我國玉米種植面積達(dá)到43 324.1 khm2，總產(chǎn)量達(dá)到27 250 萬t，是我國產(chǎn)量最高的糧食作物，同時(shí)玉米的單位面積產(chǎn)量達(dá)到6 291.0 kg·hm-2，農(nóng)藝技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)和玉米全程機(jī)械化顯著提升了玉米的產(chǎn)出。收獲是玉米生產(chǎn)中勞動(dòng)強(qiáng)度較大的工作，其具有作業(yè)時(shí)間集中、作業(yè)任務(wù)重的特點(diǎn)，急需通過機(jī)械化技術(shù)提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)過程。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主流，玉米收獲機(jī)的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)量都得到了快速提升，很多先進(jìn)機(jī)型逐漸得到應(yīng)用，使我國玉米栽培區(qū)的收獲能力大幅提升，玉米收獲機(jī)已成為玉米生產(chǎn)過程必不可少的現(xiàn)代化裝備。

1 技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)普及與發(fā)展情況

我國針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的大部分研究起步時(shí)間落后于西方發(fā)達(dá)國家，對(duì)于玉米收獲機(jī)而言，其研發(fā)起始于20世紀(jì)60年代，而我國自行研制和生產(chǎn)的第一臺(tái)玉米收獲機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代中期，由中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院與趙光機(jī)械廠共同研制，該機(jī)型為牽引式臥輥雙行玉米摘穗機(jī)，只能用于替代人工摘穗。受到我國生產(chǎn)條件的限制，玉米收獲機(jī)的產(chǎn)品研究和發(fā)展始終相對(duì)緩慢，直到20世紀(jì)90年代，玉米收獲機(jī)的研制才逐漸成為農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重點(diǎn)，而當(dāng)時(shí)的玉米收獲機(jī)械化水平僅達(dá)到2%。在我國機(jī)械行業(yè)發(fā)展的帶動(dòng)下，玉米收獲機(jī)的研制和技術(shù)突破不斷取得新成績，2009年我國玉米收獲機(jī)應(yīng)用量達(dá)到8.8萬臺(tái)，玉米機(jī)械化收獲水平為15%，僅2年后，到2011年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中玉米收獲機(jī)的保有量達(dá)到了18.9萬臺(tái)，玉米機(jī)械化收獲水平達(dá)到33%，增長迅速。在2011—2020年的10年間，我國的玉米收獲機(jī)械化技術(shù)、普及程度都得到了快速發(fā)展，到2020年我國玉米聯(lián)合收獲機(jī)數(shù)量達(dá)58.85萬臺(tái)，可見我國玉米收獲機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與技術(shù)普及取得了顯著成績[1]。

與此同時(shí)，隨著我國玉米收獲機(jī)自主研發(fā)和生產(chǎn)能力的逐步提升，國產(chǎn)機(jī)型的受認(rèn)可程度不斷提升，圖1為2020年我國農(nóng)機(jī)市場玉米收獲機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)注熱度排行，可見我國農(nóng)民對(duì)于自主生產(chǎn)的玉米收獲機(jī)已經(jīng)形成足夠信心，自主生產(chǎn)的收獲機(jī)產(chǎn)品逐漸成為農(nóng)民的首選，這對(duì)于玉米收獲機(jī)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)與產(chǎn)品質(zhì)量提升意義重大[2]。

圖1 我國農(nóng)機(jī)市場玉米收獲機(jī)品牌網(wǎng)絡(luò)或關(guān)注度(人)

1.2 應(yīng)用過程中存在的問題

1.2.1 技術(shù)先進(jìn)性總體不足

目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中已經(jīng)使用的玉米收獲機(jī)盡管數(shù)量較多，但總體仍以技術(shù)落后的早期設(shè)備為主，玉米收獲機(jī)的整體動(dòng)力配套較低，導(dǎo)致實(shí)際的玉米收獲能力不足，尤其在耕地條件較好、土地連片的集中生產(chǎn)區(qū)，存在明顯的收獲能力不足問題。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)于大功率、自動(dòng)化程度高、寬幅玉米收獲機(jī)的需求量明顯提升，而中大型機(jī)型的實(shí)際銷量與需求量始終不成正比。

1.2.2 機(jī)具適用性不足

我國的農(nóng)機(jī)企業(yè)分布范圍廣，不同地區(qū)的農(nóng)機(jī)企業(yè)受到地域性限制，在品種考察、農(nóng)民需求、生產(chǎn)試驗(yàn)等方面主要以適應(yīng)本地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，導(dǎo)致所生產(chǎn)的玉米收獲機(jī)產(chǎn)品存在明顯的適用性問題，加之不同地區(qū)的玉米種植方式、品種選擇存在較大差異，玉米收獲機(jī)在生產(chǎn)中應(yīng)用常出現(xiàn)不適用問題，影響玉米收獲機(jī)的性能發(fā)揮。

1.2.3 機(jī)械質(zhì)量不盡人意

從玉米收獲機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)來看，首先由于產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用時(shí)間較短，大部分玉米收獲機(jī)的產(chǎn)品優(yōu)化周期還不能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)匹配的合理化，實(shí)際應(yīng)用過程中的大部分收獲機(jī)產(chǎn)品仍表現(xiàn)為故障率高、收獲質(zhì)量不佳、使用操作難等問題；其次，由于生產(chǎn)能力的制約，國產(chǎn)機(jī)型與進(jìn)口機(jī)型相比，在外觀精細(xì)度、駕駛舒適度、控制精確度等方面仍存在明顯差距。

1.2.4 自主產(chǎn)品創(chuàng)新性不足

我國的玉米收獲機(jī)研發(fā)最初以引進(jìn)國外成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，大部分產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、原理、功能都參照國外成熟機(jī)型，盡管近年來，很多企業(yè)為提高產(chǎn)品適用性，進(jìn)行了本土化的改進(jìn)，但是自主產(chǎn)品仍然缺乏自身特色，而仿制或以國外技術(shù)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品會(huì)或多或少的存在本土適用性不良問題。

1.3 技術(shù)研發(fā)與成果

隨著玉米收獲機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用熱度上升，針對(duì)玉米收獲機(jī)的科研與成果轉(zhuǎn)化工作也大量開展，為我國玉米收獲機(jī)技術(shù)的提升創(chuàng)造了有利條件。陳曉楠[3]等針對(duì)玉米收獲機(jī)車架載荷特性和疲勞壽命展開研究，通過實(shí)測載荷分析和有限元仿真結(jié)合的方法，對(duì)玉米收獲機(jī)使用過程的載荷譜特性和車架的靜、動(dòng)力學(xué)特性展開研究，得出了危險(xiǎn)部位節(jié)點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)功率譜密度影響規(guī)律，該研究對(duì)玉米收獲機(jī)車架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化提供理論依據(jù)?；艉轾i[4]等針對(duì)玉米收獲機(jī)收獲過程中的苞葉剝離機(jī)理展開研究，通過剝皮輥模型的建立，分析了剝離輥與玉米間的相互作用力,得出苞葉剝離條件與剝離輥參數(shù)關(guān)系，并對(duì)剝皮機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，利用ANSYS軟件對(duì)設(shè)定不同偏置角度的剝離輥設(shè)計(jì)了一種適用于上拉莖玉米摘穗方式的撥禾喂入機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證。徐文騰[5]等進(jìn)行了撥禾及摘穗試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，測試了撥禾機(jī)構(gòu)的撥禾喂入能力，分析了莖稈拉斷、果穗碰撞損傷，以及撥禾喂入機(jī)構(gòu)卡頓等問題產(chǎn)生的原因，對(duì)于收獲過程中的玉米果穗保護(hù)及降低籽粒損失具有積極作用。

2 玉米收獲機(jī)機(jī)型種類與典型機(jī)型

玉米收獲機(jī)是在玉米成熟后對(duì)玉米進(jìn)行摘穗、收集、果穗處理、秸稈處理等多項(xiàng)工序的農(nóng)業(yè)機(jī)械，現(xiàn)階段的玉米收獲機(jī)主要針對(duì)耕地中自然生長的站立玉米植株進(jìn)行收獲，摘穗功能主要通過摘穗輥或摘穗板實(shí)現(xiàn)，果穗柄被拉斷后，果穗被輸送，并進(jìn)行剝皮、脫粒(部分機(jī)型)、儲(chǔ)存，秸稈被割刀割斷，然后被粉碎或打捆。現(xiàn)階段，市場上常見的玉米收獲機(jī)包括自走式玉米收獲機(jī)(果穗型)、穗莖兼收玉米收獲機(jī)、自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)、鮮食玉米收獲機(jī)、履帶式玉米收獲機(jī)等幾大類。

2.1 自走式玉米收獲機(jī)(果穗型)

自走式玉米收獲機(jī)(果穗型)是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛的機(jī)型，目前的產(chǎn)品種類按照型號(hào)分超過400種，其主要針對(duì)玉米果穗進(jìn)行收獲，主流功能包括摘穗、剝皮、果穗收集、秸稈粉碎，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括分禾器、割臺(tái)、摘穗結(jié)構(gòu)、升運(yùn)器、剝皮機(jī)、風(fēng)篩、集糧箱、秸稈粉碎裝置等，根據(jù)幅寬和動(dòng)力差異，可分為小型、中型、大型三類機(jī)型。其中中小型玉米收獲機(jī)以國產(chǎn)品牌為主，例如山東巨明358C三行玉米收獲機(jī)，雷沃CD3系列玉米收獲機(jī)，均具有較高的自動(dòng)化水平和市場認(rèn)可度。而大型玉米收獲機(jī)產(chǎn)品國產(chǎn)機(jī)型與進(jìn)口機(jī)型均占有一定的市場份額，常用機(jī)型例如牧神4YZ-4型、中聯(lián)收獲4YZ-4W(圖2)、久保田4YZB-4等。

圖2 中聯(lián)收獲4YZ-4W型玉米收獲機(jī)

2.2 穗莖兼收玉米收獲機(jī)

穗莖兼收玉米收獲機(jī)能一次完成玉米摘穗、果穗剝皮、果穗收集裝車，同時(shí)完成秸稈粉碎還田或秸稈回收等功能，該機(jī)型逐漸向著大型化的趨勢(shì)發(fā)展，部分機(jī)型可實(shí)現(xiàn)玉米收獲與秸稈打捆的同步實(shí)施。生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)型以新疆牧神4YZB-8B、九方泰禾牧王系列等機(jī)型為代表。其中新疆牧神4YZB-8B(圖3)能夠?qū)崿F(xiàn)8行玉米的同時(shí)收獲，且能進(jìn)行不對(duì)行作業(yè)，可完成玉米秸稈粉碎還田、秸稈回收裝車等工作。

圖3 新疆牧神4YZB-8B穗莖兼收玉米收獲機(jī)

2.3 自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)

玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)是在傳統(tǒng)的谷物聯(lián)合收割機(jī)基礎(chǔ)上通過更換玉米割臺(tái)和相關(guān)的工作裝置部件實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米的收獲功能，該機(jī)型在收獲過程能實(shí)現(xiàn)玉米的籽粒脫粒，并進(jìn)行去雜與篩分。該機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)是工作效率高，但也存在著對(duì)玉米籽粒含水率要求較高，存在一定糧食損失等缺點(diǎn)，該機(jī)型在東北地區(qū)、新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)應(yīng)用較多。典型機(jī)型包括雷沃谷神GM100、中聯(lián)4LZ-8B1等。

2.4 鮮食玉米收獲機(jī)

近年來，隨著人們生活理念的改善，鮮食玉米的營養(yǎng)和健康價(jià)值得到了人們的認(rèn)可，鮮食玉米的種植面積明顯擴(kuò)大，鮮食玉米的栽培具有低成本高收益的特點(diǎn)，且市場前景良好。與之相應(yīng)的鮮食玉米收獲機(jī)也紛紛被研制并投入市場，但鮮食玉米具有含水率高、易破損等問題，現(xiàn)階段市場上使用的鮮食玉米收獲機(jī)大多改制于傳統(tǒng)的自走式玉米收獲機(jī)，其技術(shù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

2.5 履帶式玉米收獲機(jī)

履帶式玉米收獲機(jī)(圖4)主要應(yīng)用于丘陵、山地、坡地或地面不平坦的耕地，能夠適應(yīng)地形復(fù)雜的耕地，且大多以中小型設(shè)備為主，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，轉(zhuǎn)彎半徑小、作業(yè)靈活，可用于提高丘陵、山地等地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，降低勞動(dòng)生產(chǎn)的強(qiáng)度。

圖4 履帶式玉米收獲機(jī)

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 向大型化發(fā)展

從我國近年來玉米生產(chǎn)模式的變化來看，未來玉米的生產(chǎn)繼續(xù)呈現(xiàn)大面積連片化特點(diǎn)，這提升了大型玉米收獲機(jī)的市場需求量。大型玉米收獲機(jī)應(yīng)在增加幅寬與動(dòng)力的同時(shí)，將配套的功能進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 向智能化發(fā)展

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展目標(biāo)就是智能化，玉米收獲機(jī)不僅具備成熟的機(jī)械結(jié)構(gòu)，還應(yīng)主動(dòng)向自動(dòng)駕駛、自動(dòng)收獲、故障自檢、遠(yuǎn)程控制等方向轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步降低人力需求，實(shí)現(xiàn)全面的智能化作業(yè)。

3.3 向適用性發(fā)展

玉米收獲機(jī)的適應(yīng)能力還需進(jìn)一步加強(qiáng)，設(shè)計(jì)過程充分考慮不同地區(qū)的玉米生產(chǎn)特點(diǎn)，為玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)自動(dòng)適應(yīng)或多項(xiàng)調(diào)整等功能，幫助收獲機(jī)提高適用性。

3.4 向模塊化發(fā)展

柔性化與模塊化已經(jīng)逐漸成為機(jī)械行業(yè)發(fā)展的主流，玉米收獲機(jī)也應(yīng)充分考慮農(nóng)民需求，為不同的生產(chǎn)模式提供不同的功能模塊，使農(nóng)民購機(jī)的選擇性增加，可以通過選擇不同的割臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、秸稈處理系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)功能定制，有利于收獲機(jī)功能與地區(qū)生產(chǎn)的最佳匹配。