我国西北地区丘陵山地牧草收获机械发展现状及趋势

孙榆欢，杨君乾，张克平

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

我国丘陵山地的耕地面积占比超过50%，覆盖人口超过60%。丘陵山地是我国粮油糖作物及青饲料等特色经济作物的重要生产基地[1]。丘陵山区交通不便，种植作物是当地农民家庭收入的重要来源。坡地多、田块小且不规则是我国丘陵山地主要特征。丘陵山区立地条件较差、种植分散，机械使用难度较大[2]。

1 我国西北地区丘陵山地主要牧草收获机械介绍

牧草收获季节性非常强，收割必须在合理的时段内进行，否则会造成营养流失。牧草收获若采用传统的手工方式，收割不及时，会产生霉变和发黄等现象，导致营养价值流失，其至毒害牲畜[3]。当前，丘陵山地牧草小规模分散种植制约了机械化收获作业。随着西北丘陵山区对牧草收获机械需求量的增大，科研工作者研发了一系列适用于我国西北丘陵山区的小型牧草收获机械，主要为加工机械和生产机械。加工机械以制粒机、压块机和牧草粉碎机等为主；生产机械以割草压扁机、割草裹膜机、搂草机和拾捡打捆机等为主[4-5]。

1.1 割草机

割草机多用于收割人工种植的牧草。割草机主要分为圆盘式割草机和往复式割草机，圆盘式割草机缺点为功率消耗大、碎草多、割茬不齐，但切割效率高，目前市场占有率高。往复式割草机使用调整方便，具有牧草损失少、割茬整齐和功率消耗少等优点，缺点为速度较慢。如图1所示为甘肃农业大学研制的双圆盘式割草机，由异形割刀、导草装置、圆形刀盘、刀盘滑掌、四连杆提升装置、传动系统和固定支架等零部件组成。该割草机可作为自走式割草机的割台使用，也可以通过外置支架悬挂在拖拉机前方，还可以内置压扁辊等调质装置，可完成割草、调质、集草等工序。该双圆盘式割草机的漏割损失率、超茬损失率和重割率均远高于标准要求水平[6]。

1.2 割草压扁机

由于牧草的茎秆与叶片干燥速度不同，对牧草进行收获时，各工序的机械作用会使已经干燥的叶片脱落造成损失，而牧草叶片中的营养成分较茎秆中高。如在收割后立即进行压扁操作形成草条，可以均匀干燥牧草，减少营养流失，有效提高草产品质量，且能提高下一茬牧草的生长速度[7-9]。割草压扁机分为圆盘式与往复式，圆盘式具有生产效率较高、不易堵塞、刀片更换简单、维修保养方便等优点，但存在功率消耗较大、损失较大、割茬不齐、碎草较多、对地面的平整度要求较高等缺点，主要应用于地块平整、密度大和产量高的牧草收割，我国市场占有率呈上升趋势。往复式割草压扁机有割茬干净整齐、收获损失小、割台适应性强和便于调整使用等优点，但由于切割速度高，容易引起设备振动，机械损耗大、刀片容易堵塞等缺点，导致使用维修成本升高，主要适用于人工草场牧草的收割，目前我国市场占有率较高[10-11]。

如图2所示为河北冀旋研发的冀旋9GXY-3.0割草压扁机，为牵引式结构、机身坚固、可靠性高，采用圆盘式刀片，主要用于苜蓿收获[12]。

图2 割草压扁机

1.3 牧草打捆机

牧草在长时间储存时，易出现腐烂、变质等问题，对牧草进行打捆并包膜处理可以形成易储存、易消化的高品质饲料。牧草打捆机的工作原理为打捆机在拖拉机的牵引下，通过拖拉机液压系统给传动系统提供动力，弹齿旋转将牧草捡拾后，抛向喂入系统，喂入转子连续带动牧草旋转并将牧草推向成型室，当牧草在成型室内的密度达到设定值后，网缠装置对牧草进行扎捆操作，最后将扎捆成型草捆抛出[13]。如图3所示为禹鸣机械有限公司研发的牧草打捆机，能依次完成牧草收割、捡拾、扎捆与抛捆等工序[14]。

图3 牧草打捆机

2 我国西北地区丘陵山地牧草收获机械短板弱项

我国的牧草机械化收获起步相对较晚，从20世纪80年代开始，许多牧草收获机械企业纷纷改制、转型，造成我国牧草收获机械的功能单一、适应性不足，牧草收获机械发展较为滞后，在诸多方面存在不足。

在产品技术方面，牧草收获机械装备技术含量不高，机械装备可靠性较差，作业效率不高，机具核心零部件难以满足用户需求。产品的改进升级速度跟不上用户对机具功能的需求。当前割草、搂草、扎捆、储藏等作业环节的机械化程度较低，导致收获过程中牧草叶片掉落，造成营养的流失、利用率下降，牧草总体品质降低，影响农民收益[15]。

在产品种类方面，现有牧草收获机械的类型较为单一。我国地形地况复杂，西北地区多为丘陵山地，地块较小、起伏较大、道路条件较差，现有的牧草收获机械无法适应我国复杂多变的地形和地面条件。牧草收获机械装备的动力配套性较弱，需用多个驱动设备来驱动不同的机械装备，限制了农民对机型多样性的需求[16]。

在产品服务方面，牧草收获机械售后服务规模小、组织单一、正规化程度不高，社会配套服务单薄，官方售后略显不足。大多数收获作业配套服务跟进不及时、组织服务成本较高、质量标准不够完善[17]。

3 我国西北地区丘陵山地牧草收获机械发展

3.1 牧草收获机械与牧草产业同频共振

“十四五”是全面建设社会主义现代化国家和基本实现农业农村现代化开好局、起好步的关键五年。农业机械化是转变农业发展方式、提高农村生产力的重要基础，是农业农村现代化的重要支撑。研发适用于我国西北地区丘陵山地的牧草收获机械势在必行，聚焦降低故障率、提升可靠性、保证安全性、提高实用性、解决售后问题，减少农牧民因维修造成的经济负担。在发展牧草收获机械的前提下，提升牧草质量，促进牧草产业健康持续发展，保证食品质量与安全，为全面推进乡村振兴和加快农业农村现代化作出牧草产业应有的贡献[18]。

3.2 牧草收获机械系统化智能化发展

近年来，随着计算机技术、智能化、物联网的应用和发展，各种农业机械也朝着机电液一体化、智能化、无人化的方向快速发展。科研机构正在创制新型智能农机。赵文峰等[19]通过转速检测、角度检测、油温油压检测和转速检测等传感器的应用，完成对收割机行程调控和动力控制等操作，使传统农机装备具备无人化操作，实现一人多机同时管理，实现农业生产精准服务。张安琪等[20]自主研发小型方捆机草捆动态称量系统，明晰了拖拉机 PTO 启停对草捆动态称量系统角度噪声信号和草捆压力的影响机理，为信号系统的适时处理提供了理论依据。团队在信号分析的基础上，利用巴特沃斯带阻滤波、双阈值滤波和分段线性插值的方法处理了原始信号，得到的模型预测相对误差优于均值滤波，为草捆动态称量及打捆机的研发提供了理论支撑。牧草收获机械应抓住发展农业智能化的机遇，研发出适用于我国西北地区丘陵山地的智能牧草收获机械，解放劳动力，提高作业效率，提高牧草产品质量。

3.3 新技术集成应用

近几年，国家对发展农业机械的大力支持，尤其是新技术的使用，使得我国牧草收获机械迅速发展，国内牧草收获机械正在应用的新技术主要有以下几种。

激光加工技术。利用激光束与金属相互作用，对材料(非金属、金属)进行焊接、切割、打孔、微加工及表面处理等。激光加工技术在牧草收获机械的制造中起到非常重要的作用，提高了加工精度，降低了制造难度，延长了机具寿命，节省了原料，实现了绿色发展。

传感检测技术。传感检测技术在农业中的应用主要在于环境监测、土地状况检测、作物生长程度检测及农业机械中的力学检测。在牧草收获机械中，传感器可以对割草机割刀受力、打捆机对草捆的束缚力等进行检测。王成龙[21]设计了一种自走式打捆机自动楼草控制系统，主要由限位传感器、电磁阀、CPU处理单元、输入信号电路和输出驱动电路等组成。输入信号电路与CPU处理单元连接，输入信号电路向CPU处理单元输入限位信号；CPU处理单元与输出驱动电路连接，CPU处理单元向输出驱动电路输入驱动信号；限位传感器与输入信号电路连接，限位传感器的主要作用是采集限位信号并传输至输入信号电路；电磁阀与输出驱动电路连接，电磁阀用于输出控制信号。打捆过程可实现全自动楼草放草动作，提高打捆作业效率。

机器人技术。机器人技术是集计算机技术、人工智能技术、传感器技术和图像识别等多学科的系统技术，使机械按照既定的程序自主运行。通过实现复杂农业环境下的导航、机器人和作物之间的无损互作，农艺与机器人的融合实现革命性突破。目前，国内对喷药机器人、施肥机器人、除草机器人、扦插机器人、育苗机器人、收割机器人、移栽机器人和采摘机器人等均进行了研究[22]。尽管国内农业机器人大规模产业化应用还未能实现，但农业机器人的研究为牧草收获机器人的创制提供了思路。

3.4 “以机适地”“改地适机”双向发力

我国西北地区丘陵山地有着地块小、坡度大、道路条件差的地貌特点，给农业作业全程机械化的实施造成了很大困难。围绕农业机械化的问题，在长期实践的过程中形成了两条思路，即“以机适地”的机械工程方法和“改地适机”的建设工程方法。“以机适地”即创制多功能、轻简化、高可靠性的丘陵山地农机装备。“改地适机”是通过对耕地进行整治，改善农业机械的作业条件，以拓展中大型农业机械的应用空间。“以机适地”与“改地适机”双向发力，是解决我国西北地区丘陵山地牧草收获机械化收获的现实举措[23-24]。

4 结束语

目前，我国农机装备在研发和应用上存在一些短板弱项，比如“一大一小”的问题。“一小”的一个分支是指能够适应丘陵地区的小型机械尚未到位。2021年12月召开的中央农村工作会议首次明确提出“提升农机装备研发应用水平”[25]。2021年12月召开的中央经济工作会议上再次提出“要把提高农业综合生产能力放在更加突出的位置，持续推进高标准农田建设，深入实施种业振兴行动，提高农机装备水平”[26]。2022年中央一号文件再次强调“提升农机装备研发应用水平”。全面梳理短板弱项，加强农机装备工程化协同攻关，加快大马力机械、丘陵山区和设施园艺小型机械、高端智能机械研发制造并纳入国家重点研发计划予以长期稳定支持[27]。在国家“提升农机装备研发应用水平”政策的大力支持下，我国西北地区丘陵山地牧草收获机械也将取得长足的发展。