穗茎兼收型玉米收获机发展现状研究

杨朵珍，刁培松，李晓伟，苗河泉，李少川，赵洪达，赵永利，李向浩

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255022）

0 引言

玉米作为主要的粮食作物，不仅可以供人食用，还可以为牲畜提供饲料。随着机械化的发展，玉米机械化作业率越来越高，但与大宗作物小麦和水稻相比机械化水平仍然较低，而且玉米收获时只考虑了玉米果穗的收获，忽略了对糖分含量极高的秸秆的收获和使用，收获果穗后秸秆一般被焚烧或丢弃。近年来随着国家对环境保护的重视[1]，穗茎兼收型玉米联合收割机成为玉米联合收获机的主要发展方向。传统玉米收获机在收获果穗后还需要机具多次进地收获秸秆及其它田间作业，增加了对土地的碾压次数，加重了翻耕土地的任务量，而穗茎兼收型玉米收获机只需一次进地作业就能实现果穗收获、脱粒、秸秆收获、切碎[2]以及秸秆的粉碎作业，减少了机械进地作业的次数，提高了生产效率，降低了劳动强度。秸秆可以抛洒还田或者收集后饲养牲畜，不仅改善了环境，还增加了农民收入，提高了秸秆利用率，促进了玉米机械化生产的进步，提高了农业生产效率。

本文通过以下几种机型来分析穗茎兼收玉米收获机的发展现状以及机械化存在的问题并提出相应建议。

1 玉米机械化率及玉米秸秆产量

2018～2021年我国玉米综合机械化率分别为88.31%、88.95%、89.76%和90%[3]。

我国玉米的种植面积长期维持在40 000 万hm2左右，秸秆产量按照草谷比1.2[4,5]来估算，通过从国家统计局查询的从2013 年开始的玉米产量来计算秸秆的产量，得到如表1 中最近10 年的秸秆产量。如果对其合理开发利用，可以提高秸秆利用率，减少资源浪费，增加农民收入，也有利于我国环境生态的改善。

表1 近十年我国玉米播种面积、玉米产量和秸秆产量

2 国外穗茎兼收装备现状

1921年，澳大利亚的艾伦（George Hand）设计出世界上首台玉米联合收获机，目前国外玉米联合收获机的研究和生产水平已趋于成熟，基本实现了玉米的机械化收获[6,7]。

目前主要有两种类型的玉米联合收获机：一种是直接在谷物联合收获机上将割台换为专门收获玉米的收获台，目前欧美等发达国家多采用籽粒直收，其中美国在1980年就全部实现了籽粒直收[8,9]；另一种是只将玉米果穗进行剥皮而不进行脱粒，由于籽粒含水率高，直接脱粒会造成籽粒大量破碎，不适合直接脱粒，因此专门用来收获玉米果穗，这种收获机在乌克兰等一些东欧国家使用较多，其中乌克兰赫尔松联合收获机制造公司制造的KCKY-6型玉米联合收获机可以进行玉米摘穗和秸秆切碎收集作业从而实现穗茎兼收（图1）[10]。

图1 乌克兰赫尔松联合收获机KCKY-6

Claas公司分别设计了两种穗茎兼收玉米收获台[11-13]，如图2和图3。纵卧式摘穗装置采用圆盘式切割器进行玉米植株切割，并将玉米植株喂入到纵置式拉茎装置中，果穗由拨禾链输送至搅龙式输送器中；横置式摘穗装置中采用多个并排的喂入单元，用夹持输送链夹持输送玉米植株至水平横置式摘穗装置进行摘穗。

图2 Claas 公司的纵卧式摘穗装置

图3 Claas 公司的横置式摘穗装置

3 国内穗茎兼收装备研究现状

我国的玉米种植区相对集中，主要分布于东北和黄淮海地区，其种植特点分别为一年一熟及麦玉轮作的一年两熟。种植玉米主要是为了收获玉米果穗，秸秆回收后与果穗分开存放，该特点与国外的青饲收获略有不同。我国对玉米收获机的研制起步较晚，黑龙江省赵光机械厂研制生产的丰收牌4YW-2型玉米联合收获机[14]是我国首台自主研发的玉米收获机，该玉米收获机为后续国产玉米收获机的发展提供了借鉴。近年来出现了以下几种新型的穗茎兼收型玉米收获机，实现了玉米果穗与玉米秸秆的同时收获，既提高了用户的经济收益，又解决了秸秆处理问题，今后穗茎兼收玉米收获机将是玉米收获机领域的研究重点[15]。

3.1 捡拾式穗茎兼收玉米收获机

捡拾式穗茎兼收玉米收获机是在玉米收获机的中部（图4）或者尾部（图5）加装秸秆捡拾收集装置，摘穗后的玉米秸秆滑落到地表，秸秆捡拾收集装置对地表的玉米秸秆进行捡拾、粉碎、收集和抛送[16]。秸秆捡拾粉碎输送装置可以单独在拖拉机牵引下使用，与打捆机组合后就成为捡拾式打捆机。捡拾收集装置结构简单，安装方便，但由于其收获的秸秆是在落地时捡拾的，因此收获后的秸秆含有大量土壤，不利于秸秆的后续利用。

图4 捡拾式穗茎兼收玉米收获机（中部加装秸秆捡拾收集装置）

图5 捡拾式穗茎兼收玉米收获机（尾部加装秸秆捡拾收集装置）

3.2 夹持输送穗茎兼收玉米收获机

夹持输送穗茎兼收玉米收获机工作时先由夹持链将玉米植株夹持住并由往复式割刀将玉米植株切断，切断后的玉米植株在夹持链的作用下向后输送，然后由卧式摘穗辊将玉米果穗摘下，刮板升运器将摘下的果穗推送到横向果穗搅龙，于此同时，安装在摘穗辊下方的滚刀将玉米秸秆粉碎，安装在切碎刀下的横向绞龙将粉碎的秸秆收集并输送到抛送器，随后通过抛送器将粉碎的秸秆抛送到指定位置。该机可以在摘穗的同时收获秸秆，与捡拾式穗茎兼收玉米收获机相比，该机收获秸秆时秸秆不落地，含杂质少[17]。图6 为悬挂式夹持输送穗茎兼收玉米收获机，后又改进为自走式夹持输送穗茎兼收玉米收获机（图7）。

图6 悬挂式夹持输送穗茎兼收玉米收获机

图7 自走式夹持输送穗茎兼收玉米收获机

3.3 立式割台穗茎兼收玉米收获机

立式割台穗茎兼收玉米收获机工作时先由夹持链将玉米植株夹持住，然后由往复式割刀将玉米植株切断，被切断的玉米植株由夹持链输送到摘穗辊进行摘穗[18]，摘下的果穗掉落到下方的横向果穗输送器上，果穗被横向输送器输送到一侧后经果穗输送装置输送到果穗箱中[19]。摘过果穗的茎秆通过拉茎辊拉送，经滚刀切碎后由抛送器抛送到茎秆箱或拖车中，玉米的根茬由灭茬机粉碎还田。立式割台穗茎兼收玉米收获机的结构如图8，立式摘穗结构因其独特的布置方式有效缩短了割台长度，玉米果穗与辊组的接触时间短，具有摘穗过程损失小的优点[20]，但立式摘穗辊有效摘穗段较卧式摘穗辊短，加上目前立式摘穗割台的摘穗间隙不可调节，植株茎秆易被拉断，不易通过辊组间隙，因此立式割台易出现断茎及拥堵现象，影响收获质量及效率，现阶段立式摘穗辊结构使用较少[21]。

图8 立式割台穗茎兼收玉米收获机

3.4 复式割台型穗茎兼收玉米收获机

复式割台型穗茎兼收玉米收获机工作时玉米植株进入扶禾器，茎秆先接触拨禾链并在其输送作用下向后运动，由于果穗直径大于茎秆直径，在拉茎辊的拉送作用下向下运动时果穗与茎秆连接断开，实现摘取果穗的功能。摘下的果穗被输送链送入果穗收集输送器，随后依次进入升运器，通过横向搅龙分流后进入剥皮机剥皮，最后掉入果穗箱，实现果穗收获。果穗被摘穗板摘下的同时下割台上的转子铣刀将茎秆切断，通过茎秆收集输送器收拢，再经单层辊将茎秆强制喂入切碎抛送器切碎后经抛送器抛送至集草车[22]。第一代样机结构示意如图9，第二代样机将转子铣刀改为往复式割刀，同时在下割台增加链耙输送装置避免下割台堵塞，增加秸秆喂入量，结构示意如图10。

图9 第一代复式割台的穗茎兼收玉米收获机结构示意

图10 第二代复式割台的穗茎兼收玉米收获机结构示意

3.5 新型复式割台型穗茎兼收玉米收获机

新型复式割台型穗茎兼收玉米收获机与普通复式割台的上割台结构无明显差异，主要区别在下割台喂入切碎部分，摘穗后被切断的秸秆落入下割台搅龙，在下割台搅龙的作用下，秸秆被集中在中间，通过搅龙的伸缩齿将秸秆喂入上、下抓取辊，由上、下抓取辊抓取并向后输送，上下辊齿结构增强了对秸秆的抓取力，秸秆经中间输送辊继续向后输送，上、下抓取辊将输送过来的秸秆压紧夹持后向切碎口输送。下喂入辊光滑，利于有效压紧喂入的秸秆层，使秸秆连续稳定地喂入切碎装置，由动定刀配合横置的切碎滚筒进行切碎作业，有效改善了长秸秆在远距离传输过程中易发生堵塞的问题，同时缩短了秸秆传输距离，代表机型如图11。

图11 新型复式割台型穗茎兼收玉米收获机

3.6 穗茎兼收秸秆打捆型玉米收获机

贾春阳等人在吸收国外先进技术的基础上研发了4YK-4 型穗茎兼收秸秆打捆玉米收获机。该机型的切碎方式为滚筒式切碎，采用曲柄连杆压缩式结构进行打捆，机型结构紧凑、作业效果较好，4YK-4 型穗茎兼收秸秆打捆玉米收获机总体结构如图12。与其它玉米收获机的不同之处是其增加了秸秆打捆装置，机器一次进地就可完成对玉米果穗的剥皮、收集和对秸秆的切碎、打捆以及对秸秆根茬的灭茬粉碎工作[23]。

图12 穗茎兼收秸秆打捆型玉米收获机总体结构

4 推广应用面临的困难

（1）玉米收获机械一次投入大，回收期长，农民难以负担且收效慢，农户为了减少开支不愿使用机械收割，大都由人力完成。

（2）穗茎兼收型玉米收获机体型较庞大，十分不利于雨季收获玉米，机器进地后会因体积庞大陷入地里，导致收获效率降低。

（3）与普通玉米收获机相比，穗茎兼收型玉米收获机结构更为复杂，更易出现下割台切碎堵塞等故障。

5 发展趋势

我国各地种植模式不尽相同，玉米品种多样，秸秆利用方式也各不相同，导致了我国玉米机械化作业的复杂性和多样性。传统的玉米收割方式费时费力，机械化极大地减轻了农民的负担，目前我国还在不断探索穗茎兼收玉米收获领域，尚未研制出比较成熟的机型，为了发挥秸秆的价值，应在收获玉米的同时收获秸秆来实现玉米全株利用。

（1）高可靠性。随着穗茎兼收玉米收获机功能的增加，机器的结构变得更加复杂，机器的可靠性面临着更大的挑战，因此在保证工作性能的前提下提高单一零件和由单一零件组成的系统的可靠性显得尤为重要，保证机具至少在一个作业期不发生故障。

（2）轻量化。随着穗茎兼收玉米收获机功能的增加，机具变得更加笨重，无法在土壤含水率高的环境下作业，因此需要对机器进行轻量化设计，在保证机器作业性能和安全性的前提下优化整机结构及采用新材料降低机具质量，使机具能够在土壤含水率高的情况下进行高效作业。

（3）智能化。随着穗茎兼收玉米收获机功能的增加，操作变得更加复杂，因此需发展智能化，使机器更易操纵，如对机器的自动对行、自动磨刀、动定刀间隙进行自动调节，使收获作业更加可靠便捷，从而节省人力物力。