于興瑞 耿端陽 王傳申 張國棟 趙娜

摘?要：針對我國近年來秸稈焚燒造成的環(huán)境污染以及秸稈資源量豐富但利用率較低的問題，分析其根本原因在于我國秸稈綜合利用機(jī)械化程度較低，以及打捆機(jī)發(fā)展水平相對落后。通過調(diào)查研究國內(nèi)外市場打捆機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，分析其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并將國內(nèi)機(jī)型與國外機(jī)型分析比較，結(jié)合我國出臺(tái)的一系列政策與基本國情得出國內(nèi)打捆機(jī)存在的問題及發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：打捆機(jī);主要結(jié)構(gòu);發(fā)展現(xiàn)狀;分析

中圖分類號(hào)：S233.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.001Open Science Identity（OSID）

0?引言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，地域廣闊，農(nóng)業(yè)活動(dòng)在生產(chǎn)了大量糧食的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的秸稈，因此我國是世界上秸稈資源最豐富的國家之一。我國秸稈種類以水稻、小麥、玉米等為主，其中，稻草占比為25.1%，麥秸占比為18.3%，玉米秸稈占比約為32.5%，棉稈占比為3.1%，油料作物秸稈（主要為油菜和花生）占比為4.4%（如圖1）[1-5]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年全國秸稈理論資源量為8.4億t，可收集資源量約為7億t;2017年全國秸稈理論資源量約為為9億t，可收集資源量約為7.4億t[1-5]。

由此可見，我國秸稈資源較為豐富，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是我國大部分地區(qū)的秸稈綜合利用情況并不樂觀，大部分秸稈資源直接在田里進(jìn)行粉碎還田，制約了秸稈資源潛力的發(fā)揮，造成了資源的浪費(fèi);還有地區(qū)將秸稈進(jìn)行焚燒，造成了嚴(yán)重的空氣污染。實(shí)際上，秸稈是一種重要的可再生生物質(zhì)資源，當(dāng)前我國秸稈綜合利用途徑主要有“肥料化、飼料化、燃料化、基料化和原料化”5大類[1-5]。 2016年以來，原農(nóng)業(yè)部會(huì)同財(cái)政部在12?。▍^(qū)）開展了秸稈綜合利用試點(diǎn)。截至目前，全國共建設(shè)試點(diǎn)縣143個(gè)，各試點(diǎn)縣秸稈綜合利用率均提高5%以上，部分已達(dá)90%以上，秸稈處理技術(shù)模式初步構(gòu)建，區(qū)域秸稈處理能力顯著提升。2017年，全國秸稈綜合利用率超82%，基本形成肥料化利用為主，飼料化、燃料化穩(wěn)步推進(jìn)，基料化、原料化為輔的綜合利用格局。力爭到2020年，全國秸稈綜合利用率達(dá)85%以上，東北地區(qū)秸稈綜合利用率達(dá)80%以上，新增秸稈利用能力2700多萬t。下一步，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部將繼續(xù)堅(jiān)持秸稈肥料化、飼料化和燃料化三大利用方向，不斷提升秸稈利用水平[6]。

進(jìn)行秸稈綜合利用的前提是必須先將這些秸稈資源收集起來，但是另一方面，這些秸稈物料松散，如不進(jìn)行壓實(shí)打捆，那么在收集、貯藏、運(yùn)輸?shù)冗^程中會(huì)面臨巨大困難。所以，根據(jù)我國實(shí)際國情設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、高效實(shí)用的秸稈打捆機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)秸稈資源的高效率貯存、低成本運(yùn)輸，這對我國秸稈綜合利用率的提高，以及推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平有著舉足輕重的作用。

1?國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

秸稈打捆機(jī)是秸稈資源綜合利用過程中必不可少的裝備。秸稈打捆機(jī)的作用是將作物收獲后田間的秸稈進(jìn)行撿拾粉碎，再壓縮成捆，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。按照成捆的形狀分，主要有方捆打捆機(jī)和圓捆打捆機(jī)兩種;其中方捆機(jī)按照成捆的大小又分為大方捆和小方捆。此外，按照牽引方式分，又可分為自走式打捆機(jī)和牽引式打捆機(jī)。

1.1?國外研究現(xiàn)狀

國外對于打捆機(jī)的研究較早，距今已有200多年的歷史。18世紀(jì)時(shí)期，許多國家的交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都以馬為動(dòng)力，這樣在廣大的城市和農(nóng)村都需要大量的干草來飼養(yǎng)馬匹，在運(yùn)輸這些干草時(shí)草要壓緊、捆實(shí)。1870年美國人Dederic發(fā)明了世界上第一臺(tái)固定式方草捆打捆機(jī)，但是直到20世紀(jì)30—40年代才成功研制出第一臺(tái)具有真正意義的田間撿拾打捆機(jī);20世紀(jì)50—70年代，各國開始爭相研制此機(jī)型并逐漸推廣開來，使得國外發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)秸稈再生利用率接近100%。

國外發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的打捆機(jī)種類齊全，功能多樣，能夠滿足多種作業(yè)條件下的多種作業(yè)要求，主要生產(chǎn)廠家有約翰迪爾、凱斯、庫恩、克拉斯等。這些廠家生產(chǎn)的打捆機(jī)多為大中型打捆機(jī)，配套動(dòng)力多在150馬力以上。另外，其自動(dòng)化、智能化、機(jī)電液一體化程度較高，相對國內(nèi)較為先進(jìn)，售價(jià)多在100萬～300萬元之間。

紐荷蘭公司生產(chǎn)打捆機(jī)已有70多年的歷史，在市場中有很高的占有率。其生產(chǎn)的小方捆打捆機(jī)可以根據(jù)作物種類、運(yùn)輸和貯存要求來調(diào)整草捆的密度和長度。打捆機(jī)操作簡單，性能穩(wěn)定，維護(hù)方便，配套動(dòng)力范圍廣。打出的草捆尺寸規(guī)整、密度大、成捆率高，能夠方便撿拾車撿拾，容易堆垛。其生產(chǎn)的大方捆打捆機(jī)需要與大中型拖拉機(jī)配套，采用紐荷蘭專利技術(shù)的預(yù)壓室和重型壓實(shí)器，在打捆前能夠?qū)Σ堇M(jìn)行預(yù)壓，提高了工作效率，提升了打捆效果，草捆密度更大，草捆質(zhì)量最多可達(dá)1 t[7]（如圖2所示）。

庫恩LSB1270型方捆機(jī)是法國庫恩公司生產(chǎn)的一款適用于多種作業(yè)條件的大型智能化方捆打捆機(jī)。其喂入系統(tǒng)采用了整體轉(zhuǎn)子式（如圖3所示）的結(jié)構(gòu)，縮短了撿拾

器和轉(zhuǎn)子之間的距離，確保了在任何條件下，均能夠強(qiáng)制勻速喂入秸稈或牧草，這種設(shè)計(jì)簡化了機(jī)構(gòu)，不僅易于維護(hù)，還能夠顯著降低功率需求;另外該打捆機(jī)還加裝了預(yù)壓室，即先將收集的草料在預(yù)壓室內(nèi)進(jìn)行預(yù)壓縮，當(dāng)預(yù)壓室內(nèi)的楔形塊上的壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)，便能夠觸發(fā)單撥草叉增大動(dòng)作行程，從而將預(yù)壓成型的草片喂入打捆室，然后在打捆活塞的作用下，便可形成一個(gè)緊密平整的草捆。其配備有先進(jìn)的密度加強(qiáng)系統(tǒng)（如圖4所示），可根據(jù)不斷變化的草條狀況而持續(xù)作出相應(yīng)的變化調(diào)整，確保打捆均勻、密度較高。

約翰迪爾F441R圓捆機(jī)是約翰迪爾公司生產(chǎn)的一款適用于多種作物秸稈撿拾打捆的圓捆打捆機(jī)（如圖5所示）。這款打捆機(jī)的撿拾器安裝了5排撿拾彈齒，提高了其撿拾作業(yè)效率。采用了推進(jìn)攪龍和喂入輥同軸的設(shè)計(jì)，縮短了撿拾器與喂入輥之間的距離，其喂入輥的材料采用了不銹鋼刮輥，減少了作業(yè)過程中粘草問題的發(fā)生，提高了作物喂入順暢度，同時(shí)降低了故障率，并大大降低了堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。該機(jī)型還采用了液壓快速排堵技術(shù)（如圖6所示），當(dāng)發(fā)生堵塞時(shí)可通過駕駛室內(nèi)的控制面板，控制液壓系統(tǒng)增大喂入輥之間的間隙進(jìn)行排堵作業(yè)，減小駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。另外，與該打捆機(jī)配套的拖拉機(jī)內(nèi)還配備有打捆控制及監(jiān)視系統(tǒng)，可以直接控制牧草撿拾、打捆、成型、草捆直徑調(diào)節(jié)、草捆拋出等操作。

1.2?國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國打捆機(jī)的研究起步相對較晚，20世紀(jì)50年代末才開始研究固定式打捆機(jī);于20世紀(jì)60年代初期從國外引進(jìn)小方捆撿拾壓捆機(jī);20世紀(jì)70年代中期，國內(nèi)部分企業(yè)相繼開始仿制國外方捆機(jī)并開始了批量生產(chǎn)[8、9、10]。我國的打捆機(jī)研究歷程進(jìn)展較慢，主要還是從測繪、仿制國外成熟機(jī)型入手。但是由于我國的制造工藝相對落后，基礎(chǔ)理論的缺乏，所以研制的主要機(jī)型為牽引式小方捆打捆機(jī)。小型牽引式打捆機(jī)按照牽引方式又可分為正牽引式和側(cè)牽引式。其中正牽引式小方捆打捆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7所示，打捆機(jī)動(dòng)力連接桿設(shè)置在打捆機(jī)中間。側(cè)牽引式小方捆打捆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖8所示，打捆機(jī)動(dòng)力連接桿在打捆機(jī)側(cè)面[8]。

我國最初的打捆機(jī)比較經(jīng)典的機(jī)型如中國農(nóng)機(jī)院研制的 9YFQ 系列小方捆打捆機(jī)，其它的一些比較知名的，如農(nóng)裝公司的 1600 系列小方捆打捆機(jī)等[11、12]，但是結(jié)構(gòu)比較類似，如圖9所示。

當(dāng)前在我國各企業(yè)對于國外先進(jìn)打捆技術(shù)的消化和吸收過程中，結(jié)合了國內(nèi)市場經(jīng)驗(yàn)以及種植戶使用情況反饋，逐漸開發(fā)出了適宜我國國情的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)配套打捆機(jī)械，目前形成了以福田雷沃、東方紅、華德農(nóng)機(jī)等為代表的打捆機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)。

中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院生產(chǎn)的華德9YFSZ-2.2型直連方草捆撿拾壓捆機(jī)（如圖10所示）既適合天然種植草場的牧草收獲作業(yè)，也可適用于長秸稈作物直接或切碎后進(jìn)行打捆作業(yè)，具有工作穩(wěn)定可靠、撿拾速度快、喂入量大、維修簡單、草捆密度高以及儲(chǔ)運(yùn)成本低等特點(diǎn)，該撿拾壓捆機(jī)采用3個(gè)原裝進(jìn)口重型打結(jié)器，打出的草捆密度高、草捆規(guī)則、成捆率較高。

上海世達(dá)爾公司生產(chǎn)的9YFQ-2.2ZS方草捆打捆機(jī)（如圖11所示）主要適用于收獲玉米秸稈等高大粗壯型秸稈，既可適用于田間站立秸稈的直接收獲打捆，也能應(yīng)用于撿拾鋪放于田間的秸稈，同時(shí)具有秸稈的切碎、揉搓、喂入、打捆等功能。該機(jī)型還裝配有雙軸甩刀撿拾破碎機(jī)構(gòu)，可以對秸稈經(jīng)過二次破碎，從而使秸稈更細(xì)化。另外，其還采用了彈簧裝置將牽引臂和撿拾破碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)接，達(dá)到了地面仿形的效果。

福田雷沃公司生產(chǎn)的MF3040型秸稈打捆機(jī)[13]，整機(jī)設(shè)計(jì)為中置牽引的方式，并且采用了縱軸線對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖12所示），使得行駛性能更加穩(wěn)定，同時(shí)減小了轉(zhuǎn)彎半徑，更適合我國的小地塊和不規(guī)則地塊作業(yè)。打結(jié)器采用了德國進(jìn)口D型打結(jié)器，保證了捆繩打結(jié)的高效率和高質(zhì)量。其通過系統(tǒng)優(yōu)化彈齒強(qiáng)度和線速度，使作物喂入更流暢、降低了堵塞率的同時(shí)也降低了漏檢率。

雖然我國生產(chǎn)的小型打捆機(jī)與國外產(chǎn)品在功能和外形上很接近，但是由于國產(chǎn)打捆機(jī)技術(shù)不成熟，設(shè)計(jì)理論不完善，長期處于模仿國外打捆機(jī)階段，因此國產(chǎn)打捆機(jī)在打捆成功率、秸稈壓縮密度和打結(jié)成功率上，都和國外產(chǎn)品有著不小差距，另外一些關(guān)鍵技術(shù)，例如打結(jié)器，還依賴于進(jìn)口。使得我國打捆機(jī)的最終成捆率、草捆產(chǎn)品密度都比國外先進(jìn)產(chǎn)品低，這直接造成了秸稈、草物料壓縮成捆時(shí)密度不能精確的調(diào)節(jié)控制，草捆與草捆之間的密度、尺寸等差異較大、散捆率較高[1、4]。

2?發(fā)展趨勢

2.1?國外發(fā)展趨勢

國外的打捆機(jī)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)方面都較為完善，技術(shù)已經(jīng)成熟，會(huì)向著大型化、智能化、機(jī)電液一體化等多方面發(fā)展，依靠其先進(jìn)的制造業(yè)水平，生產(chǎn)性能更加優(yōu)越的產(chǎn)品。另外，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”以及無人駕駛技術(shù)的興起，這些先進(jìn)技術(shù)也會(huì)逐漸應(yīng)用到打捆機(jī)械中來。

2.2?國內(nèi)發(fā)展趨勢

近年來，由于國家“糧改飼”、二元經(jīng)濟(jì)向三元經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，加上養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展導(dǎo)致的草料短缺等因素的影響，以及秸稈焚燒帶來的大氣污染和資源的浪費(fèi)等，政府開始扶持對打捆機(jī)械的研發(fā)，將打捆機(jī)列入農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼項(xiàng)目，國內(nèi)一些科研院所和企業(yè)開始加大了對打捆機(jī)械的研發(fā)力度，給打捆機(jī)的發(fā)展帶來了一定的契機(jī)。

（1）隨著國家不斷推行土地集約化經(jīng)營，秸稈資源潛在利用價(jià)值的開發(fā)，以及我國制造業(yè)水平的不斷提升，打捆機(jī)械會(huì)向著大型化和高效化的方向發(fā)展。

（2）隨著我國科技發(fā)展，制造業(yè)智能化水平的不斷提高，為減輕操作人員的負(fù)擔(dān)，簡化操作以及復(fù)雜系統(tǒng)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測的需要，對于機(jī)器的智能化水平的要求越來越高，因此，我國的打捆機(jī)械會(huì)向著不斷提升其智能化水平的方向發(fā)展。

（3）另外，我國的丘陵山地地區(qū)較多，不利于大型的機(jī)械化作業(yè)，因此，小型打捆機(jī)還會(huì)長期存在于市場。這就要求小型打捆機(jī)向著提高其自身工作效率以及可靠性等方向發(fā)展。

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