玉米收獲機研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

孫明慧

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

0 引言

玉米作為我國主要的糧食作物，近年來實現(xiàn)了持續(xù)的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，根據(jù)國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年我國玉米種植面積達到43 324.1 khm2，總產(chǎn)量達到27 250 萬t，是我國產(chǎn)量最高的糧食作物，同時玉米的單位面積產(chǎn)量達到6 291.0 kg·hm-2，農(nóng)藝技術(shù)的持續(xù)改進和玉米全程機械化顯著提升了玉米的產(chǎn)出。收獲是玉米生產(chǎn)中勞動強度較大的工作，其具有作業(yè)時間集中、作業(yè)任務(wù)重的特點，急需通過機械化技術(shù)提高生產(chǎn)效率、改善勞動過程。隨著農(nóng)業(yè)機械化成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主流，玉米收獲機的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)量都得到了快速提升，很多先進機型逐漸得到應(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

我國針對農(nóng)業(yè)機械化的大部分研究起步時間落后于西方發(fā)達國家，對于玉米收獲機而言，其研發(fā)起始于20世紀60年代，而我國自行研制和生產(chǎn)的第一臺玉米收獲機誕生于20世紀70年代中期，由中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院與趙光機械廠共同研制，該機型為牽引式臥輥雙行玉米摘穗機，只能用于替代人工摘穗。受到我國生產(chǎn)條件的限制，玉米收獲機的產(chǎn)品研究和發(fā)展始終相對緩慢，直到20世紀90年代，玉米收獲機的研制才逐漸成為農(nóng)業(yè)機械化的重點，而當時的玉米收獲機械化水平僅達到2%。在我國機械行業(yè)發(fā)展的帶動下，玉米收獲機的研制和技術(shù)突破不斷取得新成績，2009年我國玉米收獲機應(yīng)用量達到8.8萬臺，玉米機械化收獲水平為15%，僅2年后，到2011年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中玉米收獲機的保有量達到了18.9萬臺，玉米機械化收獲水平達到33%，增長迅速。在2011—2020年的10年間，我國的玉米收獲機械化技術(shù)、普及程度都得到了快速發(fā)展，到2020年我國玉米聯(lián)合收獲機數(shù)量達58.85萬臺，可見我國玉米收獲機在農(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，隨著我國玉米收獲機自主研發(fā)和生產(chǎn)能力的逐步提升，國產(chǎn)機型的受認可程度不斷提升，圖1為2020年我國農(nóng)機市場玉米收獲機生產(chǎn)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)注熱度排行，可見我國農(nóng)民對于自主生產(chǎn)的玉米收獲機已經(jīng)形成足夠信心，自主生產(chǎn)的收獲機產(chǎn)品逐漸成為農(nóng)民的首選，這對于玉米收獲機產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級與產(chǎn)品質(zhì)量提升意義重大[2]。

圖1 我國農(nóng)機市場玉米收獲機品牌網(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，玉米收獲機的整體動力配套較低，導(dǎo)致實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)對于大功率、自動化程度高、寬幅玉米收獲機的需求量明顯提升，而中大型機型的實際銷量與需求量始終不成正比。

1.2.2 機具適用性不足

我國的農(nóng)機企業(yè)分布范圍廣，不同地區(qū)的農(nóng)機企業(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，玉米收獲機在生產(chǎn)中應(yīng)用常出現(xiàn)不適用問題，影響玉米收獲機的性能發(fā)揮。

1.2.3 機械質(zhì)量不盡人意

從玉米收獲機的設(shè)計研發(fā)經(jīng)驗來看，首先由于產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用時間較短，大部分玉米收獲機的產(chǎn)品優(yōu)化周期還不能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)匹配的合理化，實際應(yīng)用過程中的大部分收獲機產(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)機型與進口機型相比，在外觀精細度、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

我國的玉米收獲機研發(fā)最初以引進國外成熟技術(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型，盡管近年來，很多企業(yè)為提高產(chǎn)品適用性，進行了本土化的改進，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

隨著玉米收獲機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用熱度上升，針對玉米收獲機的科研與成果轉(zhuǎn)化工作也大量開展，為我國玉米收獲機技術(shù)的提升創(chuàng)造了有利條件。陳曉楠[3]等針對玉米收獲機車架載荷特性和疲勞壽命展開研究，通過實測載荷分析和有限元仿真結(jié)合的方法，對玉米收獲機使用過程的載荷譜特性和車架的靜、動力學(xué)特性展開研究，得出了危險部位節(jié)點應(yīng)力響應(yīng)功率譜密度影響規(guī)律，該研究對玉米收獲機車架的結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化提供理論依據(jù)?；艉轾i[4]等針對玉米收獲機收獲過程中的苞葉剝離機理展開研究，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，并對剝皮機的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，利用ANSYS軟件對設(shè)定不同偏置角度的剝離輥設(shè)計了一種適用于上拉莖玉米摘穗方式的撥禾喂入機構(gòu)進行運動力學(xué)仿真驗證。徐文騰[5]等進行了撥禾及摘穗試驗臺設(shè)計與試驗研究，測試了撥禾機構(gòu)的撥禾喂入能力，分析了莖稈拉斷、果穗碰撞損傷，以及撥禾喂入機構(gòu)卡頓等問題產(chǎn)生的原因，對于收獲過程中的玉米果穗保護及降低籽粒損失具有積極作用。

2 玉米收獲機機型種類與典型機型

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

2.1 自走式玉米收獲機(果穗型)

自走式玉米收獲機(果穗型)是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛的機型，目前的產(chǎn)品種類按照型號分超過400種，其主要針對玉米果穗進行收獲，主流功能包括摘穗、剝皮、果穗收集、秸稈粉碎，機械結(jié)構(gòu)包括分禾器、割臺、摘穗結(jié)構(gòu)、升運器、剝皮機、風篩、集糧箱、秸稈粉碎裝置等，根據(jù)幅寬和動力差異，可分為小型、中型、大型三類機型。其中中小型玉米收獲機以國產(chǎn)品牌為主，例如山東巨明358C三行玉米收獲機，雷沃CD3系列玉米收獲機，均具有較高的自動化水平和市場認可度。而大型玉米收獲機產(chǎn)品國產(chǎn)機型與進口機型均占有一定的市場份額，常用機型例如牧神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

2.2 穗莖兼收玉米收獲機

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

2.3 自走式玉米籽粒聯(lián)合收獲機

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

2.4 鮮食玉米收獲機

近年來，隨著人們生活理念的改善，鮮食玉米的營養(yǎng)和健康價值得到了人們的認可，鮮食玉米的種植面積明顯擴大，鮮食玉米的栽培具有低成本高收益的特點，且市場前景良好。與之相應(yīng)的鮮食玉米收獲機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大多改制于傳統(tǒng)的自走式玉米收獲機，其技術(shù)還需要進一步優(yōu)化。

2.5 履帶式玉米收獲機

履帶式玉米收獲機(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)機械化水平，降低勞動生產(chǎn)的強度。

圖4 履帶式玉米收獲機

3 發(fā)展趨勢

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，這提升了大型玉米收獲機的市場需求量。大型玉米收獲機應(yīng)在增加幅寬與動力的同時，將配套的功能進一步優(yōu)化。

3.2 向智能化發(fā)展

農(nóng)業(yè)機械自動化的發(fā)展目標就是智能化，玉米收獲機不僅具備成熟的機械結(jié)構(gòu)，還應(yīng)主動向自動駕駛、自動收獲、故障自檢、遠程控制等方向轉(zhuǎn)變，進一步降低人力需求，實現(xiàn)全面的智能化作業(yè)。

3.3 向適用性發(fā)展

玉米收獲機的適應(yīng)能力還需進一步加強，設(shè)計過程充分考慮不同地區(qū)的玉米生產(chǎn)特點，為玉米收獲機設(shè)計自動適應(yīng)或多項調(diào)整等功能，幫助收獲機提高適用性。

3.4 向模塊化發(fā)展

柔性化與模塊化已經(jīng)逐漸成為機械行業(yè)發(fā)展的主流，玉米收獲機也應(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)民購機的選擇性增加，可以通過選擇不同的割臺、動力系統(tǒng)、秸稈處理系統(tǒng)等實現(xiàn)功能定制，有利于收獲機功能與地區(qū)生產(chǎn)的最佳匹配。