国内外草捆捡拾机械发展现状及展望

张琦峰，李青江，刘学峰，钟 波，闵令强*，张成保

（1.山东农业机械科学研究院，山东济南 250100；2.山东双佳农装科技有限公司，山东济南 250100）

近年来，畜牧业已成为我国农牧业的主要产业之一，而牧草业作为生态畜牧业的基础，也越来越受到人们的重视。2018年中央一号文件提出“扩大退耕还林还草、退牧还草”的重要指示，全国各地草牧业呈现良好发展势头[1]。而与此同时，我国牧草生产情况却处于落后局面。据统计，牧民每年收获牧草约700万t，不足可收贮牧草的1/10[2]。与一些发达国家相比，我国牧草收获加工机械化的发展水平较低，牧民不能储蓄充足的牧草供牲畜过冬，畜牧业抵御自然灾害的能力十分脆弱。

牧草收获机械化不仅可以提高牧草的生产力，而且可以改善耕作土地的土壤特性，促进牧草业可持续化发展。目前国内牧草收获的作业流程一般为割草—搂草—打捆压捆—捡拾装运—贮存等[3]，我国牧草机械基本可完成割草、搂草、压捆等环节，但对于草捆捡拾装运环节的机械化研究却非常少。在很多地区，草捆、秸捆的捡拾装运仍然依靠人工或者通过改装叉车、装载机来完成[4]，耗费大量的人力物力，工作效率低、经济性差，草捆捡拾装运成为制约我国牧草机械化收获的重要环节。

1 国外草捆捡拾机械的发展现状

发达国家牧草收获机械的研制于20世纪60年代到达高峰期[5]，由最初的单一产品逐步发展到多品种、多系列，能够满足不同用户的需求。以美国、德国为代表的欧美发达国家，其产品基本覆盖了牧草从种植到收获的各个环节，自动化程度高、功能完善，能够适应各种条件下的牧草收获作业，处于行业的领先地位。以美国纽荷兰公司为例，其牧草机械品种多达12个，仅草捆捡拾车就有20余种机型[6]。国外草捆捡拾机械大致有以下几种。

1.1 分段捡拾机械 分段捡拾是国外早期的主要捡拾方式，部分小型农场至今仍在使用，其特点是将捡拾、集垛、装卸、运输等几个阶段分开，由不同的机具完成。如美国Allied2250型集捆机和5510型抓捆机，草捆打捆完成后，由于惯性被排放在打捆机后面挂接的集捆机内，该装置一般可收集8～10捆，适用于2道绳及3道绳草捆。收集完成后由抓捆机将这些草捆作为1个单位一并抓起并放置在临时集捆处，如此反复，后一单位的草捆码放在前一单位上，一般码放8～10个单位。待码垛完成后，再利用草捆运输车上的抓具将整垛抓起装车，最后运输至草捆仓内卸车。分段捡拾方式涉及的机具较多且机具结构比较简单，捡拾码垛流程过渡环节较多，作业中常常需要几位操作人员共同完成。

1.2 草捆装车机 草捆装车机是在打捆机草捆出口处挂接装车装置，打捆机产出的草捆被装车机直接抛送至运输车内。代表机型如德国Stolpen公司生产的K454型打捆装车一体机、德国Fortchritt公司的K8系列装车机等，草捆自打捆机加工成形后直接喂入装车机，通过装车机的斜槽结构完成装车，但该类设备不能对草捆进行码垛，草捆落入运输车内后呈无序状排列，需要在运输车内安排工人完成码垛。这种方式提高了草捆装运的效率，作业机具结构简单，减少了作业人员数量，但是人工劳动强度大，同时对于草捆卸车问题并没有解决，仍然需要靠机械抓具或人工进行逐个卸车，难以满足大中型草牧场规模化生产，适用于作业强度不大的小型草场。装车机是分段捡拾设备设计思路的延续，具有草捆分段捡拾方式的特点。

1.3 再次打捆机械 再次打捆是指将已经加工完成的多个小型草捆集中起来，通过更大型的打捆机二次打捆，使这些小草捆固扎成为一个大型草捆，对大型草捆进行整体装卸和运输。再次打捆机械按照喂入方式区分有2种：一种是将小型打捆机加工产出的小草捆直接喂入大型打捆机；另一种则是先对散布在地面上的小草捆进行捡拾，然后喂入。捡拾喂入型如美国Freeman7000，该设备通过拖拉机牵引，一次集捆数量24～36捆，可短途运输，运输行车速度一般不大于20 km/h。再次打捆同样是对分段捡拾方式的改进，其省略了分段捡拾中繁复的抓取集垛环节，大幅降低了人工劳动强度，减少了作业人员数量，提高了生产效率，同时实现了短途运输，这些改进在一定程度上满足了大中型草场的作业需求，但该方式集垛、装卸、运输设备仍然是分离的，各个操作环节的衔接过程中难免出现时间、资源浪费的情况。

1.4 一体化机械 一体化机械能够一次性完成草捆捡拾、集垛、装卸、运输等全部作业流程。该类型设备多采用牵引式结构，设备本身一般不设置动力源，动力由拖拉机后输出PTO引出，驱动自身液压系统工作。设备液压系统有多个油缸和液压马达组成[7]，结合相应接近开关传达的信号，由PLC控制。该类型产品自动化程度高，仅驾驶员一人即可完成全部草捆捡拾装运流程，省去了繁复的过渡环节，捡拾成功率高速度快，工作效率大幅提升，综合成本较低，整体经济性较好，同时便于短途运输，能够满足大中型草牧场规模化生产的需求。

按照捡拾草捆形状的不同，可以将一体化设备分为方草捆捡拾车和圆草捆捡拾车2类。

1）方草捆拾捆车。代表机型如美国New Holland 1037型拾捆车、西班牙Arcusin FSX 63-72草捆捡拾码垛机等，作业过程中，由捡拾器将草捆提升，输送到码垛平台，码垛平台中间为链耙结构或拨捆叶轮结构，能够带动草捆按顺序集垛。每完成一层集垛，码垛平台翻转将草捆放置于集捆平台，如此反复直至完成码垛。运至指定堆放地点后，集捆平台翻转，配合推出卸车装置将草捆垛整体卸下。

根据捡拾草捆的质量及外形尺寸大小，可将方草捆捡拾车分为小方捆捡拾车和大方捆捡拾车，二者的工作原理类似，主要区别在于挂接的捡拾器不同。小方捆捡拾车多挂接垂直式捡拾器，捡拾耙链在竖直平面内旋转将草捆垂直提升，该机械结构简单，工作稳定，效率高，但由于捡拾力完全由草耙提供，草捆与草耙接触部位受力较大，所以捡拾大草捆时容易掉捆，巨兴等[8]对小方形草捆捡拾车的结构和工作原理做了介绍。大方捆捡拾车则需要挂接倾斜式捡拾器，捡拾耙链的旋转方向与地面呈一定夹角，约为30º，草捆倾斜提升，捡拾器框架可以负担大部分草捆质量，从而减少了与草耙接触部位草捆受力，该机构能够捡拾质量较大的大草捆，但结构较为复杂，功耗略高。

2）圆草捆拾捆车。现在主流的产品能够一次性完成捡拾、装卸、运输，但不具备码垛功能。该类型设备一般都是采用铲抱原理对草捆进行捡拾。工作时，捡拾铲接触圆草捆外表面，调整草捆方向并导入两铲之间，检测草捆到位后，捡拾臂提升捡拾铲进行90º翻转，将草捆置于车身集捆槽内，集捆槽中间有输送链耙，输送链耙将草捆沿集捆槽向车身后部移动一定距离，以便放置第2个草捆，如此反复，直至装满草捆，运至指定地点后，车身在油缸的推动下前端抬起形成一个坡面，同时车辆缓慢前行，在输送链耙的配合下，将草捆卸车。

圆草捆捡拾车的主要机构经历了几次改良，比较典型的如美国AG/PRO公司生产的900&1400 Hay Hiker型拾捆车在捡拾铲靠近车身一侧增加了托架，增大了捡拾宽度，改善了装车过程中草捆掉落的情况；加拿大Bridgeview机械制造公司生产的BM800型拾捆车将捡拾铲设计为倾斜结构，与地面倾角约为30º～35º[9]，提高了捡拾和装车成功率；加拿大Les Machineries Pronovost公司研制生产的P681型拾捆车，将车身加宽并设置了2排集捆槽，大幅度提高了单次草捆捡拾数量。

2 国外草捆捡拾设备的发展特点

第一，向高适应性、高通用性发展。客户的草场规模和地理状况往往存在较大差别，在实际草场环境中，草捆静置形式各异，对拾捆车的捡拾系统要求较高。目前国外产品对圆草捆捡拾铲设计时往往采用三面楔形，以便更好地适应作业环境，方便导入各个角度放置的草捆。对于大型草场，草捆散布范围广，地形变化大，在拾捆车行走系统设计时，应充分考虑提高设备通过性，国外拾捆车的行走系统都有较好的防滑防陷能力，且一般都有完整的减震系统。另外，不同打捆机打压草捆的形状和密度差别很大，国外方草捆捡拾车的捡拾器现在一般都设置有弹性挤压机构，一定程度上缓解了草捆过于松散不能捡拾的问题，且常常将喂入口设计为宽度可调节式，使尺寸大小不同的草捆可以顺利喂入捡拾。

第二，向自动化、一体化发展。自动化技术的应用使草捆捡拾车向着高效、高成功率、高经济性方向发展，而一体化机械的作业模式是牧草行业向产业化、规模化发展的基础。国外草捆捡拾机械经历了由早期的分段捡拾机具逐渐向捡拾装运一体化机械发展的过程。高度自动化的一体化拾捆车完全采用PLC控制，通过控制液压系统中的各个液压组件完成相应作业动作，设备内部设有多个检测装置，接近开关综合运用机械式和光电式，草捆捡拾马达的开启、草捆输送机构的运行停顿、码垛平台的翻转等操作完全实现自动化，仅需驾驶员一人便可在不停车的情况下完成全部的捡拾装运作业，工作效率大幅提高，减少了劳动强度，降低了劳动力成本，提高了经济效益。

第三，捡拾器的研究更加深入。捡拾器作为草捆捡拾装运设备的核心系统，关系到能不能“捡起来”，是整机设计研发最优先考虑的。经过发展，目前国外捡拾器的工作原理基本有2类：一类是针对干草方捆的链耙式捡拾器，捡拾器具需要刺入草捆中进行捡拾，这类捡拾器捡拾成功率高，捡拾速度快，工作稳定可靠；另一类是适合于圆草捆和青贮草捆的铲抱式捡拾器，特点是捡拾力仅作用在草捆外表面不破坏草捆，该类捡拾器结构简单，可以最大程度上保护草捆的包裹膜不受损伤。国外在捡拾器的设计上投入了较多精力，圆捆捡拾铲由最初简单的平行两杆构造，分别增加了与地面的倾角和铲前端导入角，又增加了托架结构，在不断的完善过程中大幅提高了捡拾和装车成功率。方捆捡拾器的构造也经过多次改进，由单一类型发展成适合捡拾大草捆、小草捆、青贮方草捆等多个品种。

第四，先进设计制造技术广泛应用。随着数字设计制造技术的日渐成熟，自上而下的三维设计方法、运动模拟技术、仿真应力分析技术等被广泛应用于草捆拾捆车的设计制造中。利用SolidWorks、ADAMS、ANSYS等设计模拟仿真软件对拾捆车的主要机构进行数字建模[10-11]，对码垛平台、集捆平台的翻转动作在制造前进行作业效果的模拟，对捡拾铲等主要受力部件进行应力应变分析，利用MATLAB等数值计算工具，在捡拾臂铰接位置等多参数设计中对机构进行优化设计。先进设计制造技术的应用缩短了产品的研发周期[13]，提高了核心部件的可靠性。利用数字样机的便捷性减少了制造、实验过程中可能出现的麻烦，提高了产品整体的稳定性，而稳定性是衡量产品质量的重要指标。

3 国内草捆捡拾机械的发展现状

与发达国家相比，我国牧草机械起步较晚，技术相对不成熟，打捆机械打压的草捆尺寸大小不一，质量参差不齐，受此制约[13-14]，作为下游环节的草捆捡拾机械研发薄弱，品种单一，产品作业质量不稳定，市场份额大部分被国外产品占据。此外，国外产品高昂的价格使许多农牧民想用但用不起，草捆捡拾设备推广困难，在很多地区草捆的捡拾仍然是靠大量人工来完成，劳动强度大、效率低、人力成本高。目前我国的草捆捡拾设备主要有以下几种。

3.1 抱草夹 抱草夹或者草叉等机具一般与拖拉机或者工程机配套使用，在我国较为常见，是我国小规模草场使用的主要草捆捡拾机具。该类型产品结构简单，结合快速挂接装置，拆装灵活，有较高的机具利用率，适应多种环节作业和草捆形状，通用性较好，但每次只能捡拾1个草捆，且捡拾过程中需要不停往返于草捆散布地点和运输车之间，或者一人捡拾一人驾车跟随，卸车时也只能单次单个卸车，效率较低，作业成本较高。

3.2 捡拾装车机 目前我国捡拾装车机一般只能用于捡拾方形小草捆，代表机型如中国农业机械化科学研究院研制的9JK系列、航天蓝速草捆捡拾装车机等，设备多挂接于运输车一侧，或通过拖拉机牵引与运输车并行，二者工作原理相同，都是通过链耙结构对草捆进行捡拾和提升，将草捆输送并抛至运输车内完成装车。但装车机仅仅完成了草捆捡拾输送工作，不能实现码垛、卸车等作业，仍然需要在运输车内安排工人，进行人工码垛、卸车，适合小型草场使用。装车机类产品在一定程度上减轻了工人的劳动强度，但较一体化设备作业效率低，人力成本高。

3.3 一体化机械 近几年我国也开始研制草捆捡拾一体化设备，但研发程度远远不够，产品构造与工作原理基本停留在对国外产品的模仿阶段，虽然部分产品能够实现相关作业功能，但设备运行不稳定，故障率高，虽然售价较低，但在推广方面还是无法与国外产品抗衡。

概括起来我国草捆捡拾机械研发及推广的难点如下：

1）核心机构及关键零部件的运动受力情况研究不足。草捆捡拾机械的作业运动常通过油缸与零部件组成的连杆机构完成，且往往载重较大，对其进行运动受力分析非常必要。如调研中经常看到捡拾铲弯曲变形甚至断裂的，这多是由于设计中未进行受力分析所致；码垛、集捆平台的翻转变幅系统常出现存在死点、翻转油缸负载过大等问题，这就要求设计者对变幅连杆机构进行机械原理分析并得出其与油缸负载之间的函数关系从而进行优化。

2）控制及液压系统需要完善。控制及液压系统的不断完善，能够大幅提高设备自动化程度，降低能耗，提高产品稳定性。一体化设备中，控制系统一般需要采集捡拾器、码垛平台、集捆平台、卸车输送链等处的信息，编程时应充分考虑优化启停运行时间；合理的液压系统设计不仅能提高液压元件自身的寿命，同时还能够改善承载部位的机械结构受力，提高车架整体强度。

3）牧民对设备的适用性存在疑虑。草捆捡拾设备在我国普及程度很低，推广中发现牧民最关心的问题之一是设备是否适合在当地使用。我国各类草地面积约4亿hm2，草场地貌复杂，牧草种类多样，草捆外形及紧实程度差异较大，设备的使用情况只有被切实看到才能解除当地农牧民的疑虑，这是促成其购买的先决条件。

4）购买力及推广动力不足。目前，国外一体化设备售价在14万元左右，国内产品约5万～8万元，对于一般牧民来说，价格都比较高，因此很多咨询者对设备表现出浓厚兴趣却难以一次性投入这么多资金；较高的售价以及技术的不成熟也使得推广工作较难开展。

4 我国草捆捡拾机械发展展望

近年来，国家对畜牧业、牧草业的发展高度重视，退耕还草等一系列政策的实施也推动了牧草机械的快速发展。随着土地流转政策的不断完善，产业化大型草场日渐增多，牧草机械市场格外繁荣，更多的企业看到了牧草机械的经济效益，纷纷投入其中。

草捆捡拾设备发展潜力巨大，除了需要借鉴国外先进的发展经验外，还应充分利用我国社会制度的优越性，有的放矢少走弯路，探索全面可持续发展道路，建议从以下几方面入手：

第一，充分利用国家农机具购置补贴惠农政策，减少一次性投入，替农牧民算好经济账。我国草捆捡拾设备的研发处在初级阶段，尤其是一体化设备的研制还没有形成规模化、产业化，导致设备价格偏高，农牧民往往因为一次性投入较大而选择继续使用落后的捡拾装运方式。针对这一问题，农牧民或农业生产经营组织可以通过当地农机局申请差价款购机，申请通过后可直接在经销商处享受惠农补贴后的价格[15-16]；还可以通过贷款购买，以贴息的方式减少一次性购机的费用。

第二，做好草捆捡拾设备的示范推广工作。草捆捡拾设备只有被证明适合当地的种植制度和地形条件，才能以点带面全面推开[17]。我国牧草收获情况复杂，草场地形地貌多变，草捆大小及打捆质量更是参差不齐，推广人员应充分考虑当地牧草收获制度，全面深入了解草捆捡拾设备信息，在多种设备中挑选适合本地使用且作业效果好的机型进行示范推广。

第三，多组织联合，形成聚合力量发展。一方面，我国政府应不断加大对现代化草捆捡拾设备的研发扶持力度，通过政策和资金支持鼓励设备的研制；另一方面，草捆捡拾设备研发起步较晚，技术空白点较多，急需各级农机类研究院所利用自身的技术专长和人才优势承担科研项目；草捆捡拾设备市场潜力巨大，企业也需积极组织相关生产经营。

第四，标准化配套发展。草捆捡拾环节处于打捆、压捆环节的下游，而目前我国常见的打捆机捆扎尺寸大小不一，虽然可以通过调整捡拾器喂入口宽度、高度等方式来解决，但调整时需要停车操作，造成工作效率下降；另外，草捆捆扎过于松散，打结技术不过关等问题，常常造成捡拾失败。通过智能调节等方式解决在现阶段成本过高，因此需要在生产工艺上进行改良，通过上下游环节的标准化，形成体系化配套发展。

第五，青贮草捆捡拾设备的研发。国外青贮工艺使用较少，针对青贮草捆捡拾设备的研发也相对较少。但近年来，青贮饲料因其较好的适口性和更丰富的营养逐渐被我国广大牧民接受，与青贮生产相配套的机械设备也受到了普遍关注。为了包膜的需要，青贮草捆一般都采用可回转的圆柱体，而较少使用方形草捆，包裹膜的完整度影响青贮质量。针对膜固这一特点，青贮草捆捡拾设备在研制上需要尽量降低包裹膜的损坏，捡拾器不宜选用刺入式，而适合选用铲抱式，同时捡拾铲在加工时应尽量去除毛刺锐边；输送机构也应避免使用链耙结构，而选用液压推送或者皮带、胶辊传送。

总之，随着我国农业产业结构改革和农村经济迅猛发展，牧草收获机械迎来了前所未有的发展机遇。草捆捡拾设备作为牧草机械化收获的重要组成部分，也将面临着全面的技术革新和重要的技术突破。未来几年，我国草捆捡拾设备研发推广队伍必然将趋于专业化、服务化，为推动我国牧草收获机械化进程、促进畜牧业科学发展做出贡献。