茎穗兼收型玉米机收获机械发展现状与展望

崔佳鹏

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 绥化分院，黑龙江 绥化 152054)

0 引言

玉米作为世界主要粮食农作物之一，随着近年来其市场价格的稳步攀升，广大农户种植玉米的自发性被逐渐激发。目前,玉米联合收获机多以剥皮摘穗的收获模式为主,而玉米秸秆则多以粉碎还田的形式进行处置，但由于秸秆还田农艺技术要求较为复杂，仅凭收获机上配置的秸秆粉碎还田装置往往无法实现对秸秆的有效处理，易出现粉碎效率低和效果差等问题，为后继耕整地以及播种作业带来极大困难,造成整地难、回收难、禁烧难。随着玉米种植面积的逐年增加，玉米秸秆的总量也在不断增加，面对如此巨大的秸秆总量，如何通过行之有效的手段对其进行收集和利用成为了人们关注的焦点。

1 国内外玉米收获机的研究动态和趋势

1.1 国外玉米收获机研究趋势

根据各国地域特点和气候条件，收获玉米的方式有以下两种：一是籽粒收获模式；二是果穗收获模式。目前，美国、德国等国家，在玉米的收获过程中已经完全取缔了非机械收获，因多数欧美国家种植方式为一年一季，进行玉米收获作业时，玉米籽粒水分含量较低，可采用大型轴流滚筒式玉米联合收获机以直接脱粒的方式进行收获[1]。如美国的John Deere公司、Case公司和德国的DEUTZ等农机公司生产的玉米收获机基本都是在小麦收获机上安装玉米割台，通过调节机构调节脱粒滚筒转速和间隙来完成玉米收获，并在收获玉米籽粒的同时对玉米秸秆进行粉碎和抛撒[2]。代表机型有John Deere公司生产的9670STS型联合收割机配608C玉米割台如图1所示。在俄罗斯和乌克兰等地区，玉米收获时期籽粒含水率高导致无法直接收获籽粒，因此多采用玉米果穗收获模式。而这类收获设备虽然在收获方式上与籽粒收获略有不同，但多数机型也具备同时完成籽粒收获和秸秆集中处理的能力[3]。代表机型乌克兰赫尔松联合收割机厂KCKY-6系列玉米收获机如图2所示。

图1 John Deere公司9670STS型联合收割机

图2 赫尔松联合收割机KCKY-6系列

总结来看，许多国家依据其特有的种植模式对茎穗兼收型玉米收获机进行了不同程度的研究与探索。其中以美国为代表的发达国家，玉米收获作业技术已经相对成熟，并通过提高设备制造精度、加工工艺、应用新材料和先进制造技术来提高产品性能和稳定性，且在不断向大型化、一体化和智能化方向发展。虽然上述典型机型并未完全实现茎穗兼收，但其在很大程度上对玉米秸秆进行了一定程度的预处理，为进一步进行秸秆还田与秸秆回收再利用做了很好的铺垫。

1.2 国内茎穗兼收玉米收获机研究动态

我国玉米收获技术根据收获模式可以分为青贮收获、果穗收获和茎穗兼收收获等模式[4]。本部分主要论述我国茎穗兼收玉米收获机的现状。目前，我国玉米茎穗兼收收获模式主要是将茎秆切碎回收装置安装在玉米收获机上。该收获模式不仅降低用户作业成本，还能完成秸秆的处理[5]。根据收获工艺的不同可分为3种方式。

1)在玉米收获机上配装秸秆切碎和回收装置，其回收秸秆的流程包括切碎、输送和抛送[6]。秸秆切碎回收装置在收获机的安装位置有以下两种：一是处于机身中部，切碎装置为甩刀式，并通过配置在其后上方的输送搅龙将茎秆抛送入车。该配置方式典型机型包括4YZ-4HS650、4YZ-4和4YZB-1800型玉米收获机，如图3所示。二是配置于机身后部，如图4所示，采用茎秆切碎回收机悬挂后置，机具能够同时完成玉米秸秆的粉碎、输送，以及抛送作业，如图4所示。

图3 牧神4YZB-1800自走式玉米收获机

图4 秸秆切碎回收机

2)双层割台完成茎秆切割、收集、输运、粉碎和抛送作业。两层割台相互独立，上层完成果穗的采摘和输送作业，下层割台负责秸秆回收。代表机型以4YZQ-4自走式茎穗兼收玉米收获机和4YQW-4背负式玉米收获机为主，如图5所示。

图5 海山4YZQ-4茎穗兼收玉米收获机

3)茎秆切碎回收装置位于割台，摘穗辊兼做喂入辊，每行对应一个切碎装置，在采摘果穗的同时完成秸秆切碎工作[12]。回收秸秆流程为：秸秆切割、果穗采摘、秸秆切碎和抛送[13]。代表机型有：4YQW-2、4YQ-2000和4YZQ-3玉米茎穗兼收收获机，如图6所示。

图6 海山4YQW-2背负式茎穗兼收玉米收获机

1.3 国内玉米收获机研究动态

郝付平等[9]在分析了切碎输送装置结构、工作原理和实际工况的基础上,选取设备作业速度为影响因子，茎秆切口夹角、切段长度以及输送效率为试验指标，通过田间试验测算与数据回归分析，构建了基于田间作业速度的茎秆切碎与输送装置工程设计模型,该模型可为同类装置设计提供参考；黄继承等[10]在充分分析了现有玉米机械收获技术与秸秆打包技术的基础上，设计了4LYZ-3K型穗茎兼收玉米收获机，该机主要由穗茎兼收割台、打捆装置及打捆控制系统等组成，能够在完成果穗收获的同时进行茎根的切断、粉碎和集困等作业。经田间性能测试表明,该机割茬高度≤91 mm、成捆率>96%、作业小时生产率0.4 hm2·h-1,各项性能指标均达到设计要求,为我国穗茎兼收玉米收获机的研发提供应用实例和技术依据。辛尚龙等[11]在充分调研我国西北旱区玉米全膜双垄沟播种植模式的基础上，设计了一款自走式穗茎兼收型玉米联合收获机，该机采用对行式收割割台茎、秆切碎装置和粗输出装置，能够解决玉米全膜双垄沟种植模式下传统玉米收获机械收割过程不对行、玉米籽粒损失率高的问题。经田间性能测试表明,该机具作业速度为34.5 km·h-1、籽粒损失率为1.8%、果穗损失率2.4%、籽粒破碎率0.77%、茎秆切碎合格率92.6%、苞叶剥净率95.1%,能够满足玉米联合收获技术要求。

总结来看，国内现有的茎穗兼收收获技术尚有较大发展空间，就上述3种收获工艺而言，其技术原理均是采用卧式拉茎辊进行收获作业，虽然卧式拉茎辊在收获倒伏玉米和作业效率等方面具有较多优势，但其收获后对玉米果穗籽粒和玉米茎秆的破坏性较强，尤其是卧辊式玉米收获技术多采用等径摘穗辊，等径摘穗辊在进行收获时对玉米果穗的支反力方向无法确定，因此玉米果穗的运动方向也无法确定，玉米籽粒总损失率相对较高。且国内现有茎穗兼收型玉米收获机对于秸秆的收集模式大同小异，真正具有创造性的产品并不多见，虽取得了一定的研究进展，但其产品未能被市场所广泛接受。

2 未来技术设想

综合考量我国现有玉米种植模式、收获模式，反思国内外现有玉米机械收获技术，提出以下几点设想：

1)打破现有卧辊式玉米收获技术模式，使用卧辊式玉米收获机收获后的玉米秸秆破损严重，不便于下一步玉米秸秆的机械收获。

2)实现整秆保留，整秆保留是指机械收获后的玉米秸秆自根茎底端割刀切割处至上端雄蕊以下部分基本保持完整，玉米秸秆的整秆保留，有利于提高秸秆捡拾率，减少秸秆残留，整秆保留的玉米秸秆与土壤接触较少，捡拾打包后的玉米秸秆中含土量少，秸秆品质好，秸秆整秆保留技术对于秸秆回收再利用具有重要意义。

3 总结

玉米秸秆的综合回收再利用已经成为困扰北方地区玉米产业发展的重要工作之一，秸秆综合利用问题是一个系统性工程，它关乎了整个玉米产业体系的发展，未来如何打破传统思维束缚，设计出具有创新性的农机产品，是解决该问题的关键所在。