我国玉米秸秆打捆机研究现状及发展趋势

2022-10-21段鑫，段佳，张海

农业工程 2022年7期

段鑫，段佳，张海

（1. 酒泉市金塔县聚赢农机专业合作社，甘肃酒泉 735000； 2. 甘肃大禹节水工程设计有限责任公司，甘肃兰州 730000； 3. 甘肃大禹节水集团水利水电工程有限责任公司，甘肃酒泉 735000）

0 引言

玉米是我国主要粮食作物之一，种植面积广，年产量2.6 亿t 左右。秸秆作为玉米生长过程中的附加产物，同样具有可观的经济价值。目前，我国玉米秸秆的处理方式主要包括就地焚烧、直接还田、作为生物质资源（牲畜饲料、工业原料、清洁燃料等）[1-4]。采用就地焚烧的方式不仅污染环境，而且焚烧时可能杀灭对土壤有益的微生物，从而损坏土壤[5]。玉米秸秆还田包括粉碎深翻还田和覆盖还田两种方式[6]。采用直接还田方式虽然能够改善土壤的有机质含量，但还田所需要的玉米秸秆量有限，秸秆还田量不宜过大。若秸秆还田量过大，有可能引起微生物与农作物争肥、土壤孔隙大小比例不均匀等不良现象，从而造成病虫害、农作物减产等问题，也就是说，即使直接还田，仍有多余的玉米秸秆需要处理和利用[7-8]。将多余的玉米秸秆作为生物质资源，不仅有利于保护生态环境，而且还能避免资源浪费，促进社会可持续发展，具有一定的经济价值和社会意义。

玉米秸秆密度小、结构松散，贮存和运输相对困难。在使用之前，先将玉米秸秆打捆是解决玉米秸秆贮存和运输难题的关键环节。目前，我国仍有许多地区依靠人工来进行玉米秸秆打捆。人工打捆劳动强度大、成本高，不利于玉米秸秆的合理利用。采用现代化打捆机对玉米秸秆进行压缩打捆，不仅能提高工作效率，还能降低运输成本。进行压缩打捆后，运输成本能降低70%左右，具有显著的经济效益[9]。本文介绍了玉米秸秆打捆机的分类，分析不同工作方式、不同打捆形状的玉米秸秆打捆机的研究现状，结合本行业的发展需求，提出玉米秸秆打捆机的发展趋势。

1 打捆机分类

根据打捆时秸秆的长度，玉米秸秆打捆机主要包括整秆打捆机和破碎秸秆打捆机。关于玉米整秆打捆机，程联社等[10]设计了整秆青贮打捆的工艺流程，提出了玉米整秆打捆机的设计方案。该打捆机结构主要由两根带有打捆圆弧齿的方轴组成，两个方轴反向旋转，带动圆弧齿对玉米秸秆进行压缩打捆。隋国民等[11]设计的玉米整秆打捆机主要由固定夹组件、气缸、打捆轴和安装在打捆轴上的多个胶带卷组成。通过气缸和固定夹组件来实现胶带的循环，胶带卷能够对秸秆的多个位置进行打捆。

目前，市场上的玉米秸秆打捆机以破碎秸秆打捆机为主，打捆时先将玉米秸秆切碎后再进行打捆。本文主要针对破碎玉米秸秆打捆机展开综述。根据对玉米秸秆功能要求的不同，打捆机的结构也有所不同，一般包括行走装置、切碎揉搓装置和打捆装置。目前，市面上的玉米秸秆打捆机种类繁多，结构和功能各不相同，分类方法也有所不同。总体来看，玉米秸秆打捆机主要按照工作方式和打捆形状来进行分类，具体分类如图1 所示。需要说明的是，不同分类方式的打捆机是有交叉重复的，如圆捆机或方捆机，还同时可能是牵引式或自走式机型。

图1 玉米秸秆打捆机分类Fig. 1 Classification of corn straw baler

2 按工作方式分类

2.1 固定式打捆机

在使用固定式玉米秸秆打捆机时，预先将其固定在地面上。进行压缩打捆时，若玉米秸秆沿横向受到压缩力，则称之为卧式打捆机；若玉米秸秆沿纵向受到压缩力，则称之为立式打捆机。打捆时，此类打捆机通常不具备自动捡拾和自动喂入功能，需要先将玉米秸秆收集起来，通过人工方式喂入。因此，使用固定式打捆机作业时，工作效率低，人工成本较高。

目前，固定式玉米秸秆打捆机在我国许多地区仍在使用，特别是山地和丘陵地区。现阶段，我国固定式玉米秸秆打捆机的生产企业较多，由于初代产品大多是仿制国外产品，各厂家产品的整体结构类似。随后，许多学者针对固定式玉米秸秆打捆机的设计开展了一系列研究，获得了相应的进展。马清艳等[12]设计了一种固定式小型玉米秸秆打捆机，关键零件包括支架、支撑板、连接板等，适合山区农民家庭使用。徐鹏云等[13-14]基于长胶带和钢辊的优势，设计了一种固定式电机拖动玉米秸秆打捆机，利用变频调速三相交流电机产生的主动力进行打捆，并配备了可视化的参数输入、系统监视和故障诊断功能。王志伟等[15]设计了一种固定式农作物秸秆打捆机，主要包括机架、水平压缩液压缸、举升液压缸、推压板等，该打捆机适用于玉米秸秆打捆。

固定式玉米秸秆打捆机的设计已经相对成熟，虽然生产厂家较多，但相关产品的总体结构类似、局限较多。此外，由于固定式玉米秸秆打捆机的自动化程度不够高，近年来与之相关的文献研究也相对较少。

2.2 移动式打捆机

2.2.1 牵引式打捆机

牵引式玉米秸秆打捆机通常在拖拉机的牵引下移动，按其牵引方式可分为正牵引式和侧牵引式[16]。

张海龙[17]以牵引式玉米秸秆捡拾打捆机的打捆装置为研究对象，分析打捆装置的结构组成及其工作原理，为玉米秸秆打捆机的设计提供数据支撑。董佳佳等[18]设计了一种适用于不同形态玉米秸秆的牵引式玉米秸秆切割揉碎方捆打捆机，能够一次性完成切割、揉碎、输送和打捆作业。孙喆[19]设计了一种牵引式玉米秸秆打捆成型机，包括机架与壳体组成的机箱、机箱上固定的传动变速机构、传动变速机构带动的连接轴、机箱内的捡拾器与辊筒等，该打捆机结构简单、性能可靠、使用方便、适应性强。张煜晗等[20]针对FSB-1900 型玉米秸秆捡拾打捆机进行了试验研究，分析了不同秸秆铺放情况下秸秆捡拾打捆机的作业性能，结果表明，不同秸秆铺放情况仅对总损失率指标影响较大。潘世强等[9]设计了一种牵引式玉米秸秆打捆机，采用外缠绕式钢辊圆捆打捆方式，粉碎抛送装置完成秸秆的收集，完整的秸秆粉碎后被抛送到螺旋喂入装置中，螺旋喂料装置由螺旋叶片和螺旋齿组成，打好的草捆采用缠网捆绑方式。位国建等[21]研究了一种牵引式玉米秸秆打捆灭茬一体机，不仅能够捡拾秸秆、粉碎秸秆、打捆，而且能够灭茬，减轻土壤压实。黄子斋等[22]为了解决92YG-0.9 型牵引式打捆机作业时出现的捡拾器堵草、漏草等问题，从捡拾器的结构参数及其与前压缩室的配合关系入手，研究了打捆机作业时出现的堵草问题。

捡拾装置是牵引式玉米秸秆打捆机的重要部件，刘庆刚等[23]针对玉米秸秆打捆机设计了一种柔性捡拾机构，工作部件为Y 形甩刀和甩刀轴，并给出了适用于多数工作环境的甩刀在甩刀轴上的布置方案。王莹[24]介绍了玉米秸秆打捆机仿形弹齿式捡拾装置的主要技术参数选择与结构设计，试验证明该装置捡拾干净，遗漏少，可靠性好。

2.2.2 自走式打捆机

与牵引式玉米秸秆打捆机不同，自走式玉米秸秆打捆机通常都配有发动机，具有外形尺寸小、转向灵活的特点。这类打捆机通常将动力、打捆、传动、控制装置巧妙地布置在同一机器底盘上，实现整机一体运动[25]。自走式玉米秸秆打捆机包括捡拾型和穗茎兼收型：捡拾型打捆机主要用于对割倒后铺放在田间的玉米秸秆进行打捆；穗茎兼收型打捆机主要用于收获果穗的同时进行打捆。

白洁等[26]研制的自走式捡拾型玉米秸秆打捆机，解决了玉米秸秆颗株粗大、刚性好、打捆难、捆型密实度差的问题。于辉等[25]研发的能集成自走、切割、压捆功能的自走式捡拾型秸秆收获打捆机，将割台、压捆机构、发动机等布局在自走式底盘上，适用于玉米秸秆打捆。

与捡拾型自走式玉米秸秆打捆机相比，更多的文献则聚焦于穗茎兼收型自走式玉米秸秆打捆机的研究，这类打捆机已成为近期国内发展的热点[27-28]。玉米秸秆机械化收集通常采用分段作业方式，机械化收获果穗后，需机器二次进行捡拾秸秆打捆，耗时费工，机械多次进地也易造成土壤板结[29]。穗茎兼收型自走式玉米秸秆打捆机能够一次性完成玉米果穗收获和秸秆打捆，工作效率高、成本低。针对穗茎兼收型自走式玉米秸秆打捆机，崔中凯等[30]研发的4YZQK-4 型自走式玉米穗茎兼收秸秆打捆一体机，能够一次性实现玉米果穗收获及秸秆打捆等多道工序，工作状态良好，可靠性较好。李娜等[31]对4YZQK-4 型青贮打捆玉米收获机的切断刀、喂入装置、切碎装置等进行了设计，并对自动控制系统进行改进设计，作业时，该机器茎秆切碎和打捆效果良好。贾春阳等[32]设计了一种新型穗茎兼收型秸秆打捆玉米收获机，该收获机的秸秆切碎装置采用往复式切割器，秸秆输送装置采用单层4 辊式输送器，秸秆切碎抛送装置采用滚筒式切碎器及曲柄压缩式方捆秸秆打捆装置，对推广应用玉米穗茎兼收技术和提高秸秆的综合利用率具有重要意义。高琪珉等[33]研制了4YZPDK-4 型玉米收获秸秆打捆一体机，并对关键部件进行了理论分析、材料验证和运动轨迹分析，可实现玉米果穗收获和秸秆收获打捆。魏云丰[34]研制了一种玉米穗茎兼收型秸秆打捆机，并对该玉米穗茎兼收秸秆打捆机结构组成及关键部件进行了设计分析。李爱华[35]研制了4YZK-4 型玉米穗茎兼收秸秆打捆机，介绍了整机创新结构特征。张静等[36]设计了一种内置式秸秆收集打捆装置，将该装置内置到自走式玉米收获机上，使玉米收获机在实现果穗收获的同时实现玉米秸秆捡拾、粉碎和打捆的功能。黄继承等[37]研发了一款4LYZ-3K 型穗茎兼收玉米收获机，能一次性完成玉米果穗收获、剥皮和集箱，玉米秸秆切断、收集、打捆联合作业功能，提高玉米秸秆的综合利用程度。

总体来看，我国牵引式玉米秸秆打捆机仍在大量使用，但由于穗茎兼收型自走式玉米秸秆打捆机具有外形尺寸小、转向灵活的优点，能够一次性实现玉米果穗收获及秸秆打捆，因此越来越受到重视，也成为未来秸秆打捆机的发展方向。

3 按打捆形状分类

根据打捆形状，玉米秸秆打捆机可分为圆捆打捆机和方捆打捆机。采用圆捆打捆机进行打捆时，利用钢辊的转动带动玉米秸秆达到预定捆形，并通过缠网完成打捆；采用方捆打捆机打捆时，则采用机械机构（如曲柄连杆、凸轮机构）或液压机构对玉米秸秆进行压缩打捆。

3.1 圆捆打捆机

圆捆打捆机工作时，玉米秸秆被捡拾后经切割揉碎装置进行切碎，切碎后的玉米秸秆输送至制捆室，通过制捆室内圆周分布的钢辊不停转动，使秸秆不断翻滚积累扩大，当秸秆捆达到指定体积和密度时，采用捆扎绳对秸秆捆进行缠绕捆扎，从而完成秸秆圆捆的打捆工作[5]。采用圆捆打捆机进行作业时，所制成的玉米秸秆圆捆外紧内松，占用空间较大，不便于运输及储存。此外，由于通常需要停机缠网，降低了工作效率。

张泽林等[38]研发了4YZD-4 型玉米收获青贮黄贮圆捆打捆机，不但能实现玉米摘穗剥皮收获，还能对玉米秸秆进行切碎、揉丝、不停车自动打捆（圆捆）作业。潘滨等[39]根据4YZD-4 型玉米收获青贮（黄贮）大圆捆打捆机的结构特点和功能要求，设计了一种机电液一体的自动控制离合器方案，应用于大圆捆打捆机的送草传送带启停控制，解决了玉米收获青贮（黄贮）大圆捆打捆机研制中实现不停车连续打捆作业的一个关键技术。潘世强等[9]在设计玉米秸秆圆捆打捆机时，采用外缠绕式钢辊圆捆打捆方式，使草捆不易松散，便于储存和运输。

3.2 方捆打捆机

与圆捆打捆机相比，方捆打捆机的打捆效率高，打捆密度高，占用空间小，便于运输及储存。在采用方捆打捆机进行打捆时，玉米秸秆首先被捡拾装置拾取，经切碎机构切碎后送入压捆室，压捆室内的秸秆在不断喂入和往复压缩过程中被制成方捆，当方捆的长度到达预定长度后，机构完成自动捆扎[5]。

王锋德等[40]针对4YF1300 型大方捆玉米秸秆打捆机的传动系统、物料捡拾和喂入系统、机械式预压缩室、压缩机构及液压密度控制系统进行了设计和参数计算。采用合理的捡拾喂入参数、二级预压缩原理和双液压油缸及其反馈控制系统可保证作业可靠性。

无论是圆捆打捆机还是方捆打捆机，我国能设计并生产出不同系列的相关产品，而且能实现玉米秸秆的打捆任务，但是在使用性能和工作效率方面仍与发达国家存在一定差距。因此，我国相关院校和科研院所一直在持续地开展玉米秸秆打捆机的研究工作，使得圆捆和方捆玉米秸秆打捆机的性能不断得到提升。

4 发展趋势

（1）玉米秸秆打捆机向集成化方向发展。所谓集成化是指玉米秸秆打捆机的功能以秸秆打捆为主，除此之外还集成有其他功能。对玉米秸秆打捆机研究现状的分析可知，穗茎兼收型玉米秸秆打捆机更受到用户欢迎，与之相关的文献研究也较多。与此同时，还出现了玉米秸秆打捆灭茬一体机。未来的玉米秸秆打捆机除打捆功能外，可以根据实际需求选配其他相应功能，如摘穗、灭茬、翻土等。

（2）玉米秸秆打捆机向多样化方向发展。由于我国土地面积广袤，不同地区的地形不同，对打捆机的功能要求也不同。东北地区是我国玉米的主要种植区之一，由于该地区地势平坦、土地肥沃，玉米的种植主要以大型农场为主。进行玉米秸秆打捆时，工作量大，适宜采用大型打捆机。我国西南地区也是玉米的主要产区之一，该地区主要以丘陵和山地为主，进行玉米秸秆打捆作业时，工作量相对较小，但为了机器行走方便，适宜采用小型打捆机。因此，为了满足我国不同地区对打捆机的功能要求，需要生产多样化的玉米秸秆打捆机。

（3）玉米秸秆打捆机向智能化方向发展。随着人工智能技术的发展和不断进步，无人化作业机械正成为农机制造领域的发展方向。智能化玉米秸秆打捆机能够进一步提升打捆质量和效率。目前已经出现了智能化拖拉机、收获机等，智能化秸秆打捆机也将成为未来的发展趋势。

（4）玉米秸秆打捆机向绿色化方向发展。随着我国可持续发展战略的不断深入，对环境保护越来越重视。如今，在汽车行业，电动汽车越来越普遍。在农机制造领域，太阳能也越来越受到重视，许多研究机构正在研制太阳能收割机、太阳能喷灌机等。未来，在我国光照时间长、辐射比较强的地区，将太阳能应用在秸秆打捆机上也是一种发展趋势。