专利视角下采棉机关键技术分析

摘 要： 采棉机是支撑农业现代化的重要高端装备，产业发展前景广阔。梳理了采棉机关键技术专利申请脉络，分析采棉机关键技术发展现状及发展趋势，为掌握采棉机行业发展态势、把握技术热点提供建议，为采棉机专利布局和相关研究提供新思路。

关键词：采棉机；摘锭；监测控制；关键技术；农业机械；专利分析

中图分类号：S225.91 文献标识码：A 文章编号：2095-1795（2024）08-0020-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.004

0 引言

棉花用途广泛，是重要的经济作物，也是重要的战略物资。美国是最早应用采棉机的国家，1850 年开始对采棉机进行研究，1889 年成功研制摘锭式采棉机，1942 年开始量产采棉机，1975 年机械化采收率达到100%[1-3]。除美国外，苏联在1939 年研制成功第1 台垂直摘锭式采棉机，1970 年机械化采收率达到60%，其采棉机研究和生产中心位于乌兹别克斯坦。我国机械采棉技术发展于20 世纪50 年代，经过不断地努力发展，逐渐由采棉机全进口向进口组装和部分国产化转变，采棉机的关键零部件基本实现了国产化，采棉机的型号也逐渐增多，可以适用于更多的棉花种植区，再加上国家对发展先进高端农机装备的政策引导，2018 年以后机械化采棉程度迅速提高，目前，新疆维吾尔自治区（简称新疆）棉花机械化采收率超过80%，我国已基本实现棉花采收的机械化，采棉机产业前景广阔[3]。虽然我国采棉机有了很大的进步，但是与国外的采棉机相比，我国自主技术优势不明显，距离高质量的发展要求还有一定的差距[4]。

本研究从专利视角对采棉机的关键技术进行分析研究，通过对采棉机关键技术申请脉络的梳理，分析采棉机关键技术的发展现状及未来发展趋势，为掌握采棉机行业发展态势，把握技术热点提供建议，为专利布局和相关研究提供新思路。

1 技术分解和检索

根据采摘原理的不同，采棉机可分为将籽棉、杂质一同采收的统收式采棉机和采摘籽棉的选收式采棉机。根据采摘系统的不同，采棉机可分为气力式、摘锭式、梳刷式和振动式4 类[5-6]。从采棉机发展趋势看，将逐步走向智能化、自动化、集成化和大型化，实现采、运、蓄一体化[7-8]。

查阅采棉机相关技术资料及对采棉机相关专利申请的撰写特点进行分析统计，为便于专利申请数据整理和分析，本研究将采棉机关键技术分解为采摘系统、输送收集系统、底盘动力系统和监测控制系统。采摘系统包括摘锭、手持采摘和其他自走采摘（梳刷、气吸振动等）[9-10]。输送收集系统是指脱棉装置将棉花脱下后由输送系统输送，最终进入收集系统的装置，主要包括输送分离、棉箱和打包。底盘动力系统主要包括底盘悬挂、动力传动和其他（主要包括润滑系统、车架支撑等底盘辅助机构）。监测控制系统体现采棉机的信息化和智能化，是采棉机主要的发展方向之一，监测控制系统包括导航仿形、整机的安全检测控制和收获中的物料状态监测等[11]。

经过对全球专利数据库涉及采棉机的相关专利文献进行检索（数据来源于Himmpat，检索截止时间为2023 年5 月1 日，数据经简单同族合并后导出），获得原始数据5 395 项， 检索主要采用分类号（ 包括A01D46/+、A01D45/+、A01D41/+）和关键词（包括采棉、摘棉、棉花收获，以及采棉机专用零部件如摘锭等）。在原始数据基础上经人工去噪、标引，最终获得4 486 项关于采棉机关键技术的相关专利申请。其中，中国专利1 482 项、外文专利3 004 项。

2 申请数量和申请国别

由图1 可知，采棉机全球专利申请主要集中在中国、美国、苏联。美国采棉机专利申请起步较早，20世纪初开始出现采棉机的相关专利，并在1910 年开始快速增长，1930—1940 年由于经济大萧条出现下降，1945 年以后重新开始快速增长，1965 年以后采棉机技术逐渐成熟，技术发展进入瓶颈期，申请数量有所下降，1970 年以后基本保持稳中有增。苏联采棉机专利申请，在1970 年以前缓慢波动上升，1970 年以后快速增长并在1970—1990 年期间申请数量持续保持较高水平，采棉机技术快速发展，1991 年苏联解体后，申请数量归零，由于采棉机产业链断裂，解体后中亚和东欧各个国家没有了完整的工业基础，关于采棉机的研究和发展几乎停滞。中国在2001 年以前采棉机申请数量处于缓慢上升的状态，相比国外申请数量存在较大的差距，2001 年中国加入世界贸易组织，中国申请人的专利保护意识进一步增强，叠加近年来国家农机补贴政策的持续开展，自此开始至2014 年申请数量快速增长，其中2012—2014 年呈爆发式增长，主要原因在于此阶段人工成本的上升及农业机械化水平的高速发展，2014—2018 年有所回落，2018—2021 年再次进入快速增长期[3]。

综合来看，在采棉机领域，我国虽然起步较晚，但是发展势头明显强劲，目前总申请数量已经占全球总申请数量的1/3，在该领域具有一定的影响力。美国和苏联起步均较早，由于技术路线存在差异，发展速度和技术成熟期不同，申请数量均较多，但相对来说，美国采棉机技术发展持续性更强，苏联采棉机技术在繁荣过后进入衰落[4]。

3 重要申请人

采棉机全球重要申请人情况如图2 所示，美国的约翰迪尔公司在采棉机领域申请数量最多，约占全球总申请数量的10%，技术实力最为雄厚，其次是两家苏联采棉机公司TASHKENTSKIJ I INZHENEROVZHELEZNODOROZHNOGO TRANSPORTA 和SREDNEAZIATSKIJNII MEKH ELEK SELSKOGO KHOZYAJSTVA，还包括美国的国际收获机公司和凯斯纽荷兰公司及苏联的INST MEKHANIKI SEJSMOSTOJKOSTISOORUZHENIJ IM.M.T.URAZBAEVA，中国公司和科院单位主要包括石河子大学、新疆钵施然智能农机股份有限公司、中国铁建重工集团股份有限公司、农业农村部南京农业机械化研究所、星光农机股份有限公司、山东天鹅棉业机械股份有限公司。可以看出，采棉机领域专利申请数量排名靠前的重要申请人申请总量约占总申请数量1/3，专利集中度较高，这是由于采棉机产业涉及较多行业，属于技术、资金密集行业。

4 关键技术申请分布

由图3 可知， 采棉机关键技术中， 采摘系统（63.64%）是最主要的技术分支，输送收集（19.42%）为次要技术分支，然后是底盘动力（9.18%）和监测控制（7.76%） 。采摘系统的二级分支又分为摘锭（29.25%）、手持采摘（17.30%）和其他自走采摘（17.10%），摘锭占比最高，这是源于欧美国家主要采用大型采棉机进行棉花采收，摘锭结构复杂、零部件较多存在较大的改进空间； 手持采摘占比较高（17.30%），这是由于采棉机早期成本较高，随着人力成本的提高，手持采摘面临淘汰的趋势；其他自走采摘主要涉及非摘锭式采棉机的改进，如梳刷式、摘辊式等。输送收集的二级分支又分为输送分离（9.81%）、棉箱（7.38%）和打包（2.23%）。底盘动力的二级分支为动力传动（4.97%） 、底盘悬挂（1.38%）和其他（2.83%）。监测控制的二级分支为物料状态监测（3.34%）、导航仿形（3.28%）和安全（1.14%）。

5 主要国家关键技术申请情况

由图4 可知，中国采棉机关键技术专利申请以采摘系统为主，占整个申请数量的61%，随着国内采棉机的发展，在2014 年以后关于采摘系统的申请数量开始逐步下降，部分原因在于采摘系统由非摘锭式采棉机向摘锭式采棉机进行逐步转化。2010 年之前，我国几乎没有关于监测控制系统技术分支的申请，而随着农业发展中机械智能化系统的发展，采棉机也逐渐由传统的纯机械化转向智能化和信息化。2010 年后至今，关于监测控制申请数量急剧增加，但在整个采棉机的申请数量中依然处于数量最少的位置，并且增长的趋势并不明显。在底盘动力方面， 2015 年以后，关于底盘动力系统的采棉机申请数量也急剧增加，这是由于采棉机正由传统的发动机传动装置及机械传动向液压和电力混合驱动传动进行转变，整体上显示了目前采棉机智能化、信息化及驱动高效率化的趋势。

由图5 可知，从美国的采棉机关键技术申请趋势来看，美国关于采摘系统的申请数量和占比一直下降。美国于20 世纪20 年代就实现了采棉机械化，并在随后研发出了水平摘锭式采棉机，因此，在20 世纪50年代之前，采摘系统占到了整个申请数量的绝大部分，当时的美国对于采棉机的研究一直处于整机机械化和摘锭的改进中。美国对于采棉机信息化的研究非常早，在20 世纪20 年代就有关于监测控制技术分支采棉机的专利申请，而在20 世纪50 年代之后，随着采棉机整机机械化研究的速度减缓，关于采摘系统的申请数量急剧下滑，而关于监测控制申请数量大量增加，并且在20 世纪90 年代中期和2005 年后呈现了两次爆发式增长。一直到现在，美国关于监测控制的申请数量已经占到了采棉机总申请数量的绝大多数，并且依然处于增长趋势，这表明美国关于采棉机的研究已经大部分从机械化转向了信息化和智能化。

6 关键技术功效矩阵及技术空白点

通过技术功效矩阵可以发现一些技术空白点或者技术薄弱点，只有其中的一部分具有技术开发或者进行技术突破的价值[6]。由图6 可知，采棉机关键技术中采摘系统在使得含杂率低方面可以再进行多一些的投入，关键核心工作部件摘锭的研究依然需要加强，摘锭的研究涉及结构、驱动控制和制造。监测控制还有较大的提升空间，这也是我国目前提高农机装备信息收集、智能决策和精准作业能力的政策导向，美国在此方面进行的较多研究和专利布局可为我国采棉机发展提供借鉴和参考，监测控制中技术空白点较多的是降低含杂率和提高适应性。底盘动力在使得结构简单和提供适应性方面仍然有提升价值。输送收集在安全可靠方面具有较大的发展空间。我国企业和科研单位可在上述方面加大研究，提前布局。

7 采棉机摘锭、监测控制技术发展路线分析

在采摘系统技术分支中最重要的是采棉机的摘锭，摘锭是采棉机的关键核心部件。由图7 可知，在摘锭的发展中，逐渐形成了以摘锭本身结构、摘锭的驱动控制及制造方式为主的发展方向。在20 世纪20 年代之前，美国和欧洲就已经发展出了棉花摘锭的雏形，1923 年公开号为GB190512491A 英国专利公开的摘锭结构是将摘锭设置在转动滚筒上，通过简单的带传动使得滚筒转动从而带动上面的摘锭转动进行摘棉。而在早期的驱动方式上，1940 年公开号为US2200464A的美国专利是将摘锭设置在循环输送带上进行转动。早期的摘锭本身并不能进行自转，只是随着转动装置进行公转。到了20 世纪40 年代后，以美国为代表的水平摘锭和以苏联为代表的垂直摘锭相继被研发出来，如公开号为US6293078B1 的美国专利，这种水平摘锭采棉机的特点是在整机前后沿着采摘的方向设置多个滚筒，滚筒上设置多个摘锭，滚筒的位置水平于地面，摘锭设置方式对于美国大平原式棉花采摘环境有着特殊的优势，也是目前全球主流的摘锭式整机；而苏联的垂直式摘锭则是将摘锭垂直于地面进行采摘，采棉机结构相对简单，但采净率相比水平式低10 多个百分点，随着苏联的解体已经被淘汰。20 世纪90 年代以后，对于摘锭结构的改进主要围绕摘锭在滚筒上排列方式的变化及数量的增多和摘锭自身转动的驱动，公开号为US2009313963A1 的美国专利公开了在滚筒上设置间隔的多排摘锭，并且在滚筒的内部设置摘锭本身转动的驱动方式；由齿轮齿条来对摘锭本身进行传动，使得摘锭在公转的时候同时进行自转。2010 年以后，我国对于摘锭结构的研究多聚焦于摘锭本身材料和摘头螺旋线的调整，以加强摘锭本身的强度和耐磨性，公开号为CN113597885A 的中国专利对摘锭本身的制造材料型号和摘头倾角进行了调整。

对于摘锭驱动控制的研究在经过早期的简单带传动驱动方式以后，在20 世纪50 年代以后研制出了通过复杂的机械结构进行滚筒公转和摘锭自转的驱动方式，并且在驱动的同时可对速度进行调整，如公开号为US2723520A 的美国专利，在通过机械结构使得摘锭自转的同时设置润滑系统对整个驱动装置进行润滑，公开号为US5325656A 的美国专利设置滚筒的主轴和摘锭驱动轴的速度可变化进行差速传动，在这个时期摘锭本身内部的驱动已经由简单和单一的机械传动转变为复杂的速度可控制的机械传动方式。2010 年后，摘锭的驱动方式由单一的传统机械传动转变为液压和机械传动配合以提高传动效率，公开号为CN115289080A的中国专利公开了液压和机械进行混合传动的摘锭传动方式。

对于摘锭制造方式的研究多体现于2010 年后的我国各大采棉机厂商，多聚焦于摘锭本身制造工具的改进， 以及摘锭本身强度或者磨损度的检测装置研究，如公开号为CN201586877U 的中国专利。

监测控制系统的重要技术可分为导航仿形、物料状态检测和安全，该技术分支代表采棉机产业发展的趋势和方向。由图8 可知，在导航仿形方面，发展的初期如1950 年的公开号为US4185696A 的美国专利公开了利用检测装置检测待收获棉花的位置来调整采摘轮的位置。而1981 年的公开号为US4288814A 的美国专利在采棉机上设置摄像机，用于观察前导轮所经过的路径，视频监视器安装在方向盘附近，操作者通过该方向盘控制前导轮以使农用车辆转向。在21 世纪后，导航仿形系统类的采棉机已经聚焦于和GPS 卫星系统的应用和对行走地图的预测公开号为US6694260B1 的美国专利申请公开了利用GPS 系统对整机进行导航和航线指定。而2022 年公开号为US2022113734A1 的美国专利申请也公开了利用卫星和传感器对机器的地图进行预测。导航仿形是采棉机智能化研究的重点，导航仿形聚焦于卫星系统和图像设备在采棉机智能化方面的应用，无人化是其将来的趋势。

在物料状态监测方面，1991 年公开号为US5063729A的美国专利公开了利用传感器检测棉花传输管道有没有被堵塞。在物料状态检测技术分支的早期研究中，多聚焦于对棉花采摘后的运输管道进行检测，防止棉花在运输过程中的管道堵塞。在2010 年后关于物料状态检测的研究发展到对于棉花作物的位置检测和收获方式之间的关系。公开号为US2021333802A1 的美国专利公开了通过传动机农产品的流速来确定收获机的位置。而公开号为US2022232770A1 的美国专利公开了通过检测棉花采集的图像数据来调整收获机头部的位置，物料状态监测的发展趋势是检测数据更加全面，检测精度更加高。

在安全方面，采棉机本身内部零部件众多，在作业过程中又极易发生部件损伤、过载、行走事故，因此，采棉机安全的监测控制早期多集中在本身安全性的研究上。如在采棉机本身还不成熟的20 世纪80 年代之前，如何通过监测控制避免采棉机工作时本身的损伤是非常重要的问题。1959 年公开号为US3005303A的美国专利公开了在采棉机的行进过程中检测路径上的石块来避免碰伤机器。1980 年公开号为US4306403A的美国专利公开了在棉花的驱动装置上设置检测装置检测是否驱动过载。进入21 世纪后，对于采棉机的内部缺陷的避免逐渐由检测维修到预防避免，2002 年公开号为US2002107625 的美国专利公开了通过检测噪声信息来预判机器缺陷状况。而公开号为 CN215499345U的中国专利也公开了对采棉机的火情状况进行预测。

8 结束语

采棉机关键技术全球专利申请集中度较高，属于技术、资金密集行业。目前申请数量最多、研发活动最活跃的是中国；美国技术实力最雄厚，研发活动持续进行中；苏联在解体后无力支撑采棉机产业发展，研发活动停滞。

在采棉机关键技术占比和发展趋势方面，采摘系统申请数量最多，其次是输送收集系统、底盘动力和监测控制；采摘系统中，摘锭相关申请数量最多；美国在监测控制方面已经占到了采棉机总申请数量的绝大多数，并且依然处于增长趋势，值得我国借鉴学习。采棉机关键技术中采摘系统在使得含杂率低方面可以再进行多一些的投入，关键核心工作部件摘锭的研究依然需要加强；监测控制还有较大的提升空间。

在采棉机关键零部件摘锭的发展方面，逐渐形成了以摘锭本身结构、摘锭的驱动控制及制造方式为主的发展方向。在代表采棉机未来发展方向的监测控制方面，导航仿形目前聚焦于卫星系统和图像设备在采棉机智能化方面的应用，无人化是其将来的趋势。物料状态监测早期研究多聚焦于对棉花采摘后的运输管道进行检测，目前研究发展到对棉花作物的位置检测和收获方式之间的关系，通过传动机农产品的流速来确定收获机的位置、通过检测棉花采集的图像数据来调整收获机头部的位置等，检测数据更加全面，检测精度更高。在安全方面，早期研究多集中在本身安全性，后期研究重点逐渐由检测维修发展到预防避免维修如通过检测噪声信息来预判机器缺陷状况及对采棉机的火情状况进行预测等。

我国企业和科研单位可参考上述分析结果，在采棉机相关关键技术如摘锭、监测控制等方面加大研究，提前布局。同时，《中国制造2025》指出要重点发展棉花大型高效联合收获机等高端农业装备及关键核心零部件，提高农机装备信息收集、智能决策和精准作业能力，推进形成面向农业生产的信息化整体解决方案，也为我国采棉机产业发展指明了方向。我国企业和科研单位还可根据“一带一路”的政策对中亚和东欧国家进行采棉机相关专利的布局和产品的出口。

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