我國玉米秸稈打捆機研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

段 鑫， 段 佳， 張 海

（1. 酒泉市金塔縣聚贏農(nóng)機專業(yè)合作社，甘肅 酒泉 735000； 2. 甘肅大禹節(jié)水工程設計有限責任公司，甘肅 蘭州 730000； 3. 甘肅大禹節(jié)水集團水利水電工程有限責任公司，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

玉米是我國主要糧食作物之一，種植面積廣，年產(chǎn)量2.6 億t 左右。秸稈作為玉米生長過程中的附加產(chǎn)物，同樣具有可觀的經(jīng)濟價值。目前，我國玉米秸稈的處理方式主要包括就地焚燒、直接還田、作為生物質(zhì)資源（牲畜飼料、工業(yè)原料、清潔燃料等）[1-4]。采用就地焚燒的方式不僅污染環(huán)境，而且焚燒時可能殺滅對土壤有益的微生物，從而損壞土壤[5]。玉米秸稈還田包括粉碎深翻還田和覆蓋還田兩種方式[6]。采用直接還田方式雖然能夠改善土壤的有機質(zhì)含量，但還田所需要的玉米秸稈量有限，秸稈還田量不宜過大。若秸稈還田量過大，有可能引起微生物與農(nóng)作物爭肥、土壤孔隙大小比例不均勻等不良現(xiàn)象，從而造成病蟲害、農(nóng)作物減產(chǎn)等問題，也就是說，即使直接還田，仍有多余的玉米秸稈需要處理和利用[7-8]。將多余的玉米秸稈作為生物質(zhì)資源，不僅有利于保護生態(tài)環(huán)境，而且還能避免資源浪費，促進社會可持續(xù)發(fā)展，具有一定的經(jīng)濟價值和社會意義。

玉米秸稈密度小、結構松散，貯存和運輸相對困難。在使用之前，先將玉米秸稈打捆是解決玉米秸稈貯存和運輸難題的關鍵環(huán)節(jié)。目前，我國仍有許多地區(qū)依靠人工來進行玉米秸稈打捆。人工打捆勞動強度大、成本高，不利于玉米秸稈的合理利用。采用現(xiàn)代化打捆機對玉米秸稈進行壓縮打捆，不僅能提高工作效率，還能降低運輸成本。進行壓縮打捆后，運輸成本能降低70%左右，具有顯著的經(jīng)濟效益[9]。本文介紹了玉米秸稈打捆機的分類，分析不同工作方式、不同打捆形狀的玉米秸稈打捆機的研究現(xiàn)狀，結合本行業(yè)的發(fā)展需求，提出玉米秸稈打捆機的發(fā)展趨勢。

1 打捆機分類

根據(jù)打捆時秸稈的長度，玉米秸稈打捆機主要包括整稈打捆機和破碎秸稈打捆機。關于玉米整稈打捆機，程聯(lián)社等[10]設計了整稈青貯打捆的工藝流程，提出了玉米整稈打捆機的設計方案。該打捆機結構主要由兩根帶有打捆圓弧齒的方軸組成，兩個方軸反向旋轉(zhuǎn)，帶動圓弧齒對玉米秸稈進行壓縮打捆。隋國民等[11]設計的玉米整稈打捆機主要由固定夾組件、氣缸、打捆軸和安裝在打捆軸上的多個膠帶卷組成。通過氣缸和固定夾組件來實現(xiàn)膠帶的循環(huán)，膠帶卷能夠?qū)斩挼亩鄠€位置進行打捆。

目前，市場上的玉米秸稈打捆機以破碎秸稈打捆機為主，打捆時先將玉米秸稈切碎后再進行打捆。本文主要針對破碎玉米秸稈打捆機展開綜述。根據(jù)對玉米秸稈功能要求的不同，打捆機的結構也有所不同，一般包括行走裝置、切碎揉搓裝置和打捆裝置。目前，市面上的玉米秸稈打捆機種類繁多，結構和功能各不相同，分類方法也有所不同?？傮w來看，玉米秸稈打捆機主要按照工作方式和打捆形狀來進行分類，具體分類如圖1 所示。需要說明的是，不同分類方式的打捆機是有交叉重復的，如圓捆機或方捆機，還同時可能是牽引式或自走式機型。

圖1 玉米秸稈打捆機分類Fig. 1 Classification of corn straw baler

2 按工作方式分類

2.1 固定式打捆機

在使用固定式玉米秸稈打捆機時，預先將其固定在地面上。進行壓縮打捆時，若玉米秸稈沿橫向受到壓縮力，則稱之為臥式打捆機；若玉米秸稈沿縱向受到壓縮力，則稱之為立式打捆機。打捆時，此類打捆機通常不具備自動撿拾和自動喂入功能，需要先將玉米秸稈收集起來，通過人工方式喂入。因此，使用固定式打捆機作業(yè)時，工作效率低，人工成本較高。

目前，固定式玉米秸稈打捆機在我國許多地區(qū)仍在使用，特別是山地和丘陵地區(qū)?，F(xiàn)階段，我國固定式玉米秸稈打捆機的生產(chǎn)企業(yè)較多，由于初代產(chǎn)品大多是仿制國外產(chǎn)品，各廠家產(chǎn)品的整體結構類似。隨后，許多學者針對固定式玉米秸稈打捆機的設計開展了一系列研究，獲得了相應的進展。馬清艷等[12]設計了一種固定式小型玉米秸稈打捆機，關鍵零件包括支架、支撐板、連接板等，適合山區(qū)農(nóng)民家庭使用。徐鵬云等[13-14]基于長膠帶和鋼輥的優(yōu)勢，設計了一種固定式電機拖動玉米秸稈打捆機，利用變頻調(diào)速三相交流電機產(chǎn)生的主動力進行打捆，并配備了可視化的參數(shù)輸入、系統(tǒng)監(jiān)視和故障診斷功能。王志偉等[15]設計了一種固定式農(nóng)作物秸稈打捆機，主要包括機架、水平壓縮液壓缸、舉升液壓缸、推壓板等，該打捆機適用于玉米秸稈打捆。

固定式玉米秸稈打捆機的設計已經(jīng)相對成熟，雖然生產(chǎn)廠家較多，但相關產(chǎn)品的總體結構類似、局限較多。此外，由于固定式玉米秸稈打捆機的自動化程度不夠高，近年來與之相關的文獻研究也相對較少。

2.2 移動式打捆機

2.2.1 牽引式打捆機

牽引式玉米秸稈打捆機通常在拖拉機的牽引下移動，按其牽引方式可分為正牽引式和側牽引式[16]。

張海龍[17]以牽引式玉米秸稈撿拾打捆機的打捆裝置為研究對象，分析打捆裝置的結構組成及其工作原理，為玉米秸稈打捆機的設計提供數(shù)據(jù)支撐。董佳佳等[18]設計了一種適用于不同形態(tài)玉米秸稈的牽引式玉米秸稈切割揉碎方捆打捆機，能夠一次性完成切割、揉碎、輸送和打捆作業(yè)。孫喆[19]設計了一種牽引式玉米秸稈打捆成型機，包括機架與殼體組成的機箱、機箱上固定的傳動變速機構、傳動變速機構帶動的連接軸、機箱內(nèi)的撿拾器與輥筒等，該打捆機結構簡單、性能可靠、使用方便、適應性強。張煜晗等[20]針對FSB-1900 型玉米秸稈撿拾打捆機進行了試驗研究，分析了不同秸稈鋪放情況下秸稈撿拾打捆機的作業(yè)性能，結果表明，不同秸稈鋪放情況僅對總損失率指標影響較大。潘世強等[9]設計了一種牽引式玉米秸稈打捆機，采用外纏繞式鋼輥圓捆打捆方式，粉碎拋送裝置完成秸稈的收集，完整的秸稈粉碎后被拋送到螺旋喂入裝置中，螺旋喂料裝置由螺旋葉片和螺旋齒組成，打好的草捆采用纏網(wǎng)捆綁方式。位國建等[21]研究了一種牽引式玉米秸稈打捆滅茬一體機，不僅能夠撿拾秸稈、粉碎秸稈、打捆，而且能夠滅茬，減輕土壤壓實。黃子齋等[22]為了解決92YG-0.9 型牽引式打捆機作業(yè)時出現(xiàn)的撿拾器堵草、漏草等問題，從撿拾器的結構參數(shù)及其與前壓縮室的配合關系入手，研究了打捆機作業(yè)時出現(xiàn)的堵草問題。

撿拾裝置是牽引式玉米秸稈打捆機的重要部件，劉慶剛等[23]針對玉米秸稈打捆機設計了一種柔性撿拾機構，工作部件為Y 形甩刀和甩刀軸，并給出了適用于多數(shù)工作環(huán)境的甩刀在甩刀軸上的布置方案。王瑩[24]介紹了玉米秸稈打捆機仿形彈齒式撿拾裝置的主要技術參數(shù)選擇與結構設計，試驗證明該裝置撿拾干凈，遺漏少，可靠性好。

2.2.2 自走式打捆機

與牽引式玉米秸稈打捆機不同，自走式玉米秸稈打捆機通常都配有發(fā)動機，具有外形尺寸小、轉(zhuǎn)向靈活的特點。這類打捆機通常將動力、打捆、傳動、控制裝置巧妙地布置在同一機器底盤上，實現(xiàn)整機一體運動[25]。自走式玉米秸稈打捆機包括撿拾型和穗莖兼收型：撿拾型打捆機主要用于對割倒后鋪放在田間的玉米秸稈進行打捆；穗莖兼收型打捆機主要用于收獲果穗的同時進行打捆。

白潔等[26]研制的自走式撿拾型玉米秸稈打捆機，解決了玉米秸稈顆株粗大、剛性好、打捆難、捆型密實度差的問題。于輝等[25]研發(fā)的能集成自走、切割、壓捆功能的自走式撿拾型秸稈收獲打捆機，將割臺、壓捆機構、發(fā)動機等布局在自走式底盤上，適用于玉米秸稈打捆。

與撿拾型自走式玉米秸稈打捆機相比，更多的文獻則聚焦于穗莖兼收型自走式玉米秸稈打捆機的研究，這類打捆機已成為近期國內(nèi)發(fā)展的熱點[27-28]。玉米秸稈機械化收集通常采用分段作業(yè)方式，機械化收獲果穗后，需機器二次進行撿拾秸稈打捆，耗時費工，機械多次進地也易造成土壤板結[29]。穗莖兼收型自走式玉米秸稈打捆機能夠一次性完成玉米果穗收獲和秸稈打捆，工作效率高、成本低。針對穗莖兼收型自走式玉米秸稈打捆機，崔中凱等[30]研發(fā)的4YZQK-4 型自走式玉米穗莖兼收秸稈打捆一體機，能夠一次性實現(xiàn)玉米果穗收獲及秸稈打捆等多道工序，工作狀態(tài)良好，可靠性較好。李娜等[31]對4YZQK-4 型青貯打捆玉米收獲機的切斷刀、喂入裝置、切碎裝置等進行了設計，并對自動控制系統(tǒng)進行改進設計，作業(yè)時，該機器莖稈切碎和打捆效果良好。賈春陽等[32]設計了一種新型穗莖兼收型秸稈打捆玉米收獲機，該收獲機的秸稈切碎裝置采用往復式切割器，秸稈輸送裝置采用單層4 輥式輸送器，秸稈切碎拋送裝置采用滾筒式切碎器及曲柄壓縮式方捆秸稈打捆裝置，對推廣應用玉米穗莖兼收技術和提高秸稈的綜合利用率具有重要意義。高琪珉等[33]研制了4YZPDK-4 型玉米收獲秸稈打捆一體機，并對關鍵部件進行了理論分析、材料驗證和運動軌跡分析，可實現(xiàn)玉米果穗收獲和秸稈收獲打捆。魏云豐[34]研制了一種玉米穗莖兼收型秸稈打捆機，并對該玉米穗莖兼收秸稈打捆機結構組成及關鍵部件進行了設計分析。李愛華[35]研制了4YZK-4 型玉米穗莖兼收秸稈打捆機，介紹了整機創(chuàng)新結構特征。張靜等[36]設計了一種內(nèi)置式秸稈收集打捆裝置，將該裝置內(nèi)置到自走式玉米收獲機上，使玉米收獲機在實現(xiàn)果穗收獲的同時實現(xiàn)玉米秸稈撿拾、粉碎和打捆的功能。黃繼承等[37]研發(fā)了一款4LYZ-3K 型穗莖兼收玉米收獲機，能一次性完成玉米果穗收獲、剝皮和集箱，玉米秸稈切斷、收集、打捆聯(lián)合作業(yè)功能，提高玉米秸稈的綜合利用程度。

總體來看，我國牽引式玉米秸稈打捆機仍在大量使用，但由于穗莖兼收型自走式玉米秸稈打捆機具有外形尺寸小、轉(zhuǎn)向靈活的優(yōu)點，能夠一次性實現(xiàn)玉米果穗收獲及秸稈打捆，因此越來越受到重視，也成為未來秸稈打捆機的發(fā)展方向。

3 按打捆形狀分類

根據(jù)打捆形狀，玉米秸稈打捆機可分為圓捆打捆機和方捆打捆機。采用圓捆打捆機進行打捆時，利用鋼輥的轉(zhuǎn)動帶動玉米秸稈達到預定捆形，并通過纏網(wǎng)完成打捆；采用方捆打捆機打捆時，則采用機械機構（如曲柄連桿、凸輪機構）或液壓機構對玉米秸稈進行壓縮打捆。

3.1 圓捆打捆機

圓捆打捆機工作時，玉米秸稈被撿拾后經(jīng)切割揉碎裝置進行切碎，切碎后的玉米秸稈輸送至制捆室，通過制捆室內(nèi)圓周分布的鋼輥不停轉(zhuǎn)動，使秸稈不斷翻滾積累擴大，當秸稈捆達到指定體積和密度時，采用捆扎繩對秸稈捆進行纏繞捆扎，從而完成秸稈圓捆的打捆工作[5]。采用圓捆打捆機進行作業(yè)時，所制成的玉米秸稈圓捆外緊內(nèi)松，占用空間較大，不便于運輸及儲存。此外，由于通常需要停機纏網(wǎng)，降低了工作效率。

張澤林等[38]研發(fā)了4YZD-4 型玉米收獲青貯黃貯圓捆打捆機，不但能實現(xiàn)玉米摘穗剝皮收獲，還能對玉米秸稈進行切碎、揉絲、不停車自動打捆（圓捆）作業(yè)。潘濱等[39]根據(jù)4YZD-4 型玉米收獲青貯（黃貯）大圓捆打捆機的結構特點和功能要求，設計了一種機電液一體的自動控制離合器方案，應用于大圓捆打捆機的送草傳送帶啟?？刂?，解決了玉米收獲青貯（黃貯）大圓捆打捆機研制中實現(xiàn)不停車連續(xù)打捆作業(yè)的一個關鍵技術。潘世強等[9]在設計玉米秸稈圓捆打捆機時，采用外纏繞式鋼輥圓捆打捆方式，使草捆不易松散，便于儲存和運輸。

3.2 方捆打捆機

與圓捆打捆機相比，方捆打捆機的打捆效率高，打捆密度高，占用空間小，便于運輸及儲存。在采用方捆打捆機進行打捆時，玉米秸稈首先被撿拾裝置拾取，經(jīng)切碎機構切碎后送入壓捆室，壓捆室內(nèi)的秸稈在不斷喂入和往復壓縮過程中被制成方捆，當方捆的長度到達預定長度后，機構完成自動捆扎[5]。

王鋒德等[40]針對4YF1300 型大方捆玉米秸稈打捆機的傳動系統(tǒng)、物料撿拾和喂入系統(tǒng)、機械式預壓縮室、壓縮機構及液壓密度控制系統(tǒng)進行了設計和參數(shù)計算。采用合理的撿拾喂入?yún)?shù)、二級預壓縮原理和雙液壓油缸及其反饋控制系統(tǒng)可保證作業(yè)可靠性。

無論是圓捆打捆機還是方捆打捆機，我國能設計并生產(chǎn)出不同系列的相關產(chǎn)品，而且能實現(xiàn)玉米秸稈的打捆任務，但是在使用性能和工作效率方面仍與發(fā)達國家存在一定差距。因此，我國相關院校和科研院所一直在持續(xù)地開展玉米秸稈打捆機的研究工作，使得圓捆和方捆玉米秸稈打捆機的性能不斷得到提升。

4 發(fā)展趨勢

（1）玉米秸稈打捆機向集成化方向發(fā)展。所謂集成化是指玉米秸稈打捆機的功能以秸稈打捆為主，除此之外還集成有其他功能。對玉米秸稈打捆機研究現(xiàn)狀的分析可知，穗莖兼收型玉米秸稈打捆機更受到用戶歡迎，與之相關的文獻研究也較多。與此同時，還出現(xiàn)了玉米秸稈打捆滅茬一體機。未來的玉米秸稈打捆機除打捆功能外，可以根據(jù)實際需求選配其他相應功能，如摘穗、滅茬、翻土等。

（2）玉米秸稈打捆機向多樣化方向發(fā)展。由于我國土地面積廣袤，不同地區(qū)的地形不同，對打捆機的功能要求也不同。東北地區(qū)是我國玉米的主要種植區(qū)之一，由于該地區(qū)地勢平坦、土地肥沃，玉米的種植主要以大型農(nóng)場為主。進行玉米秸稈打捆時，工作量大，適宜采用大型打捆機。我國西南地區(qū)也是玉米的主要產(chǎn)區(qū)之一，該地區(qū)主要以丘陵和山地為主，進行玉米秸稈打捆作業(yè)時，工作量相對較小，但為了機器行走方便，適宜采用小型打捆機。因此，為了滿足我國不同地區(qū)對打捆機的功能要求，需要生產(chǎn)多樣化的玉米秸稈打捆機。

（3）玉米秸稈打捆機向智能化方向發(fā)展。隨著人工智能技術的發(fā)展和不斷進步，無人化作業(yè)機械正成為農(nóng)機制造領域的發(fā)展方向。智能化玉米秸稈打捆機能夠進一步提升打捆質(zhì)量和效率。目前已經(jīng)出現(xiàn)了智能化拖拉機、收獲機等，智能化秸稈打捆機也將成為未來的發(fā)展趨勢。

（4）玉米秸稈打捆機向綠色化方向發(fā)展。隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深入，對環(huán)境保護越來越重視。如今，在汽車行業(yè)，電動汽車越來越普遍。在農(nóng)機制造領域，太陽能也越來越受到重視，許多研究機構正在研制太陽能收割機、太陽能噴灌機等。未來，在我國光照時間長、輻射比較強的地區(qū)，將太陽能應用在秸稈打捆機上也是一種發(fā)展趨勢。

5 結束語

我國的玉米秸稈打捆機種類較多、型式各異，但總體性能仍在不斷改進和提升。未來，玉米秸稈打捆機將向集成化、多樣化、智能化和綠色化方向發(fā)展，進一步推進玉米秸稈打捆的機械化進程。隨著我國農(nóng)機補貼政策的深入實施，玉米秸稈打捆機將得到進一步的推廣和應用。