國內外秸稈打捆機械研究現(xiàn)狀與展望

朱奕庚，姚林曉，古冬冬，張 瑩，楊 杰

(1.河南農業(yè)職業(yè)學院，鄭州 451450；2.華北水利水電大學，鄭州 450000)

0 引言

我國的秸稈資源總量十分豐富，年產量約占全球總產量20%～30%。據(jù)農業(yè)部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017年中國農作物秸稈可收集資源總量達到8.27億t，其中，小麥、水稻、玉米三大糧食作物秸稈資源量分別為14.7 億，19.1 億，37.2億t，合計占全國秸稈資源總量的84.8%[1]。

目前，我國大部分地區(qū)的秸稈綜合利用率較低，為了方便處理秸稈，主要采用秸稈粉碎還田的處理方法，但秸稈還田后導致土壤碳氮比失衡、后茬作物出苗質量差，進而影響產量；部分秸稈進行露天焚燒，導致空氣污染嚴重，嚴重影響周圍居民的身體健康，且存在一定的安全隱患，因此改善對秸稈的處理方法十分必要[2]。秸稈作為可再生資源，通過合理利用會帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益[3-4]。

為了減少秸稈還田、秸稈焚燒所帶來的危害，可將秸稈集中回收并應用于多種行業(yè)，提高秸稈利用率。前提是需要將秸稈資源合理地收集起來，由于秸稈物料松散，需對其進行壓實打捆，否則很難完成對秸稈的高效收集、貯藏、運輸[5-7]。因此，需結合我國的具體情況設計出結構合理、功能齊全、高效穩(wěn)定的秸稈打捆機。

1 國內外研究現(xiàn)狀

秸稈打捆機是收集秸稈的必要裝備，其功能是通過機械部件將地上的秸稈撿拾粉碎，通過壓捆室進行擠壓，使其具有較高的密度，方便運輸與儲存。根據(jù)草捆不同形狀，可分為圓捆打捆機、方捆打捆機；其中為了方便運輸，又將方捆打捆機所成捆的大小分為小方捆、大方捆兩類，按照機械配套形式的不同，可分為牽引式打捆機、自走式打捆機[8]。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對打捆機的研究較早，距今已有200多年的歷史。1958年，美國人羅托-巴勒研制出圓捆打捆機，可將秸稈壓縮成重量約18～45 kg的捆，至今有些地方仍在使用該打捆機；1870年，美國人迪德里克發(fā)明了第一臺固定式方草捆打捆機；20世紀中期，由于國外的人力資源稀缺，持續(xù)加強新型打捆機研制，從而提高秸稈處理效率，使農業(yè)秸稈利用率提升近一倍。為實現(xiàn)機械自動化，1980年以后，歐美農機企業(yè)開始研發(fā)功能多樣化、智能化、節(jié)能高效的打包機。國外發(fā)達國家生產的打捆機性能穩(wěn)定，種類齊全，可以應對不同的工作環(huán)境，主要生產廠家有約翰迪爾、庫恩、科樂收、紐荷蘭等。

紐荷蘭公司生產的BC5000系列打捆機是世界范圍產量最多的小方捆打捆機，該系列共有BC5050、BC5060、BC5070、BC5080四款，已累計生產80萬余臺，在市場上有很高的占有率[9-13]，BC5000系列打捆機可靠性高，喂入順暢，可應對多種環(huán)境作業(yè)，打捆柱塞軸承的維護與保養(yǎng)更加方便，打出的草捆捆型規(guī)則，方便撿拾與堆垛。其生產的大方捆打捆機已立足市場30余年，如圖1所示的BIGBALER1270Plus打捆機，針對不同的農作物都能高效穩(wěn)定地完成打捆作業(yè)，同時采用紐荷蘭專利設計LoopMaster環(huán)形打結器，可以獲得更加強韌堅固的草捆，減少了捆繩末端打結時的浪費，打捆速度最高可達110捆·h-1。

圖1 紐荷蘭BIGBALER1270Plus大方捆打捆機

QUADRANT5300方捆機(圖2)是德國科樂收公司生產的一款可以在多種環(huán)境下工作的智能大型方捆打捆機，該打捆機裝配了最新款的撿拾臺(圖3)，采用五行撿拾彈齒結構設計，撿拾更加高效穩(wěn)定。另外該打捆機采用了新型Cormick打結器，當打節(jié)器大針做完一次往復運動后，會形成雙環(huán)繩結，繩結強度高；有效降低捆繩的消耗；地面及草捆上沒有捆繩殘余，保證了打結器工作的可靠性[14]。喂入系統(tǒng)配備了可連接預壓室，其作用為當預壓室內的傳感裝置受到的壓力達到規(guī)定值時，會自動增大撥草叉的動作幅度，將秸稈送進打捆室，隨后在壓捆室的不斷擠壓下，便可根據(jù)預定值形成一個相應的草捆，預處理室可從駕駛室進行調節(jié)。

圖2 QUADRANT5300打捆機圖

圖3 QUADRANT5300打捆機撿拾臺

約翰迪爾公司生產的L341大型方捆機(圖4)采用了車載液壓密度控制技術，根據(jù)作業(yè)水分含量的不同，可在不改變草捆密度的情況下進行監(jiān)測調整液壓系統(tǒng)氣缸對打捆倉的壓力[15-16]。該打捆機具有BalarAssit系統(tǒng)，即可通過駕駛室內的顯示屏或者遙控鑰匙對動力輸入系統(tǒng)進行正反裝調節(jié)，正反方向具有兩擋速度可供選擇，一人即可輕松進行排堵、維保、故障維修。該打捆機采用電子打結技術(圖5)，可以在駕駛室內調整方捆長度，提高了草捆長度的精確性與一致性，減少了維護難度。

圖4 約翰迪爾L341大型方捆機

圖5 電子打結器

1.2 國內研究現(xiàn)狀

我國對打捆機的研究起步較晚，且發(fā)展速度較慢，20世紀60年代引進國外的小型打捆機，開始了對打捆機的研究；20世紀80年代我國仿制出國外的小型打捆機，投入國內市場[17]。通過對引進的打捆機進行技術學習，對部分打捆機進行優(yōu)化，使產品性能不斷提高。我國的打捆機產品以中小型為主，主要機型為小型牽引式方捆打捆機，部分高端產品依賴進口[18-19]。

通過不斷對國外先進打捆機技術的學習與研究，并結合我國作物種植與土地的特點及種植戶對打捆機的需求與使用反饋，逐漸研發(fā)出適合我國行情的秸稈打捆機，目前，我國打捆機主要生產制造企業(yè)有中聯(lián)重科、福田雷沃、星光玉龍等[20]。

2016年湖北星光玉龍公司研制的9YFL-1.9型履帶自走式方草捆打捆機(圖6)采用前置撿拾裝置及壓草結構設計，具有撿拾干凈、秸稈無二次碾壓、秸稈喂入效果好、工作效率高等特點；采用了柔性側面皮帶輸入，傳動故障率低，可實現(xiàn)無級變速，田塊適應范圍廣。

圖6 9YFL-1.9型履帶自走式方草捆打捆機

上海世爾達公司生產的9YFQ-2.3Z型正牽引方草捆打捆機(圖7)可以處理多種作物秸稈。該打捆機采用單向摩擦離合器，具有三重保險螺栓，可以有效防止機器超負荷工作，對關鍵部件起到過載保護作用；撿拾寬度增至227 cm，提高了工作效率；可通過彈簧或手柄調節(jié)草捆密實度，壓緊效果好，捆型規(guī)則，方便撿拾與堆垛。同時該機采用了大角度廣角傳動的聯(lián)軸器，打捆機可以在較窄的范圍內完成轉向，可以在小田塊的環(huán)境下完成作業(yè)。

圖7 世達爾9YFQ-2.3Z型正牽引方草捆打捆機

雷沃公司生產的MF6045打捆機(圖8)采用德國進口RS6003重型打結器，裝配了打結器除塵裝置，提高了打結可靠性，可滿足復雜工況作業(yè)需求;主傳動采用組合式9簧離合器、雙排鏈輪、雙鏈條結構傳動，應對硬茬作物仍然可以有效完成打捆處理；裝配雙輥粉碎機構，對秸稈進行二次破碎，使秸稈更細化，不需要對秸稈二次加工即可達到飼養(yǎng)標準；同時該機在只更換撿拾裝置的情況下即可完成對牧草等軟秸稈的作業(yè)，實現(xiàn)一機多用。

圖8 雷沃MF6045打捆機

雖然我國生產的打捆機與國外的產品在功能上比較接近，但是我國主要以仿制國外的打捆機為主，關鍵技術的研究并不成熟，因此國產打捆機的工作性能仍存在不足，打捆成捆率、草捆密實度、繩結強度、可靠性等方面仍與國外打捆機存在很大差距。打結器等關鍵技術的部件依賴進口，打出的草捆質量不理想，直接導致了秸稈、草料壓捆時的密實度、尺寸與設定值存在偏差、散捆率較高。

2 發(fā)展趨勢

近年來，國家將糧食、經(jīng)濟作物的二元結構調整為糧食、經(jīng)濟、飼料作物的三元結構，加上秸稈等替代性飼料資源的需求不斷增加，現(xiàn)在焚燒秸稈與秸稈還田成為了秸稈的主要處理方式，對資源環(huán)境帶來了很大的污染，造成了資源浪費。我國開始加大對打捆機研發(fā)的扶持力度，并將打捆機列入農機補貼項目，打捆機的發(fā)展也隨之迎來了契機。

1)我國田間地形多變且山地較多，小型打捆機仍占據(jù)一定的市場地位。因此，提高小型打捆機的適應性、可靠性、工作效率等性能是未來的一個發(fā)展方向。

2)自然環(huán)境的不斷惡化及國家對環(huán)境的重視程度越來越高，打捆機在工作及草捆運輸過程中對環(huán)境的影響也需要得到改善，打捆機械會向著提高撿拾、粉碎及打捆防塵效果，提高草捆密度的方向發(fā)展。

3)隨著社會的進步，為能實現(xiàn)機械的自我故障檢測、維護、數(shù)據(jù)分析等智能化功能，對機械的工作性能、操作方式等方面要求也越來越高，因此我國打捆機應向智能化方向發(fā)展。

(03)