青貯玉米收獲機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

潘偉陽 ,李曉康，孫偉,3，侯晶濤，梁宇凱，李向陽

（1.730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.730030 甘肅省 蘭州市 甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司；3.730030 甘肅省 蘭州市 甘肅省草地農(nóng)業(yè)機(jī)械重點實驗室）

0 引言

青貯玉米作為粗飼料之首是畜牧業(yè)最主要的飼料之一,玉米秸稈既可以用來青貯也可以直接飼喂，因為其本身就含有豐富的蛋白質(zhì)和脂肪[1]。同時，由于我國正在實施各項惠農(nóng)政策,隨著中國農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整,畜牧業(yè)發(fā)展速度也相當(dāng)快,飼料需要量也在持續(xù)地提高。近年來，“糧改飼”是我國農(nóng)業(yè)改革的重點，國家積極引導(dǎo)種植青貯玉米，而隨著全國青貯玉米播種面積的不斷擴(kuò)大,對青貯玉米收割裝置的需求量也愈來愈大。在剛性需求加補(bǔ)貼政策下，雖然各大企業(yè)開始涉足青貯行業(yè)，但是由于起步較晚，缺乏先進(jìn)的技術(shù)，我國玉米青貯機(jī)械與西方相比還是有很大的差距。與傳統(tǒng)的收獲技術(shù)相比，全株機(jī)械化收獲工作效率可提高十幾倍甚至幾十倍以上，可以有效地節(jié)省勞動成本，提高工作效率，具有很好的社會效益。目前經(jīng)濟(jì)全球化新形式加速發(fā)展，我國青貯玉米收獲機(jī)械的發(fā)展將迎來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，充分了解目前國內(nèi)外青貯玉米收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為我國將來青貯收獲機(jī)的研發(fā)能夠到達(dá)新水平、新高度具有重要意義[2-6]。

1 玉米青貯主要技術(shù)模式

目前全株玉米機(jī)械化收獲技術(shù)主要有機(jī)械化切割技術(shù)、自動喂入技術(shù)、機(jī)械化切碎技術(shù)、籽粒破碎技術(shù)、機(jī)械化打捆包膜技術(shù)。玉米青貯主要技術(shù)模式分為直接收獲法和分段收獲法[7-8]。

1.1 直接收獲法

1.1.1 先收獲打捆再包膜

通常，先用收獲打捆一體機(jī)在作業(yè)地塊直接完成收割、切碎、打捆工序，經(jīng)包膜后再用夾包機(jī)運(yùn)輸?shù)絻Σ氐?。收獲打捆一體機(jī)是目前比較先進(jìn)的一種青貯收獲機(jī)，這種收獲模式效率高，人工成本低。由于收割后的玉米就地完成打捆包膜，能有效地保證青貯玉米的新鮮度。我國地貌類型多，地形錯雜分布，形成了復(fù)雜多樣的土地資源，區(qū)域差異明顯，西部地區(qū)山地面積占比高，山地交通運(yùn)輸不便，沒有像西方國家那樣大規(guī)模的種植優(yōu)勢。在此背景下，采用中小型收獲打捆一體機(jī)作業(yè)能夠有效提高收獲效率[9]。

1.1.2 先收獲再打捆包膜

在此模式下，青貯玉米收獲機(jī)在作業(yè)地塊先完成玉米的收割、切碎和裝車，再將裝有物料的車運(yùn)到指定打捆地點打捆包膜，最后再用夾包機(jī)運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢脙Υ妗Ｖ苯邮斋@法的關(guān)鍵是要保證植株新鮮和清潔。物料運(yùn)送到指定打捆地點后盡快完成打捆包膜，盡可能減少運(yùn)輸時間，避免物料在運(yùn)輸過程中和在指定打捆包膜地點堆放過程中暴曬和對壓發(fā)熱，盡量減少玉米水分、養(yǎng)分的流失。先收獲再打捆包膜的收獲方法在我國用的也比較多，目前多家企業(yè)也已經(jīng)研發(fā)出先進(jìn)的機(jī)型，例如甘肅機(jī)械科學(xué)研究院研發(fā)的青飼料打捆裹膜一體機(jī)，具有非常高的工作效率，很大程度上節(jié)省了工作成本。

1.2 分段收獲法

先人工割桿再集中粉碎最后貯存。在該模式下先采用人工收割整株玉米，然后集中就地使用粉碎機(jī)將秸稈粉碎，最后打捆機(jī)打成捆后用包膜機(jī)包膜，在地塊分散、山地丘陵較多的甘肅地區(qū)，許多牛羊養(yǎng)殖單戶采用這種收獲模式。

2 青貯機(jī)類型及特點

由于歐美等國家很早就開始涉足并研究青貯玉米收獲技術(shù),目前農(nóng)業(yè)科技已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)完善,生產(chǎn)智能化程度較高,但產(chǎn)品價格也相當(dāng)高昂。中國青貯玉米機(jī)械化起步比較遲,生產(chǎn)技術(shù)水平也相對于歐美國家來說比較落后。目前我國青貯玉米收獲機(jī)存在一些問題，但由于價格低，性價比高，國產(chǎn)收獲機(jī)也占據(jù)了一部分市場。玉米青貯過程由最早的純?nèi)斯さ桨胱詣踊俚饺缃袢詣踊?jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程，青貯收獲機(jī)與動力裝置間的連接方式也不相同。目前國內(nèi)外青貯玉米收獲機(jī)按與動力裝置連接方式可分為懸掛式、牽引式以及自走式3 種[10-11]。

2.1 懸掛式青貯收獲機(jī)

懸掛式青貯收獲機(jī)主要包括前懸掛式、側(cè)懸掛式、后懸掛式。側(cè)懸掛式和后懸掛式需要拖拉機(jī)配合使用，其動力需要依靠拖拉機(jī)提供。側(cè)懸掛式和后懸掛式都能完成切割到拋送的工序。側(cè)懸掛式機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，價格親民，但由于工作寬幅小，工作效率較低，且第1 列無法自行開道，有一定局限性。后懸掛式工作寬幅大，工作效率高，但是大部分后懸掛式工作時需要拖拉機(jī)倒開，駕駛視野不好，操作性差，也逐漸推廣較少。前懸掛式與拖拉機(jī)配套使用時要使用前懸掛動力裝置，也可與谷物收割機(jī)配合使用，其使用性能與自走式青貯收獲機(jī)相似。

2.2 牽引式青貯收獲機(jī)

牽引式青貯收獲機(jī)主要與拖拉機(jī)配套使用，成本較低，該類機(jī)械在收獲過程中第一行無法自行開道，需要人工配合，生產(chǎn)效率低。我國尚未像西方歐美國家一樣土地平坦且大規(guī)模集約化種植玉米，由于我國地形地貌的特點，中小型青貯玉米收獲機(jī)占據(jù)主要市場份額。由于此類青貯機(jī)需要拖拉機(jī)牽引，其轉(zhuǎn)彎半徑大，不適合小塊地作業(yè)，存在一定的局限性。

2.3 自走式青貯收獲機(jī)

自走式青貯收獲機(jī)是目前主流收獲機(jī)。它與牽引式、割臺式青貯收獲機(jī)相比，具有收獲率高、轉(zhuǎn)彎半徑小、工作性能好等特點，能夠一次完成從切割到物料拋送等一系列流程，具有可靠性高、切割性能好、人工強(qiáng)度低等優(yōu)點，簡單調(diào)整后可對不同作物進(jìn)行收割，實現(xiàn)“一機(jī)多用”，但機(jī)械價格較高，維修比較復(fù)雜，成本也較高[12]。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國外青貯收獲機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

歐美發(fā)達(dá)國家的青貯飼料收獲技術(shù)的研究起步較早，設(shè)備比較成熟，配套也比較完善。目前美國及西歐的產(chǎn)品技術(shù)處于高端地位，西方國家青貯機(jī)現(xiàn)在是往大功率、寬割幅、高效率、低油耗、高性能、高可靠、高舒適性、自動化和智能化等方向靠攏，且已實現(xiàn)大型化，現(xiàn)在220.5 kW（300 HP）以下及3 m 割臺的機(jī)型已經(jīng)基本退出歐美國家研發(fā)生產(chǎn)范疇[13]。

國外大多數(shù)生產(chǎn)谷物聯(lián)合收割機(jī)的公司都涉足青貯收獲機(jī)，如CLAAS、約翰迪爾、紐荷蘭、KRONE 等等。目前國外專業(yè)青貯機(jī)主要以自走式和割臺式為主。

目前國外先進(jìn)的自走式機(jī)型有KRONE BIGX600～1100850、CLAAS JAGUAR 系列、CLAAS JAGUAR 840～880 系 列 和930～980 系 列、John Deere 8000 系列和9000 系列[14]等。其中，KRONE BIGX1100 采用曼恩V8 柴油發(fā)動機(jī)，功率大、油耗較低，配備能同時收割14 行青貯玉米的割臺，可實現(xiàn)橫向傳送，節(jié)省傳送空間，作業(yè)全過程可視化，駕駛員能隨時調(diào)節(jié)工作參數(shù)[15]；CLAAS JAGUAR 960 作為科樂收青貯機(jī)的實力代表，也是世界上最暢銷的青貯收獲機(jī)之一，JAGUAR 960 Terra-Trac 收獲機(jī)獲得了SIMA 農(nóng)機(jī)展“2019 年創(chuàng)新金獎”[16]，可以減少66%的土壤壓實，具有土壤接觸面積大、輪胎壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、地頭保護(hù)系統(tǒng)、可變割臺驅(qū)動、切割長度無級調(diào)整和 V-MAX型動刀轂等優(yōu)勢；John Deere 8000 作為玉米青貯界理想機(jī)型，其優(yōu)勢在于無行距要求，機(jī)動靈活，經(jīng)濟(jì)性高，工作效率高[17]；可掛接400 系列大轉(zhuǎn)盤割臺、300 系列小轉(zhuǎn)盤割臺或600 系列撿拾器等不同類型的割臺，裝配無極可調(diào)切割長度控制系統(tǒng)。John Deere 9000 系列配備新型JD18X 發(fā)動機(jī)，不要柴油機(jī)排氣處理液。Harvest Motion Plus 是Harvest Motion 功能的最新研發(fā)成果，可在低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時提供扭矩上升和更大功率，工作時9500 型動力可達(dá) 563.01 kW（766 HP）、9600 型的達(dá) 578.45 kW（787 HP），每收獲 1 t，燃料成本降低10%，石油成本降低 33%。常見的國外懸掛式青貯機(jī)主要有Kemper C 系列等。

智能控制系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)已普遍裝備于國外先進(jìn)的青貯收獲機(jī)。智能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)自動化作業(yè)、自動對行、割臺仿形、金屬和石塊探測，切段長度可根據(jù)需求調(diào)整[18]，滾筒自動對刀磨刀，拋料自動跟車，工作效率檢測，定速巡航和喂入系統(tǒng)配有金屬檢測裝置，保證機(jī)器安全可靠，飼料中不含有其他雜質(zhì)等，信息管理系統(tǒng)可實現(xiàn)作業(yè)信息記錄、傳輸和遠(yuǎn)程操控。

3.2 國內(nèi)青貯收獲機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

如今國家增加了研發(fā)青飼料收獲機(jī)方面的投入，提高了畜牧業(yè)的發(fā)展速率，諸多企業(yè)開始涉足研發(fā)生產(chǎn)，但是國內(nèi)青貯機(jī)起步較晚，企業(yè)研發(fā)人員經(jīng)驗不足，仍有一部分企業(yè)慘淡收場，大多數(shù)企業(yè)還都徘徊在研發(fā)探索和模仿階段。目前國內(nèi)市場主要產(chǎn)品分為2 類：一類是針對大型農(nóng)場的自走式收獲機(jī)[19-20]，一類是針對中小型農(nóng)場的懸掛式和牽引式收獲機(jī)。國內(nèi)自走式收獲機(jī)代表機(jī)型有美迪9QZ 系列自走式收獲機(jī)、中機(jī)美諾9800 自走式收獲機(jī)、新疆牧神4QSZ 系列自走式收獲機(jī)等。其中，美迪9QZ-3000 型自走式青貯飼料收獲機(jī)具有割茬低、堵塞及時返吐、玉米秸稈切碎長度較短優(yōu)勢,全液壓控制，操作靈活方便，倒伏作物的收割能力也不錯，飼喂時口感好,浪費(fèi)少[21]；新疆牧神4QSZ-2200 裝備立式圓筒齒緣喂入裝置適用于不同作物不對行收割，裝配強(qiáng)制喂入系統(tǒng)充分將玉米秸稈切斷然后輸送到切碎裝置，在物料切碎裝置中通過控制切碎長度來滿足不同收獲需求，拋送裝置能夠調(diào)節(jié)不同的方向、角度將物料拋送到運(yùn)料車內(nèi)。國內(nèi)懸掛式代表機(jī)型有牧神4QX 系列[22]、9QSD 系列、新鄉(xiāng)豫東輕工4QX-2300 等，其中牧神9QSD-900[23]具有圓盤立式割臺、物料切碎長度可調(diào)、不對行收割、獨(dú)特的揉搓裝置、充分細(xì)化物料等特點。

4 我國青貯收獲機(jī)發(fā)展中存在的問題

4.1 國產(chǎn)青貯機(jī)工作可靠性低

青貯玉米收獲機(jī)作業(yè)時，受栽培密度、物種高度、地塊環(huán)境差異大等各種因素影響，載荷將有相當(dāng)大的波動，需要青貯玉米收獲機(jī)具有較大的機(jī)械強(qiáng)度以及良好的運(yùn)行平穩(wěn)性和可靠性。目前的國產(chǎn)青貯收獲機(jī)技術(shù)水平較低，且穩(wěn)定性也不高[24]。在收獲季，很多國產(chǎn)青貯機(jī)在使用中總會出現(xiàn)這樣那樣的故障，如果技術(shù)人員不能及時到場處理，就可能延誤收獲的最佳時間段，給種植戶造成損失。而國產(chǎn)切割刀、切碎動定刀、刃磨裝置等重要零件也存在壽命較短、工作穩(wěn)定性差等問題，已經(jīng)嚴(yán)重影響了國內(nèi)青貯機(jī)產(chǎn)品的整體質(zhì)量[25]。

4.2 產(chǎn)品缺乏獨(dú)創(chuàng)性、專業(yè)化程度不足

首先，中國青貯飼料收獲機(jī)的研發(fā)起步相對較晚，且國產(chǎn)青貯飼料收獲機(jī)技術(shù)缺乏重大創(chuàng)新，目前還處于試驗仿制階段，對新產(chǎn)品、新技術(shù)的研發(fā)、使用等資金投入還不夠大，對核心技術(shù)的研發(fā)還不夠深入。歐美青貯飼料收獲機(jī)以及其他機(jī)械類產(chǎn)品已經(jīng)建立了完整的生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈條，且所有配件加工均有專門企業(yè)完成，能確保產(chǎn)品的整機(jī)品質(zhì)穩(wěn)定性，確保新科技的廣泛運(yùn)用。與國外相比，在割臺的設(shè)計、切碎器自動磨刀、電液自動控制、智能控制和信息管理等方面還存在著較大差距。其次，專業(yè)的收獲與打捆一體機(jī)、打捆包膜一體機(jī)和裝載夾包機(jī)具缺少前瞻性的研究。

4.3 現(xiàn)有的土地種植模式阻礙大型青貯機(jī)的研發(fā)

目前，盡管全國已出現(xiàn)了大型農(nóng)場，但絕大部分地區(qū)仍存在著農(nóng)田集約化程度低、單塊種植規(guī)模較小等問題。目前的國內(nèi)市場狀況使中國企業(yè)缺乏專門進(jìn)行大型青貯收獲裝備研制的技術(shù)力量，同時也限制了該類機(jī)型的研發(fā)與應(yīng)用。

4.4 產(chǎn)品覆蓋面不全

目前青貯機(jī)械的研究重點是大中型機(jī)械，缺乏適合個體戶使用的青貯機(jī)。我國西北部山地比較多，地塊非常零散，這就導(dǎo)致大型收割機(jī)很難下地工作。比如甘肅地區(qū)，地塊小的種植戶大多數(shù)都是采用人力收割，再運(yùn)回家切碎打包貯藏，費(fèi)時費(fèi)力。目前市場缺乏體積小、價格便宜、可靠性高的青貯設(shè)備。

5 我國青貯玉米收獲機(jī)發(fā)展前景及建議

5.1 加強(qiáng)關(guān)鍵零部件的研發(fā)

自走式相對懸掛式和牽引式的研發(fā)就復(fù)雜一點，既要滿足主要使用性能，還要加大力度研究關(guān)鍵零部件的穩(wěn)定性和可靠性，減少故障率也是提高生產(chǎn)效率?？梢詫η兴楣ば蛑械膭拥丁⒍ǖ兜牟牧线x擇作為切入點，也可以考慮在熱處理方面做調(diào)整，力求能夠適應(yīng)各種工作環(huán)境、滿足各種工作要求。但面對國產(chǎn)割臺事故發(fā)生率比較高的現(xiàn)實情況,還需要利用現(xiàn)代設(shè)計理論,通過提高喂入設(shè)備各部件的工藝性,通過模擬各種可能出現(xiàn)的工作情景并對其作有限元分析,對其薄弱環(huán)節(jié)作針對化處理,以增強(qiáng)可靠性與穩(wěn)定性。

5.2 收獲與打捆一體化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

我國目前采用的大多數(shù)青貯玉米收獲作業(yè)方法都是先收獲再打捆包膜，也就是在作業(yè)地塊完成收割到物料拋送這一系列流程，再將物料運(yùn)送到指定地點打捆包膜。此種收獲模式與采用收獲打捆一體機(jī)相比，過程較繁瑣，人力物力成本也相對較高，物料輸送運(yùn)輸過程中還可能造成浪費(fèi)[26-27]，所需要的配套設(shè)備也比較多。最重要的一點是，切碎后的物料如果打包不及時易造成水分以及養(yǎng)分的流失，影響飼料的質(zhì)量與適口性[28]，而歐美國家先進(jìn)的收獲打捆一體機(jī)拿過來還不能直接用，因此研究適合我國種植模式的青貯收獲與打捆一體機(jī)也將成為未來推動我國農(nóng)業(yè)自動化生產(chǎn)的重要方向。

5.3 加快開發(fā)大中型先進(jìn)收獲機(jī)型

盡管我們現(xiàn)在跟國外先進(jìn)青貯機(jī)在許多方面有較大差距，特別是在一些先進(jìn)技術(shù)方面差異較明顯，但是國內(nèi)現(xiàn)在很多企業(yè)都開始走自主創(chuàng)新、自主研發(fā)道路。因此，在現(xiàn)有設(shè)計水平的前提下，我們要做的不是一味模仿，而是要借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，研究出適合我國種植模式的先進(jìn)機(jī)型。一是因為我國人口多，而土地分布復(fù)雜、分散，各地區(qū)農(nóng)作物種植也有很大不同，現(xiàn)階段想要統(tǒng)一實現(xiàn)大型化還有很大的困難，因此需要研發(fā)滿足不同地區(qū)種植規(guī)模的青貯玉米收獲機(jī)，提高產(chǎn)品競爭力來搶占國內(nèi)市場。目前國內(nèi)市場最受歡迎的是中型青貯設(shè)備。隨著中國農(nóng)業(yè)趨向產(chǎn)業(yè)化，以及未來耕地集約化程度的不斷增加,青貯玉米播種面積和規(guī)模將不斷擴(kuò)大，由于青貯玉米收獲周期比較短，要盡可能保存水分和養(yǎng)分，使得青貯機(jī)械向大中型趨勢靠攏，來滿足收獲效率，降低收獲成本；二是節(jié)約農(nóng)民的成本。因為青貯玉米收獲周期短，農(nóng)民購買后閑置時間長，為了提高利用率，有必要將農(nóng)機(jī)規(guī)范化、系統(tǒng)化，從而達(dá)到一機(jī)多用的目標(biāo)，只需要一個主機(jī)裝配不同的零部件，收割不同的農(nóng)作物，既降低了農(nóng)民購買成本，增加了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益，又推動企業(yè)產(chǎn)品朝著系列化方向發(fā)展，降低了企業(yè)研發(fā)成本，實現(xiàn)農(nóng)民與企業(yè)雙贏[29]。

5.4 加快自動化與智能化開發(fā)與應(yīng)用

國外目前農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化和自動化技術(shù)較為成熟。像機(jī)電液一體化、定速巡航、自動對行、信息管理等一系列先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在大中型青貯機(jī)中廣泛應(yīng)用，從而提高了產(chǎn)品的作業(yè)效率，也提高了可靠性和穩(wěn)定性。在保證滿足工作要求的前提下，提高舒適性與方便可操作性也被更加重視。我國現(xiàn)在在液壓傳動技術(shù)和電氣自動化控制技術(shù)領(lǐng)域已有重大突破，在農(nóng)機(jī)中的應(yīng)用也較為廣泛，再加上社會越來越重視、越來越認(rèn)可自動化和智能機(jī)械裝置，加快自動化和智能化程度較高的青貯收獲裝置的研制發(fā)展及其應(yīng)用已成為當(dāng)下研發(fā)目標(biāo)之一。

5.5 加快高效能與低能耗的開發(fā)與應(yīng)用

隨著世界能源危機(jī)的加劇和人類對環(huán)境保護(hù)意識的日益增強(qiáng)，高效能、低消耗產(chǎn)品的研制和使用已經(jīng)日益成為未來主要發(fā)展趨勢。發(fā)達(dá)國家對此方面的研究起步較早，而我國對于青貯機(jī)的研發(fā)起步較晚，同時缺乏自主創(chuàng)新，關(guān)鍵零部件一定程度上依賴進(jìn)口，導(dǎo)致目前國產(chǎn)機(jī)性能一般。因此想要達(dá)到高效能低能耗的水平，就必須找準(zhǔn)出發(fā)點、把握切入點、明確落腳點，在結(jié)構(gòu)性能、動力匹配、動力傳輸方面深入研究，不斷優(yōu)化，在保證高效能的前提下達(dá)到低能耗的效果[30]。

5.6 政府加強(qiáng)扶持

在當(dāng)前農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的推動下，我國青貯玉米種植面積不斷擴(kuò)大，更需要機(jī)械化生產(chǎn)提高效率，而購買青貯玉米收獲機(jī)對于農(nóng)戶來說是一次比較大的投資，因此需要政府在大力推廣種植青貯玉米的同時加大農(nóng)戶購機(jī)補(bǔ)貼，增加對企業(yè)研發(fā)技術(shù)的投資力度，推動我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)邁向機(jī)械化。