玉米摘穗裝置研究進(jìn)展及展望

摘 要 摘穗裝置是玉米收獲機(jī)的重要組成部分，摘穗裝置的工作性能直接影響著整個(gè)玉米收獲機(jī)的工作效率。根據(jù)玉米摘穗裝置的結(jié)構(gòu)形式和基于國內(nèi)外的專利數(shù)據(jù)及期刊文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，分別從縱臥式摘穗輥式、立式摘穗輥式、板式摘穗輥式和橫臥式摘穗輥式4種摘穗結(jié)構(gòu)對玉米摘穗裝置技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了概括分析，并展望了摘穗裝置技術(shù)的未來研究趨勢。

關(guān)鍵詞 玉米；摘穗裝置；摘穗輥；損傷；堵塞

中圖分類號：S225.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.09.063

摘穗裝置是玉米收獲機(jī)的重要組成部分，是收獲機(jī)最重要、最核心的結(jié)構(gòu)，提高摘穗速度且不傷及果穗是摘穗裝置設(shè)計(jì)的宗旨[1]，摘穗作業(yè)的穩(wěn)定性、連續(xù)性決定了玉米果穗的摘取品質(zhì)。摘穗裝置的目的在于實(shí)現(xiàn)果穗與莖稈之間的分離，其核心部件摘穗輥應(yīng)該具備抓取莖稈、輾壓拉引莖稈、摘取果穗及向后輸送、排出玉米莖稈的能力，且能夠?qū)崿F(xiàn)對不同直徑、不同結(jié)穗部位的玉米果穗的摘取。摘穗裝置的工作性能直接影響著整個(gè)玉米收獲機(jī)的工作效率和可靠性?，F(xiàn)有玉米收獲機(jī)摘穗裝置雖具備摘穗適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但也存在著一些技術(shù)缺陷，如對玉米穗有較嚴(yán)重的擠壓、啃傷和對籽粒的破壞，對玉米秸稈的破碎也較嚴(yán)重，不利于玉米秸稈的后續(xù)田間作業(yè)處理[2-3]；另外，玉米植株在由梢部喂入摘穗裝置的過程中，也極易產(chǎn)生斷莖堵塞的問題；同時(shí)在摘穗的過程中，摘穗精度不高，時(shí)有漏摘現(xiàn)象的發(fā)生。

1" 玉米摘穗裝置的分類

現(xiàn)有玉米收獲機(jī)的摘穗裝置按照其結(jié)構(gòu)形式主要有4種，分別為縱臥式摘穗輥式、立式摘穗輥式、板式摘穗輥式和橫臥式摘穗輥式4種結(jié)構(gòu)形式[4] 。

2" 玉米摘穗裝置的研究進(jìn)展

2.1" 縱臥式摘穗裝置

縱臥式摘穗裝置主要是由一對相對旋轉(zhuǎn)的摘穗輥、傳動(dòng)箱和摘穗輥間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。其工作原理是在摘穗的過程中，隨著玉米收獲機(jī)的運(yùn)行，摘穗輥前段將玉米莖稈引入，莖稈在兩摘穗輥之間向前移動(dòng)擠壓，在移動(dòng)擠壓的過程中實(shí)現(xiàn)果穗與玉米秸稈的分離。

對于縱臥式摘穗裝置，早在1907年，公開號為US863812A的專利文獻(xiàn)[5]就公開了將摘穗輥的表面設(shè)置成螺紋形凸起結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對莖稈的夾持輸送，但其存在對玉米的夾持率偏低的缺陷。而后公開號為US4219990A的專利文獻(xiàn)[6]對摘穗輥進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，將摘穗輥間隙設(shè)置成自動(dòng)可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，在摘穗輥的表面上設(shè)置螺紋形凸起結(jié)構(gòu)的同時(shí)設(shè)置了“L”形刀片，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)莖稈的不同直徑進(jìn)行摘穗輥間隙的自動(dòng)調(diào)節(jié)，凸棱結(jié)構(gòu)的設(shè)置提高了對玉米的夾持率，并且在摘穗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對莖稈的粉碎，方便秸稈的還田處理，即已經(jīng)基本滿足了人們對玉米摘穗裝置需具備較高夾持率、穗莖兼收的要求。進(jìn)入到21世紀(jì)，以吉林大學(xué)為首的一批研究機(jī)構(gòu)將仿生學(xué)技術(shù)應(yīng)用到玉米摘穗裝置上，即摘穗裝置的具體結(jié)構(gòu)采用模擬人工掰玉米的方式，例如公開號為CN101116392A的專利文獻(xiàn)[7]就公開了具有仿生幾何結(jié)構(gòu)表面的玉米摘穗輥，其采用對稱布置的一對摘穗輥，在光滑圓柱表面設(shè)計(jì)了圓形釘型凸包，依靠仿生幾何結(jié)構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)來增大摘穗輥對玉米植株莖稈的摩擦系數(shù)，從而有效增加摘穗輥對玉米莖稈的摘取能力，同時(shí)降低了對玉米穗的擠傷破壞。吉林大學(xué)孫國強(qiáng)運(yùn)用仿生學(xué)原理，通過對果穗與摘穗輥之間的受力進(jìn)行仿真分析，針對不同摘穗輥的材質(zhì)對應(yīng)的果穗籽粒損傷程度得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)匹配參數(shù)，針對不同玉米類型可以選定合適摘穗輥的最適材質(zhì)[8]。近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，美國約翰迪爾公司為首的農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)公司，將研發(fā)的重點(diǎn)主要集中于對拉莖輥表面結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及結(jié)合GPS定位技術(shù)、PLC控制技術(shù)將其應(yīng)用到縱臥式摘穗裝置上，實(shí)現(xiàn)玉米摘穗的智能化控制，達(dá)到摘穗更精準(zhǔn)化、智能化。

縱臥式摘穗裝置由于自身體積小、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)多用于背負(fù)式玉米收獲機(jī)。然而生產(chǎn)實(shí)踐表明，縱臥輥式摘穗裝置在實(shí)際生產(chǎn)過程中也存在著一定缺陷，由于摘穗輥的直徑、轉(zhuǎn)速、長度、傾角、表面結(jié)構(gòu)等諸多因素均影響摘穗質(zhì)量的好壞，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中需要找到上述這些因素的最優(yōu)組合，才能降低果穗的損失率，并適應(yīng)不同含水率莖稈的采摘，從而提高摘穗效率。

2.2" 立式摘穗輥式

立式摘穗輥式裝置主要由一對相對轉(zhuǎn)動(dòng)的立式摘穗輥、擋禾板、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置組成。其工作原理是莖稈切斷后通過喂入鏈喂入到摘穗輥內(nèi)，莖稈在摘穗輥的作用下向后端移動(dòng)運(yùn)輸，由于擋禾板的阻擋作用，使禾稈向垂直于輥軸方向旋轉(zhuǎn)并拋出。

立式摘穗輥式常采用單排或雙排輸送鏈對莖稈進(jìn)行輸送，然而在輸送和摘穗過程中輸送鏈?zhǔn)芰^復(fù)雜，容易導(dǎo)致夾持鏈條的脫鏈或斷鏈。同時(shí)，在夾持輸送末端與摘穗輥存在交接，而莖稈在此極容易發(fā)生堵塞。公開號為RU2053629C1的專利文獻(xiàn)[9]公開了一種立式摘穗裝置，其通過將摘穗輥與莖稈截?cái)嘌b置之間的距離進(jìn)行有效調(diào)節(jié)而降低摘穗裝置對果穗的損害。由于立式摘穗裝置存在上述缺點(diǎn)，因此在歐美等國家研制和使用都較少。

中國的玉米主產(chǎn)區(qū)因需要回收果穗和秸稈，因此一些科研院所及農(nóng)業(yè)機(jī)械公司對立式摘穗裝置的研究較多。如公告號為CN2324762Y的專利文獻(xiàn)[10]公開了一種背負(fù)前懸掛式玉米收獲機(jī)，其通過切割器切割玉米秸稈，被夾持輸送器的鏈條夾持并被帶到并列直立的摘穗器內(nèi)，果穗被相對轉(zhuǎn)動(dòng)的摘穗輥摘下，通過升運(yùn)器將果穗輸送到果穗箱內(nèi)，整機(jī)機(jī)型設(shè)計(jì)緊湊，通過性得到一定提高；又如公告號為CN2328167Y的專利文獻(xiàn)[11]，其創(chuàng)造性地將夾持鏈主動(dòng)鏈輪配置在摘穗輥前方，立式輥機(jī)型將動(dòng)鏈輪與摘穗輥或拉莖輥同輥配置，從而降低鏈條的速度，改善工作環(huán)境，提高鏈條壽命，有效避免了鏈條的脫落或斷鏈現(xiàn)象的發(fā)生。然而上述立式摘穗裝置在實(shí)際應(yīng)用過程中也僅能夠?qū)崿F(xiàn)果穗和秸稈的回收，莖稈堵塞問題還是未能夠很好解決，基于此，一些科研院所對其進(jìn)行了大量研究和改進(jìn)并取得了階段性的成果。山東理工大學(xué)公告號為CN2643629Y的專利文獻(xiàn)[12]將摘穗輥、拉莖輥及滾刀相互平行設(shè)計(jì)在殼體上，從而避免了莖稈的堆積；公告號為CN202679992U的專利文獻(xiàn)[13]采用兩對立輥喂入，使秸稈喂入在高度上適應(yīng)性增強(qiáng)，不易因秸稈喂入高度變化而發(fā)生堵塞。山東理工大學(xué)的研究重點(diǎn)側(cè)重于秸稈堵塞問題，而吉林大學(xué)的閆洪余等人對立輥式玉米收獲機(jī)關(guān)鍵部件工作機(jī)理也進(jìn)行了研究[14]，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等理論，首次全面分析了玉米收獲機(jī)夾持輸送、摘穗、剝皮、秸稈粉碎等關(guān)鍵部件的工作機(jī)理并建立了相關(guān)的模型，為玉米收獲機(jī)工作部件的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，并以此解決了摘穗輥工作效率低、落粒損失大、夾持輸送部件掉鏈和斷鏈問題，同時(shí)也解決了秸稈壓緊機(jī)構(gòu)的堵塞、卡死等長期制約立輥式玉米收獲機(jī)工作性能和可靠性的問題。

從立式摘穗裝置的技術(shù)研究來看，其主要適用于小片區(qū)作業(yè)的玉米產(chǎn)區(qū)，其未來的主要研究重點(diǎn)仍在于降低或避免收獲機(jī)在使用過程中的堵塞問題。

2.3" 板式摘穗裝置

板式摘穗裝置是由一對縱向斜置式拉莖輥和兩個(gè)摘穗板組成。其工作原理是在使用過程中通過調(diào)節(jié)板之間的間隙與摘穗輥的旋轉(zhuǎn)速度的匹配，利用摘穗板對玉米果穗的阻擋作用，由拉莖輥強(qiáng)行將玉米莖稈拉下實(shí)現(xiàn)果穗分離。

板式摘穗裝置具有效率高、工作可靠和玉米穗啃傷幾率小、掉粒和籽粒破碎現(xiàn)象較輕等優(yōu)勢，國內(nèi)外科研院所和大的農(nóng)業(yè)機(jī)械公司對板式摘穗裝置的研究投入都較多。公開號為FR2373220A1的專利文獻(xiàn)[15]公開了采用摘穗輥與直板之間的配合實(shí)現(xiàn)對玉米果穗的采摘，但是上述板式摘穗裝置在實(shí)際使用的過程中對莖稈的損壞比較嚴(yán)重，針對這一缺陷，公告號為CN2040296U的專利文獻(xiàn)[16]將摘穗板設(shè)置成階梯板形式，將階梯摘穗板與強(qiáng)拉輥結(jié)合組成強(qiáng)拉輥摘穗裝置，增強(qiáng)了拉取力，在一定程度上改善了莖稈損壞的問題。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的公開號為CN105474878A和久保田株式會(huì)社公告號為CN205812823U的專利文獻(xiàn)[17-18]也是從摘穗板入手，對摘穗板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，從而增強(qiáng)了玉米莖稈的通過性。另外，德國GeringHoff公司公開號為DE4344669C1的專利文獻(xiàn)[19]則是從拉莖輥角度對摘穗裝置進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，提高了拉莖的準(zhǔn)確率，降低或避免了漏莖。

綜上所述，板式摘穗裝置是通過切割和拉拽果柄實(shí)現(xiàn)的摘穗，能夠降低對玉米果穗的擠壓損傷，由于其采用的是拉拽式分離的方式進(jìn)行穗莖分離，使得果穗攜帶大量苞葉，同時(shí)對玉米莖稈的損壞也比較嚴(yán)重，給秸稈回收和粉碎還田都帶來一定困難，并且板式摘穗裝置是強(qiáng)制拉斷莖稈會(huì)消耗大量動(dòng)力，易造成玉米果穗果柄處斷裂，導(dǎo)致含雜率較高，輸送器上的果穗仍留有莖稈，易造成機(jī)械的堵塞。因此，進(jìn)一步降低機(jī)械的堵塞問題仍然是研究的重點(diǎn)。

2.4" 橫臥式摘穗裝置

橫臥式摘穗裝置主要是由撥禾輪、喂入輪及一對相對回轉(zhuǎn)的橫向臥輥、喂入輥、輸送裝置等組成。其工作原理是切斷后的莖稈經(jīng)輸送裝置輸送，莖稈末端進(jìn)入喂入輪和喂入輥的間隙中，莖稈垂直進(jìn)入摘穗輥間隙，在摘穗輥的碾壓旋轉(zhuǎn)下，莖稈迅速向摘穗輥的后方拋送，因果穗不能通過摘穗輥間隙，迫使穗柄彎折，穗柄在最薄弱處被折斷從而實(shí)現(xiàn)摘穗。

橫臥式摘穗裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、抓取莖稈的能力強(qiáng)和對青貯玉米的摘穗效果較好的特點(diǎn)，其多應(yīng)用在玉米聯(lián)合收獲機(jī)或青貯玉米收獲機(jī)上。公開號為CN202127618U的專利文獻(xiàn)[20]公開了一種橫向臥式玉米收獲裝置，其采用長、短摘穗輥橫向布置，同時(shí)長、短摘穗輥結(jié)構(gòu)獨(dú)立分布且長摘穗輥位置低于短摘穗輥位置，有利于摘下的果穗向果穗輸送器掉落。這種設(shè)計(jì)一方面有效減小了機(jī)器的縱向尺寸和整機(jī)的回轉(zhuǎn)半徑，提高了收獲機(jī)的道路通過性；另一方面，采用長短摘穗輥的高低設(shè)置，降低了對果穗的啃傷，同時(shí)也降低了果穗的丟失率。另外，公開號為DE102012014085A1的專利文獻(xiàn)[21]公開了一種橫臥式摘穗裝置，其通過在摘穗輥上設(shè)置勾齒對堵塞摘穗輥的莖稈進(jìn)行切斷操作，從而大大降低了穗莖在運(yùn)送過程中的堵塞。公開號為CN217825999U的專利文獻(xiàn)[22]公開了一種橫臥式摘穗拉莖裝置及莖穗兼收玉米收獲機(jī)割臺，其在摘穗輥上設(shè)置的螺距僅允許莖稈通過而阻擋果穗通過，使果穗不會(huì)咬入上下摘穗器之間，從而降低了籽粒破損率。

綜上所述，橫臥式摘穗裝置因其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得玉米果穗從頂端首先觸及摘穗輥，并且摘穗輥與果穗的接觸時(shí)間較長，極容易造成果穗被咬傷，尤其是當(dāng)多個(gè)玉米同時(shí)被喂入時(shí)，果穗會(huì)連同莖稈一起被帶入到摘穗輥中，造成果穗被摘穗輥啃傷甚至造成丟穗，因此，進(jìn)一步降低機(jī)械對玉米的啃傷仍然是未來研究的重點(diǎn)。

3" 玉米摘穗裝置研究展望

通過對4種玉米摘穗裝置技術(shù)的分類總結(jié)，并對各類摘穗裝置的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及研究重點(diǎn)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)未來玉米摘穗裝置技術(shù)的研究趨勢重點(diǎn)在以下2個(gè)方面。

1）向信息化、智能化方向發(fā)展。隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS定位系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、無人駕駛技術(shù)等不斷應(yīng)用于玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對收獲機(jī)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)，不斷減輕農(nóng)業(yè)技術(shù)人員的工作強(qiáng)度，降低作業(yè)成本，減少收獲損失，為玉米收獲機(jī)生產(chǎn)效率的提高注入新動(dòng)力。

2）向低損傷率、防堵塞方向發(fā)展。純輥式摘穗裝置由于果穗會(huì)連同莖稈在兩摘穗輥之間向前移動(dòng)擠壓，在移動(dòng)擠壓的過程中對果穗會(huì)造成擠壓或碾壓損傷；板式摘穗裝置由于其采用的是拉拽式分離的方式進(jìn)行穗莖分離，使輸送器上的果穗仍留有莖稈、大量苞葉，造成機(jī)械的堵塞。上述問題均嚴(yán)重影響玉米收獲機(jī)的工作效率，制約玉米收獲機(jī)的規(guī)?；褂?，因此，解決摘穗裝置的損傷、堵塞問題仍然是今后研發(fā)的重點(diǎn)。

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（責(zé)任編輯：易" 婧）