青貯玉米收獲機(jī)割臺(tái)技術(shù)研究概況

侯晶濤，李曉康，孫偉,3，潘偉陽(yáng)，梁宇凱，李向陽(yáng)

（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；3.730518 甘肅省 安西市 甘肅省草地農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，不斷調(diào)整農(nóng)村種養(yǎng)結(jié)構(gòu)，種植業(yè)、畜牧業(yè)等的長(zhǎng)足發(fā)展使得玉米帶穗整株青貯技術(shù)得到了積極推廣，給青貯玉米產(chǎn)業(yè)提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。青貯玉米在青貯飼料中的占比不斷增大，在青貯玉米品種的選擇、種植、收獲、貯存等重要環(huán)節(jié)上的技術(shù)要求也在加大，其中的收獲環(huán)節(jié)在很大程度上決定了青貯玉米產(chǎn)業(yè)鏈的效率問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。

勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，生產(chǎn)效率低的傳統(tǒng)人工作業(yè)與機(jī)械配合的收獲方式已不再滿足需求，機(jī)械化收割青貯玉米、粉碎揉絲、打捆包膜技術(shù)逐漸成熟且占據(jù)主要地位。青貯收獲機(jī)的使用能加快整個(gè)青貯過(guò)程的進(jìn)度，大幅度提高工作效率，縮短勞動(dòng)周期，把人們從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)。收獲機(jī)上合適合理的割臺(tái)設(shè)計(jì)在保證收割質(zhì)量的同時(shí)還能降低青貯玉米收獲中的損失率，在收獲環(huán)節(jié)中起重要作用，對(duì)收獲機(jī)的性能具有重要影響。

1 我國(guó)青貯飼料發(fā)展現(xiàn)狀

青貯能有效提高青綠飼料的利用率[1]。青貯是經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵從而制成一種具有與原料相似的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、動(dòng)物消化率高，適口性好、具有芳香氣味的飼料[2]，其非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的含量高、木質(zhì)素的含量較低，適合為畜牧業(yè)養(yǎng)殖飼料所用[3]，對(duì)牛羊的肉奶質(zhì)量也有重要影響[4]，體現(xiàn)出了較高的飼用價(jià)值，滿足畜牧發(fā)展的需求[5]。但現(xiàn)實(shí)是青飼料種植面積在所有作物種植面積中占比很小，青貯飼料供需缺口仍然很大[6]，所以近年來(lái)國(guó)家大力推出并施行利于青飼料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策并加大對(duì)其發(fā)放的補(bǔ)貼。

國(guó)家政策和規(guī)劃對(duì)青飼料產(chǎn)業(yè)的迅速崛起有重要推動(dòng)作用?！度珖?guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（2016-2020 年）》中提出，遵循以養(yǎng)帶種、以種促養(yǎng)的原則，因地制宜發(fā)展青貯玉米[7]，各地政府也為種植青飼料作物提供補(bǔ)貼，加大購(gòu)買農(nóng)機(jī)裝備的優(yōu)惠力度。數(shù)據(jù)顯示，2010 年至2019 年，青藏高原的東北部青飼料種植面積大幅增加，且青飼料種植面積的擴(kuò)大還對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了積極影響。在我國(guó)，針對(duì)青貯玉米收獲的主要技術(shù)模式是直接收獲法和分段收獲法，2 種方法最主要的區(qū)別在于是否使用到青貯飼料收獲機(jī)代替人工對(duì)青貯玉米進(jìn)行收割粉碎工作。分段收獲法依靠人力收割，僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化運(yùn)輸和粉碎，因其種種弊端已逐漸被舍棄，現(xiàn)階段主要采用直接收獲法獲得高效率工作狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化收獲對(duì)青飼料產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有長(zhǎng)遠(yuǎn)深刻的意義。圖1 為直接收獲法作業(yè)流程。

圖1 直接收獲法作業(yè)流程Fig.1 Operation flow of direct harvesting method

2 國(guó)內(nèi)外割臺(tái)技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)割臺(tái)技術(shù)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)青貯機(jī)械的研究起步較晚，產(chǎn)品技術(shù)與可靠性上與國(guó)外的差距較大[8]，且基于我國(guó)地形復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境差異較大，不易實(shí)現(xiàn)較大幅寬的收獲工作。國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)商早期多生產(chǎn)與拖拉機(jī)配套的牽引式和懸掛式青貯飼料收獲機(jī)，并且幅寬一般為1～2 m。國(guó)內(nèi)研究者們參照小麥?zhǔn)斋@機(jī)，將其撥禾輪加高加大。其中，加強(qiáng)往復(fù)式切割器及其他部件強(qiáng)度的9QZ-2900 系列臥式割臺(tái)很大程度上兼顧了我國(guó)自走式青貯機(jī)割臺(tái)發(fā)展基礎(chǔ)，但其存在不均勻喂入量、受植株高度限制、靈活性較低等缺點(diǎn)。

往復(fù)式切割器多與撥禾輪配合，由動(dòng)刀、護(hù)刃器、摩擦片、壓刀板等組成，起主要作用的動(dòng)刀由很多齒刃刀片鉚接在刀桿組上。工作時(shí)，護(hù)刃器前尖將作物分成小束引向動(dòng)刀，動(dòng)刀在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)把作物莖稈推向定刀。定刀有固定支撐，當(dāng)產(chǎn)生足夠的支撐反力時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)切斷莖稈根部的作用（標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型普通切割器）[9]。針對(duì)收割高度較矮的植株莖稈的矮桿割臺(tái)也多采用標(biāo)準(zhǔn)型的往復(fù)式切割器[10]。往復(fù)式切割器功率較大，采用單刀往復(fù)方式的切割器較多，但將其使用在對(duì)玉米秸稈的切割時(shí)容易發(fā)生擁堵現(xiàn)象[11]。

往復(fù)式切割器割刀的刃口傾角（切割角）是往復(fù)式切割器的主要研究對(duì)象之一。刃口傾角（切割角）指的是動(dòng)刀片的刃口與其對(duì)稱軸線之間的夾角。在動(dòng)刀片水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，刃口傾角就是刃口所在直線與水平的運(yùn)動(dòng)方向的夾角，這個(gè)角的大小對(duì)切割阻力產(chǎn)生重要影響。隨著刃口傾角的增大，切割阻力減小。當(dāng)角度超過(guò)某限度，定、動(dòng)刀不再產(chǎn)生切割作用，植株莖稈將從中滑出。往復(fù)式切割器的缺點(diǎn)和在使用上受其他因素限制較多，使其在現(xiàn)代化機(jī)械收割領(lǐng)域中不再奪目耀眼。

隨著青貯飼料收獲機(jī)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化，圓盤式割臺(tái)青貯機(jī)占據(jù)了主流。2020 年，石家莊美迪銷售的圓盤式青貯機(jī)占其全部銷量的76.74%，中機(jī)美諾銷售的圓盤式青貯機(jī)占其總銷量90%以上[12]。新機(jī)型滾筒式多圓盤立式割臺(tái)因其結(jié)構(gòu)與植株生長(zhǎng)狀態(tài)適應(yīng)度較高，有效減少作業(yè)中產(chǎn)生的浪費(fèi)問(wèn)題而備受青睞[13]。

青貯玉米收獲機(jī)滾筒圓盤割臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)部件有機(jī)架、分禾器、輸送裝置（滾筒和攪龍）及圓盤式切割器等。機(jī)架是收獲機(jī)割臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)，是裝備割臺(tái)各部件的基礎(chǔ)，承載了割臺(tái)各個(gè)結(jié)構(gòu)，保障了割臺(tái)結(jié)構(gòu)的完整性和切割工作的正常的準(zhǔn)確的運(yùn)行，而且對(duì)各部件形成了一定的保護(hù)作用。分禾器（指）安裝在割臺(tái)的最前端，主要對(duì)玉米植株起到扶持分送的作用，為實(shí)現(xiàn)后續(xù)正常的切割動(dòng)作提供條件；其次，分禾器（指）還能對(duì)割臺(tái)的切割裝置起到一定的防堵作用，一定程度上決定著收獲后割茬的高度和對(duì)倒伏玉米的收獲效果。輸送裝置（滾筒和攪龍）通過(guò)旋轉(zhuǎn)的撥禾筒（指或片）螺旋葉片將植株集中輸送至喂入切碎裝置。

圓盤式切割器的基本結(jié)構(gòu)有法蘭盤、環(huán)形割刀、變速器和輸送滾筒，其切割輸送滾筒示意簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

圖2 切割輸送滾筒示意簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of cutting conveying drum

圓盤式切割器的運(yùn)動(dòng)形式是在水平面上或者稍有傾斜角度的斜平面上做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，圓盤刀的慣性力容易平衡并且工作時(shí)的振動(dòng)較小[14]，其切割動(dòng)作靠每組圓盤式切割器的2 個(gè)相向旋轉(zhuǎn)的刀盤差速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。與往復(fù)式切割器相似，圓盤上的鋸齒割刀以適合的鋸齒角度參數(shù)（刃前角等）和與莖稈接觸時(shí)的瞬時(shí)加速度觸及莖稈根部，莖稈受到刀盤作用給莖稈的摩擦力和與莖稈接觸面的法向反力滿足相應(yīng)位移方程和運(yùn)動(dòng)方程后，莖稈被割斷。

圓盤式切割器按有無(wú)支撐部件分為有支撐式切割裝置和無(wú)支撐式切割裝置。有支撐式切割器包括可回轉(zhuǎn)刀盤和支撐刀片，可回轉(zhuǎn)刀盤由5 到6 個(gè)刀片和刀盤鉚合組成，支撐刀片通常在圓盤刀上方較為突出的位置，在切割過(guò)程中對(duì)植株莖稈起到支撐的作用。支撐刀片扶住莖稈，圓盤割刀能更好地發(fā)揮切割作用。這種結(jié)構(gòu)的切割器要求其回轉(zhuǎn)切割速度較低；無(wú)支撐式切割裝置中刀片和刀盤固定，以莖稈自身的慣性和剛度及雙圓盤不同向回轉(zhuǎn)時(shí)將莖稈鉗住再實(shí)現(xiàn)切割。該切割器在作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度較高，切割速度較快且具有較強(qiáng)的可靠性。

在圓盤式切割器上按配備的圓盤割刀分類分為直線刀圓盤切割器、波紋式圓盤切割器、星齒式圓盤切割器和鋸齒式圓盤切割器[15]。

切割牧草或者谷物等細(xì)桿植株莖稈多用直線刀圓盤切割器，波紋式圓盤切割器受植株莖稈含水率高低的影響較大。在青貯收獲機(jī)上尤其收獲青貯玉米時(shí)，收獲機(jī)割臺(tái)上多裝星齒式圓盤割刀和鋸齒式圓盤割刀，鋸齒式圓盤割刀的刀片多數(shù)是4 片，它們呈環(huán)形排列在刀盤周圍，刀片的扇形角多數(shù)為90°，常用65Mn 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼來(lái)生產(chǎn)。這類刀片能應(yīng)對(duì)復(fù)雜作業(yè)工況，消除刀片發(fā)生彎曲變形等降低使用耐久性和影響工作效率的因素或現(xiàn)象[16]。星齒式圓盤切割器齒數(shù)根據(jù)既定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，常有多片割刀上下疊裝相互配合。

變速器箱體的主要裝置是割臺(tái)減速器，主要目的是使割臺(tái)變速器能夠同軸輸出2 個(gè)相差較大的轉(zhuǎn)速，使切割滾筒上的圓盤式切割器和輸送滾筒能按相應(yīng)轉(zhuǎn)速合理有效工作，避免重復(fù)切割。切割滾筒一般成偶數(shù)排列，這樣有利于作物在輸送中保持好的平穩(wěn)性[17]。輸送滾筒上的多層星齒分別起到撥禾、夾持和脫離的作用，外直徑最大的撥禾齒協(xié)同分禾器將作物莖稈導(dǎo)向圓盤割臺(tái)，相鄰兩喂入桶的星齒共同作用將作物莖稈夾持，最后割刀將作物莖稈割斷[18]，撥禾齒繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)將切斷的莖稈帶入攪龍，攪龍螺旋葉片旋轉(zhuǎn)將莖稈集中收入，輸送到碾壓喂入裝置進(jìn)而實(shí)現(xiàn)后續(xù)的切碎及拋送工作[19]。

2.2 國(guó)外割臺(tái)技術(shù)研究現(xiàn)狀

歐美先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)具備非常成熟的青貯玉米產(chǎn)業(yè)，并且收獲機(jī)種類多、技術(shù)先進(jìn)，在基本的割臺(tái)結(jié)構(gòu)上還使其具有一定的智能化程度。為適應(yīng)國(guó)外大部分農(nóng)場(chǎng)式大面積種植，國(guó)外的青貯飼料收獲機(jī)一般被設(shè)計(jì)為大工作幅寬的長(zhǎng)鏈?zhǔn)礁钆_(tái)或多圓盤組合割臺(tái)以確保較高的工作效率。其研究水平大大領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。在實(shí)現(xiàn)基本的切割功能上，還實(shí)現(xiàn)了矮桿作物的不對(duì)行收割，多圓盤各轉(zhuǎn)盤獨(dú)立工作，且可匹配適應(yīng)工作環(huán)境的不同轉(zhuǎn)速，配備著切割雜草的齒刀和防堵系統(tǒng)[20]，割臺(tái)工作性能高，功能全且穩(wěn)定性很強(qiáng)，各部件耐久度高，還非常注重收獲機(jī)駕駛操作員工作時(shí)的舒適性，比如降低或隔絕噪音污染，降低割臺(tái)作業(yè)中的抖動(dòng)問(wèn)題。收獲機(jī)上裝備大量電子設(shè)備來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制系統(tǒng)按對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)可以做出相應(yīng)調(diào)整動(dòng)作。

KRONE（科羅尼）Bi GX600～1100 系列自走式青貯機(jī)中，Bi BX1100 青貯機(jī)割臺(tái)最大可以提供10.5 m 的工作幅寬，系列中Bi CX700 上裝備EasyCollect753 型割臺(tái)，是世界上最寬的高稈作物割臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對(duì)14 行青貯玉米的收獲，提高的作業(yè)量達(dá)5.7%，其具有非常獨(dú)特的鏈?zhǔn)礁畹?。鏈?zhǔn)綑M向輸送作物莖稈，既增加了割臺(tái)的輸送能力，也節(jié)省了大量的傳送空間[21]。軌道式切割器定刀刀刃和動(dòng)刀形成的切割副垂直加持莖稈，可以像剪刀一樣切割莖稈，動(dòng)刀片能輕易實(shí)現(xiàn)更換，降低維護(hù)成本，割臺(tái)使用壽命還得到延長(zhǎng)。割臺(tái)兩側(cè)安裝距離控制傳感器臂可以實(shí)時(shí)調(diào)整割臺(tái)位置和運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)的一致割茬高度，科羅尼鏈?zhǔn)礁钆_(tái)如圖3 所示。

圖3 鏈?zhǔn)礁钆_(tái)Fig.3 Chain header

John Deere（約翰迪爾）8000 系列自走式青貯收獲機(jī)對(duì)種植行距無(wú)要求，可以自行開(kāi)道，作業(yè)效率極高，割臺(tái)上配備大直徑刀盤和新型智能對(duì)刀系統(tǒng)，作物流動(dòng)速度快并且消耗的功率低，刀盤制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)7 s 制停旋轉(zhuǎn)的割刀，反轉(zhuǎn)磨刀讓刀片增加保持鋒利狀態(tài)下的使用時(shí)間[22]。其上搭載的HarvestLabTM3000 傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)作物的干物質(zhì)狀態(tài)，切斷長(zhǎng)度智能管理系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)調(diào)整切段長(zhǎng)度，還有添加劑噴灑系統(tǒng)針對(duì)干物質(zhì)狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整噴灑劑量，既能滿足理想切段長(zhǎng)度，又能保證最終青貯效果[23]。約翰迪爾8500 配備冠軍割臺(tái)，可掛接400 系列大圓盤割臺(tái)，300+系列小圓盤割臺(tái)或600 系列撿拾割臺(tái)，安裝的近紅外傳感器還可以對(duì)受關(guān)注度較高的飼料指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以根據(jù)這些指標(biāo)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)調(diào)整，功能非常強(qiáng)大。

CLAAS（克拉斯）JAGUAR900 系列青貯收獲機(jī)割臺(tái)切割器可以直接安裝刀具且無(wú)需校準(zhǔn)，并且可以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)割臺(tái)角度實(shí)現(xiàn)不同作物莖稈切割長(zhǎng)度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)壓緊[24-25]。割臺(tái)配置自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，靜液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)割刀反轉(zhuǎn)工作，設(shè)計(jì)緊湊，物流順暢，實(shí)現(xiàn)了不對(duì)行收割。圖4 為多圓盤式割臺(tái)收獲機(jī)。

圖4 多圓盤式收獲機(jī)Fig.4 Multi-disc harvester

3 存在問(wèn)題及對(duì)策

收獲作業(yè)過(guò)程中，同一臺(tái)青貯玉米收獲機(jī)上的割臺(tái)對(duì)莖稈的切割效果差異較大，留茬高度不易做到完全統(tǒng)一，并且留茬表面不平整，這與割臺(tái)的高度固定控制裝置有關(guān)。使用較高精度的傳感器來(lái)獲取割臺(tái)高度信息，通過(guò)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)[26]結(jié)合實(shí)際工作需求，調(diào)節(jié)割臺(tái)高度[27]，減少振動(dòng)以提高工作效率和工作效果。留茬表面不平整與割刀性能緊密相關(guān)，針對(duì)同樣是粗大莖稈作物的甘蔗，可以通過(guò)優(yōu)化割刀提升其收獲機(jī)的切割性能[28]，比如通過(guò)增加割刀的剛性提高切割性能[29]。對(duì)于青貯玉米收獲機(jī)割刀，同樣可以在剛性等性能上進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。青貯玉米是典型的高桿粗莖作物，其收獲切割技術(shù)原理與其他作物收割是相通的，收獲器械結(jié)構(gòu)大同小異[30]，可以通過(guò)影響其他作物切割效能的因素比如割刀切削角或者刀齒高度入手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，這也有利于割臺(tái)通用性的提高。不論何種機(jī)械，可靠性和使用壽命都會(huì)在機(jī)械持續(xù)的工作中有所降低[31]，所以可以持續(xù)將關(guān)注鎖定在提高割臺(tái)的可靠性和使用壽命尤其是割臺(tái)的關(guān)鍵部件上，提高整體結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)度，降低故障率，提高運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。

配備寬幅較短割臺(tái)的收獲機(jī)在作業(yè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)重復(fù)壓地的現(xiàn)象，不利于改善土壤條件。改進(jìn)方法：（1）加長(zhǎng)割臺(tái)寬度；（2）考慮到我國(guó)地形多樣的特點(diǎn)，可將液壓系統(tǒng)加裝在割臺(tái)上，嘗試可折疊割臺(tái)的分段作業(yè)，這樣既能適應(yīng)地形特點(diǎn)，又能提高轉(zhuǎn)場(chǎng)效率。

考慮將研究重點(diǎn)放在與克拉斯、約翰迪爾等先進(jìn)青貯收獲機(jī)主機(jī)配套的割臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與創(chuàng)新上。種植間距、施氮量對(duì)同一作物子芽和青飼料生長(zhǎng)、產(chǎn)量及品質(zhì)能產(chǎn)生深刻影響，不同種植密度也影響著青貯玉米的產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[32]，所以進(jìn)行科學(xué)種植，加強(qiáng)田間管理[33]，并結(jié)合我國(guó)國(guó)情及種植土地地形等現(xiàn)狀，培育適合割臺(tái)機(jī)械化作業(yè)的滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求的新品種青貯玉米，制定新的種植模式規(guī)程也應(yīng)該在考慮實(shí)踐范圍之中。

4 結(jié)論

我國(guó)青飼料產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好，尤其青貯玉米飼料的占比在逐漸升高，國(guó)家和政府會(huì)繼續(xù)出臺(tái)頒布有利于青貯飼料行業(yè)發(fā)展的政策。我國(guó)對(duì)青貯飼料收獲機(jī)割臺(tái)的研究還處在仿制階段，割臺(tái)切割器主要以圓盤式為主，收割原理與收割豆類等作物相似，不同主要體現(xiàn)在切割器結(jié)構(gòu)上。其工作過(guò)程可以簡(jiǎn)單歸納為接觸、切割、輸送、收集。我國(guó)研制的青貯飼料收獲機(jī)割臺(tái)與發(fā)達(dá)國(guó)家的還存在較大的差距，主要表現(xiàn)在割刀性能、作業(yè)寬幅、工作穩(wěn)定性、使用壽命和一些控制技術(shù)、智能技術(shù)上，對(duì)于割臺(tái)技術(shù)的研究仍有較大的擴(kuò)展空間。