青贮玉米收获机发展现状与展望
潘伟阳 ,李晓康，孙伟,3，侯晶涛，梁宇凯，李向阳
（1.730070 甘肃省 兰州市 甘肃农业大学 机电工程学院；
2.730030 甘肃省 兰州市 甘肃省机械科学研究院有限责任公司；
3.730030 甘肃省 兰州市 甘肃省草地农业机械重点实验室）
青贮玉米作为粗饲料之首是畜牧业最主要的饲料之一,玉米秸秆既可以用来青贮也可以直接饲喂，因为其本身就含有丰富的蛋白质和脂肪[1]。同时，由于我国正在实施各项惠农政策,随着中国农村产业结构的不断调整,畜牧业发展速度也相当快,饲料需要量也在持续地提高。近年来，“粮改饲”是我国农业改革的重点，国家积极引导种植青贮玉米，而随着全国青贮玉米播种面积的不断扩大,对青贮玉米收割装置的需求量也愈来愈大。在刚性需求加补贴政策下，虽然各大企业开始涉足青贮行业，但是由于起步较晚，缺乏先进的技术，我国玉米青贮机械与西方相比还是有很大的差距。与传统的收获技术相比，全株机械化收获工作效率可提高十几倍甚至几十倍以上，可以有效地节省劳动成本，提高工作效率，具有很好的社会效益。目前经济全球化新形式加速发展，我国青贮玉米收获机械的发展将迎来新的机遇和挑战，充分了解目前国内外青贮玉米收获机的发展现状和发展趋势，为我国将来青贮收获机的研发能够到达新水平、新高度具有重要意义[2-6]。
目前全株玉米机械化收获技术主要有机械化切割技术、自动喂入技术、机械化切碎技术、籽粒破碎技术、机械化打捆包膜技术。玉米青贮主要技术模式分为直接收获法和分段收获法[7-8]。
1.1 直接收获法
1.1.1 先收获打捆再包膜
通常，先用收获打捆一体机在作业地块直接完成收割、切碎、打捆工序，经包膜后再用夹包机运输到储藏地。收获打捆一体机是目前比较先进的一种青贮收获机，这种收获模式效率高，人工成本低。由于收割后的玉米就地完成打捆包膜，能有效地保证青贮玉米的新鲜度。我国地貌类型多，地形错杂分布，形成了复杂多样的土地资源，区域差异明显，西部地区山地面积占比高，山地交通运输不便，没有像西方国家那样大规模的种植优势。在此背景下，采用中小型收获打捆一体机作业能够有效提高收获效率[9]。
1.1.2 先收获再打捆包膜
在此模式下，青贮玉米收获机在作业地块先完成玉米的收割、切碎和装车，再将装有物料的车运到指定打捆地点打捆包膜，最后再用夹包机运输到指定位置储存。直接收获法的关键是要保证植株新鲜和清洁。物料运送到指定打捆地点后尽快完成打捆包膜，尽可能减少运输时间，避免物料在运输过程中和在指定打捆包膜地点堆放过程中暴晒和对压发热，尽量减少玉米水分、养分的流失。先收获再打捆包膜的收获方法在我国用的也比较多，目前多家企业也已经研发出先进的机型，例如甘肃机械科学研究院研发的青饲料打捆裹膜一体机，具有非常高的工作效率，很大程度上节省了工作成本。
1.2 分段收获法
先人工割杆再集中粉碎最后贮存。在该模式下先采用人工收割整株玉米，然后集中就地使用粉碎机将秸秆粉碎，最后打捆机打成捆后用包膜机包膜，在地块分散、山地丘陵较多的甘肃地区，许多牛羊养殖单户采用这种收获模式。
由于欧美等国家很早就开始涉足并研究青贮玉米收获技术,目前农业科技已经发展得相当完善,生产智能化程度较高,但产品价格也相当高昂。中国青贮玉米机械化起步比较迟,生产技术水平也相对于欧美国家来说比较落后。目前我国青贮玉米收获机存在一些问题，但由于价格低，性价比高，国产收获机也占据了一部分市场。玉米青贮过程由最早的纯人工到半自动化再到如今全自动化，经历了漫长的发展历程，青贮收获机与动力装置间的连接方式也不相同。目前国内外青贮玉米收获机按与动力装置连接方式可分为悬挂式、牵引式以及自走式3 种[10-11]。
2.1 悬挂式青贮收获机
悬挂式青贮收获机主要包括前悬挂式、侧悬挂式、后悬挂式。侧悬挂式和后悬挂式需要拖拉机配合使用，其动力需要依靠拖拉机提供。侧悬挂式和后悬挂式都能完成切割到抛送的工序。侧悬挂式机械结构紧凑，价格亲民，但由于工作宽幅小，工作效率较低，且第1 列无法自行开道，有一定局限性。后悬挂式工作宽幅大，工作效率高，但是大部分后悬挂式工作时需要拖拉机倒开，驾驶视野不好，操作性差，也逐渐推广较少。前悬挂式与拖拉机配套使用时要使用前悬挂动力装置，也可与谷物收割机配合使用，其使用性能与自走式青贮收获机相似。
2.2 牵引式青贮收获机
牵引式青贮收获机主要与拖拉机配套使用，成本较低，该类机械在收获过程中第一行无法自行开道，需要人工配合，生产效率低。我国尚未像西方欧美国家一样土地平坦且大规模集约化种植玉米，由于我国地形地貌的特点，中小型青贮玉米收获机占据主要市场份额。由于此类青贮机需要拖拉机牵引，其转弯半径大，不适合小块地作业，存在一定的局限性。
2.3 自走式青贮收获机
自走式青贮收获机是目前主流收获机。它与牵引式、割台式青贮收获机相比，具有收获率高、转弯半径小、工作性能好等特点，能够一次完成从切割到物料抛送等一系列流程，具有可靠性高、切割性能好、人工强度低等优点，简单调整后可对不同作物进行收割，实现“一机多用”，但机械价格较高，维修比较复杂，成本也较高[12]。
3.1 国外青贮收获机发展现状
欧美发达国家的青贮饲料收获技术的研究起步较早，设备比较成熟，配套也比较完善。目前美国及西欧的产品技术处于高端地位，西方国家青贮机现在是往大功率、宽割幅、高效率、低油耗、高性能、高可靠、高舒适性、自动化和智能化等方向靠拢，且已实现大型化，现在220.5 kW（300 HP）以下及3 m 割台的机型已经基本退出欧美国家研发生产范畴[13]。
国外大多数生产谷物联合收割机的公司都涉足青贮收获机，如CLAAS、约翰迪尔、纽荷兰、KRONE 等等。目前国外专业青贮机主要以自走式和割台式为主。
目前国外先进的自走式机型有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 柴油发动机，功率大、油耗较低，配备能同时收割14 行青贮玉米的割台，可实现横向传送，节省传送空间，作业全过程可视化，驾驶员能随时调节工作参数[15]；
CLAAS JAGUAR 960 作为科乐收青贮机的实力代表，也是世界上最畅销的青贮收获机之一，JAGUAR 960 Terra-Trac 收获机获得了SIMA 农机展“2019 年创新金奖”[16]，可以减少66%的土壤压实，具有土壤接触面积大、轮胎压力调节系统、地头保护系统、可变割台驱动、切割长度无级调整和 V-MAX型动刀毂等优势；
John Deere 8000 作为玉米青贮界理想机型，其优势在于无行距要求，机动灵活，经济性高，工作效率高[17]；
可挂接400 系列大转盘割台、300 系列小转盘割台或600 系列捡拾器等不同类型的割台，装配无极可调切割长度控制系统。John Deere 9000 系列配备新型JD18X 发动机，不要柴油机排气处理液。Harvest Motion Plus 是Harvest Motion 功能的最新研发成果，可在低发动机转速时提供扭矩上升和更大功率，工作时9500 型动力可达 563.01 kW（766 HP）、9600 型的达 578.45 kW（787 HP），每收获 1 t，燃料成本降低10%，石油成本降低 33%。常见的国外悬挂式青贮机主要有Kemper C 系列等。
智能控制系统、信息管理系统已普遍装备于国外先进的青贮收获机。智能控制系统可实现自动化作业、自动对行、割台仿形、金属和石块探测，切段长度可根据需求调整[18]，滚筒自动对刀磨刀，抛料自动跟车，工作效率检测，定速巡航和喂入系统配有金属检测装置，保证机器安全可靠，饲料中不含有其他杂质等，信息管理系统可实现作业信息记录、传输和远程操控。
3.2 国内青贮收获机发展现状
如今国家增加了研发青饲料收获机方面的投入，提高了畜牧业的发展速率，诸多企业开始涉足研发生产，但是国内青贮机起步较晚，企业研发人员经验不足，仍有一部分企业惨淡收场，大多数企业还都徘徊在研发探索和模仿阶段。目前国内市场主要产品分为2 类：一类是针对大型农场的自走式收获机[19-20]，一类是针对中小型农场的悬挂式和牵引式收获机。国内自走式收获机代表机型有美迪9QZ 系列自走式收获机、中机美诺9800 自走式收获机、新疆牧神4QSZ 系列自走式收获机等。其中，美迪9QZ-3000 型自走式青贮饲料收获机具有割茬低、堵塞及时返吐、玉米秸秆切碎长度较短优势,全液压控制，操作灵活方便，倒伏作物的收割能力也不错，饲喂时口感好,浪费少[21]；
新疆牧神4QSZ-2200 装备立式圆筒齿缘喂入装置适用于不同作物不对行收割，装配强制喂入系统充分将玉米秸秆切断然后输送到切碎装置，在物料切碎装置中通过控制切碎长度来满足不同收获需求，抛送装置能够调节不同的方向、角度将物料抛送到运料车内。国内悬挂式代表机型有牧神4QX 系列[22]、9QSD 系列、新乡豫东轻工4QX-2300 等，其中牧神9QSD-900[23]具有圆盘立式割台、物料切碎长度可调、不对行收割、独特的揉搓装置、充分细化物料等特点。
4.1 国产青贮机工作可靠性低
青贮玉米收获机作业时，受栽培密度、物种高度、地块环境差异大等各种因素影响，载荷将有相当大的波动，需要青贮玉米收获机具有较大的机械强度以及良好的运行平稳性和可靠性。目前的国产青贮收获机技术水平较低，且稳定性也不高[24]。在收获季，很多国产青贮机在使用中总会出现这样那样的故障，如果技术人员不能及时到场处理，就可能延误收获的最佳时间段，给种植户造成损失。而国产切割刀、切碎动定刀、刃磨装置等重要零件也存在寿命较短、工作稳定性差等问题，已经严重影响了国内青贮机产品的整体质量[25]。
4.2 产品缺乏独创性、专业化程度不足
首先，中国青贮饲料收获机的研发起步相对较晚，且国产青贮饲料收获机技术缺乏重大创新，目前还处于试验仿制阶段，对新产品、新技术的研发、使用等资金投入还不够大，对核心技术的研发还不够深入。欧美青贮饲料收获机以及其他机械类产品已经建立了完整的生产产业链条，且所有配件加工均有专门企业完成，能确保产品的整机品质稳定性，确保新科技的广泛运用。与国外相比，在割台的设计、切碎器自动磨刀、电液自动控制、智能控制和信息管理等方面还存在着较大差距。其次，专业的收获与打捆一体机、打捆包膜一体机和装载夹包机具缺少前瞻性的研究。
4.3 现有的土地种植模式阻碍大型青贮机的研发
目前，尽管全国已出现了大型农场，但绝大部分地区仍存在着农田集约化程度低、单块种植规模较小等问题。目前的国内市场状况使中国企业缺乏专门进行大型青贮收获装备研制的技术力量，同时也限制了该类机型的研发与应用。
4.4 产品覆盖面不全
目前青贮机械的研究重点是大中型机械，缺乏适合个体户使用的青贮机。我国西北部山地比较多，地块非常零散，这就导致大型收割机很难下地工作。比如甘肃地区，地块小的种植户大多数都是采用人力收割，再运回家切碎打包贮藏，费时费力。目前市场缺乏体积小、价格便宜、可靠性高的青贮设备。
5.1 加强关键零部件的研发
自走式相对悬挂式和牵引式的研发就复杂一点，既要满足主要使用性能，还要加大力度研究关键零部件的稳定性和可靠性，减少故障率也是提高生产效率。可以对切碎工序中的动刀、定刀的材料选择作为切入点，也可以考虑在热处理方面做调整，力求能够适应各种工作环境、满足各种工作要求。但面对国产割台事故发生率比较高的现实情况,还需要利用现代设计理论,通过提高喂入设备各部件的工艺性,通过模拟各种可能出现的工作情景并对其作有限元分析,对其薄弱环节作针对化处理,以增强可靠性与稳定性。
5.2 收获与打捆一体化技术的开发与应用
我国目前采用的大多数青贮玉米收获作业方法都是先收获再打捆包膜，也就是在作业地块完成收割到物料抛送这一系列流程，再将物料运送到指定地点打捆包膜。此种收获模式与采用收获打捆一体机相比，过程较繁琐，人力物力成本也相对较高，物料输送运输过程中还可能造成浪费[26-27]，所需要的配套设备也比较多。最重要的一点是，切碎后的物料如果打包不及时易造成水分以及养分的流失，影响饲料的质量与适口性[28]，而欧美国家先进的收获打捆一体机拿过来还不能直接用，因此研究适合我国种植模式的青贮收获与打捆一体机也将成为未来推动我国农业自动化生产的重要方向。
5.3 加快开发大中型先进收获机型
尽管我们现在跟国外先进青贮机在许多方面有较大差距，特别是在一些先进技术方面差异较明显，但是国内现在很多企业都开始走自主创新、自主研发道路。因此，在现有设计水平的前提下，我们要做的不是一味模仿，而是要借鉴国外先进技术，研究出适合我国种植模式的先进机型。一是因为我国人口多，而土地分布复杂、分散，各地区农作物种植也有很大不同，现阶段想要统一实现大型化还有很大的困难，因此需要研发满足不同地区种植规模的青贮玉米收获机，提高产品竞争力来抢占国内市场。目前国内市场最受欢迎的是中型青贮设备。随着中国农业趋向产业化，以及未来耕地集约化程度的不断增加,青贮玉米播种面积和规模将不断扩大，由于青贮玉米收获周期比较短，要尽可能保存水分和养分，使得青贮机械向大中型趋势靠拢，来满足收获效率，降低收获成本；
二是节约农民的成本。因为青贮玉米收获周期短，农民购买后闲置时间长，为了提高利用率，有必要将农机规范化、系统化，从而达到一机多用的目标，只需要一个主机装配不同的零部件，收割不同的农作物，既降低了农民购买成本，增加了农民的经济效益，又推动企业产品朝着系列化方向发展，降低了企业研发成本，实现农民与企业双赢[29]。
5.4 加快自动化与智能化开发与应用
国外目前农业机械智能化和自动化技术较为成熟。像机电液一体化、定速巡航、自动对行、信息管理等一系列先进技术已经在大中型青贮机中广泛应用，从而提高了产品的作业效率，也提高了可靠性和稳定性。在保证满足工作要求的前提下，提高舒适性与方便可操作性也被更加重视。我国现在在液压传动技术和电气自动化控制技术领域已有重大突破，在农机中的应用也较为广泛，再加上社会越来越重视、越来越认可自动化和智能机械装置，加快自动化和智能化程度较高的青贮收获装置的研制发展及其应用已成为当下研发目标之一。
5.5 加快高效能与低能耗的开发与应用
随着世界能源危机的加剧和人类对环境保护意识的日益增强，高效能、低消耗产品的研制和使用已经日益成为未来主要发展趋势。发达国家对此方面的研究起步较早，而我国对于青贮机的研发起步较晚，同时缺乏自主创新，关键零部件一定程度上依赖进口，导致目前国产机性能一般。因此想要达到高效能低能耗的水平，就必须找准出发点、把握切入点、明确落脚点，在结构性能、动力匹配、动力传输方面深入研究，不断优化，在保证高效能的前提下达到低能耗的效果[30]。
5.6 政府加强扶持
在当前农业产业结构调整的推动下，我国青贮玉米种植面积不断扩大，更需要机械化生产提高效率，而购买青贮玉米收获机对于农户来说是一次比较大的投资，因此需要政府在大力推广种植青贮玉米的同时加大农户购机补贴，增加对企业研发技术的投资力度，推动我国农业生产迈向机械化。
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