國內(nèi)外玉米收獲機械發(fā)展現(xiàn)狀及展望(一)

　　一、引言

　　玉米是我國主要的糧食作物之一，也是農(nóng)民收入的重要來源。隨著我國農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)政策的實施，以及農(nóng)村勞動力不斷向二、三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，農(nóng)村勞動力越來越少，玉米的生產(chǎn)成本也在不斷增加。收獲作業(yè)是整個玉米生產(chǎn)過程中**重要的一個環(huán)節(jié)，對整個玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量的提升具有很大的影響。其作業(yè)特點是時間緊、任務(wù)重、季節(jié)性強，易遭受風(fēng)、雨等自然天氣侵蝕而造成減產(chǎn)。因此，實現(xiàn)玉米收獲機械化作業(yè)對于提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、降低收獲損失和確保豐收具有非常重要的意義。據(jù)統(tǒng)計，至2013年底，我國玉米機收率為49%，且發(fā)展緩慢，使用機型以背負式為主，工藝落后、生產(chǎn)效率低、收獲損失大等問題已經(jīng)成為制約我國玉米生產(chǎn)的主要因素之一。然而，美國、德國、日本等發(fā)達國家早在20世紀60年代初期已經(jīng)基本實現(xiàn)了玉米收獲的全程機械化，并朝著大型化、自動化、現(xiàn)代化和精準(zhǔn)化方向發(fā)展。

資料圖

　　二、國外玉米收獲機械發(fā)展現(xiàn)狀及特點

　　在機械化程度較高的歐洲和美洲的一些國家，玉米機械化收獲已有幾十年的歷史。根據(jù)地域、氣候條件和種植制度的不同，各地區(qū)的玉米收獲機械正在朝著不同的方向發(fā)展。19世紀初期，美國就發(fā)明了由人或牲畜提供動力的脫粒機和割捆機，1920年生產(chǎn)出29.4kW的玉米聯(lián)合收獲機，到1939年成功制作出第1臺自走式玉米聯(lián)合收獲機械，從此美國玉米收獲基本實現(xiàn)機械化。20世紀70年代后進入高速發(fā)展階段，機具朝著大型化、通用化和高效的方向發(fā)展，電子技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等先進的智能技術(shù)也紛紛運用到玉米收獲機上。結(jié)合其比較成熟、統(tǒng)一的種植工藝，使得玉米收獲機快速發(fā)展。

　　歐洲國家則在割捆機和脫粒機的基礎(chǔ)上設(shè)計出了眾多類型的玉米收獲機，如東德E512型聯(lián)合收獲機、克拉斯D76和法國布勞特801等。日本則借鑒西方先進的玉米收獲機械經(jīng)驗，結(jié)合日本多山地的地貌，設(shè)計制作出了一系列結(jié)構(gòu)小巧、性能優(yōu)良的收獲機械。由于該國以種植水稻為主，所以收獲機械多數(shù)為水稻收獲機械。日本收獲機械發(fā)展特點是起步晚但發(fā)展迅速:從1967年開始推廣半喂入式聯(lián)合收獲機械到1977年全國水稻機收率為91.4%，僅用了10年。目前，日本的水稻收獲機械在自動化程度和收獲性能等方面均達到世界先進水平，久保田、洋馬等公司生產(chǎn)的收獲機械性能處于**領(lǐng)先水平。

　　玉米收獲是通過一次或幾次作業(yè)完成切割、摘穗、秸稈還田(或回收)、果穗收集和脫粒等過程，可以用不同的方法來實現(xiàn)。根據(jù)不同的自然環(huán)境、技術(shù)水平、種植規(guī)模和種植制度，目前常用的玉米收獲工藝主要有以下幾種:

　　A、分段收獲法

　　分段收獲是將玉米收獲各個環(huán)節(jié)分開進行。首先人工將玉米果穗摘下，再用玉米割臺將秸稈割倒，鋪放在田間;然后人工將果穗和秸稈運送回場地晾曬，用脫粒機進行脫粒、分離和清選。這種機械的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于操作;缺點是需要耗費眾多勞動力、生產(chǎn)效率低;適用于種植規(guī)模較小、經(jīng)濟發(fā)展欠缺的地區(qū)。

　　B、聯(lián)合收獲法

　　聯(lián)合收獲法是利用玉米聯(lián)合收獲機在田間一次性完成切割、摘穗、剝皮、脫粒、清選和秸稈還田作業(yè)。這種方法效率高、損失少，非常適合大型農(nóng)場使用;但該類玉米收獲機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、售價高、收獲結(jié)束閑置時間長，整機利用率較低。

　　C、兩段收獲法

　　該方法首先用割曬機將秸稈割倒并鋪放在割茬上，經(jīng)過3～5天晾曬使玉米成熟并風(fēng)干，然后使用具有拾禾器的玉米收獲機進行撿拾、摘穗、剝皮和脫粒、分離、清選作業(yè)。這種方法可以使絕大多數(shù)籽粒飽滿、堅實、色澤一致，提高了糧食的等級;收獲后玉米籽粒含水率低，可直接入倉。但是，兩段收獲法耗時較長一般需要提前7～8天進行，割曬和收獲分別作業(yè)，進地兩次，增大機械對土壤的壓實作用的同時，功率消耗有明顯增加。

　　D、割前脫粒法

　　這是一種比較新的玉米收獲工藝，先將玉米果穗摘下然后再進行秸稈切割。這種方法的特點是機器結(jié)構(gòu)簡單，功率消耗低，收獲損失大。目前，該機型還處在開發(fā)研制階段，工作質(zhì)量有待提高，普及程度較小。隨著適應(yīng)機械化生產(chǎn)玉米品種的出現(xiàn)和玉米種植農(nóng)藝技術(shù)的不斷發(fā)展完善，玉米收獲機的結(jié)構(gòu)和類型也在不斷地發(fā)生變化。目前，發(fā)達國家根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件和種植制度的不同，主要采用玉米果穗收獲機和換裝玉米割臺的谷物聯(lián)合收獲機這兩種形式。

　　三、玉米果穗收獲機

　　在俄羅斯、烏克蘭和歐洲的一些國家，受當(dāng)?shù)貧夂驐l件和種植制度的影響，收獲時玉米籽粒含水率一般在25%～35%之間，不宜采用直接脫粒的方法進行收獲，故采用專用的玉米果穗收獲機進行分段收獲。第1段收獲是指將秸稈切斷后摘穗，收集果穗并將秸稈粉碎還田;第2段收獲是指將玉米果穗晾干后去皮脫粒，經(jīng)清選后入倉。如約翰迪爾Y210型玉米果穗收獲機，該機設(shè)計新穎，在剝皮、莖稈粉碎處理等方面進行大膽創(chuàng)新，可以一次完成玉米作物的摘穗、輸送、剝皮、裝箱、秸稈粉碎還田的全過程作業(yè)。該機型裝配先進的靜液壓驅(qū)動行走裝置，操作更加靈活便捷，作業(yè)速度高達8km/h，并可實現(xiàn)無級變速，且機構(gòu)更加耐久可靠;安裝的莖稈鋪放裝置性能優(yōu)越，高效可靠，滿足用戶對莖稈回收利用和粉碎還田的不同需求。

　　四、在谷物聯(lián)合收割機上配置專用的玉米割臺

　　像美國、加拿大等國家，其種植方式為一年一季，收獲時玉米籽粒的含水率低于24%，可以直接收獲玉米籽粒。美國迪爾公司、凱斯公司、德國Mengle公司和道依茨公司等生產(chǎn)的玉米聯(lián)合收獲機，絕大部分是在小麥聯(lián)合收獲機上換裝玉米割臺，并通過調(diào)節(jié)脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速和脫粒間隙進行玉米的聯(lián)合收獲。例如，JohnDeere公司的C110型谷物聯(lián)合收獲機，采用切流式脫離滾筒加軸流板齒分離滾筒結(jié)構(gòu)，增強了機器的脫離、分離性能，降低了谷物破碎率，喂入量高達7kg/s;通過選配不同割臺，可以收獲水稻、麥、大豆和玉米等多種作物，實現(xiàn)了一機多用。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進步，國外玉米收獲機發(fā)展主要有以下幾個特點:

　　1)向高效、大型、大功率、寬割幅、大喂入量和高速發(fā)展

　　在美國和加拿大的一些大型農(nóng)場，大型的玉米收獲機正在逐漸推廣。該類機型發(fā)動機**大功率可達250kW，喂入量達到10kg/s;割臺**大割幅已經(jīng)超過9m并可以折疊，收獲機作業(yè)速度超過8km/h。

　　2)向擴大機器的通用性和提高適應(yīng)性發(fā)展

　　聯(lián)合收獲機除了可以配置不同的割臺實現(xiàn)收獲大豆、玉米、小麥和水稻外，同一臺機器還可以配置不同割幅的割臺以適應(yīng)不同地塊種植密的需要；通過改變分禾器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)植株連續(xù)導(dǎo)入技術(shù)，強制抓取、橫向輸送、有序喂入，從而解決了不同行距玉米的收獲問題，擴大機器通用性。設(shè)計玉米收獲機脫粒機構(gòu)為仿生機構(gòu)，使其能夠自動適應(yīng)傾斜地面，提高機器對不同地形的適應(yīng)能力;選配大尺寸輪胎或履帶，提高收獲機對不同土壤狀況的適應(yīng)能力。

　　3)高清潔度主要工作部件的研究更為深入

　　籽粒清潔度是衡量收獲機工作性能的重要指標(biāo)之一，提高脫粒清選裝置的生產(chǎn)率和籽粒清潔度，降低谷物損失率和破碎率是現(xiàn)代玉米聯(lián)合收獲機的主要發(fā)展趨勢。研究發(fā)現(xiàn):摘穗輥輥型是影響摘穗性能的主要因素，通過試驗設(shè)計新型摘穗輥，提高摘穗輥對玉米不同直徑、不同結(jié)穗部位和不同穗型的適應(yīng)性，減少果穗損傷、降低籽粒破碎率及提高籽粒清潔度。脫粒機構(gòu)采用雙滾筒軸流式脫粒分離結(jié)構(gòu)，大大提高了脫粒效率的同時提高籽粒清潔度。

　　4)廣泛應(yīng)用新材料和先進制造技術(shù)

　　伴隨著新制造技術(shù)和新材料的應(yīng)用，收獲機的性能更好、更快、可靠性更高。通過利用ADAMS、Pro/E、UG等虛擬仿真軟件對零部件的力學(xué)性能及整機的作業(yè)效果進行仿真分析，可以降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。玉米收獲機的機架使用質(zhì)量輕、強度大鋁合金材料，降低機身質(zhì)量的同時減少動力消耗;在脫粒機構(gòu)、輸送機構(gòu)等容易磨損的零件表面進行硬化處理，延長零部件的使用壽命;重要零部件要進行磨合試驗和試運轉(zhuǎn)，從而降低機組故障率，提高機組可靠性。

　　5)廣泛應(yīng)用機電一體化和自動化技術(shù)

　　機電一體化和自動化技術(shù)的應(yīng)用，使玉米收獲機朝著高效、舒適及安全的方向發(fā)展。駕駛室內(nèi)有空調(diào)，座椅具有按摩功能，以改善駕駛員的工作條件；關(guān)鍵工作零部件設(shè)置傳感器以檢測其工作狀態(tài);收獲機割臺配備自動控制裝置，可自動調(diào)節(jié)對行，減少植株的推倒率，降低果穗的漏摘損失；在谷物脫粒分離裝置前設(shè)置流量傳感器，根據(jù)不同地塊的谷物生長狀況自動調(diào)節(jié)車速，防止喂入量過大而造成輸送系統(tǒng)堵塞。

　　6)向智能化收獲機發(fā)展

　　隨著科技進步，電子技術(shù)、航天測量技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)也逐漸應(yīng)用于玉米收獲機。發(fā)達國家的玉米收獲機可以自動駕駛，智能化的玉米收獲機可以在收獲過程中直接測出該地塊的實時產(chǎn)量，部分比較先進的機型還可以根據(jù)玉米產(chǎn)量和土壤狀況，繪制地塊的土壤肥力圖，以便于后期施肥管理。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)在智能化聯(lián)合收割機上的應(yīng)用，使國外玉米收獲機械化技術(shù)水平有了飛速發(fā)展。王堃等利用遙感技術(shù)觀測玉米形態(tài)的變化，從而準(zhǔn)確地預(yù)測玉米的收獲時間，為地域之間合理配置玉米收獲機提供技術(shù)支持。

　　本文作者：耿愛軍，楊建寧，張兆磊，張姬，李汝莘