青贮玉米收获机割台技术研究概况
时间：2023-04-22 16:35:04 来源：千叶帆 本文已影响人
侯晶涛，李晓康，孙伟,3，潘伟阳，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；
3.730518 甘肃省 安西市 甘肃省草地农业机械重点实验室）
近年来，国家深入推进农业供给侧结构性改革，不断调整农村种养结构，种植业、畜牧业等的长足发展使得玉米带穗整株青贮技术得到了积极推广，给青贮玉米产业提供了良好的发展机遇。青贮玉米在青贮饲料中的占比不断增大，在青贮玉米品种的选择、种植、收获、贮存等重要环节上的技术要求也在加大，其中的收获环节在很大程度上决定了青贮玉米产业链的效率问题和实现问题。
劳动强度过大，生产效率低的传统人工作业与机械配合的收获方式已不再满足需求，机械化收割青贮玉米、粉碎揉丝、打捆包膜技术逐渐成熟且占据主要地位。青贮收获机的使用能加快整个青贮过程的进度，大幅度提高工作效率，缩短劳动周期，把人们从繁重的体力劳动中解放出来。收获机上合适合理的割台设计在保证收割质量的同时还能降低青贮玉米收获中的损失率，在收获环节中起重要作用，对收获机的性能具有重要影响。
青贮能有效提高青绿饲料的利用率[1]。青贮是经过厌氧发酵从而制成一种具有与原料相似的营养价值、动物消化率高，适口性好、具有芳香气味的饲料[2]，其非结构性碳水化合物的含量高、木质素的含量较低，适合为畜牧业养殖饲料所用[3]，对牛羊的肉奶质量也有重要影响[4]，体现出了较高的饲用价值，满足畜牧发展的需求[5]。但现实是青饲料种植面积在所有作物种植面积中占比很小，青贮饲料供需缺口仍然很大[6]，所以近年来国家大力推出并施行利于青饲料产业发展的相关政策并加大对其发放的补贴。
国家政策和规划对青饲料产业的迅速崛起有重要推动作用。《全国种植业结构调整规划（2016-2020 年）》中提出，遵循以养带种、以种促养的原则，因地制宜发展青贮玉米[7]，各地政府也为种植青饲料作物提供补贴，加大购买农机装备的优惠力度。数据显示，2010 年至2019 年，青藏高原的东北部青饲料种植面积大幅增加，且青饲料种植面积的扩大还对环境产生了积极影响。在我国，针对青贮玉米收获的主要技术模式是直接收获法和分段收获法，2 种方法最主要的区别在于是否使用到青贮饲料收获机代替人工对青贮玉米进行收割粉碎工作。分段收获法依靠人力收割，仅实现了机械化运输和粉碎，因其种种弊端已逐渐被舍弃，现阶段主要采用直接收获法获得高效率工作状态。实现全程机械化收获对青饲料产业发展具有长远深刻的意义。图1 为直接收获法作业流程。
图1 直接收获法作业流程Fig.1 Operation flow of direct harvesting method
2.1 国内割台技术研究现状
国内对青贮机械的研究起步较晚，产品技术与可靠性上与国外的差距较大[8]，且基于我国地形复杂，作业环境差异较大，不易实现较大幅宽的收获工作。国内主要生产商早期多生产与拖拉机配套的牵引式和悬挂式青贮饲料收获机，并且幅宽一般为1～2 m。国内研究者们参照小麦收获机，将其拨禾轮加高加大。其中，加强往复式切割器及其他部件强度的9QZ-2900 系列卧式割台很大程度上兼顾了我国自走式青贮机割台发展基础，但其存在不均匀喂入量、受植株高度限制、灵活性较低等缺点。
往复式切割器多与拨禾轮配合，由动刀、护刃器、摩擦片、压刀板等组成，起主要作用的动刀由很多齿刃刀片铆接在刀杆组上。工作时，护刃器前尖将作物分成小束引向动刀，动刀在曲柄连杆机构的带动下做往复运动把作物茎秆推向定刀。定刀有固定支撑，当产生足够的支撑反力时，就可以实现切断茎秆根部的作用（标准Ⅱ型普通切割器）[9]。针对收割高度较矮的植株茎秆的矮杆割台也多采用标准型的往复式切割器[10]。往复式切割器功率较大，采用单刀往复方式的切割器较多，但将其使用在对玉米秸秆的切割时容易发生拥堵现象[11]。
往复式切割器割刀的刃口倾角（切割角）是往复式切割器的主要研究对象之一。刃口倾角（切割角）指的是动刀片的刃口与其对称轴线之间的夹角。在动刀片水平运动时，刃口倾角就是刃口所在直线与水平的运动方向的夹角，这个角的大小对切割阻力产生重要影响。随着刃口倾角的增大，切割阻力减小。当角度超过某限度，定、动刀不再产生切割作用，植株茎秆将从中滑出。往复式切割器的缺点和在使用上受其他因素限制较多，使其在现代化机械收割领域中不再夺目耀眼。
随着青贮饲料收获机市场结构的变化，圆盘式割台青贮机占据了主流。2020 年，石家庄美迪销售的圆盘式青贮机占其全部销量的76.74%，中机美诺销售的圆盘式青贮机占其总销量90%以上[12]。新机型滚筒式多圆盘立式割台因其结构与植株生长状态适应度较高，有效减少作业中产生的浪费问题而备受青睐[13]。
青贮玉米收获机滚筒圆盘割台的主要结构部件有机架、分禾器、输送装置（滚筒和搅龙）及圆盘式切割器等。机架是收获机割台的基本结构，是装备割台各部件的基础，承载了割台各个结构，保障了割台结构的完整性和切割工作的正常的准确的运行，而且对各部件形成了一定的保护作用。分禾器（指）安装在割台的最前端，主要对玉米植株起到扶持分送的作用，为实现后续正常的切割动作提供条件；
其次，分禾器（指）还能对割台的切割装置起到一定的防堵作用，一定程度上决定着收获后割茬的高度和对倒伏玉米的收获效果。输送装置（滚筒和搅龙）通过旋转的拨禾筒（指或片）螺旋叶片将植株集中输送至喂入切碎装置。
圆盘式切割器的基本结构有法兰盘、环形割刀、变速器和输送滚筒，其切割输送滚筒示意简图如图2 所示。
图2 切割输送滚筒示意简图Fig.2 Schematic diagram of cutting conveying drum
圆盘式切割器的运动形式是在水平面上或者稍有倾斜角度的斜平面上做回转运动，圆盘刀的惯性力容易平衡并且工作时的振动较小[14]，其切割动作靠每组圆盘式切割器的2 个相向旋转的刀盘差速旋转实现。与往复式切割器相似，圆盘上的锯齿割刀以适合的锯齿角度参数（刃前角等）和与茎秆接触时的瞬时加速度触及茎秆根部，茎秆受到刀盘作用给茎秆的摩擦力和与茎秆接触面的法向反力满足相应位移方程和运动方程后，茎秆被割断。
圆盘式切割器按有无支撑部件分为有支撑式切割装置和无支撑式切割装置。有支撑式切割器包括可回转刀盘和支撑刀片，可回转刀盘由5 到6 个刀片和刀盘铆合组成，支撑刀片通常在圆盘刀上方较为突出的位置，在切割过程中对植株茎秆起到支撑的作用。支撑刀片扶住茎秆，圆盘割刀能更好地发挥切割作用。这种结构的切割器要求其回转切割速度较低；
无支撑式切割装置中刀片和刀盘固定，以茎秆自身的惯性和刚度及双圆盘不同向回转时将茎秆钳住再实现切割。该切割器在作回转运动时的速度较高，切割速度较快且具有较强的可靠性。
在圆盘式切割器上按配备的圆盘割刀分类分为直线刀圆盘切割器、波纹式圆盘切割器、星齿式圆盘切割器和锯齿式圆盘切割器[15]。
切割牧草或者谷物等细杆植株茎秆多用直线刀圆盘切割器，波纹式圆盘切割器受植株茎秆含水率高低的影响较大。在青贮收获机上尤其收获青贮玉米时，收获机割台上多装星齿式圆盘割刀和锯齿式圆盘割刀，锯齿式圆盘割刀的刀片多数是4 片，它们呈环形排列在刀盘周围，刀片的扇形角多数为90°，常用65Mn 优质碳素结构钢来生产。这类刀片能应对复杂作业工况，消除刀片发生弯曲变形等降低使用耐久性和影响工作效率的因素或现象[16]。星齿式圆盘切割器齿数根据既定转速设计，常有多片割刀上下叠装相互配合。
变速器箱体的主要装置是割台减速器，主要目的是使割台变速器能够同轴输出2 个相差较大的转速，使切割滚筒上的圆盘式切割器和输送滚筒能按相应转速合理有效工作，避免重复切割。切割滚筒一般成偶数排列，这样有利于作物在输送中保持好的平稳性[17]。输送滚筒上的多层星齿分别起到拨禾、夹持和脱离的作用，外直径最大的拨禾齿协同分禾器将作物茎秆导向圆盘割台，相邻两喂入桶的星齿共同作用将作物茎秆夹持，最后割刀将作物茎秆割断[18]，拨禾齿继续转动将切断的茎秆带入搅龙，搅龙螺旋叶片旋转将茎秆集中收入，输送到碾压喂入装置进而实现后续的切碎及抛送工作[19]。
2.2 国外割台技术研究现状
欧美先进国家已经具备非常成熟的青贮玉米产业，并且收获机种类多、技术先进，在基本的割台结构上还使其具有一定的智能化程度。为适应国外大部分农场式大面积种植，国外的青贮饲料收获机一般被设计为大工作幅宽的长链式割台或多圆盘组合割台以确保较高的工作效率。其研究水平大大领先于国内。在实现基本的切割功能上，还实现了矮杆作物的不对行收割，多圆盘各转盘独立工作，且可匹配适应工作环境的不同转速，配备着切割杂草的齿刀和防堵系统[20]，割台工作性能高，功能全且稳定性很强，各部件耐久度高，还非常注重收获机驾驶操作员工作时的舒适性，比如降低或隔绝噪音污染，降低割台作业中的抖动问题。收获机上装备大量电子设备来实时检测各项数据，自动控制系统按对应数据可以做出相应调整动作。
KRONE（科罗尼）Bi GX600～1100 系列自走式青贮机中，Bi BX1100 青贮机割台最大可以提供10.5 m 的工作幅宽，系列中Bi CX700 上装备EasyCollect753 型割台，是世界上最宽的高秆作物割台，能够实现同时对14 行青贮玉米的收获，提高的作业量达5.7%，其具有非常独特的链式割刀。链式横向输送作物茎秆，既增加了割台的输送能力，也节省了大量的传送空间[21]。轨道式切割器定刀刀刃和动刀形成的切割副垂直加持茎秆，可以像剪刀一样切割茎秆，动刀片能轻易实现更换，降低维护成本，割台使用寿命还得到延长。割台两侧安装距离控制传感器臂可以实时调整割台位置和运动方向，实现高标准的一致割茬高度，科罗尼链式割台如图3 所示。
图3 链式割台Fig.3 Chain header
John Deere（约翰迪尔）8000 系列自走式青贮收获机对种植行距无要求，可以自行开道，作业效率极高，割台上配备大直径刀盘和新型智能对刀系统，作物流动速度快并且消耗的功率低，刀盘制动器实现7 s 制停旋转的割刀，反转磨刀让刀片增加保持锋利状态下的使用时间[22]。其上搭载的HarvestLabTM3000 传感器实时检测作物的干物质状态，切断长度智能管理系统根据状态调整切段长度，还有添加剂喷洒系统针对干物质状态数据实时调整喷洒剂量，既能满足理想切段长度，又能保证最终青贮效果[23]。约翰迪尔8500 配备冠军割台，可挂接400 系列大圆盘割台，300+系列小圆盘割台或600 系列捡拾割台，安装的近红外传感器还可以对受关注度较高的饲料指标进行实时监测，可以根据这些指标数据做出相应调整，功能非常强大。
CLAAS（克拉斯）JAGUAR900 系列青贮收获机割台切割器可以直接安装刀具且无需校准，并且可以精准调节割台角度实现不同作物茎秆切割长度的调整，实现精准预压紧[24-25]。割台配置自动转向装置，静液压马达驱动实现割刀反转工作，设计紧凑，物流顺畅，实现了不对行收割。图4 为多圆盘式割台收获机。
图4 多圆盘式收获机Fig.4 Multi-disc harvester
收获作业过程中，同一台青贮玉米收获机上的割台对茎秆的切割效果差异较大，留茬高度不易做到完全统一，并且留茬表面不平整，这与割台的高度固定控制装置有关。使用较高精度的传感器来获取割台高度信息，通过控制技术、检测技术[26]结合实际工作需求，调节割台高度[27]，减少振动以提高工作效率和工作效果。留茬表面不平整与割刀性能紧密相关，针对同样是粗大茎秆作物的甘蔗，可以通过优化割刀提升其收获机的切割性能[28]，比如通过增加割刀的刚性提高切割性能[29]。对于青贮玉米收获机割刀，同样可以在刚性等性能上进行测试实验。青贮玉米是典型的高杆粗茎作物，其收获切割技术原理与其他作物收割是相通的，收获器械结构大同小异[30]，可以通过影响其他作物切割效能的因素比如割刀切削角或者刀齿高度入手进行实验研究，这也有利于割台通用性的提高。不论何种机械，可靠性和使用寿命都会在机械持续的工作中有所降低[31]，所以可以持续将关注锁定在提高割台的可靠性和使用寿命尤其是割台的关键部件上，提高整体结构刚性强度，降低故障率，提高运转平稳性。
配备宽幅较短割台的收获机在作业过程中会出现重复压地的现象，不利于改善土壤条件。改进方法：（1）加长割台宽度；
（2）考虑到我国地形多样的特点，可将液压系统加装在割台上，尝试可折叠割台的分段作业，这样既能适应地形特点，又能提高转场效率。
考虑将研究重点放在与克拉斯、约翰迪尔等先进青贮收获机主机配套的割台的优化设计与创新上。种植间距、施氮量对同一作物子芽和青饲料生长、产量及品质能产生深刻影响，不同种植密度也影响着青贮玉米的产量和营养价值[32]，所以进行科学种植，加强田间管理[33]，并结合我国国情及种植土地地形等现状，培育适合割台机械化作业的满足各项指标要求的新品种青贮玉米，制定新的种植模式规程也应该在考虑实践范围之中。
我国青饲料产业发展势头良好，尤其青贮玉米饲料的占比在逐渐升高，国家和政府会继续出台颁布有利于青贮饲料行业发展的政策。我国对青贮饲料收获机割台的研究还处在仿制阶段，割台切割器主要以圆盘式为主，收割原理与收割豆类等作物相似，不同主要体现在切割器结构上。其工作过程可以简单归纳为接触、切割、输送、收集。我国研制的青贮饲料收获机割台与发达国家的还存在较大的差距，主要表现在割刀性能、作业宽幅、工作稳定性、使用寿命和一些控制技术、智能技术上，对于割台技术的研究仍有较大的扩展空间。
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