青貯玉米收獲機發展現狀與展望

潘偉陽 ,李曉康，孫偉,3，侯晶濤，梁宇凱，李向陽

（1.730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農業大學 機電工程學院；2.730030 甘肅省 蘭州市 甘肅省機械科學研究院有限責任公司；3.730030 甘肅省 蘭州市 甘肅省草地農業機械重點實驗室）

0 引言

青貯玉米作為粗飼料之首是畜牧業最主要的飼料之一,玉米秸稈既可以用來青貯也可以直接飼喂，因為其本身就含有豐富的蛋白質和脂肪[1]。同時，由于我國正在實施各項惠農政策,隨著中國農村產業結構的不斷調整,畜牧業發展速度也相當快,飼料需要量也在持續地提高。近年來，“糧改飼”是我國農業改革的重點，國家積極引導種植青貯玉米，而隨著全國青貯玉米播種面積的不斷擴大,對青貯玉米收割裝置的需求量也愈來愈大。在剛性需求加補貼政策下，雖然各大企業開始涉足青貯行業，但是由于起步較晚，缺乏先進的技術，我國玉米青貯機械與西方相比還是有很大的差距。與傳統的收獲技術相比，全株機械化收獲工作效率可提高十幾倍甚至幾十倍以上，可以有效地節省勞動成本，提高工作效率，具有很好的社會效益。目前經濟全球化新形式加速發展，我國青貯玉米收獲機械的發展將迎來新的機遇和挑戰，充分了解目前國內外青貯玉米收獲機的發展現狀和發展趨勢，為我國將來青貯收獲機的研發能夠到達新水平、新高度具有重要意義[2-6]。

1 玉米青貯主要技術模式

目前全株玉米機械化收獲技術主要有機械化切割技術、自動喂入技術、機械化切碎技術、籽粒破碎技術、機械化打捆包膜技術。玉米青貯主要技術模式分為直接收獲法和分段收獲法[7-8]。

1.1 直接收獲法

1.1.1 先收獲打捆再包膜

通常，先用收獲打捆一體機在作業地塊直接完成收割、切碎、打捆工序，經包膜后再用夾包機運輸到儲藏地。收獲打捆一體機是目前比較先進的一種青貯收獲機，這種收獲模式效率高，人工成本低。由于收割后的玉米就地完成打捆包膜，能有效地保證青貯玉米的新鮮度。我國地貌類型多，地形錯雜分布，形成了復雜多樣的土地資源，區域差異明顯，西部地區山地面積占比高，山地交通運輸不便，沒有像西方國家那樣大規模的種植優勢。在此背景下，采用中小型收獲打捆一體機作業能夠有效提高收獲效率[9]。

1.1.2 先收獲再打捆包膜

在此模式下，青貯玉米收獲機在作業地塊先完成玉米的收割、切碎和裝車，再將裝有物料的車運到指定打捆地點打捆包膜，最后再用夾包機運輸到指定位置儲存。直接收獲法的關鍵是要保證植株新鮮和清潔。物料運送到指定打捆地點后盡快完成打捆包膜，盡可能減少運輸時間，避免物料在運輸過程中和在指定打捆包膜地點堆放過程中暴曬和對壓發熱，盡量減少玉米水分、養分的流失。先收獲再打捆包膜的收獲方法在我國用的也比較多，目前多家企業也已經研發出先進的機型，例如甘肅機械科學研究院研發的青飼料打捆裹膜一體機，具有非常高的工作效率，很大程度上節省了工作成本。

1.2 分段收獲法

先人工割桿再集中粉碎最后貯存。在該模式下先采用人工收割整株玉米，然后集中就地使用粉碎機將秸稈粉碎，最后打捆機打成捆后用包膜機包膜，在地塊分散、山地丘陵較多的甘肅地區，許多牛羊養殖單戶采用這種收獲模式。

2 青貯機類型及特點

由于歐美等國家很早就開始涉足并研究青貯玉米收獲技術,目前農業科技已經發展得相當完善,生產智能化程度較高,但產品價格也相當高昂。中國青貯玉米機械化起步比較遲,生產技術水平也相對于歐美國家來說比較落后。目前我國青貯玉米收獲機存在一些問題，但由于價格低，性價比高，國產收獲機也占據了一部分市場。玉米青貯過程由最早的純人工到半自動化再到如今全自動化，經歷了漫長的發展歷程，青貯收獲機與動力裝置間的連接方式也不相同。目前國內外青貯玉米收獲機按與動力裝置連接方式可分為懸掛式、牽引式以及自走式3 種[10-11]。

2.1 懸掛式青貯收獲機

懸掛式青貯收獲機主要包括前懸掛式、側懸掛式、后懸掛式。側懸掛式和后懸掛式需要拖拉機配合使用，其動力需要依靠拖拉機提供。側懸掛式和后懸掛式都能完成切割到拋送的工序。側懸掛式機械結構緊湊，價格親民，但由于工作寬幅小，工作效率較低，且第1 列無法自行開道，有一定局限性。后懸掛式工作寬幅大，工作效率高，但是大部分后懸掛式工作時需要拖拉機倒開，駕駛視野不好，操作性差，也逐漸推廣較少。前懸掛式與拖拉機配套使用時要使用前懸掛動力裝置，也可與谷物收割機配合使用，其使用性能與自走式青貯收獲機相似。

2.2 牽引式青貯收獲機

牽引式青貯收獲機主要與拖拉機配套使用，成本較低，該類機械在收獲過程中第一行無法自行開道，需要人工配合，生產效率低。我國尚未像西方歐美國家一樣土地平坦且大規模集約化種植玉米，由于我國地形地貌的特點，中小型青貯玉米收獲機占據主要市場份額。由于此類青貯機需要拖拉機牽引，其轉彎半徑大，不適合小塊地作業，存在一定的局限性。

2.3 自走式青貯收獲機

自走式青貯收獲機是目前主流收獲機。它與牽引式、割臺式青貯收獲機相比，具有收獲率高、轉彎半徑小、工作性能好等特點，能夠一次完成從切割到物料拋送等一系列流程，具有可靠性高、切割性能好、人工強度低等優點，簡單調整后可對不同作物進行收割，實現“一機多用”，但機械價格較高，維修比較復雜，成本也較高[12]。

3 國內外研究現狀

3.1 國外青貯收獲機發展現狀

歐美發達國家的青貯飼料收獲技術的研究起步較早，設備比較成熟，配套也比較完善。目前美國及西歐的產品技術處于高端地位，西方國家青貯機現在是往大功率、寬割幅、高效率、低油耗、高性能、高可靠、高舒適性、自動化和智能化等方向靠攏，且已實現大型化，現在220.5 kW（300 HP）以下及3 m 割臺的機型已經基本退出歐美國家研發生產范疇[13]。

國外大多數生產谷物聯合收割機的公司都涉足青貯收獲機，如CLAAS、約翰迪爾、紐荷蘭、KRONE 等等。目前國外專業青貯機主要以自走式和割臺式為主。

目前國外先進的自走式機型有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 柴油發動機，功率大、油耗較低，配備能同時收割14 行青貯玉米的割臺，可實現橫向傳送，節省傳送空間，作業全過程可視化，駕駛員能隨時調節工作參數[15]；CLAAS JAGUAR 960 作為科樂收青貯機的實力代表，也是世界上最暢銷的青貯收獲機之一，JAGUAR 960 Terra-Trac 收獲機獲得了SIMA 農機展“2019 年創新金獎”[16]，可以減少66%的土壤壓實，具有土壤接觸面積大、輪胎壓力調節系統、地頭保護系統、可變割臺驅動、切割長度無級調整和 V-MAX型動刀轂等優勢；John Deere 8000 作為玉米青貯界理想機型，其優勢在于無行距要求，機動靈活，經濟性高，工作效率高[17]；可掛接400 系列大轉盤割臺、300 系列小轉盤割臺或600 系列撿拾器等不同類型的割臺，裝配無極可調切割長度控制系統。John Deere 9000 系列配備新型JD18X 發動機，不要柴油機排氣處理液。Harvest Motion Plus 是Harvest Motion 功能的最新研發成果，可在低發動機轉速時提供扭矩上升和更大功率，工作時9500 型動力可達 563.01 kW（766 HP）、9600 型的達 578.45 kW（787 HP），每收獲 1 t，燃料成本降低10%，石油成本降低 33%。常見的國外懸掛式青貯機主要有Kemper C 系列等。

智能控制系統、信息管理系統已普遍裝備于國外先進的青貯收獲機。智能控制系統可實現自動化作業、自動對行、割臺仿形、金屬和石塊探測，切段長度可根據需求調整[18]，滾筒自動對刀磨刀，拋料自動跟車，工作效率檢測，定速巡航和喂入系統配有金屬檢測裝置，保證機器安全可靠，飼料中不含有其他雜質等，信息管理系統可實現作業信息記錄、傳輸和遠程操控。

3.2 國內青貯收獲機發展現狀

如今國家增加了研發青飼料收獲機方面的投入，提高了畜牧業的發展速率，諸多企業開始涉足研發生產，但是國內青貯機起步較晚，企業研發人員經驗不足，仍有一部分企業慘淡收場，大多數企業還都徘徊在研發探索和模仿階段。目前國內市場主要產品分為2 類：一類是針對大型農場的自走式收獲機[19-20]，一類是針對中小型農場的懸掛式和牽引式收獲機。國內自走式收獲機代表機型有美迪9QZ 系列自走式收獲機、中機美諾9800 自走式收獲機、新疆牧神4QSZ 系列自走式收獲機等。其中，美迪9QZ-3000 型自走式青貯飼料收獲機具有割茬低、堵塞及時返吐、玉米秸稈切碎長度較短優勢,全液壓控制，操作靈活方便，倒伏作物的收割能力也不錯，飼喂時口感好,浪費少[21]；新疆牧神4QSZ-2200 裝備立式圓筒齒緣喂入裝置適用于不同作物不對行收割，裝配強制喂入系統充分將玉米秸稈切斷然后輸送到切碎裝置，在物料切碎裝置中通過控制切碎長度來滿足不同收獲需求，拋送裝置能夠調節不同的方向、角度將物料拋送到運料車內。國內懸掛式代表機型有牧神4QX 系列[22]、9QSD 系列、新鄉豫東輕工4QX-2300 等，其中牧神9QSD-900[23]具有圓盤立式割臺、物料切碎長度可調、不對行收割、獨特的揉搓裝置、充分細化物料等特點。

4 我國青貯收獲機發展中存在的問題

4.1 國產青貯機工作可靠性低

青貯玉米收獲機作業時，受栽培密度、物種高度、地塊環境差異大等各種因素影響，載荷將有相當大的波動，需要青貯玉米收獲機具有較大的機械強度以及良好的運行平穩性和可靠性。目前的國產青貯收獲機技術水平較低，且穩定性也不高[24]。在收獲季，很多國產青貯機在使用中總會出現這樣那樣的故障，如果技術人員不能及時到場處理，就可能延誤收獲的最佳時間段，給種植戶造成損失。而國產切割刀、切碎動定刀、刃磨裝置等重要零件也存在壽命較短、工作穩定性差等問題，已經嚴重影響了國內青貯機產品的整體質量[25]。

4.2 產品缺乏獨創性、專業化程度不足

首先，中國青貯飼料收獲機的研發起步相對較晚，且國產青貯飼料收獲機技術缺乏重大創新，目前還處于試驗仿制階段，對新產品、新技術的研發、使用等資金投入還不夠大，對核心技術的研發還不夠深入。歐美青貯飼料收獲機以及其他機械類產品已經建立了完整的生產產業鏈條，且所有配件加工均有專門企業完成，能確保產品的整機品質穩定性，確保新科技的廣泛運用。與國外相比，在割臺的設計、切碎器自動磨刀、電液自動控制、智能控制和信息管理等方面還存在著較大差距。其次，專業的收獲與打捆一體機、打捆包膜一體機和裝載夾包機具缺少前瞻性的研究。

4.3 現有的土地種植模式阻礙大型青貯機的研發

目前，盡管全國已出現了大型農場，但絕大部分地區仍存在著農田集約化程度低、單塊種植規模較小等問題。目前的國內市場狀況使中國企業缺乏專門進行大型青貯收獲裝備研制的技術力量，同時也限制了該類機型的研發與應用。

4.4 產品覆蓋面不全

目前青貯機械的研究重點是大中型機械，缺乏適合個體戶使用的青貯機。我國西北部山地比較多，地塊非常零散，這就導致大型收割機很難下地工作。比如甘肅地區，地塊小的種植戶大多數都是采用人力收割，再運回家切碎打包貯藏，費時費力。目前市場缺乏體積小、價格便宜、可靠性高的青貯設備。

5 我國青貯玉米收獲機發展前景及建議

5.1 加強關鍵零部件的研發

自走式相對懸掛式和牽引式的研發就復雜一點，既要滿足主要使用性能，還要加大力度研究關鍵零部件的穩定性和可靠性，減少故障率也是提高生產效率。可以對切碎工序中的動刀、定刀的材料選擇作為切入點，也可以考慮在熱處理方面做調整，力求能夠適應各種工作環境、滿足各種工作要求。但面對國產割臺事故發生率比較高的現實情況,還需要利用現代設計理論,通過提高喂入設備各部件的工藝性,通過模擬各種可能出現的工作情景并對其作有限元分析,對其薄弱環節作針對化處理,以增強可靠性與穩定性。

5.2 收獲與打捆一體化技術的開發與應用

我國目前采用的大多數青貯玉米收獲作業方法都是先收獲再打捆包膜，也就是在作業地塊完成收割到物料拋送這一系列流程，再將物料運送到指定地點打捆包膜。此種收獲模式與采用收獲打捆一體機相比，過程較繁瑣，人力物力成本也相對較高，物料輸送運輸過程中還可能造成浪費[26-27]，所需要的配套設備也比較多。最重要的一點是，切碎后的物料如果打包不及時易造成水分以及養分的流失，影響飼料的質量與適口性[28]，而歐美國家先進的收獲打捆一體機拿過來還不能直接用，因此研究適合我國種植模式的青貯收獲與打捆一體機也將成為未來推動我國農業自動化生產的重要方向。

5.3 加快開發大中型先進收獲機型

盡管我們現在跟國外先進青貯機在許多方面有較大差距，特別是在一些先進技術方面差異較明顯，但是國內現在很多企業都開始走自主創新、自主研發道路。因此，在現有設計水平的前提下，我們要做的不是一味模仿，而是要借鑒國外先進技術，研究出適合我國種植模式的先進機型。一是因為我國人口多，而土地分布復雜、分散，各地區農作物種植也有很大不同，現階段想要統一實現大型化還有很大的困難，因此需要研發滿足不同地區種植規模的青貯玉米收獲機，提高產品競爭力來搶占國內市場。目前國內市場最受歡迎的是中型青貯設備。隨著中國農業趨向產業化，以及未來耕地集約化程度的不斷增加,青貯玉米播種面積和規模將不斷擴大，由于青貯玉米收獲周期比較短，要盡可能保存水分和養分，使得青貯機械向大中型趨勢靠攏，來滿足收獲效率，降低收獲成本；二是節約農民的成本。因為青貯玉米收獲周期短，農民購買后閑置時間長，為了提高利用率，有必要將農機規范化、系統化，從而達到一機多用的目標，只需要一個主機裝配不同的零部件，收割不同的農作物，既降低了農民購買成本，增加了農民的經濟效益，又推動企業產品朝著系列化方向發展，降低了企業研發成本，實現農民與企業雙贏[29]。

5.4 加快自動化與智能化開發與應用

國外目前農業機械智能化和自動化技術較為成熟。像機電液一體化、定速巡航、自動對行、信息管理等一系列先進技術已經在大中型青貯機中廣泛應用，從而提高了產品的作業效率，也提高了可靠性和穩定性。在保證滿足工作要求的前提下，提高舒適性與方便可操作性也被更加重視。我國現在在液壓傳動技術和電氣自動化控制技術領域已有重大突破，在農機中的應用也較為廣泛，再加上社會越來越重視、越來越認可自動化和智能機械裝置，加快自動化和智能化程度較高的青貯收獲裝置的研制發展及其應用已成為當下研發目標之一。

5.5 加快高效能與低能耗的開發與應用

隨著世界能源危機的加劇和人類對環境保護意識的日益增強，高效能、低消耗產品的研制和使用已經日益成為未來主要發展趨勢。發達國家對此方面的研究起步較早，而我國對于青貯機的研發起步較晚，同時缺乏自主創新，關鍵零部件一定程度上依賴進口，導致目前國產機性能一般。因此想要達到高效能低能耗的水平，就必須找準出發點、把握切入點、明確落腳點，在結構性能、動力匹配、動力傳輸方面深入研究，不斷優化，在保證高效能的前提下達到低能耗的效果[30]。

5.6 政府加強扶持

在當前農業產業結構調整的推動下，我國青貯玉米種植面積不斷擴大，更需要機械化生產提高效率，而購買青貯玉米收獲機對于農戶來說是一次比較大的投資，因此需要政府在大力推廣種植青貯玉米的同時加大農戶購機補貼，增加對企業研發技術的投資力度，推動我國農業生產邁向機械化。