一、立項(xiàng)背景
我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，小麥、水稻、玉米等種植面積均居世界前列。玉米秸稈由于體積蓬松、分散分布，長(zhǎng)期以來(lái)只能就地焚燒或任其在田間爛掉。現(xiàn)在市場(chǎng)上針對(duì)玉米秸稈綜合利用的機(jī)械不少，包括玉米青貯機(jī)、穗莖兼收型玉米收獲機(jī)、秸稈飼料粉碎揉碎機(jī)、搓絲機(jī)、飼料秸稈壓塊機(jī)、玉米秸稈粉碎還田機(jī)等等。雖然上述機(jī)械已涵蓋了玉米秸稈利用的全部加工環(huán)節(jié)，但卻未能將玉米收獲與秸稈利用兩個(gè)環(huán)節(jié)無(wú)縫銜接，蓬松態(tài)運(yùn)輸、低效率、高人工成本等問(wèn)題仍未被解決。
1992年始，我國(guó)開(kāi)始研發(fā)自走式穗莖兼收型玉米聯(lián)合收獲機(jī)，但均是圍繞著1921年由澳大利亞人艾倫提出的輥式收獲的根源技術(shù)路線進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于“輥式收獲”確定了只收穗而不收秸稈的基礎(chǔ)技術(shù)路線，也就更談不上連收秸稈帶分離壓縮的問(wèn)題。因此基于這一技術(shù)路線下，國(guó)產(chǎn)玉米聯(lián)合收獲機(jī)至今都不能達(dá)到高效穗莖兼收兼加工的目的。
二、高速秸稈資源化收獲機(jī)的主要研究?jī)?nèi)容
(1)首創(chuàng)“逆行摘穗”原理，使玉米收獲質(zhì)量發(fā)生根源性改變。
“逆行摘穗”原理，即采用非旋轉(zhuǎn)方式，從果穗梢頭逆生長(zhǎng)方向，朝向玉米根部，將果穗與玉米植株分離。由于與果穗接觸是采用非旋轉(zhuǎn)體，故不會(huì)對(duì)玉米果穗產(chǎn)生因旋轉(zhuǎn)輥產(chǎn)生的搓傷。從按術(shù)原理上根本杜絕了傷糧產(chǎn)生。“逆行摘穗”是相對(duì)于順摘的一種摘穗方式。玉米植株被從根部割倒后，整體植株梢部朝前，鋪放在輸送皮帶上，在輸送皮帶的推動(dòng)下梢部朝前運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，與摘穗刮板迎面相逢，產(chǎn)生逆向運(yùn)動(dòng)。摘穗刮板就模仿人工摘穗動(dòng)作，從玉米穗稍部逆向切入，使玉米穗被刮板掛住，而玉米植株則繼續(xù)逆向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)玉米穗朝反向彎曲到達(dá)一定角度，就使玉米穗柄與植株自然斷裂分離，完成了整個(gè)摘穗動(dòng)作。整個(gè)過(guò)程如圖示意：
上述過(guò)程，就相當(dāng)于人手掌五指并攏，從玉米植株稍部向下運(yùn)動(dòng)，切入玉米穗與植株之間，并使玉米穗朝下彎曲到達(dá)一定角度，使玉米穗柄自然斷裂的全部過(guò)程。由于它是從果穗梢部逆玉米生長(zhǎng)方向向下?lián)軇?dòng)果穗，使果穗順自然方向脫離植株，從而完成玉米穗收獲，故稱(chēng)逆摘。由于逆摘是采用撥動(dòng)摘穗原理，從人工摘穗以及自然界瓜熟蒂落的自然掉落形式仿生而來(lái)，故相對(duì)于采用輥式旋搓強(qiáng)制從根部擠搓摘穗，其在摘穗過(guò)程中對(duì)果穗無(wú)直接沖擊，不會(huì)對(duì)果穗產(chǎn)生搓傷。并且逆行摘穗方式，由于摘穗方式是由穗梢至穗根開(kāi)展，故可完全適用與地面夾角250的倒伏玉米以及果穗全部下垂玉米及干枯狀秸稈。通過(guò)國(guó)內(nèi)外查新證明，“逆行摘穗”原理在國(guó)際上屬于首創(chuàng)，它打破了自1921年以來(lái)澳大利亞人艾倫提出的“輥式摘穗”原理，屬原理性創(chuàng)新，其技術(shù)意義重大。
(2)首創(chuàng)“并行喂入”原理，使玉米收獲效率發(fā)生根源性改變。
“并行喂入”原理，是指將被割倒的玉米全株成排并列，以12m/s線速度進(jìn)入口寬2m的收獲機(jī)。而輥式原理則是玉米植株按行依次進(jìn)入兩輥之間，其效率取決于兩輥線速度。目前可見(jiàn)到最大摘穗直徑為+76cm，若達(dá)到12m/s線速度，其兩輥轉(zhuǎn)速應(yīng)為每分鐘3015轉(zhuǎn)，而目前可見(jiàn)生產(chǎn)的摘穗輥由于受傳動(dòng)與結(jié)構(gòu)限制轉(zhuǎn)速最高為300轉(zhuǎn)，其線速度大致在1.2m/s左右。如此慢的線速是造成目前輥式收獲機(jī)低效的原因，若在車(chē)速稍快或種植密度的變化，均會(huì)引起堵塞。玉米進(jìn)入本機(jī)是靠一對(duì)水平安裝在稈、葉、穗分離機(jī)前端的牽引輥，其輥徑為+219cm。由于此牽引輥被兩端軸系支承，可在2000r/min范圍內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，故極大地提高了入料的線速度，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本機(jī)工作時(shí)行走速度4m/s。由于本機(jī)用兩個(gè)大直徑牽引輥，替代了由數(shù)對(duì)懸臂安裝低速運(yùn)行的摘穗輥，變成行收獲為成排收獲，使玉米收獲機(jī)從原理上突破了輥式原理，實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定收獲。
(3)首創(chuàng)“連續(xù)鋸切”方式，使玉米割斷方式發(fā)生根源性改變。
本機(jī)采用連續(xù)鋸切方式切割玉米，避免了爆發(fā)式做功方式帶來(lái)的功耗過(guò)大問(wèn)題。由于鋸切方式采用的是平均功作業(yè)，使作業(yè)速度及穩(wěn)定性均有數(shù)量級(jí)提高，可適應(yīng)4m/s左右的高速收獲粗大玉米作業(yè)。
(4)實(shí)現(xiàn)真正“不對(duì)行收獲玉米”方式。
本機(jī)收割部分是由安裝在割臺(tái)前部下方若干個(gè)鋸片組成。由于這些鋸片組成了一個(gè)矩陣，使通過(guò)這個(gè)矩陣面的任意位置玉米植株無(wú)一幸免的被若干鋸片組成的矩陣攔截，進(jìn)行鋸切作業(yè)，故沒(méi)有作業(yè)方向性，從技術(shù)原理上實(shí)現(xiàn)了高速可縱橫不對(duì)行收獲。
(5)獨(dú)創(chuàng)“壓縮裝袋”功能，使玉米秸稈粉碎物料輸送方式發(fā)生根源性改變。
本機(jī)獨(dú)創(chuàng)“壓縮裝袋”功能。如圖所示，由兩名操作人員將用來(lái)裝置粉碎后玉米秸稈的周轉(zhuǎn)袋分別套在收獲機(jī)后部的稈皮粉碎料裝料筒出口和葉片粉碎料裝料筒出口上，接裝來(lái)自粉碎機(jī)送出的玉米秸稈粉碎料。由于其周轉(zhuǎn)袋是緊密的套在其設(shè)備出口上，在其自然裝滿后，由裝料筒上部安裝的壓料液壓缸來(lái)壓縮筒內(nèi)及袋內(nèi)物料，使其在機(jī)械力下繼續(xù)壓縮裝料，使袋裝密度增大，完成壓縮、排氣、打包、裝袋的系列操作。當(dāng)每一側(cè)完成裝袋后，由推袋機(jī)構(gòu)將周轉(zhuǎn)袋從車(chē)后滑道推卸下車(chē)并落地，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化不停車(chē)作業(yè)，故稱(chēng)“壓縮裝袋”。
本機(jī)采用首創(chuàng)的鏈?zhǔn)烬X板提升輸送裝置，每小時(shí)輸送能力400噸，耗功2kW’，直接與壓縮筒配接完成對(duì)粉碎物料的壓縮打包，打包密度400kg/m3，每畝地8~10袋，可采用任意樣式的農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)輛運(yùn)輸，極大地提高了運(yùn)輸通用性，降低了運(yùn)輸費(fèi)用。
(6)玉米果穗收集方式的根源性改變。
目前玉米收獲機(jī)的果穗倉(cāng)均為高位傾倒型，其原意是將玉米果穗直接裝卸到運(yùn)輸車(chē)輛上。如果此時(shí)運(yùn)輸果穗的車(chē)輛未到，就只能卸向地面。在目前收獲實(shí)踐中，包括小麥機(jī)，大多數(shù)是直接將收獲物卸在田間，然后再進(jìn)行裝袋。如果將玉米果穗直接不裝袋，由于普通農(nóng)用車(chē)馬槽都不高，在上下顛簸的田間行走，其表層果穗將被顛震到田間，故目前我國(guó)絕大多數(shù)農(nóng)民在運(yùn)送玉米果穗時(shí)，均采用袋裝，以求裝的多而不掉落。結(jié)合目前農(nóng)民包產(chǎn)到戶的小生產(chǎn)關(guān)系，以裝袋運(yùn)輸成為主要運(yùn)輸方式。高速秸稈資源化收獲機(jī)采用兩種果穗處理方式：
①對(duì)于小農(nóng)戶集中的地塊，采用果穗直接落地形成條壟狀，便于農(nóng)戶田間晾曬。②采用車(chē)載袋裝機(jī)構(gòu)。高速秸稈資源化收獲機(jī)上設(shè)有果穗裝袋機(jī)構(gòu)，每裝1袋，便在行進(jìn)中從車(chē)尾卸下，對(duì)一些田里有人有車(chē)又無(wú)需晾曬果穗的地塊實(shí)現(xiàn)直接裝袋以方便裝車(chē)，省去了農(nóng)民二次裝袋的勞動(dòng)。
(7)高速秸稈資源化收獲機(jī)與田地伺服系統(tǒng)的根源性改變。
由于田間地面起伏不平，以及從道路進(jìn)入田間的高低差，都會(huì)影響收獲機(jī)的工作速度，因此本機(jī)首次采用了輥式伺服系統(tǒng)，在地面起伏0.5m的范圍內(nèi)，割茬高度無(wú)任何變化，這同時(shí)保護(hù)了切割鋸片不受起伏不平的地面?zhèn)Α?br /> (8)制動(dòng)系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)。
本機(jī)采用四輪制動(dòng)，極大地提高了其在高速行駛中的安全性，這一設(shè)計(jì)的改變使其移區(qū)行駛車(chē)速可提高90km/h，方便了玉米機(jī)收跨區(qū)作業(yè)。
(9)輪荷系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)。
目前自走式玉米收獲機(jī)自重大多在7噸左右，而底盤(pán)設(shè)計(jì)無(wú)一例外的照搬拖拉機(jī)底盤(pán)設(shè)計(jì)。故每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)地荷載大約為3噸左右。若本機(jī)自重為8噸，由四輪均載，平均單輪荷載為2噸，極大的減小了對(duì)農(nóng)田的壓實(shí)板結(jié)，也提高了田間的通過(guò)能力。
（10）可變機(jī)身長(zhǎng)度新設(shè)計(jì)。
本機(jī)在工作時(shí)其機(jī)身長(zhǎng)度為7.2m，出田移動(dòng)時(shí)，除抬高割臺(tái)外還自動(dòng)收縮變型為5m，實(shí)現(xiàn)割臺(tái)二維變型，以方便其在田間道路行駛。此項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)，極大地提高了其在田間作業(yè)的靈活性，適應(yīng)我國(guó)農(nóng)村小塊田與小塊田之間的頻繁轉(zhuǎn)移作業(yè)。
（11）實(shí)現(xiàn)玉米摘穗青貯與帶穗青貯完全兼容。
目前所有的玉米青貯機(jī)無(wú)一例可實(shí)現(xiàn)摘穗青貯功能；目前所有的玉米收獲機(jī)也同樣無(wú)一例可完成帶穗青貯功能。本機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了兩種功能兼容運(yùn)行，當(dāng)從帶穗青貯轉(zhuǎn)換向摘穗青貯時(shí)或者從摘穗青貯轉(zhuǎn)向帶穗青貯時(shí)，由于采用了逆行摘穗原理，所以只需搬動(dòng)開(kāi)關(guān)摘穗機(jī)構(gòu)上移即可功能轉(zhuǎn)換，改變了長(zhǎng)期以來(lái)玉米青貯機(jī)械與玉米收獲機(jī)械互不兼容的歷史，給使用者帶來(lái)極大方便。
（12）高速秸稈資源化收獲機(jī)夾茬耙地功能新設(shè)計(jì)。
以往任何一款玉米收獲機(jī)或玉米青貯機(jī)均在收獲后，留有長(zhǎng)短不齊的根茬，造成收獲作業(yè)不徹底。本機(jī)在其收獲鋸片下方，設(shè)計(jì)有旋耙，將掠過(guò)旋耙的根茬粉碎，并將根茬與土地進(jìn)行充分旋拌，根茬還田，實(shí)現(xiàn)保護(hù)性耕作，使經(jīng)高速秸稈資源化收獲機(jī)收獲過(guò)的田地，土壤蓬松無(wú)站立根茬。
三、主要技術(shù)指標(biāo)
(1)實(shí)現(xiàn)完全不對(duì)行收獲；
(2)傷籽率≤0.2%；
(3)收獲效率40畝/h;
(4)日回收秸稈800噸；
(5)秸稈體積壓縮到原來(lái)的1/8。
四、與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類(lèi)研究、同類(lèi)技術(shù)的綜合比較
從上表中可以看出，“收穗+秸稈切碎還田”型將秸稈直接回田，未實(shí)現(xiàn)秸稈的資源化利用；“穗莖兼收”型只完成了秸稈收集，但蓬松態(tài)、大體積運(yùn)輸，并需要大量車(chē)輛跟隨接運(yùn)，仍未降低秸稈運(yùn)輸成本，這樣既不適合我國(guó)國(guó)情，也未實(shí)現(xiàn)秸稈的資源化利用。只有高速秸稈資源化收獲機(jī)完成了秸稈壓縮打包裝袋的全過(guò)程加工，真正降低了秸稈收運(yùn)成本（每噸直接收運(yùn)成本僅6元），徹底實(shí)現(xiàn)了秸稈的資源化。
從以上分析我們可以看出，高速秸稈資源化收獲機(jī)的重點(diǎn)在于秸稈資源化。只有高效率收獲、低成本運(yùn)輸、高密度壓縮、標(biāo)準(zhǔn)化包裝、可機(jī)械化裝卸、可商品化流通等，才能真正實(shí)現(xiàn)秸稈商品化、資源化，而這也正是本機(jī)功能的精髓所在。
五、效益分析
由于秸稈體積壓縮到原來(lái)的1/8，使整個(gè)秸稈收集、流通的成本降低了8倍。據(jù)測(cè)算，該機(jī)每收獲一噸干秸稈，在20km內(nèi)運(yùn)抵倉(cāng)庫(kù)后并存儲(chǔ)一年時(shí)，其直接成本僅為20元（見(jiàn)下表）。該成本完全可以被秸稈利用的下游各產(chǎn)業(yè)所接受。
目前，本機(jī)已被納入我國(guó)首個(gè)“高速秸稈收集與生物質(zhì)能熱電集成示范工程”，對(duì)全國(guó)突破秸稈發(fā)電瓶頸具有重要的規(guī)模示范意義。僅此100臺(tái)收獲機(jī)，就可滿足一座24MW生物電站的燃料供應(yīng)，杜絕20萬(wàn)畝玉米種植面積的秸稈焚燒，使其進(jìn)入循環(huán)經(jīng)濟(jì)。而由于該機(jī)傷糧率極低，并且因具備秸稈資源化效益而免收農(nóng)民收獲費(fèi)，使農(nóng)民首次開(kāi)始大面積接受秋收機(jī)械化，解決多年來(lái)只見(jiàn)“夏收”不見(jiàn)“秋收”的局面，使秸稈資源化在為國(guó)家提供清潔可再生能源的同時(shí)又能惠及三農(nóng)，富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)燃料、飼料成型機(jī)械設(shè)備。
