玉米收获机研究现状及发展趋势分析

孙明慧

(成武县农业机械服务中心，山东 成武 274200)

0 引言

玉米作为我国主要的粮食作物，近年来实现了持续的稳产高产，根据国家统计局的统计数据，2021年我国玉米种植面积达到43 324.1 khm2，总产量达到27 250 万t，是我国产量最高的粮食作物，同时玉米的单位面积产量达到6 291.0 kg·hm-2，农艺技术的持续改进和玉米全程机械化显著提升了玉米的产出。收获是玉米生产中劳动强度较大的工作，其具有作业时间集中、作业任务重的特点，急需通过机械化技术提高生产效率、改善劳动过程。随着农业机械化成为农业生产的主流，玉米收获机的技术研发和产量都得到了快速提升，很多先进机型逐渐得到应用，使我国玉米栽培区的收获能力大幅提升，玉米收获机已成为玉米生产过程必不可少的现代化装备。

1 技术研究与应用现状

1.1 技术普及与发展情况

我国针对农业机械化的大部分研究起步时间落后于西方发达国家，对于玉米收获机而言，其研发起始于20世纪60年代，而我国自行研制和生产的第一台玉米收获机诞生于20世纪70年代中期，由中国农业机械化科学研究院与赵光机械厂共同研制，该机型为牵引式卧辊双行玉米摘穗机，只能用于替代人工摘穗。受到我国生产条件的限制，玉米收获机的产品研究和发展始终相对缓慢，直到20世纪90年代，玉米收获机的研制才逐渐成为农业机械化的重点，而当时的玉米收获机械化水平仅达到2%。在我国机械行业发展的带动下，玉米收获机的研制和技术突破不断取得新成绩，2009年我国玉米收获机应用量达到8.8万台，玉米机械化收获水平为15%，仅2年后，到2011年，农业生产中玉米收获机的保有量达到了18.9万台，玉米机械化收获水平达到33%，增长迅速。在2011—2020年的10年间，我国的玉米收获机械化技术、普及程度都得到了快速发展，到2020年我国玉米联合收获机数量达58.85万台，可见我国玉米收获机在农业生产中的应用与技术普及取得了显著成绩[1]。

与此同时，随着我国玉米收获机自主研发和生产能力的逐步提升，国产机型的受认可程度不断提升，图1为2020年我国农机市场玉米收获机生产企业的网络关注热度排行，可见我国农民对于自主生产的玉米收获机已经形成足够信心，自主生产的收获机产品逐渐成为农民的首选，这对于玉米收获机产业的技术升级与产品质量提升意义重大[2]。

图1 我国农机市场玉米收获机品牌网络或关注度(人)

1.2 应用过程中存在的问题

1.2.1 技术先进性总体不足

目前，农业生产过程中已经使用的玉米收获机尽管数量较多，但总体仍以技术落后的早期设备为主，玉米收获机的整体动力配套较低，导致实际的玉米收获能力不足，尤其在耕地条件较好、土地连片的集中生产区，存在明显的收获能力不足问题。农业生产对于大功率、自动化程度高、宽幅玉米收获机的需求量明显提升，而中大型机型的实际销量与需求量始终不成正比。

1.2.2 机具适用性不足

我国的农机企业分布范围广，不同地区的农机企业受到地域性限制，在品种考察、农民需求、生产试验等方面主要以适应本地区的农业生产为主，导致所生产的玉米收获机产品存在明显的适用性问题，加之不同地区的玉米种植方式、品种选择存在较大差异，玉米收获机在生产中应用常出现不适用问题，影响玉米收获机的性能发挥。

1.2.3 机械质量不尽人意

从玉米收获机的设计研发经验来看，首先由于产品研发与应用时间较短，大部分玉米收获机的产品优化周期还不能实现结构匹配的合理化，实际应用过程中的大部分收获机产品仍表现为故障率高、收获质量不佳、使用操作难等问题；其次，由于生产能力的制约，国产机型与进口机型相比，在外观精细度、驾驶舒适度、控制精确度等方面仍存在明显差距。

1.2.4 自主产品创新性不足

我国的玉米收获机研发最初以引进国外成熟技术为基础，大部分产品的结构、原理、功能都参照国外成熟机型，尽管近年来，很多企业为提高产品适用性，进行了本土化的改进，但是自主产品仍然缺乏自身特色，而仿制或以国外技术为基础的产品会或多或少的存在本土适用性不良问题。

1.3 技术研发与成果

随着玉米收获机在农业生产中的应用热度上升，针对玉米收获机的科研与成果转化工作也大量开展，为我国玉米收获机技术的提升创造了有利条件。陈晓楠[3]等针对玉米收获机车架载荷特性和疲劳寿命展开研究，通过实测载荷分析和有限元仿真结合的方法，对玉米收获机使用过程的载荷谱特性和车架的静、动力学特性展开研究，得出了危险部位节点应力响应功率谱密度影响规律，该研究对玉米收获机车架的结构改进优化提供理论依据。霍洪鹏[4]等针对玉米收获机收获过程中的苞叶剥离机理展开研究，通过剥皮辊模型的建立，分析了剥离辊与玉米间的相互作用力,得出苞叶剥离条件与剥离辊参数关系，并对剥皮机的结构进行了优化，利用ANSYS软件对设定不同偏置角度的剥离辊设计了一种适用于上拉茎玉米摘穗方式的拨禾喂入机构进行运动力学仿真验证。徐文腾[5]等进行了拨禾及摘穗试验台设计与试验研究，测试了拨禾机构的拨禾喂入能力，分析了茎秆拉断、果穗碰撞损伤，以及拨禾喂入机构卡顿等问题产生的原因，对于收获过程中的玉米果穗保护及降低籽粒损失具有积极作用。

2 玉米收获机机型种类与典型机型

玉米收获机是在玉米成熟后对玉米进行摘穗、收集、果穗处理、秸秆处理等多项工序的农业机械，现阶段的玉米收获机主要针对耕地中自然生长的站立玉米植株进行收获，摘穗功能主要通过摘穗辊或摘穗板实现，果穗柄被拉断后，果穗被输送，并进行剥皮、脱粒(部分机型)、储存，秸秆被割刀割断，然后被粉碎或打捆。现阶段，市场上常见的玉米收获机包括自走式玉米收获机(果穗型)、穗茎兼收玉米收获机、自走式玉米籽粒联合收获机、鲜食玉米收获机、履带式玉米收获机等几大类。

2.1 自走式玉米收获机(果穗型)

自走式玉米收获机(果穗型)是现阶段农业生产中使用最广泛的机型，目前的产品种类按照型号分超过400种，其主要针对玉米果穗进行收获，主流功能包括摘穗、剥皮、果穗收集、秸秆粉碎，机械结构包括分禾器、割台、摘穗结构、升运器、剥皮机、风筛、集粮箱、秸秆粉碎装置等，根据幅宽和动力差异，可分为小型、中型、大型三类机型。其中中小型玉米收获机以国产品牌为主，例如山东巨明358C三行玉米收获机，雷沃CD3系列玉米收获机，均具有较高的自动化水平和市场认可度。而大型玉米收获机产品国产机型与进口机型均占有一定的市场份额，常用机型例如牧神4YZ-4型、中联收获4YZ-4W(图2)、久保田4YZB-4等。

图2 中联收获4YZ-4W型玉米收获机

2.2 穗茎兼收玉米收获机

穗茎兼收玉米收获机能一次完成玉米摘穗、果穗剥皮、果穗收集装车，同时完成秸秆粉碎还田或秸秆回收等功能，该机型逐渐向着大型化的趋势发展，部分机型可实现玉米收获与秸秆打捆的同步实施。生产中应用的机型以新疆牧神4YZB-8B、九方泰禾牧王系列等机型为代表。其中新疆牧神4YZB-8B(图3)能够实现8行玉米的同时收获，且能进行不对行作业，可完成玉米秸秆粉碎还田、秸秆回收装车等工作。

图3 新疆牧神4YZB-8B穗茎兼收玉米收获机

2.3 自走式玉米籽粒联合收获机

玉米籽粒联合收获机是在传统的谷物联合收割机基础上通过更换玉米割台和相关的工作装置部件实现对玉米的收获功能，该机型在收获过程能实现玉米的籽粒脱粒，并进行去杂与筛分。该机型的优点是工作效率高，但也存在着对玉米籽粒含水率要求较高，存在一定粮食损失等缺点，该机型在东北地区、新疆、内蒙古等地区应用较多。典型机型包括雷沃谷神GM100、中联4LZ-8B1等。

2.4 鲜食玉米收获机

近年来，随着人们生活理念的改善，鲜食玉米的营养和健康价值得到了人们的认可，鲜食玉米的种植面积明显扩大，鲜食玉米的栽培具有低成本高收益的特点，且市场前景良好。与之相应的鲜食玉米收获机也纷纷被研制并投入市场，但鲜食玉米具有含水率高、易破损等问题，现阶段市场上使用的鲜食玉米收获机大多改制于传统的自走式玉米收获机，其技术还需要进一步优化。

2.5 履带式玉米收获机

履带式玉米收获机(图4)主要应用于丘陵、山地、坡地或地面不平坦的耕地，能够适应地形复杂的耕地，且大多以中小型设备为主，结构相对简单，转弯半径小、作业灵活，可用于提高丘陵、山地等地区的农业机械化水平，降低劳动生产的强度。

图4 履带式玉米收获机

3 发展趋势

3.1 向大型化发展

从我国近年来玉米生产模式的变化来看，未来玉米的生产继续呈现大面积连片化特点，这提升了大型玉米收获机的市场需求量。大型玉米收获机应在增加幅宽与动力的同时，将配套的功能进一步优化。

3.2 向智能化发展

农业机械自动化的发展目标就是智能化，玉米收获机不仅具备成熟的机械结构，还应主动向自动驾驶、自动收获、故障自检、远程控制等方向转变，进一步降低人力需求，实现全面的智能化作业。

3.3 向适用性发展

玉米收获机的适应能力还需进一步加强，设计过程充分考虑不同地区的玉米生产特点，为玉米收获机设计自动适应或多项调整等功能，帮助收获机提高适用性。

3.4 向模块化发展

柔性化与模块化已经逐渐成为机械行业发展的主流，玉米收获机也应充分考虑农民需求，为不同的生产模式提供不同的功能模块，使农民购机的选择性增加，可以通过选择不同的割台、动力系统、秸秆处理系统等实现功能定制，有利于收获机功能与地区生产的最佳匹配。