孫榆歡，楊君乾，張克平

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

我國丘陵山地的耕地面積占比超過50%，覆蓋人口超過60%。丘陵山地是我國糧油糖作物及青飼料等特色經(jīng)濟作物的重要生產(chǎn)基地[1]。丘陵山區(qū)交通不便，種植作物是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民家庭收入的重要來源。坡地多、田塊小且不規(guī)則是我國丘陵山地主要特征。丘陵山區(qū)立地條件較差、種植分散，機械使用難度較大[2]。

1 我國西北地區(qū)丘陵山地主要牧草收獲機械介紹

牧草收獲季節(jié)性非常強，收割必須在合理的時段內(nèi)進行，否則會造成營養(yǎng)流失。牧草收獲若采用傳統(tǒng)的手工方式，收割不及時，會產(chǎn)生霉變和發(fā)黃等現(xiàn)象，導(dǎo)致營養(yǎng)價值流失，其至毒害牲畜[3]。當(dāng)前，丘陵山地牧草小規(guī)模分散種植制約了機械化收獲作業(yè)。隨著西北丘陵山區(qū)對牧草收獲機械需求量的增大，科研工作者研發(fā)了一系列適用于我國西北丘陵山區(qū)的小型牧草收獲機械，主要為加工機械和生產(chǎn)機械。加工機械以制粒機、壓塊機和牧草粉碎機等為主；生產(chǎn)機械以割草壓扁機、割草裹膜機、摟草機和拾撿打捆機等為主[4-5]。

1.1 割草機

割草機多用于收割人工種植的牧草。割草機主要分為圓盤式割草機和往復(fù)式割草機，圓盤式割草機缺點為功率消耗大、碎草多、割茬不齊，但切割效率高，目前市場占有率高。往復(fù)式割草機使用調(diào)整方便，具有牧草損失少、割茬整齊和功率消耗少等優(yōu)點，缺點為速度較慢。如圖1所示為甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的雙圓盤式割草機，由異形割刀、導(dǎo)草裝置、圓形刀盤、刀盤滑掌、四連桿提升裝置、傳動系統(tǒng)和固定支架等零部件組成。該割草機可作為自走式割草機的割臺使用，也可以通過外置支架懸掛在拖拉機前方，還可以內(nèi)置壓扁輥等調(diào)質(zhì)裝置，可完成割草、調(diào)質(zhì)、集草等工序。該雙圓盤式割草機的漏割損失率、超茬損失率和重割率均遠高于標準要求水平[6]。

1.2 割草壓扁機

由于牧草的莖稈與葉片干燥速度不同，對牧草進行收獲時，各工序的機械作用會使已經(jīng)干燥的葉片脫落造成損失，而牧草葉片中的營養(yǎng)成分較莖稈中高。如在收割后立即進行壓扁操作形成草條，可以均勻干燥牧草，減少營養(yǎng)流失，有效提高草產(chǎn)品質(zhì)量，且能提高下一茬牧草的生長速度[7-9]。割草壓扁機分為圓盤式與往復(fù)式，圓盤式具有生產(chǎn)效率較高、不易堵塞、刀片更換簡單、維修保養(yǎng)方便等優(yōu)點，但存在功率消耗較大、損失較大、割茬不齊、碎草較多、對地面的平整度要求較高等缺點，主要應(yīng)用于地塊平整、密度大和產(chǎn)量高的牧草收割，我國市場占有率呈上升趨勢。往復(fù)式割草壓扁機有割茬干凈整齊、收獲損失小、割臺適應(yīng)性強和便于調(diào)整使用等優(yōu)點，但由于切割速度高，容易引起設(shè)備振動，機械損耗大、刀片容易堵塞等缺點，導(dǎo)致使用維修成本升高，主要適用于人工草場牧草的收割，目前我國市場占有率較高[10-11]。

如圖2所示為河北冀旋研發(fā)的冀旋9GXY-3.0割草壓扁機，為牽引式結(jié)構(gòu)、機身堅固、可靠性高，采用圓盤式刀片，主要用于苜蓿收獲[12]。

圖2 割草壓扁機

1.3 牧草打捆機

牧草在長時間儲存時，易出現(xiàn)腐爛、變質(zhì)等問題，對牧草進行打捆并包膜處理可以形成易儲存、易消化的高品質(zhì)飼料。牧草打捆機的工作原理為打捆機在拖拉機的牽引下，通過拖拉機液壓系統(tǒng)給傳動系統(tǒng)提供動力，彈齒旋轉(zhuǎn)將牧草撿拾后，拋向喂入系統(tǒng)，喂入轉(zhuǎn)子連續(xù)帶動牧草旋轉(zhuǎn)并將牧草推向成型室，當(dāng)牧草在成型室內(nèi)的密度達到設(shè)定值后，網(wǎng)纏裝置對牧草進行扎捆操作，最后將扎捆成型草捆拋出[13]。如圖3所示為禹鳴機械有限公司研發(fā)的牧草打捆機，能依次完成牧草收割、撿拾、扎捆與拋捆等工序[14]。

圖3 牧草打捆機

2 我國西北地區(qū)丘陵山地牧草收獲機械短板弱項

我國的牧草機械化收獲起步相對較晚，從20世紀80年代開始，許多牧草收獲機械企業(yè)紛紛改制、轉(zhuǎn)型，造成我國牧草收獲機械的功能單一、適應(yīng)性不足，牧草收獲機械發(fā)展較為滯后，在諸多方面存在不足。

在產(chǎn)品技術(shù)方面，牧草收獲機械裝備技術(shù)含量不高，機械裝備可靠性較差，作業(yè)效率不高，機具核心零部件難以滿足用戶需求。產(chǎn)品的改進升級速度跟不上用戶對機具功能的需求。當(dāng)前割草、摟草、扎捆、儲藏等作業(yè)環(huán)節(jié)的機械化程度較低，導(dǎo)致收獲過程中牧草葉片掉落，造成營養(yǎng)的流失、利用率下降，牧草總體品質(zhì)降低，影響農(nóng)民收益[15]。

在產(chǎn)品種類方面，現(xiàn)有牧草收獲機械的類型較為單一。我國地形地況復(fù)雜，西北地區(qū)多為丘陵山地，地塊較小、起伏較大、道路條件較差，現(xiàn)有的牧草收獲機械無法適應(yīng)我國復(fù)雜多變的地形和地面條件。牧草收獲機械裝備的動力配套性較弱，需用多個驅(qū)動設(shè)備來驅(qū)動不同的機械裝備，限制了農(nóng)民對機型多樣性的需求[16]。

在產(chǎn)品服務(wù)方面，牧草收獲機械售后服務(wù)規(guī)模小、組織單一、正規(guī)化程度不高，社會配套服務(wù)單薄，官方售后略顯不足。大多數(shù)收獲作業(yè)配套服務(wù)跟進不及時、組織服務(wù)成本較高、質(zhì)量標準不夠完善[17]。

3 我國西北地區(qū)丘陵山地牧草收獲機械發(fā)展

3.1 牧草收獲機械與牧草產(chǎn)業(yè)同頻共振

“十四五”是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家和基本實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化開好局、起好步的關(guān)鍵五年。農(nóng)業(yè)機械化是轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、提高農(nóng)村生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的重要支撐。研發(fā)適用于我國西北地區(qū)丘陵山地的牧草收獲機械勢在必行，聚焦降低故障率、提升可靠性、保證安全性、提高實用性、解決售后問題，減少農(nóng)牧民因維修造成的經(jīng)濟負擔(dān)。在發(fā)展牧草收獲機械的前提下，提升牧草質(zhì)量，促進牧草產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，保證食品質(zhì)量與安全，為全面推進鄉(xiāng)村振興和加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化作出牧草產(chǎn)業(yè)應(yīng)有的貢獻[18]。

3.2 牧草收獲機械系統(tǒng)化智能化發(fā)展

近年來，隨著計算機技術(shù)、智能化、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展，各種農(nóng)業(yè)機械也朝著機電液一體化、智能化、無人化的方向快速發(fā)展。科研機構(gòu)正在創(chuàng)制新型智能農(nóng)機。趙文峰等[19]通過轉(zhuǎn)速檢測、角度檢測、油溫油壓檢測和轉(zhuǎn)速檢測等傳感器的應(yīng)用，完成對收割機行程調(diào)控和動力控制等操作，使傳統(tǒng)農(nóng)機裝備具備無人化操作，實現(xiàn)一人多機同時管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準服務(wù)。張安琪等[20]自主研發(fā)小型方捆機草捆動態(tài)稱量系統(tǒng)，明晰了拖拉機 PTO 啟停對草捆動態(tài)稱量系統(tǒng)角度噪聲信號和草捆壓力的影響機理，為信號系統(tǒng)的適時處理提供了理論依據(jù)。團隊在信號分析的基礎(chǔ)上，利用巴特沃斯帶阻濾波、雙閾值濾波和分段線性插值的方法處理了原始信號，得到的模型預(yù)測相對誤差優(yōu)于均值濾波，為草捆動態(tài)稱量及打捆機的研發(fā)提供了理論支撐。牧草收獲機械應(yīng)抓住發(fā)展農(nóng)業(yè)智能化的機遇，研發(fā)出適用于我國西北地區(qū)丘陵山地的智能牧草收獲機械，解放勞動力，提高作業(yè)效率，提高牧草產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3 新技術(shù)集成應(yīng)用

近幾年，國家對發(fā)展農(nóng)業(yè)機械的大力支持，尤其是新技術(shù)的使用，使得我國牧草收獲機械迅速發(fā)展，國內(nèi)牧草收獲機械正在應(yīng)用的新技術(shù)主要有以下幾種。

激光加工技術(shù)。利用激光束與金屬相互作用，對材料(非金屬、金屬)進行焊接、切割、打孔、微加工及表面處理等。激光加工技術(shù)在牧草收獲機械的制造中起到非常重要的作用，提高了加工精度，降低了制造難度，延長了機具壽命，節(jié)省了原料，實現(xiàn)了綠色發(fā)展。

傳感檢測技術(shù)。傳感檢測技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要在于環(huán)境監(jiān)測、土地狀況檢測、作物生長程度檢測及農(nóng)業(yè)機械中的力學(xué)檢測。在牧草收獲機械中，傳感器可以對割草機割刀受力、打捆機對草捆的束縛力等進行檢測。王成龍[21]設(shè)計了一種自走式打捆機自動樓草控制系統(tǒng)，主要由限位傳感器、電磁閥、CPU處理單元、輸入信號電路和輸出驅(qū)動電路等組成。輸入信號電路與CPU處理單元連接，輸入信號電路向CPU處理單元輸入限位信號；CPU處理單元與輸出驅(qū)動電路連接，CPU處理單元向輸出驅(qū)動電路輸入驅(qū)動信號；限位傳感器與輸入信號電路連接，限位傳感器的主要作用是采集限位信號并傳輸至輸入信號電路；電磁閥與輸出驅(qū)動電路連接，電磁閥用于輸出控制信號。打捆過程可實現(xiàn)全自動樓草放草動作，提高打捆作業(yè)效率。

機器人技術(shù)。機器人技術(shù)是集計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)和圖像識別等多學(xué)科的系統(tǒng)技術(shù)，使機械按照既定的程序自主運行。通過實現(xiàn)復(fù)雜農(nóng)業(yè)環(huán)境下的導(dǎo)航、機器人和作物之間的無損互作，農(nóng)藝與機器人的融合實現(xiàn)革命性突破。目前，國內(nèi)對噴藥機器人、施肥機器人、除草機器人、扦插機器人、育苗機器人、收割機器人、移栽機器人和采摘機器人等均進行了研究[22]。盡管國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還未能實現(xiàn)，但農(nóng)業(yè)機器人的研究為牧草收獲機器人的創(chuàng)制提供了思路。

3.4 “以機適地”“改地適機”雙向發(fā)力

我國西北地區(qū)丘陵山地有著地塊小、坡度大、道路條件差的地貌特點，給農(nóng)業(yè)作業(yè)全程機械化的實施造成了很大困難。圍繞農(nóng)業(yè)機械化的問題，在長期實踐的過程中形成了兩條思路，即“以機適地”的機械工程方法和“改地適機”的建設(shè)工程方法?！耙詸C適地”即創(chuàng)制多功能、輕簡化、高可靠性的丘陵山地農(nóng)機裝備?！案牡剡m機”是通過對耕地進行整治，改善農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)條件，以拓展中大型農(nóng)業(yè)機械的應(yīng)用空間?！耙詸C適地”與“改地適機”雙向發(fā)力，是解決我國西北地區(qū)丘陵山地牧草收獲機械化收獲的現(xiàn)實舉措[23-24]。

4 結(jié)束語

目前，我國農(nóng)機裝備在研發(fā)和應(yīng)用上存在一些短板弱項，比如“一大一小”的問題。“一小”的一個分支是指能夠適應(yīng)丘陵地區(qū)的小型機械尚未到位。2021年12月召開的中央農(nóng)村工作會議首次明確提出“提升農(nóng)機裝備研發(fā)應(yīng)用水平”[25]。2021年12月召開的中央經(jīng)濟工作會議上再次提出“要把提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力放在更加突出的位置，持續(xù)推進高標準農(nóng)田建設(shè)，深入實施種業(yè)振興行動，提高農(nóng)機裝備水平”[26]。2022年中央一號文件再次強調(diào)“提升農(nóng)機裝備研發(fā)應(yīng)用水平”。全面梳理短板弱項，加強農(nóng)機裝備工程化協(xié)同攻關(guān)，加快大馬力機械、丘陵山區(qū)和設(shè)施園藝小型機械、高端智能機械研發(fā)制造并納入國家重點研發(fā)計劃予以長期穩(wěn)定支持[27]。在國家“提升農(nóng)機裝備研發(fā)應(yīng)用水平”政策的大力支持下，我國西北地區(qū)丘陵山地牧草收獲機械也將取得長足的發(fā)展。