玉米摘穗裝置研究進展及展望

摘 要 摘穗裝置是玉米收獲機的重要組成部分，摘穗裝置的工作性能直接影響著整個玉米收獲機的工作效率。根據玉米摘穗裝置的結構形式和基于國內外的專利數據及期刊文獻數據，分別從縱臥式摘穗輥式、立式摘穗輥式、板式摘穗輥式和橫臥式摘穗輥式4種摘穗結構對玉米摘穗裝置技術的發展現狀進行了概括分析，并展望了摘穗裝置技術的未來研究趨勢。

關鍵詞 玉米；摘穗裝置；摘穗輥；損傷；堵塞

中圖分類號：S225.5+1 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.09.063

摘穗裝置是玉米收獲機的重要組成部分，是收獲機最重要、最核心的結構，提高摘穗速度且不傷及果穗是摘穗裝置設計的宗旨[1]，摘穗作業的穩定性、連續性決定了玉米果穗的摘取品質。摘穗裝置的目的在于實現果穗與莖稈之間的分離，其核心部件摘穗輥應該具備抓取莖稈、輾壓拉引莖稈、摘取果穗及向后輸送、排出玉米莖稈的能力，且能夠實現對不同直徑、不同結穗部位的玉米果穗的摘取。摘穗裝置的工作性能直接影響著整個玉米收獲機的工作效率和可靠性?，F有玉米收獲機摘穗裝置雖具備摘穗適應能力強的特點，但也存在著一些技術缺陷，如對玉米穗有較嚴重的擠壓、啃傷和對籽粒的破壞，對玉米秸稈的破碎也較嚴重，不利于玉米秸稈的后續田間作業處理[2-3]；另外，玉米植株在由梢部喂入摘穗裝置的過程中，也極易產生斷莖堵塞的問題；同時在摘穗的過程中，摘穗精度不高，時有漏摘現象的發生。

1" 玉米摘穗裝置的分類

現有玉米收獲機的摘穗裝置按照其結構形式主要有4種，分別為縱臥式摘穗輥式、立式摘穗輥式、板式摘穗輥式和橫臥式摘穗輥式4種結構形式[4] 。

2" 玉米摘穗裝置的研究進展

2.1" 縱臥式摘穗裝置

縱臥式摘穗裝置主要是由一對相對旋轉的摘穗輥、傳動箱和摘穗輥間隙調整機構組成。其工作原理是在摘穗的過程中，隨著玉米收獲機的運行，摘穗輥前段將玉米莖稈引入，莖稈在兩摘穗輥之間向前移動擠壓，在移動擠壓的過程中實現果穗與玉米秸稈的分離。

對于縱臥式摘穗裝置，早在1907年，公開號為US863812A的專利文獻[5]就公開了將摘穗輥的表面設置成螺紋形凸起結構實現對莖稈的夾持輸送，但其存在對玉米的夾持率偏低的缺陷。而后公開號為US4219990A的專利文獻[6]對摘穗輥進行了進一步的改進，將摘穗輥間隙設置成自動可調節結構，在摘穗輥的表面上設置螺紋形凸起結構的同時設置了“L”形刀片，從而實現根據莖稈的不同直徑進行摘穗輥間隙的自動調節，凸棱結構的設置提高了對玉米的夾持率，并且在摘穗的同時實現了對莖稈的粉碎，方便秸稈的還田處理，即已經基本滿足了人們對玉米摘穗裝置需具備較高夾持率、穗莖兼收的要求。進入到21世紀，以吉林大學為首的一批研究機構將仿生學技術應用到玉米摘穗裝置上，即摘穗裝置的具體結構采用模擬人工掰玉米的方式，例如公開號為CN101116392A的專利文獻[7]就公開了具有仿生幾何結構表面的玉米摘穗輥，其采用對稱布置的一對摘穗輥，在光滑圓柱表面設計了圓形釘型凸包，依靠仿生幾何結構表面的結構來增大摘穗輥對玉米植株莖稈的摩擦系數，從而有效增加摘穗輥對玉米莖稈的摘取能力，同時降低了對玉米穗的擠傷破壞。吉林大學孫國強運用仿生學原理，通過對果穗與摘穗輥之間的受力進行仿真分析，針對不同摘穗輥的材質對應的果穗籽粒損傷程度得到最優結構匹配參數，針對不同玉米類型可以選定合適摘穗輥的最適材質[8]。近年來，隨著信息技術的不斷發展，美國約翰迪爾公司為首的農業機械生產公司，將研發的重點主要集中于對拉莖輥表面結構的改進及結合GPS定位技術、PLC控制技術將其應用到縱臥式摘穗裝置上，實現玉米摘穗的智能化控制，達到摘穗更精準化、智能化。

縱臥式摘穗裝置由于自身體積小、結構簡單的特點多用于背負式玉米收獲機。然而生產實踐表明，縱臥輥式摘穗裝置在實際生產過程中也存在著一定缺陷，由于摘穗輥的直徑、轉速、長度、傾角、表面結構等諸多因素均影響摘穗質量的好壞，因此，在實際生產中需要找到上述這些因素的最優組合，才能降低果穗的損失率，并適應不同含水率莖稈的采摘，從而提高摘穗效率。

2.2" 立式摘穗輥式

立式摘穗輥式裝置主要由一對相對轉動的立式摘穗輥、擋禾板、轉動裝置組成。其工作原理是莖稈切斷后通過喂入鏈喂入到摘穗輥內，莖稈在摘穗輥的作用下向后端移動運輸，由于擋禾板的阻擋作用，使禾稈向垂直于輥軸方向旋轉并拋出。

立式摘穗輥式常采用單排或雙排輸送鏈對莖稈進行輸送，然而在輸送和摘穗過程中輸送鏈受力較復雜，容易導致夾持鏈條的脫鏈或斷鏈。同時，在夾持輸送末端與摘穗輥存在交接，而莖稈在此極容易發生堵塞。公開號為RU2053629C1的專利文獻[9]公開了一種立式摘穗裝置，其通過將摘穗輥與莖稈截斷裝置之間的距離進行有效調節而降低摘穗裝置對果穗的損害。由于立式摘穗裝置存在上述缺點，因此在歐美等國家研制和使用都較少。

中國的玉米主產區因需要回收果穗和秸稈，因此一些科研院所及農業機械公司對立式摘穗裝置的研究較多。如公告號為CN2324762Y的專利文獻[10]公開了一種背負前懸掛式玉米收獲機，其通過切割器切割玉米秸稈，被夾持輸送器的鏈條夾持并被帶到并列直立的摘穗器內，果穗被相對轉動的摘穗輥摘下，通過升運器將果穗輸送到果穗箱內，整機機型設計緊湊，通過性得到一定提高；又如公告號為CN2328167Y的專利文獻[11]，其創造性地將夾持鏈主動鏈輪配置在摘穗輥前方，立式輥機型將動鏈輪與摘穗輥或拉莖輥同輥配置，從而降低鏈條的速度，改善工作環境，提高鏈條壽命，有效避免了鏈條的脫落或斷鏈現象的發生。然而上述立式摘穗裝置在實際應用過程中也僅能夠實現果穗和秸稈的回收，莖稈堵塞問題還是未能夠很好解決，基于此，一些科研院所對其進行了大量研究和改進并取得了階段性的成果。山東理工大學公告號為CN2643629Y的專利文獻[12]將摘穗輥、拉莖輥及滾刀相互平行設計在殼體上，從而避免了莖稈的堆積；公告號為CN202679992U的專利文獻[13]采用兩對立輥喂入，使秸稈喂入在高度上適應性增強，不易因秸稈喂入高度變化而發生堵塞。山東理工大學的研究重點側重于秸稈堵塞問題，而吉林大學的閆洪余等人對立輥式玉米收獲機關鍵部件工作機理也進行了研究[14]，應用運動學和動力學等理論，首次全面分析了玉米收獲機夾持輸送、摘穗、剝皮、秸稈粉碎等關鍵部件的工作機理并建立了相關的模型，為玉米收獲機工作部件的設計提供了理論基礎，并以此解決了摘穗輥工作效率低、落粒損失大、夾持輸送部件掉鏈和斷鏈問題，同時也解決了秸稈壓緊機構的堵塞、卡死等長期制約立輥式玉米收獲機工作性能和可靠性的問題。

從立式摘穗裝置的技術研究來看，其主要適用于小片區作業的玉米產區，其未來的主要研究重點仍在于降低或避免收獲機在使用過程中的堵塞問題。

2.3" 板式摘穗裝置

板式摘穗裝置是由一對縱向斜置式拉莖輥和兩個摘穗板組成。其工作原理是在使用過程中通過調節板之間的間隙與摘穗輥的旋轉速度的匹配，利用摘穗板對玉米果穗的阻擋作用，由拉莖輥強行將玉米莖稈拉下實現果穗分離。

板式摘穗裝置具有效率高、工作可靠和玉米穗啃傷幾率小、掉粒和籽粒破碎現象較輕等優勢，國內外科研院所和大的農業機械公司對板式摘穗裝置的研究投入都較多。公開號為FR2373220A1的專利文獻[15]公開了采用摘穗輥與直板之間的配合實現對玉米果穗的采摘，但是上述板式摘穗裝置在實際使用的過程中對莖稈的損壞比較嚴重，針對這一缺陷，公告號為CN2040296U的專利文獻[16]將摘穗板設置成階梯板形式，將階梯摘穗板與強拉輥結合組成強拉輥摘穗裝置，增強了拉取力，在一定程度上改善了莖稈損壞的問題。中國農業大學的公開號為CN105474878A和久保田株式會社公告號為CN205812823U的專利文獻[17-18]也是從摘穗板入手，對摘穗板進行重新設計，從而增強了玉米莖稈的通過性。另外，德國GeringHoff公司公開號為DE4344669C1的專利文獻[19]則是從拉莖輥角度對摘穗裝置進行了重新設計，提高了拉莖的準確率，降低或避免了漏莖。

綜上所述，板式摘穗裝置是通過切割和拉拽果柄實現的摘穗，能夠降低對玉米果穗的擠壓損傷，由于其采用的是拉拽式分離的方式進行穗莖分離，使得果穗攜帶大量苞葉，同時對玉米莖稈的損壞也比較嚴重，給秸稈回收和粉碎還田都帶來一定困難，并且板式摘穗裝置是強制拉斷莖稈會消耗大量動力，易造成玉米果穗果柄處斷裂，導致含雜率較高，輸送器上的果穗仍留有莖稈，易造成機械的堵塞。因此，進一步降低機械的堵塞問題仍然是研究的重點。

2.4" 橫臥式摘穗裝置

橫臥式摘穗裝置主要是由撥禾輪、喂入輪及一對相對回轉的橫向臥輥、喂入輥、輸送裝置等組成。其工作原理是切斷后的莖稈經輸送裝置輸送，莖稈末端進入喂入輪和喂入輥的間隙中，莖稈垂直進入摘穗輥間隙，在摘穗輥的碾壓旋轉下，莖稈迅速向摘穗輥的后方拋送，因果穗不能通過摘穗輥間隙，迫使穗柄彎折，穗柄在最薄弱處被折斷從而實現摘穗。

橫臥式摘穗裝置具有結構簡單、功耗小、抓取莖稈的能力強和對青貯玉米的摘穗效果較好的特點，其多應用在玉米聯合收獲機或青貯玉米收獲機上。公開號為CN202127618U的專利文獻[20]公開了一種橫向臥式玉米收獲裝置，其采用長、短摘穗輥橫向布置，同時長、短摘穗輥結構獨立分布且長摘穗輥位置低于短摘穗輥位置，有利于摘下的果穗向果穗輸送器掉落。這種設計一方面有效減小了機器的縱向尺寸和整機的回轉半徑，提高了收獲機的道路通過性；另一方面，采用長短摘穗輥的高低設置，降低了對果穗的啃傷，同時也降低了果穗的丟失率。另外，公開號為DE102012014085A1的專利文獻[21]公開了一種橫臥式摘穗裝置，其通過在摘穗輥上設置勾齒對堵塞摘穗輥的莖稈進行切斷操作，從而大大降低了穗莖在運送過程中的堵塞。公開號為CN217825999U的專利文獻[22]公開了一種橫臥式摘穗拉莖裝置及莖穗兼收玉米收獲機割臺，其在摘穗輥上設置的螺距僅允許莖稈通過而阻擋果穗通過，使果穗不會咬入上下摘穗器之間，從而降低了籽粒破損率。

綜上所述，橫臥式摘穗裝置因其自身的結構特點，使得玉米果穗從頂端首先觸及摘穗輥，并且摘穗輥與果穗的接觸時間較長，極容易造成果穗被咬傷，尤其是當多個玉米同時被喂入時，果穗會連同莖稈一起被帶入到摘穗輥中，造成果穗被摘穗輥啃傷甚至造成丟穗，因此，進一步降低機械對玉米的啃傷仍然是未來研究的重點。

3" 玉米摘穗裝置研究展望

通過對4種玉米摘穗裝置技術的分類總結，并對各類摘穗裝置的技術發展脈絡、結構特點及研究重點進行了分析，發現未來玉米摘穗裝置技術的研究趨勢重點在以下2個方面。

1）向信息化、智能化方向發展。隨著智能化技術的不斷發展，GPS定位系統、大數據處理技術、無人駕駛技術等不斷應用于玉米收獲機設計，能夠實現對收獲機工作狀態的實時控制和調節，不斷減輕農業技術人員的工作強度，降低作業成本，減少收獲損失，為玉米收獲機生產效率的提高注入新動力。

2）向低損傷率、防堵塞方向發展。純輥式摘穗裝置由于果穗會連同莖稈在兩摘穗輥之間向前移動擠壓，在移動擠壓的過程中對果穗會造成擠壓或碾壓損傷；板式摘穗裝置由于其采用的是拉拽式分離的方式進行穗莖分離，使輸送器上的果穗仍留有莖稈、大量苞葉，造成機械的堵塞。上述問題均嚴重影響玉米收獲機的工作效率，制約玉米收獲機的規模化使用，因此，解決摘穗裝置的損傷、堵塞問題仍然是今后研發的重點。

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（責任編輯：易" 婧）