《Advances in Agriculture》：Advances in Straw Baling and Bale Collection: A Review of Mechanized Harvesting Technologies and Equipment
编辑推荐：
机械化收获对于作物秸秆的快速移除至关重要，直接影响大规模秸秆收集的效率，并在改进收获模式与推动相关装备发展中发挥关键作用。由于自然条件与农业实践存在显著的区域差异，机械化秸秆收获对打捆、捡拾、堆垛及装卸设备的结构与功能提出了多样化需求。研究人员对全球不同地区具
机械化收获对于作物秸秆的快速移除至关重要，直接影响大规模秸秆收集的效率，并在改进收获模式与推动相关装备发展中发挥关键作用。由于自然条件与农业实践存在显著的区域差异，机械化秸秆收获对打捆、捡拾、堆垛及装卸设备的结构与功能提出了多样化需求。研究人员对全球不同地区具有代表性的机械化秸秆收获装置进行了综述，总结了秸秆收集、压缩、打捆、草捆捡拾、堆垛及装卸等环节的结构特征、工作原理及关键技术参数。此外，研究还识别了限制快速秸秆移除机械化发展的主要制约因素，涵盖耕作方式与复杂地形等方面。基于上述分析，研究提出了若干建议，包括规范种植模式、研发区域适应性与专用化装备、构建集成化机械化秸秆收获技术体系，以及加强产业、高校与科研院所的协同合作。这些发现为机械化秸秆收获装备的发展提供了参考，并支撑秸秆资源的高效利用。
本文围绕秸秆打捆与草捆收集技术展开系统综述，采用过程导向的技术框架，将秸秆捡拾、压缩、打捆、聚集、捡拾、堆垛及运输整合为统一的机械化收获体系，通过对比方捆与圆捆打捆技术在一致操作逻辑下的技术特征，明确了各关键阶段装备的功能定位与技术耦合关系。
1 引言
秸秆是农业生产的重要副产品，属于宝贵的可再生农业资源。在中国这一农业大国，秸秆约占全年农业投入产出的51%。2023年，中国农作物秸秆产量约为3.4–3.6亿吨，全国综合利用率保持在86%以上。近年来，在《农业农村部办公厅关于推进2023年农作物秸秆综合利用的通知》等政策支撑以及市场需求增长的双重驱动下，秸秆机械化收获作业效率稳步提升。机械化田间秸秆移除为快速大规模秸秆收集提供了有效途径，与秸秆粉碎直接还田相比，机械化移除可减少土壤水分积聚和害虫滋生，显著降低露天秸秆焚烧，有助于缓解农户的产后管理压力并支撑农业绿色发展。智能化秸秆收获装备是实现秸秆移除机械化、自动化、信息化、精准化及可持续性的核心技术基础。然而，当前部分区域仍依赖人工收集与运输车辆相结合的方式，导致劳动强度高、作业效率低。中国复杂的地形与多样的农业条件造成土壤特性和种植制度存在显著区域差异，这对机械化秸秆收获装备提出了不同的技术要求，对机械的适应性与可靠性构成更大挑战。
2 机械化秸秆收获技术模式
机械化秸秆收获技术以作物秸秆为作业对象，涵盖捡拾、打捆、聚集、捡拾、堆垛及运输等多个阶段，选择先进适用的农业机械化技术与装备，构建符合不同地区自然条件、经济状况、生产规模及机械化水平的技术模式。该模式详细分析各阶段的作业方式与技术流程，形成适应作物、兼容环境、区域适配、工艺匹配且经济规模化的多元化机械化收获技术。
为实现秸秆收获全过程的机械化覆盖，并确保对作业环境的充分适应性与技术工艺的高度兼容性，机械化秸秆收获技术须满足以下具体要求：高效收集与处理，适应中国常见的作物轮作制度，在不影响后茬播种的短时间内完成作业；适应性与稳定性，应对不同作物、地形和气候条件，确保低故障率和少停机时间；经济性与环境友好性，降低运营成本，满足环保标准；智能化与自动化，实现作业参数的自动调节、设备状态的实时监控及基于数据分析的效率优化。
3 机械化打捆技术与装备
3.1 方捆成形技术与装备
打捆装备按草捆形状可分为方捆打捆机（square baler）和圆捆打捆机（round baler）。发达国家和地区于20世纪30年代成功发明了方捆打捆机，该领域领先企业包括爱科（AGCO）、纽荷兰（New Holland）、约翰迪尔（John Deere）及科乐收（Claas）等。中国对进口秸秆打捆机的科学研究始于20世纪70年代，相关 prominent 机构包括雷沃重工、花溪玉田机械、星光玉龙机械、顺邦农机及中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院等。
3.1.1 捡拾阶段
捡拾装置是秸秆打捆机的关键部件，其机械结构参数显著影响捡拾性能，主要由捡拾机构和螺旋输送器组成。捡拾机构通常包括刀辊、刀片、刀座、捡拾护板和驱动装置等关键部件。作业时，拖拉机动力通过驱动装置传递至捡拾单元，收集平铺于田间的秸秆；刀辊高速旋转产生强烈冲击力和切向力，驱动刀片切割秸秆。捡拾护板有效阻挡切割后散落的秸秆，确保其有序收集处理；随后秸秆由螺旋输送器送入打捆室。研究人员设计了基于模糊比例积分微分（fuzzy PID）调速控制的移动式秸秆喂入机，实现喂入率的精确控制；设计了基于模糊PID算法的远程监控系统，实时监控喂入率。针对捡拾输送过程中的堵塞问题，研究人员设计了采用反求法的凸轮机构，提出无护圈结构，实现9YFQ-2250型打捆机的稳定无堵塞运行。通过增加弹齿（tine）组数有效降低漏检率；以4JQH-120秸秆收集机为研究对象，优化捡拾机构的不同切割刀具选择与布置配置；提出振动处理方法去除青贮玉米秸秆中的粘附与嵌入土壤，构建了可同时优化土壤去除率和秸秆损失率的评价体系。
3.1.2 压缩阶段
压缩机构（打捆室）是打捆机的核心工作部件，决定草捆密度和尺寸，是评价打捆机性能的关键指标。根据压缩技术不同，压缩机构可分为机械式和液压式。机械式压缩机构通过曲柄滑块机构驱动活塞运动，将秸秆分层压实，逐步形成方捆；液压式压缩机构利用液压缸执行压缩过程，进料液压缸将 incoming 秸秆推入打捆室，压缩液压活塞将秸秆压实成预定尺寸的草捆。研究人员设计了电液比例位置控制的液压系统，采用模糊PID控制调节流量；开发了非线性流变模型预测秸秆草捆在压缩下的力学行为；设计了秸秆预压缩的机械调整系统，以提高草捆密度并降低能耗。
3.1.3 打结阶段
打结用于固定压缩后的秸秆草捆，防止后续搬运中散落。打结质量直接受打结器（knotter）参数设置控制，由于其结构复杂、运动配合紧密且工作环境恶劣，该领域研究难度大、技术突破困难。研究人员针对D型打结器线绳切断释放机构的空间复杂性和设计标准不明确问题，研究了夹绳机构、成环钳机构和切绳机构的协调配合；测试了线绳盘放线点位置和成结钳凸角在打结过程中的定位，为改进成结钳设计和线绳盘放线点精确定位提供理论指导；重新设计了双同步槽盘打结器的夹持驱动机构，实现100%的夹持成功率；通过增设夹绳装置平衡打结过程中的受力，延长成结钳使用寿命；对D型双结打结器框架结构进行模态分析，优化五轴孔空间角度关系，提升固有频率和抗振性；优化了结释放机构结构，显著降低磨损；应用发明问题解决理论（TRIZ）分析设计打结器，延长D型打结器使用寿命；开发了高密度大方捆顶部线绳张力测量系统，为研究线绳失效机制和降低打捆成本奠定基础。
3.2 圆捆成形技术与装备
圆捆打捆机主要来源于美国、德国和法国，制造商包括约翰迪尔、科乐收、库恩（KUHN）和纽荷兰等。中国圆捆打捆机以中小型为主，主要制造商包括中联重科、中机美诺、花溪玉田、蒙拓科技和星光玉龙等。按成形机理，圆捆打捆机可分为外卷式和内卷式两大类；按结构类型，外卷式包括辊筒式、短带式和辊杆式，内卷式包括长带式和链杆式。
3.2.1 捡拾阶段
圆捆打捆机与方捆打捆机的捡拾机构相似，主要由捡拾弹齿、螺旋输送器和护板组成。针对圆捆打捆机喂入辊作业效率低的问题，研究人员优化了喂入辊和拨叉的尺寸参数与分布，使秸秆草捆密度达到161.4 kg/m
3，成捆率达99.6%，生产率达23 t/h。作业时，捡拾弹齿旋转将秸秆从地面拾起，螺旋输送器将秸秆均匀送入打捆室，确保持续稳定喂入。
3.2.2 压缩阶段
在打捆室内，秸秆进入成形室后由压缩机构逐渐成形为圆捆核心。钢辊以相同方向和速度旋转，驱动初成形的草捆顺时针旋转，随着秸秆持续喂入，圆捆逐渐增大成形。研究人员分析了钢辊和草捆在打捆过程中的受力，建立了预测圆捆压实密度的数学模型，提出圆捆打捆机内草捆密度的动态实时测量方法，数据采集系统的测量精度达93%–97%；设计了可反映辊压与草捆密度功能关系的监控系统，以辊压作为成捆指标时最大偏差为4.38%，变异系数为3.12%；设计了钢辊位置调节机构，确定了螺旋成形室钢辊布局的结构参数和范围；设计了可变压缩室机构，解决单一圆捆直径问题；建立了压缩阶段钢辊功耗模型和基于草捆受力动态变化的实时密度模型，分析了影响圆捆打捆机功耗的因素，建立了圆捆打捆机功率、能耗与草捆密度的关系；设计了由侧盘和钢辊组成的辊盘式打捆机构，在完整秸秆收获中无堵塞。
3.2.3 捆扎阶段
圆捆通过捡拾和压缩成形后，捆扎机构启动以固定草捆。捆扎和网包机构是打捆机的关键部分，主要功能是用薄膜或网状包膜，或用绳直接捆扎符合预设尺寸、重量和密度标准的秸秆草捆，防止运输储存过程中散捆。研究人员设计了与钢辊式圆捆打捆机配套的捆扎机构，在特定参数设置下有效控制秸秆草捆膨胀率为4.42%，每吨秸秆绳耗仅2.93 kg；优化了钢辊表面结构和辊子布置顺序，实现草捆核心的分段增速旋转，最大转速达960 rad/s，显著提高卷捆能力；基于拉伸膜机械性能设计验证了可调式圆捆包膜机，可包膜直径0.5–1.2 m、长度0.5–1 m的圆草捆；设计了满足成形草捆全覆盖包膜要求的撕膜固膜装置，创新性地集成自动切膜和复夹功能。
4 草捆捡拾技术与装备
草捆捡拾主要包括田间收集、装车和堆垛储存。按机械化程度，草捆捡拾运输装备可分为两类：一类是进行分段作业的小型机械，另一类是集成多种功能的大型机械。
4.1 分段捡拾技术与装备
分段捡拾是早期主要使用的作业方式，部分小型农场仍在使用。该类装备的主要特点是将草捆聚集、堆垛、运输和卸荷等任务模块化分割，由不同机器分别完成相应功能。为保证捡拾过程中草捆的完整性，捡拾机夹持机构的设计根据草捆形状进行了精细调整。
4.1.1 田间聚集阶段
圆捆多采用薄膜包覆，为防止薄膜破裂，捡拾方式常为铲式，夹持机构略呈弧形。捡拾机构主要由夹持机构（捡拾叉）、捡拾臂和液压缸组成；拖拉机牵引捡拾车沿圆捆轴向稳定前进，捡拾叉缓慢伸出直至到达草捆底部，液压缸驱动捡拾臂绕框架固定点旋转，当捡拾臂转过垂直位置时，草捆从短叉滚落到框架上完成聚集动作。方捆多用绳捆扎，捡拾方式多为夹持式，核心部件包括夹持机构（进草板、护草板和 rear guard）、提升链、限位开关、导杆、液压马达、两侧侧板、护栏和安装架。作业时，捡拾装置依靠液压马达提供的动力驱动捡拾链从地面抓取草捆，由链和捡拾齿组成的钉链直接接触大方捆，通过捡拾齿的升举和穿刺动作有效提升方捆并沿设定路径输送至一级翻转板。针对方捆喂入收集车时易歪斜严重影响作业稳定性的问题，研究人员运用ARIZ算法改进技术系统设计，显著提高方捆收集车的喂入效率。
4.1.2 装载与堆垛阶段
圆捆形状不便于堆垛，圆捆捡拾机主要运输单排草捆，采用推送机构收集一定数量的圆捆。推送机构由推送架和推送传动机构两部分组成，由液压马达驱动。矩形草捆形状更规范，便于堆垛，具有三级平台：一级翻转平台接收捡拾机构抓取后经输送系统运送的矩形草捆，堆满后触发 rear 草压板和 full 草压板，一级平台自动向上翻转90°–95°将草捆转移至二级平台；二级平台堆满后触发 full 触发杆，自动开始向上翻转，达45°时草压叉升起，继续翻转至堆垛平台与二级平台夹角达88°时矩形草捆放置于堆垛平台并由压叉固定。研究人员设计了交错放置法的堆垛策略，开发了可纵向和横向交叉堆垛的堆垛装置，提高堆垛整齐度和稳定性。
4.1.3 卸荷阶段
倾翻卸荷机构是草捆卸荷过程的关键部件。圆捆捡拾机因单排收集草捆，卸荷常依靠推送机构，设计了防掉落卸荷机构，由卸荷支撑板、小液压缸、挡板和小张紧链轮组成，挡板由小液压缸控制实现升降和平放，完成挡草和卸草功能。矩形草捆捡拾机收集草捆数量较多，需要堆垛机构进行有序堆垛，因此采用倾翻卸荷机构卸荷。研究人员结合理论计算、仿真技术和田间试验，开发了9JF3型矩形草捆捡拾堆垛车的倾翻卸荷机构，主要包括堆垛平台和液压升降缸，运输至卸荷地点后液压系统控制升降平台翻转堆垛平台完成卸垛。装载平台机构由升降平台、升降装置和卸荷推杆组成，通过降低装载平台收集矩形草捆，收集一定数量后平台完全降低，将草捆卸至指定位置。
分段草捆捡拾收获机械灵活性高，可适应不同地形和各种作业规模，但依赖人工操作，过程复杂耗时。
4.2 集成捡拾运输技术与装备
集成草捆捡拾运输装备多为牵引式，由拖拉机牵引作业，可一次性无缝完成草捆聚集、装载和堆垛全过程，显著提高整体工作效率。其核心作业阶段与分段捡拾系统相似，关键区别在于利用智能控制技术将这些阶段同步整合为连续工作流，消除人工干预。目前中国草捆捡拾机一般已具备草捆收集、堆垛和运输等系列作业能力，但适应性和通用性仍需提高，智能化程度不足使得在复杂地形作业时调整困难，自动调速和故障检测等关键技术相对落后。
4.2.1 田间聚集阶段
集成装备的草捆聚集机构集成捡拾弹齿、夹持装置和输送系统，可自动识别和收集不同形状和大小的草捆，实时调整夹持力和输送速度确保草捆完整性。研究人员设计了带CAN总线接口的花生收获机工作部件半自动化电控系统，采用PD和Bang–Bang控制算法管理行走和作业系统，设计了集成化作业策略、基于农艺需求的自动导航路径规划和路径跟踪控制方法。
4.2.2 装载、堆垛与卸荷阶段
集成装备的装载堆垛系统采用智能调度算法优化堆垛布局，在最大化装载容量的同时保证堆垛稳定性。卸荷机构通过液压控制和机械传动实现自动快速卸荷。研究人员建立了收获机运动学模型和虚拟转向角函数关系，提出基于预瞄跟踪的双PID路径跟踪控制方法，实现精确路径控制；引入融合增强卷积深度信念网络和自适应加权扩展网络的齿轮箱故障诊断方法，提高诊断模型识别精度，在噪声干扰和变工况下保持良好故障诊断性能；指出应融入智能检测和路径规划技术以进一步提高捡拾效率并显著降低草捆损伤率。
5 结论
5.1 中国机械化秸秆收获与移除存在的问题
尽管中国众多科研院所和农机企业在机械化秸秆收获与移除领域不断探索创新，但仍存在诸多问题：一是不同地区种植实践导致机械适应性差，北方种植区平坦大规模适合大型机械作业，而西南山区丘陵地形、种植制度多样、机械化水平低，缺乏标准化种植模式导致农业需求差异化，增加机械研发成本和难度；二是草捆含杂率高且易松散，南方湿润气候下湿土粘附性强导致含杂率高，打结器可靠性和稳定性较差，高负荷高速作业时易卡滞、打结不良或失效，且对秸秆粗细和含水率差异适应性不足，复杂机械结构和传动系统导致关键部件耐磨性不足；三是草捆收集效率低且收集运输体系不完善，打捆机种类繁多导致草捆规格密度各异，下游产业用收集机适应性不强，缺乏高效协调，偏远农村地区田间道路狭窄、运输不便、储存空间有限，秸秆储存面临挑战；四是机械技术水平相对较低，自动化智能化程度不高，控制系统繁琐、精度低、效率差，智能控制技术在实验平台测试后系统可靠性差、应用成本高，物联网融合研究有限，远程控制和网络化终端监控仍处于实验阶段。
5.2 中国机械化秸秆移除发展建议
基于上述问题，研究提出以下建议：一是规范农艺并开发适应性装备，因地制宜引导农业规范种植，统一作物秸秆间距和种植密度，大型装备引入地形感知、路径规划和秸秆识别等智能技术，小型装备优化转向驱动系统；二是发展专用装备并攻克打结器难题，干土区改进秸秆机械化收集装置和除杂技术，湿地研究二次或多重土壤分离技术，优化打结器机械结构、简化部件、采用耐磨材料，集成智能监测技术，开发智能打结器实现自动绳夹持、打结和释放功能；三是构建机械化秸秆收获技术体系，优化工作流程、简化各环节协调衔接，加强集成装备研发，地方政府根据秸秆区域分布和空间格局选址建设收储用设施，建立完整的机械化秸秆收获体系，强化政策支持包括购机补贴和优惠贷款；四是突破关键技术并深化产学研用，深入探索高精度传感器、智能光电液控系统、先进图像识别算法、机器视觉和智能监控等前沿技术，创新捡拾装置设计、高效压缩打捆系统和智能堆垛结构，积极融合先进机电液气一体化技术，深化校企合作促进产教融合，加快科研成果转化，聚焦智能调度、低含杂率处理、降本增效等核心挑战。
