水稻育秧疊盤鋪盤機械化研究進(jìn)展*

張 淇 ，王宏立 ，梁春英

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

0 引言

我國種植水稻的耕地面積約為3 000萬hm2，占全國糧食種植總面積的30%，相當(dāng)于世界水稻種植總面積的20%。2022年，我國稻谷年產(chǎn)量達(dá)到20 849.48萬t，約占糧食總產(chǎn)量的三分之一[1]。這些數(shù)據(jù)清楚地顯示，水稻在我國的糧食生產(chǎn)體系中具有十分重要的地位。

然而，育秧階段的質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)插秧的效果和最終產(chǎn)量。育秧階段的健康和品質(zhì)影響著水稻的生長發(fā)育，從而影響了最終產(chǎn)量。尤其在我國，水稻育秧環(huán)節(jié)的機械化水平較低。這意味著，在種植水稻的過程中，特別是育秧環(huán)節(jié)，農(nóng)業(yè)機械化設(shè)備的應(yīng)用和普及程度亟待提高。機械化水平低可能會導(dǎo)致育秧效率低下，進(jìn)而影響后續(xù)水稻生長的整體效果和最終產(chǎn)量。因此，提高水稻育秧環(huán)節(jié)的機械化水平具有顯著的意義，有望進(jìn)一步優(yōu)化我國水稻產(chǎn)業(yè)鏈的效率和產(chǎn)量。

1 國外研究現(xiàn)狀

韓國和日本在育秧播種技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位[2-3]，尤其是日本，在農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域投入了大量研發(fā)資源，其農(nóng)業(yè)科技水平比較強。如久保田S-ST1200D自動疊盤裝置，如圖1所示。

S-ST1200D自動疊盤裝置通過旋轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)能夠可靠且快速地疊盤，該裝置的工作效率可達(dá)2 000盤/h，最大疊盤數(shù)量為20盤，工作可靠，自動化程度高，其局限性在于只可以與其相應(yīng)的播種機配套使用。并且由于整套設(shè)備的進(jìn)口成本高，所以并未引進(jìn)應(yīng)用。

韓國的育秧播種技術(shù)起步較晚，但通過引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)以及本國技術(shù)人員的創(chuàng)新努力，韓國在水稻育秧播種設(shè)備領(lǐng)域的發(fā)展速度迅猛。例如，韓國的MDJI1400型育苗盤運輸機，通過氣缸驅(qū)動的升降機構(gòu)和推盤機構(gòu)的協(xié)作，實現(xiàn)疊盤作業(yè)，工作效率可達(dá)1 500盤/h，可適應(yīng)多種秧盤。這些技術(shù)成果無疑為水稻育秧播種設(shè)備的研制提供了寶貴的經(jīng)驗。

然而，技術(shù)借鑒不僅要考慮技術(shù)本身，還需考慮適應(yīng)性。水稻作為特殊作物，生長環(huán)境和需求與其他作物有所不同，因此技術(shù)的引入需根據(jù)水稻的生長特點進(jìn)行調(diào)整。同時，高成本技術(shù)引入確實可能面臨成本效益的挑戰(zhàn)，特別是在我國農(nóng)業(yè)普遍以低成本、高效益為導(dǎo)向的情況下。因此，農(nóng)業(yè)科研人員在技術(shù)借鑒的同時，需要綜合考慮技術(shù)的實際適用性以及經(jīng)濟(jì)效益，以尋求更切實可行的解決方案。這也將促進(jìn)水稻育秧播種環(huán)節(jié)的機械化水平提升，并更好地滿足我國農(nóng)業(yè)的實際需求。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國的水稻種植模式以育秧移栽為主。然而，在水稻秧盤鋪盤技術(shù)領(lǐng)域，與國外相比，國內(nèi)存在研發(fā)成本高、民間推廣難度大等問題[4]。自20世紀(jì)80年代起，我國就著手于育秧設(shè)備相關(guān)的研發(fā)工作。通過借鑒國外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗，我國不僅成功研制出了適應(yīng)本國情況的秧盤疊盤鋪盤設(shè)備，而且為現(xiàn)代化水稻種植提供了有力支持。這一成就標(biāo)志著我國在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域取得了重要的發(fā)展成就，解決了水稻育秧技術(shù)上的難題。

2.1 水稻疊盤設(shè)備

2.1.1 機械式疊盤設(shè)備

目前，國內(nèi)絕大多數(shù)投入使用的疊盤設(shè)備為機械式疊盤設(shè)備。機械式疊盤設(shè)備的優(yōu)點是成本低、有較強的穩(wěn)定性、便于調(diào)節(jié)等，且適用于高速作業(yè)。機械式疊盤設(shè)備如圖2所示，其動力來源是電機，由電機驅(qū)使著曲柄滑桿、拉桿等機械部件將電機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樯舷轮本€運動，來實現(xiàn)秧盤的堆疊。

圖2 機械式疊盤裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 氣動式疊盤設(shè)備

由此可以看出，峨眉武術(shù)的攻防意識不僅很好地表達(dá)了武術(shù)的本質(zhì)即技擊性，還把峨眉武術(shù)的技藝特征展現(xiàn)的淋漓至盡，讓峨眉武術(shù)的形與技展現(xiàn)獨特的魅力。除此之外，峨眉武術(shù)除了擁有深邃的技藝哲理之外，還擁有特色的身體文化意蘊。

臺灣亦祥企業(yè)有限公司研發(fā)的“三大牌”氣動式疊盤設(shè)備，如圖3所示。該設(shè)備使用氣缸作為動力源，通過皮帶輸送秧盤，然后使用氣缸進(jìn)行疊盤操作。這種機器的作業(yè)速度較快，能夠迅速完成秧盤的堆疊工作。這款氣動式疊盤設(shè)備有著反應(yīng)迅速和效率高的優(yōu)點，適用于傳統(tǒng)毯狀硬秧盤的疊盤作業(yè)。然而，它也存在一些局限性。首先，由于氣缸沖擊較大，高速工作時疊盤的整齊度不夠理想。其次，該設(shè)備可能只適用于特定類型的秧盤。

圖3 臺灣“三大牌”育秧機疊盤設(shè)備

與國外相比，國內(nèi)設(shè)計生產(chǎn)的機型在自動疊放功能方面表現(xiàn)出適應(yīng)性和多樣性，這使得國內(nèi)機型在滿足不同市場需求方面具備一定的優(yōu)勢。雖然國外產(chǎn)品在某些方面可能具有技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，但在考慮到價格等因素時，國內(nèi)機型更符合特定市場的需求。為了在競爭激烈的市場中取得成功，了解用戶需求并持續(xù)創(chuàng)新是關(guān)鍵。

然而，在疊盤機方面，不同機型可能只適用于特定種類的秧盤。這也導(dǎo)致這種疊盤機在國內(nèi)僅在規(guī)模較大的少數(shù)育秧公司中得到引入，尚未廣泛應(yīng)用。盡管國內(nèi)的研究起步較晚，但國內(nèi)的研發(fā)部門已經(jīng)根據(jù)我國不同地區(qū)的實際情況提出了一些不同的疊盤方法。然而，國內(nèi)機型在機器的可靠性和適應(yīng)不同種類秧盤方面仍然存在一定改進(jìn)空間，尤其是鑒于國內(nèi)秧盤種類繁多，現(xiàn)有的疊盤裝置多數(shù)只適用于特定類型的秧盤。

2.2 水稻鋪盤設(shè)備

2.2.1 手扶式鋪盤機

在國內(nèi)使用率最高的是手扶式鋪盤機。鋪盤機的整體構(gòu)造呈現(xiàn)出類似手推車的形式，如圖4所示。

圖4 手扶式鋪盤機

其主要構(gòu)成部分包括手柄、兩組行走輪以及四根放盤限位支架。其中，手柄被焊接在鋪盤機的外殼上，使它們形成一個緊密的整體結(jié)構(gòu)。在該設(shè)備中，把手經(jīng)過焊接與鋪盤機外殼結(jié)合，形成一個整體。擺輪外殼覆蓋在底盤上，而底板前后分別設(shè)有驅(qū)動輪軸，每個軸的兩側(cè)均配置兩個行走輪。四根放盤限位支架被固定在擺放車底盤的中部，以限制水稻秧盤的四個角，以防在鋪盤機行進(jìn)時因外部因素導(dǎo)致秧盤錯位，從而影響放盤的效果。

放盤機構(gòu)是鋪盤機的核心組成部分，它由前后兩根旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，分布在水稻秧盤兩側(cè)。這兩根旋轉(zhuǎn)軸起到驅(qū)動秧盤旋轉(zhuǎn)和放置的作用。放盤機構(gòu)的兩根旋轉(zhuǎn)軸采用不同的傳動方式。其中，一根旋轉(zhuǎn)軸通過鏈條傳動連接到底盤上的驅(qū)動輪軸，而另外一根旋轉(zhuǎn)軸通過同步帶傳動。這些傳動方式用于確保旋轉(zhuǎn)軸的同步和協(xié)調(diào)運動。放盤機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸上固定有槽型凸輪，這些凸輪與連桿滑塊相結(jié)合，用于實現(xiàn)秧盤的逐一放置。這意味著在旋轉(zhuǎn)過程中，通過凸輪的運動和連桿滑塊的作用，機構(gòu)能夠精準(zhǔn)地將秧盤放置在指定位置。操作過程中，只需通過人力推動鋪盤機前進(jìn)，底盤上的驅(qū)動軸就會隨之旋轉(zhuǎn)。這樣的設(shè)計使得操作相對便捷，同時確保了機構(gòu)的動力傳遞。這種設(shè)計可能有助于提高鋪盤機的放置準(zhǔn)確性和效率，同時保持操作的相對簡便性。

全自動龍門軌道式鋪盤機如圖5所示，其基于龍門架、導(dǎo)軌和鋪盤小車的協(xié)同作用而運作。通過預(yù)先設(shè)置好的縱向?qū)к壓椭Ъ芙Y(jié)構(gòu)，機器可以在田地中自動移動，同時將秧盤放置在正確的位置。首先，在秧田區(qū)域預(yù)先安裝縱向?qū)к?，這是為了為鋪盤機的運行提供準(zhǔn)確的軌道。輔助設(shè)備（如叉車）用于放置橫向龍門架，該龍門架被放置在縱向?qū)к壣?。隨后，鋪盤小車被安置在龍門架上。龍門架作為支撐結(jié)構(gòu)，可能沿著縱向?qū)к壱苿?，使得鋪盤小車能夠在秧田區(qū)域內(nèi)移動。這種機制使得農(nóng)戶可以便捷地進(jìn)行鋪盤操作，因為他們只需站在一側(cè)，并將秧盤放入鋪盤小車中。在整個鋪盤過程中，上述步驟會不斷地重復(fù)進(jìn)行，直到完成一整行的鋪盤。每次鋪盤小車完成一行后，它會返回到起始點，同時，龍門架會在縱向?qū)к壣弦苿拥较乱恍械奈恢?，為下一輪鋪盤作業(yè)做準(zhǔn)備。這種循環(huán)性的操作方式可以有效地實現(xiàn)大面積的農(nóng)田鋪盤作業(yè)[5]。

圖5 全自動龍門桁架式水稻秧盤擺放機

3 存在的問題

我國在水稻工廠化育秧技術(shù)方面取得了顯著的成果，使得育秧播種過程變得更加高效、便捷，有效地解決了傳統(tǒng)人工育秧播種中的問題，如人力勞動的耗時耗力和秧盤質(zhì)量的不穩(wěn)定等。這對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量具有積極的作用。雖然自動疊盤裝置的引入進(jìn)一步提高了流水線系統(tǒng)的效率，但目前由于其復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高價格，這些設(shè)備在我國的推廣受到限制。國外設(shè)備在先進(jìn)性方面具有優(yōu)勢，然而高昂的價格導(dǎo)致目前只有少數(shù)大規(guī)模墾區(qū)和農(nóng)場選擇引進(jìn)。這說明在引進(jìn)國外設(shè)備時需要綜合考慮性能和成本之間的平衡。

鑒于我國在水稻育秧播種設(shè)備方面的研發(fā)起步時間相對較晚，初期主要是借鑒了國外成熟的育秧播種設(shè)備，以其作為原型，這些設(shè)備為我國的研發(fā)工作提供了重要的參考和借鑒。我國的研發(fā)工作主要關(guān)注于設(shè)備的機體結(jié)構(gòu)、鋪盤機制以及運動參數(shù)的匹配等方面[6-8]。同時，我國正在積極借鑒國外經(jīng)驗，針對本國實際情況進(jìn)行分析和研究，以推動水稻育秧播種設(shè)備領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。這強調(diào)了在技術(shù)研發(fā)中，借鑒與創(chuàng)新相結(jié)合的重要性，以適應(yīng)國內(nèi)農(nóng)業(yè)的需求和發(fā)展。

4 展望

在農(nóng)業(yè)機械這一發(fā)展趨勢中，水稻的育秧、疊盤和鋪盤等環(huán)節(jié)已經(jīng)成為我國水稻種植生產(chǎn)的關(guān)鍵要素。就目前階段來說，我國有關(guān)水稻工廠化育秧疊盤鋪盤的設(shè)備及技術(shù)依舊薄弱，能夠大面積投入到一線工作的機械仍然不夠先進(jìn)，自動鋪盤裝置的關(guān)鍵技術(shù)仍有待突破。

針對水稻疊盤設(shè)備而言，在當(dāng)前追求輕簡化栽培種植技術(shù)的背景下，軟秧盤在工廠化水稻育秧中更受青睞，因為其能夠降低成本并提高效率。這可能與農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性和效益有關(guān)。雖然自動疊盤裝置在提高工作效率和減少人力需求方面具有優(yōu)勢，但現(xiàn)有的技術(shù)主要適用于硬秧盤。這限制了疊盤技術(shù)的應(yīng)用范圍，尤其是在使用軟秧盤時。針對這一問題，設(shè)計一種軟、硬秧盤通用的自動疊盤裝置被認(rèn)為是未來疊盤技術(shù)的重要發(fā)展方向。這樣的裝置將更加通用，能夠適應(yīng)不同類型的秧盤，提高了設(shè)備的靈活性和適應(yīng)性。開發(fā)通用的自動疊盤裝置可能面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，需要滿足不同類型秧盤的特點和要求。然而，成功實現(xiàn)這一目標(biāo)將有助于提高整個水稻育秧工藝的自動化水平，并更好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多樣化需求。

國內(nèi)水稻鋪盤裝置的設(shè)計是要創(chuàng)造出具有高適應(yīng)性、低沖擊和高速度特點的自動化鋪盤裝置[9-11]。然而，目前市場上的自動鋪盤設(shè)備在追求提高作業(yè)速度的同時往往會對秧盤產(chǎn)生較大的沖擊力，這可能會嚴(yán)重影響甚至破壞秧盤內(nèi)的水稻種子和土壤的均勻分布，甚至可能對秧盤造成一定程度的損害。此外，目前的設(shè)備在應(yīng)對不同類型的秧盤時適應(yīng)性有限。由于秧盤在多年的反復(fù)使用中可能會產(chǎn)生變形或結(jié)構(gòu)損傷，這會在鋪盤時導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障的風(fēng)險增加。因此，國內(nèi)應(yīng)該考慮優(yōu)化機構(gòu)的結(jié)構(gòu)或工作原理，以減少對秧盤的沖擊，從而更好地保護(hù)其中的水稻種子和土壤。同時，農(nóng)業(yè)科研人員應(yīng)該著手提高設(shè)備的適應(yīng)性，以滿足不同類型的秧盤和不同農(nóng)業(yè)環(huán)境的需求。