水稻秧盤育秧流水線自動疊盤裝備現狀與展望

陳林濤，馬 旭，齊 龍，鹿芳媛，孫國棟，陳桂生，譚永炘

(華南農業大學 工程學院，廣州 510642)

?

水稻秧盤育秧流水線自動疊盤裝備現狀與展望

陳林濤，馬 旭，齊 龍，鹿芳媛，孫國棟，陳桂生，譚永炘

(華南農業大學 工程學院，廣州 510642)

水稻工廠化秧盤育秧播種流水線主要由供盤、鋪底土、壓實、精密播種、淋灑水和取疊盤等裝備組成。由于我國現階段對工廠化育秧設備研究薄弱，關鍵技術有待突破，國內的流水線在播種后取疊盤主要由人工逐個取盤，不僅勞動強度大，容易造成疲勞，還制約著工廠化育秧的生產效率，故秧盤自動疊盤裝備對提高流水線自動化程度、降低勞動強度和提高效率等方面具有重要作用。為此，綜述了國內外自動疊盤技術與裝備的現狀，分析了現有自動疊盤裝備的工作原理，指出了現行裝置中關鍵部件存在的不足，提出了水稻秧盤育秧流水線自動疊盤裝備今后的發展趨勢，指明可靠性高、適應性強、符合輕簡栽培技術要求、能實現自動智能檢測與控制是自動疊盤裝備的主要發展方向。

水稻育秧；播種流水線；自動疊盤；軟硬秧盤；智能化

0 引言

水稻是我國三大主要糧食作物之一，是單產和總產最高的糧食作物，稻米是全國60%以上人口的口糧。我國水稻常年種植面積約3 000萬hm2，占全國糧食種植面積的27%，占世界水稻種植面積20%；全國水稻總產量約2億t，占全國糧食總產量的34%，占世界稻谷總產的35%，居世界第一。由此可見，水稻在我國糧食生產中占有十分重要的地位[1-3]。

隨著經濟的發展，農村產業結構不斷調整，大力推進水稻生產機械化是解決水稻生產勞動力短缺、實現水稻生產節本增效的有效措施[4]。水稻機械化育插秧技術是水稻栽植機械化的核心，而育秧技術是實現農機與農藝相融合的關鍵之舉。目前，我國水稻機械化育秧技術主要采用秧盤育秧方式，包括工廠化育秧和田間育秧兩種形式。近年來，為滿足農業生產需要，推進糧食生產，水稻工廠化育秧技術日益成熟，應用也在不斷發展和推廣，已經成為水稻機械化生產過程中的重要環節。

水稻工廠化育秧工序主要包括秧盤供送、鋪底土、底土壓實、精密播種、覆表土、淋灑水及自動取疊盤等。為此，設計出性能完善、質量可靠、高效自動化的機械裝置是水稻工廠化育秧技術與裝備推廣實施的重中之重。其中，研制的水稻育秧播種流水線自動疊盤裝置，可一次性搬走一定數量的秧盤，免去工人逐個取盤的繁瑣工作，明顯降低了勞動強度，提高了水稻育秧播種流水線作業效率。

本文參閱了國內外的自動疊盤技術資料，研究了當前疊盤裝備的應用現狀，闡述了現有自動疊盤裝備的工作原理，指出其現存的不足之處，并對今后國內水稻秧盤育秧流水線自動疊盤裝備的研究方向提出了建議，以期為相關設備的研制提供參考。

1 國外研究現狀

目前，水稻種植技術主要有兩種：水稻直播和育秧移栽[5-6]。歐美和澳大利亞等國家的水稻種植方式以直播為主，研制的水稻秧盤育秧播種設備比較少，播種育苗流水線多用于蔬菜、花卉等作物的種植生產[7]。

意大利研制的阿爾法型滾筒式全自動穴盤播種機、荷蘭Visser公司和Flier Systems公司研制的蔬菜精量播種自動化生產線(見圖1)均配備有自動疊盤裝置，苗盤經過流水線播種和淋水后，穴盤疊垛裝置將苗盤堆疊。該疊盤裝置機構精密，可適用不同大小的苗盤，人工需求量少，勞動強度低，整機效率高達1 000盤/h以上，但設備規模大、價格較高。

此外，澳大利亞、美國等國家蔬菜種植也均采用全套流水線進行播種育苗。目前，已有多種播種流水線被廣泛應用，如B1ackmore Systerm、Marksman、Speed1ing Systerm、Hamilton等機型，其共同特點為：作業質量較好，功能全，自動化程度較高[8-9]。

圖1 荷蘭蔬菜精量播種流水線Fig.1 A accurate vegetable sowing line

在園藝溫室自動化生產裝備系統方面，荷蘭采用現代工業自動化技術(如應用內部物流技術、電子技術、計算機管理技術及信息技術等)，實現了盆花基質裝盆、種苗移植、盆花搬運、灌溉、疏盆、盆花分級、成品包裝等一系列自動化作業[10-11]。在苗床自動化搬運方面，利用盆花裝床機、輸送軌道、驅動機構和檢測系統可對苗床堆疊后進行雙層輸送，大大提高了生產效率，減輕了人工作業的勞動強度，實現了自動化、智能化生產。圖2是雙層苗床自動搬運作業的相關設備。

圖2 苗床自動化搬運作業過程Fig.2 Automatic seedling bed transporter

荷蘭生產苗床自動搬運裝備的公司很多，如VISSER國際貿易與工程公司、CODEMA集團公司及KG系統公司。其中，CODEMA集團公司苗床搬運系統形式多樣，技術較為全面，其溫室盆花苗床物流化自動搬運裝備系統已被中國天津濱海國際花卉科技園區股份有限公司等知名企業引用[12]。雖然歐美發達國家的流水線作業設備的研究主要用于蔬菜和園藝設備中，但相關技術為自動疊盤裝備的設計提供了參考。

亞洲國家的水稻種植方式通常以移栽為主，韓國的育秧技術水平與日本接近。20世紀80年代，日本的育秧和插秧機械已基本實現系列化和標準化。井關、久保田、日清、三菱等株式會社[13-15]都設計開發出育秧播種設備，室內成套水稻育秧設施完善、規模大、自動化程度高，其相關水稻工廠化育秧流水線如圖3所示。

圖3 日本水稻工廠化育秧流水線Fig.3 Japanese rice seedling factory line

目前，日本的一些農機公司也公開了若干自動疊盤裝置的專利產品。例如，久保田公司研制的S-ST系列自動疊盤裝置和洋馬公司研制的YAS系列自動疊盤裝置，如圖4所示。這些裝置的執行機構具有精密化和多樣化特點，作業效率可達1 000盤/h以上；但由于整套設備進口成本高，未見引進應用。

圖4 S-ST型自動疊盤裝置Fig.4 S-ST automatic tray stacker

2 國內研究現狀

我國水稻種植主要采用育秧移栽的方式，只在少數地區采用直播方式[16]。近10年，華南農業大學、江蘇云馬農機制造有限公司及臺州一鳴機械設備有限公司等單位對水稻精密育秧流水線進行了相關研究，不斷涌現出簡單、實用的工廠化育秧流水線設備。以前秧盤育秧流水線的核心技術集中在精密播種環節，而今除播種器的精量排種外，播種灑水后的秧盤能否高效整齊地疊放也是研究的重點[17-18]。

目前，自動疊盤裝備主要應用臺灣地區亦祥企業有限公司研制的氣動式疊盤機和臺州市一鳴機械設備有限公司研制的苗盤疊盤機。圖5是臺灣亦祥企業有限公司研制的三大牌育秧機自動計數與疊盤裝置。該裝置利用氣缸提供動力進行疊盤作業，其利用接近檢測開關、擱板、控制閥門和升降氣缸等裝置進行秧盤自動收集和疊盤。整個裝置反應迅速，收盤及時有序，疊盤快速，節省了勞動力；但存在價格昂貴的缺點，加之氣動沖擊較大，該裝置只用于硬秧盤的疊盤作業。

圖5 臺灣三大牌育秧機疊盤設備Fig.5 Taiwan Sanda tray stacker

圖6是浙江省臺州市一鳴機械設備有限公司研制的苗盤疊盤機[19]。該設備主要包括機架、升降機構、秧盤頂持裝置及秧盤感應裝置，利用感應裝置控制升降機構的動力裝置，動力電機驅動升降機構進行秧盤堆疊作業。升降裝置為X式的升降架，結構設計合理，簡單可靠，工作時秧盤能平穩升降；但裝置局限于硬秧盤作業，未見其應用于軟秧盤作業，且作業效率有待提高。

華南農業大學馬旭[20]等設計了一種水稻秧盤自動疊盤裝置。水稻秧盤育秧精密播種流水線的自動疊盤裝置主要由空氣壓縮機、秧盤輸送機構、秧盤升降機構、土壤防漏機構、電控箱、機架及電機等組成，如圖7所示。工作時，該裝置利用接近開關檢測秧盤信號，通過PLC控制秧盤升降機構升降秧盤來實現軟盤(含托盤)或硬秧盤的快速自動疊放，利用土壤防漏機構的蓋板防止秧盤內土壤在疊盤過程中發生側漏。整個裝置反應迅速，疊盤有序，適合軟、硬秧盤使用，且增設了土壤防漏機構保證了秧盤內種子分布的均勻性。該設備對提高水稻秧盤育秧精密播種流水線的生產率及減輕勞動強度具有實際意義。

1.機架 2 動力裝置 3.拉桿 4.升降架 5.盤架 6.活動頂刀 7.秧盤 8.防撞片圖6 臺州市一鳴機械設備疊盤機Fig.6 A tray stacker

1.導向板 2.橡膠滾輪 3.蓋板 4.土壤防漏機構 5.蓋板升降氣缸 6.蓋板電磁閥 7.秧盤升降機構 8.滑軌 9.接觸板 10.機架 11.空氣壓縮機 12.接近開關 13.氣源處理件 14.秧盤升降氣缸 15.疊盤電磁閥 16.電機M1 17.電控箱 18.電機M2圖7 自動疊盤裝置結構示意圖Fig.7 A automatic tray stacker

重慶市農業科學院高立洪等人設計了一種機械式秧盤疊盤機[21]，結構如圖8所示。

1.機架 2.主動皮帶輪軸 3.從動皮帶輪軸 4.鏈輪 5.皮帶輪 6.輸送皮帶 7.凸輪軸 8.凸輪 9.電磁離合器軸 10.電磁離合器 11.從動鏈輪 12.凸輪主軸 13.從動傳動鏈輪 14.秧盤導向立架 15.秧盤支撐桿 16.轉動盤 17.秧盤支撐軸 18.回位彈簧圖8 秧盤疊盤機Fig.8 The tray stacker

工作時，利用傳感器、凸輪軸的旋轉、秧盤支撐桿及擋板的相互配合機械作用進行疊盤。

浙江理工大學研制的撥輪式秧盤疊盤機如圖9所示。其利用前后撥輪上邊軸的同步轉動實現疊盤作業[22]。工作時，對秧盤的沖擊較小，避免了疊盤過程中對已經播好種子位置的移動，保證了秧盤內種子的分布均勻性。此發明結構簡單，但未見應用。

圖9 撥輪式秧盤疊盤機Fig.9 The tray stacker

綜上所述，上述機型都能實現秧盤自動疊放的功能，且不同原理的疊盤裝置適用的秧盤品種和生產率也不同[23-25]。國外和我國臺灣的產品，大型精密，生產率高，技術比較成熟，但價格較貴，適應的秧盤單一，只在少數規模較大的育秧公司引進，沒有得到廣泛應用。國內，其他部門研制起步較晚，雖然提出了一些不同的疊盤方法，但機器的可靠性和對秧盤的適應性及智能化程度有待提高，尤其是國內的秧盤種類繁多，現有疊盤裝置大多只適用于單一型式的秧盤，需要繼續改進與開發。

3 發展趨勢

3.1 適于水稻輕簡栽培技術的軟、硬秧盤自動疊盤技術與裝置

水稻輕簡栽培技術[26-28]是指比傳統的水稻栽培有顯著的省工、省力、節本、增效的水稻栽培技術。當前國內工廠化水稻秧盤育秧從輕簡化栽培種植技術出發，主要趨向使用軟秧盤降低育秧成本，達到節本增效的目的，但市場上現有的自動疊盤裝置中，主要應用于硬秧盤疊盤，疊盤應用范圍過于單一。因此，設計出能適應軟、硬秧盤通用的自動疊盤裝置是今后疊盤技術的重點發展方向之一。目前的疊盤機主要采用氣動和機械結合的原理進行疊盤作業，而氣動原理疊盤過程中振動和沖擊較大，對于軟秧盤自動疊盤容易造成托盤與軟盤脫落，影響整個疊盤系統的穩定性，所以需要開發振動和沖擊小的平穩自動疊盤裝置，以實現軟、硬秧盤的自動疊盤。

3.2 可靠性高、適應性強的自動疊盤原理與技術

現行的大多數硬秧盤疊盤裝置的工作原理主要是利用秧盤兩側的凸起翻邊，夾持驅動實現對秧盤的堆疊和放盤，這樣對用過的變形舊秧盤適應性差，可靠性低，需要研制新工作原理的疊盤裝置，來保證疊盤操作的可靠性和適應性。例如，改變凸起翻邊驅動為托秧盤底部驅動，或強化現有秧盤凸起翻邊強度及改變結構型式。另外，我國使用的秧盤種類繁多，新的疊盤原理應能適用多種類型和新舊秧盤使用，具有較強的通用性。

3.3 工廠化育秧中心的智能化秧盤輸送技術與裝備

隨著我國農村經濟的發展和農村勞動力的減少，最近幾年農村涌現出大量的龍頭企業、農村專業合作社和種糧大戶，在部分地區水稻育秧已開始逐步向工廠化育秧中心發展。因此，水稻育秧生產也會向蔬菜、花卉一樣，向苗床智能自動化搬運和檢測系統等方向發展。設備中將采用智能程度高的檢測和診斷系統(如對已變形秧盤自動識別檢測與剔除系統，以及系統的故障自診斷技術)，將大大提高了生產效率，減輕人工作業的勞動強度，實現了自動化、智能化生產，保證秧盤高效可靠輸送作業[29-35]。

4 結束語

我國水稻種植面積大、區域廣，各地區經濟發展也不平衡，秧盤育秧的條件差異較大，在實際生產中應因地制宜選擇水稻育秧播種技術與裝備，并對現有設備加強改進與優化，完善育秧體系，使所育秧苗與移栽機械相配套[36-38]。隨著水稻品種的變化及我國農村體制的改革與發展，水稻育秧機械化將朝著集中化、輕簡化、自動化和智能化的方向發展。

[1] 陳敏，顧國星.農村金融發展與農村經濟增長關系研究[J].哈爾濱商業大學學報,2014(6):3-11.

[2] 孫勇飛,吳崇友,張文毅,等.水稻育秧播種機的發展概況與趨勢[J].農機化研究,2013,35( 12):210-215.

[3] 牟楠,姚志剛.水稻工廠化育秧機械設備發展現狀及趨勢展望[J].農業科技與裝備，2013(11):38-39.

[4] 袁隆平.通過科技進步展望我國水稻的增產潛力[J].科技導報,2006(4):1.

[5] 焦春海.國外直播水稻生產與研究進展[J].世界農業,1994(7):23-25.

[6] Sharma A R．Direct seeding and transplanting for rice production under flood-prone lowland conditions[J].Field Crops Research,1995(44):129-137.

[7] 辜松，楊艷麗，張躍峰.荷蘭溫室盆花自動化生產裝備系統的發展現狀[J].農業工程學報,2012,28(19):1-8.

[8] Gao Sheng, Hong Yan. The characteristics and inspiration of agricultural industry cluster-style development of Netherlands, France and the U.S.[J].Journal of Hunan Agricultural University (Social Sciences), 2010,11(2):66-70.

[9] Meerburg B G, Korevaar H, Haubenhofer D K, et al.The changing role of agriculture in Dutch society[J].Journal of Agricultural Science, 2009,147(5):511-521.

[10] 齊飛,周新群,張躍峰,等.世界現代化溫室裝備技術發展及對中國的啟示[J].農業工程學報，2008,24(10):279-285.

[11] 劉銘,張英杰,呂英民.荷蘭設施園藝的發展現狀[J].農業工程技術:溫室園藝,2010(8):24-33.

[12] 黃丹楓，葛體達.荷蘭溫室園藝對上海農業發展的借鑒[J].上海交通大學學報：社會科學版，2008,26(5)：351-362.

[13] 株式會社クボタ.育苗箱積重ね機構:日本,2003246450[P].2003-09-02.

[14] 井關農機株式會社.苗箱の段積裝置:日本,200347343[P].2003-02-18.

[15] ヤンマ一農機株式會社.箱體積載裝置:日本,1056884[P].1998-03-03.

[16] 宋建農,莊乃生,王立臣,等.21世紀我國水稻種植機械化發展方向[J].中國農業大學學報,2000，5(2):30-33．

[17] 周海波,馬旭,姚亞利.水稻秧盤育秧播種技術與裝備的研究現狀及發展趨勢[J].農業工程學報,2008,24(4):301-306.

[18] 周海波.水稻秧盤育秧精密播種機的關鍵技術研究與應用[D].長春:吉林大學,2009.

[19] 余繼瑯.一種疊盤機構:中國,CN202374771U[P].2012-08-15.

[20] 馬旭,譚永炘,齊龍,等.水稻秧盤育秧精密播種流水線軟硬秧盤自動疊放裝置[J].農業機械學報,2016,47(3):29-36.

[21] 高立洪.秧盤疊盤機:中國,CN204416588U[P].2015-06-24.

[22] 李革,李明杰,王益君,等.撥輪式秧盤疊盤機:中國,CN103086158A[P].2013-05-08.

[23] 仲宏毅.一種直插式撥叉拆疊盤裝置:中國,CN2045494 63U[P].2015-08-12.

[24] 楊勇.紅外線感應育苗盤疊盤機:中國,CN103569677U[P].2014-02-12.

[25] 趙東華.一種覆土噴水疊盤機:中國,CN202190520U[P].2012-04-18.

[26] 曾福生,熊玉娟.論集約型農業的主導技術[J].農業經濟問題，2000(10):29-33．

[27] 劉榮章.農業循環經濟:政策與技術[M].北京:中國農業科學技術出版社，2007:91-92.

[28] 嚴少華.現代循環農業產業化模式的實踐和探索[J].江蘇農村經濟，2006(11):1-15.

[29] 梅麗婷.一個生產流水線故障診斷專家系統的研制[D].上海:上海大學,2005.

[30] Yi-ChichChiu,Din-SueFon,Gang-JhyWu.Development of an automatic pallet handling system for seeded trays[J].Biosystems Engineering,2006,93(2):123-138.

[31] Sankaran S，Ehsani R．Visible-near infrared spectroscopy based citrus greening detection: evaluation of spectral fea-ture extraction techniques[J]．Crop Protection，2011，30(11):1508-1513．

[32] Mathyam P,Yenumula G P,Suseelendra D，et al. Hyper-spectral remote sensing of yellow mosaic severity and associ-ated pigment losses in vigna mungo using multinomial logis-tic regression models[J].Crop Protection,2013,45:132-140．

[33] Kobayashi T，Kanda E，Kitada K，et al.Detection of rice pani-cle blast with multispectral radiometer and the potential of using airborne multispectral scanners[J].Phytopathology，2001，91(3):316-323．

[34] 齊龍,馬旭.基于機器視覺的超級稻秧盤育秧播種空穴檢測技術[J].農業工程學報,2009,25(2):121-125.

[35] 史智興,高煥文.播種機多項性能檢測及圖形打印裝置[J].中國農業大學學報,2002,7(4):25-29.

[36] Berlage A G,Cooper T M, Aristazabal J F. Machine vision identification of diploid and tetraploid ryegrass seed[J].Transactions of the ASAE,1998,31(1):24-27.

[37] Goodwin PH,Hsiang T.Quantifying fungal infeetion of plant leaves by digital image analysis using Sci-on Image software[J].Joumal of Microbiological Methods，2008，74(2-3):9-101．

[38] 盧辭.從荷蘭裝備農業看現代農業發展趨勢[J].安徽農業大學學報:社會科學版,2007,16(4):17-21.Abstract ID:1003-188X(2017)06-0260-EA

Research and Prospect of Automatic Tray Stacking Device of Rice Precision Seeding for Nursing Seedlings Pipeline

Chen Lintao, Ma Xu, Qi Long, Lu Fangyuan, Sun Guodong, Chen Guisheng, Tan Yongxin

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

At present,taking trays out from the rice nursery seedling planter is carried out by manual working, which is labor-intensive and inefficient, and some of the tray stackers existing now can somehow realize the function of automatic stacking, but most of them are inefficient and have a poor intelligence. Based on reviewing the research domestic and overseas of automatic tray stacking device and technology, this paper analyzed the shortages of existing automatic tray stacking devices, and summarized the types and characteristics of the automatic tray stacking techniques. This paper pointed out that the automatic tray stacking equipments develops in a direction of intellectualization and with hard and soft tray, with high-speed to increase the efficiency.The automatic tray stacking device can play a more important role in rice nursing seedlings pipeline.

rice nursing; seedlings pipeline; automatic tray stacking; hard and soft tray; intellectualization

2016-04-26

廣東省科技計劃項目(2014B020207002)；公益性行業(農業)科研專項(201203059)；現代農業產業技術體系建設專項研究(CARS 01 33)

陳林濤(1993-),男，云南玉溪人，碩士研究生，(E-mail)1574287180@qq.com。

馬 旭(1959-)，男，沈陽人，教授，博士生導師，(E-mail)maxu1959@scau.edu.cn。

S233.2

A

1003-188X(2017)06-0260-05