水稻育秧疊盤鋪盤機(jī)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(guó)種植水稻的耕地面積約為3 000萬(wàn)hm2，占全國(guó)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(guó)稻谷年產(chǎn)量達(dá)到20 849.48萬(wàn)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(guó)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(zhǎng)發(fā)育，從而影響了最終產(chǎn)量。尤其在我國(guó)，水稻育秧環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平較低。這意味著，在種植水稻的過(guò)程中，特別是育秧環(huán)節(jié)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)備的應(yīng)用和普及程度亟待提高。機(jī)械化水平低可能會(huì)導(dǎo)致育秧效率低下，進(jìn)而影響后續(xù)水稻生長(zhǎng)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(jī)械化水平具有顯著的意義，有望進(jìn)一步優(yōu)化我國(guó)水稻產(chǎn)業(yè)鏈的效率和產(chǎn)量。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

韓國(guó)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(qiáng)。如久保田S-ST1200D自動(dòng)疊盤裝置，如圖1所示。

S-ST1200D自動(dòng)疊盤裝置通過(guò)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(dòng)化程度高，其局限性在于只可以與其相應(yīng)的播種機(jī)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(guó)的育秧播種技術(shù)起步較晚，但通過(guò)引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)以及本國(guó)技術(shù)人員的創(chuàng)新努力，韓國(guó)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(guó)的MDJI1400型育苗盤運(yùn)輸機(jī)，通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)的升降機(jī)構(gòu)和推盤機(jī)構(gòu)的協(xié)作，實(shí)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(wú)疑為水稻育秧播種設(shè)備的研制提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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(zhǎng)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(zhǎng)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，高成本技術(shù)引入確實(shí)可能面臨成本效益的挑戰(zhàn)，特別是在我國(guó)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(shí)，需要綜合考慮技術(shù)的實(shí)際適用性以及經(jīng)濟(jì)效益，以尋求更切實(shí)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(jī)械化水平提升，并更好地滿足我國(guó)農(nóng)業(yè)的實(shí)際需求。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)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(guó)外相比，國(guó)內(nèi)存在研發(fā)成本高、民間推廣難度大等問(wèn)題[4]。自20世紀(jì)80年代起，我國(guó)就著手于育秧設(shè)備相關(guān)的研發(fā)工作。通過(guò)借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)不僅成功研制出了適應(yīng)本國(guó)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(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械式疊盤設(shè)備

目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)投入使用的疊盤設(shè)備為機(jī)械式疊盤設(shè)備。機(jī)械式疊盤設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是成本低、有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、便于調(diào)節(jié)等，且適用于高速作業(yè)。機(jī)械式疊盤設(shè)備如圖2所示，其動(dòng)力來(lái)源是電機(jī)，由電機(jī)驅(qū)使著曲柄滑桿、拉桿等機(jī)械部件將電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯舷轮本€運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)秧盤的堆疊。

圖2 機(jī)械式疊盤裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 氣動(dòng)式疊盤設(shè)備

由此可以看出，峨眉武術(shù)的攻防意識(shí)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(dú)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(yùn)。

臺(tái)灣亦祥企業(yè)有限公司研發(fā)的“三大牌”氣動(dòng)式疊盤設(shè)備，如圖3所示。該設(shè)備使用氣缸作為動(dòng)力源，通過(guò)皮帶輸送秧盤，然后使用氣缸進(jìn)行疊盤操作。這種機(jī)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(dòng)式疊盤設(shè)備有著反應(yīng)迅速和效率高的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(tái)灣“三大牌”育秧機(jī)疊盤設(shè)備

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的機(jī)型在自動(dòng)疊放功能方面表現(xiàn)出適應(yīng)性和多樣性，這使得國(guó)內(nèi)機(jī)型在滿足不同市場(chǎng)需求方面具備一定的優(yōu)勢(shì)。雖然國(guó)外產(chǎn)品在某些方面可能具有技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，但在考慮到價(jià)格等因素時(shí)，國(guó)內(nèi)機(jī)型更符合特定市場(chǎng)的需求。為了在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)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(jī)方面，不同機(jī)型可能只適用于特定種類的秧盤。這也導(dǎo)致這種疊盤機(jī)在國(guó)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(guó)內(nèi)的研究起步較晚，但國(guó)內(nèi)的研發(fā)部門已經(jīng)根據(jù)我國(guó)不同地區(qū)的實(shí)際情況提出了一些不同的疊盤方法。然而，國(guó)內(nèi)機(jī)型在機(jī)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(guó)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(jī)

在國(guó)內(nèi)使用率最高的是手扶式鋪盤機(jī)。鋪盤機(jī)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(jī)

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(jī)的外殼上，使它們形成一個(gè)緊密的整體結(jié)構(gòu)。在該設(shè)備中，把手經(jīng)過(guò)焊接與鋪盤機(jī)外殼結(jié)合，形成一個(gè)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(dòng)輪軸，每個(gè)軸的兩側(cè)均配置兩個(gè)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(gè)角，以防在鋪盤機(jī)行進(jìn)時(shí)因外部因素導(dǎo)致秧盤錯(cuò)位，從而影響放盤的效果。

放盤機(jī)構(gòu)是鋪盤機(jī)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(dòng)秧盤旋轉(zhuǎn)和放置的作用。放盤機(jī)構(gòu)的兩根旋轉(zhuǎn)軸采用不同的傳動(dòng)方式。其中，一根旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)鏈條傳動(dòng)連接到底盤上的驅(qū)動(dòng)輪軸，而另外一根旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)同步帶傳動(dòng)。這些傳動(dòng)方式用于確保旋轉(zhuǎn)軸的同步和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。放盤機(jī)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(shí)現(xiàn)秧盤的逐一放置。這意味著在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，通過(guò)凸輪的運(yùn)動(dòng)和連桿滑塊的作用，機(jī)構(gòu)能夠精準(zhǔn)地將秧盤放置在指定位置。操作過(guò)程中，只需通過(guò)人力推動(dòng)鋪盤機(jī)前進(jìn)，底盤上的驅(qū)動(dòng)軸就會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)。這樣的設(shè)計(jì)使得操作相對(duì)便捷，同時(shí)確保了機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳遞。這種設(shè)計(jì)可能有助于提高鋪盤機(jī)的放置準(zhǔn)確性和效率，同時(shí)保持操作的相對(duì)簡(jiǎn)便性。

全自動(dòng)龍門軌道式鋪盤機(jī)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(yùn)作。通過(guò)預(yù)先設(shè)置好的縱向?qū)к壓椭Ъ芙Y(jié)構(gòu)，機(jī)器可以在田地中自動(dòng)移動(dòng)，同時(shí)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墸@是為了為鋪盤機(jī)的運(yùn)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壣稀ｋS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?dòng)，使得鋪盤小車能夠在秧田區(qū)域內(nèi)移動(dòng)。這種機(jī)制使得農(nóng)戶可以便捷地進(jìn)行鋪盤操作，因?yàn)樗麄冎恍枵驹谝粋?cè)，并將秧盤放入鋪盤小車中。在整個(gè)鋪盤過(guò)程中，上述步驟會(huì)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(huì)返回到起始點(diǎn)，同時(shí)，龍門架會(huì)在縱向?qū)к壣弦苿?dòng)到下一行的位置，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(shí)現(xiàn)大面積的農(nóng)田鋪盤作業(yè)[5]。

圖5 全自動(dòng)龍門桁架式水稻秧盤擺放機(jī)

3 存在的問(wèn)題

我國(guó)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(guò)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(wèn)題，如人力勞動(dòng)的耗時(shí)耗力和秧盤質(zhì)量的不穩(wěn)定等。這對(duì)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(dòng)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(jià)格，這些設(shè)備在我國(guó)的推廣受到限制。國(guó)外設(shè)備在先進(jìn)性方面具有優(yōu)勢(shì)，然而高昂的價(jià)格導(dǎo)致目前只有少數(shù)大規(guī)模墾區(qū)和農(nóng)場(chǎng)選擇引進(jìn)。這說(shuō)明在引進(jìn)國(guó)外設(shè)備時(shí)需要綜合考慮性能和成本之間的平衡。

鑒于我國(guó)在水稻育秧播種設(shè)備方面的研發(fā)起步時(shí)間相對(duì)較晚，初期主要是借鑒了國(guó)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(guó)的研發(fā)工作提供了重要的參考和借鑒。我國(guó)的研發(fā)工作主要關(guān)注于設(shè)備的機(jī)體結(jié)構(gòu)、鋪盤機(jī)制以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的匹配等方面[6-8]。同時(shí)，我國(guó)正在積極借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)本國(guó)實(shí)際情況進(jìn)行分析和研究，以推動(dòng)水稻育秧播種設(shè)備領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。這強(qiáng)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(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)的需求和發(fā)展。

4 展望

在農(nóng)業(yè)機(jī)械這一發(fā)展趨勢(shì)中，水稻的育秧、疊盤和鋪盤等環(huán)節(jié)已經(jīng)成為我國(guó)水稻種植生產(chǎn)的關(guān)鍵要素。就目前階段來(lái)說(shuō)，我國(guó)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(jī)械仍然不夠先進(jìn)，自動(dòng)鋪盤裝置的關(guān)鍵技術(shù)仍有待突破。

針對(duì)水稻疊盤設(shè)備而言，在當(dāng)前追求輕簡(jiǎn)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?yàn)槠淠軌蚪档统杀静⑻岣咝省＿@可能與農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性和效益有關(guān)。雖然自動(dòng)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(shì)，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(shí)。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種軟、硬秧盤通用的自動(dòng)疊盤裝置被認(rèn)為是未來(lái)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(dòng)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(diǎn)和要求。然而，成功實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將有助于提高整個(gè)水稻育秧工藝的自動(dòng)化水平，并更好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多樣化需求。

國(guó)內(nèi)水稻鋪盤裝置的設(shè)計(jì)是要?jiǎng)?chuàng)造出具有高適應(yīng)性、低沖擊和高速度特點(diǎn)的自動(dòng)化鋪盤裝置[9-11]。然而，目前市場(chǎng)上的自動(dòng)鋪盤設(shè)備在追求提高作業(yè)速度的同時(shí)往往會(huì)對(duì)秧盤產(chǎn)生較大的沖擊力，這可能會(huì)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(duì)秧盤造成一定程度的損害。此外，目前的設(shè)備在應(yīng)對(duì)不同類型的秧盤時(shí)適應(yīng)性有限。由于秧盤在多年的反復(fù)使用中可能會(huì)產(chǎn)生變形或結(jié)構(gòu)損傷，這會(huì)在鋪盤時(shí)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，國(guó)內(nèi)應(yīng)該考慮優(yōu)化機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)或工作原理，以減少對(duì)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(shí)，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。