水稻生態(tài)育秧裝置及全程機械化應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

張 煊,張 戈,胡俊男,呂澤霖,衣淑娟

(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

黑龍江省位于高緯度寒帶地區(qū),雖不適宜傳統(tǒng)水稻種植,但通過利用數(shù)字化技術(shù),可有效推動農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展進程,進而為實現(xiàn)鄉(xiāng)村的全面振興提供強有力的支撐。水稻棚內(nèi)作業(yè)機械化是當(dāng)前生產(chǎn)過程中的薄弱環(huán)節(jié),使用起盤機代替人工進行起盤,是實現(xiàn)水稻全程機械化的關(guān)鍵步驟,不僅能夠提高生產(chǎn)效率,節(jié)省人工成本還能進一步推進水稻種植的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、可溯化和智慧化,提高農(nóng)業(yè)裝備的創(chuàng)新能力,為水稻生產(chǎn)提供高效、節(jié)約、耐用的新型智慧裝備。通過大力推廣應(yīng)用寒區(qū)水稻育秧棚室機械化技術(shù),不僅能夠更好地貫徹“補短板、強弱項、促協(xié)調(diào)”的發(fā)展戰(zhàn)略,還能夠促進農(nóng)業(yè)機械化的轉(zhuǎn)型升級,加速實現(xiàn)水稻全程機械化生產(chǎn),為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)提供有力的支持[1-2]。

1 智能苗床平地機械化技術(shù)

近年來,我國工廠化育秧機械方面發(fā)展較快,進步較大,可實現(xiàn)鋪土、播種、覆土、灑水等步驟的機械化作業(yè),但在棚內(nèi)平整地等農(nóng)藝環(huán)節(jié),仍然依靠人工采用相對原始的農(nóng)機具進行作業(yè),高強度的整備作業(yè)極易對苗床平整度產(chǎn)生誤差,導(dǎo)致資源浪費,對后續(xù)育秧擺盤環(huán)節(jié)造成較大影響。

為提高水稻秧棚內(nèi)苗床平地質(zhì)量,黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院研制了一款新型平地機(圖1),它采用機械和液壓兩種方法,能夠有效改善水稻種植區(qū)的平地狀況。該平地機通過平土工程師的操控,使得平地區(qū)域的地表變得平坦,并且能有效減少2.4 cm的地表高差,同時也能使平地區(qū)域的平均高度下降0.387 cm,從而達到改善平地作業(yè)的目的[3]。

1.懸掛機架;2.傳動系統(tǒng);3.浮板;4.刮土器;5.限深卡圖1 旋轉(zhuǎn)式苗床平地機工作裝置示意圖

2 育秧擺盤覆土機械化技術(shù)

當(dāng)前,大部分棚內(nèi)育秧過程仍依賴于人工操作,包括擺放秧盤、覆蓋土壤及播種等步驟,繼續(xù)采用此方式作業(yè)將面臨生產(chǎn)效率低下、工作時間過長以及人力投入過大的挑戰(zhàn)。根據(jù)《黑龍江統(tǒng)計年鑒2021》得知,2020年該省水稻種植面積達到287萬hm2,這意味著需要有5.6萬hm2的育秧區(qū)域[4]。經(jīng)進一步研究發(fā)現(xiàn),每0.067 hm2擺盤和覆蓋土壤的人工費用為220～280元,每年在擺盤和覆蓋土壤方面的人力成本接近2.3億元,而且在農(nóng)忙時,由于人手不足的問題,常常會出現(xiàn)無法滿足需求的情況。因此,為了減輕育秧過程中的人力負(fù)擔(dān),節(jié)省人力成本,提升育秧的生產(chǎn)效率,擺盤機這一創(chuàng)新設(shè)備應(yīng)運而生。

開始工作前,需要先把設(shè)備(圖2)的橫向軌道安置在大棚內(nèi)的磚道上。橫向軌道是通過多個軌道節(jié)嵌套的方式進行固定,這樣可根據(jù)大棚的長度來靈活地調(diào)整軌道節(jié)數(shù)。然后將橫向軌道上的行走輪插入到縱向軌道里,接著將擺盤覆土機置于橫向軌道上,讓橫向行走輪能夠嵌入到橫向?qū)к壷小Ｗ畛醯墓ぷ麟A段,由人工手動將秧盤一個接一個地放入擺盤覆土機的內(nèi)部,使得第一個秧盤能與撥動毛刷接觸,同時蓄電池會驅(qū)動鋪盤皮帶,使秧盤在撥動毛刷的推動力下滑向地面。與此同時,土箱中的育秧土?xí)诟餐疗У膫鬏斪饔孟?同步覆蓋在秧盤上,完成覆土過程。在整個工作中,可通過控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速,以此來調(diào)整整體設(shè)備的前進速度,滿足水稻育秧擺盤與覆土工序的農(nóng)業(yè)工藝需求。這不僅可以減輕農(nóng)民的勞動強度,還能降低勞動生產(chǎn)成本,縮短擺盤與覆土工序的時間,提升工作效率和作業(yè)質(zhì)量。

1.控制箱;2.蓄電池;3.橫向軌道;4.秧盤限位裝置;5.秧盤喂入口;6.土箱;7.減速器;8.前進電機;9.行走輪;10.覆土皮帶;11.鋪盤皮帶;12.撥動毛刷;13.縱向軌道圖2 電驅(qū)式單行水稻育秧擺盤覆土機總體結(jié)構(gòu)圖

3 起盤機械化技術(shù)

我國北方水稻種植主要方式為育秧移栽,因其具有秧苗分布均勻、插秧質(zhì)量好、抗倒伏、省時省工等優(yōu)點,所以被廣泛應(yīng)用。依托疊盤暗室育秧技術(shù)的背景,滿足棚內(nèi)硬盤育秧起盤的需求,實現(xiàn)水稻棚內(nèi)的全程機械化起盤作業(yè),解決人工起盤作業(yè)強度大和工作效率低的問題,從而降低水稻生產(chǎn)成本。水稻硬盤育秧全自動起盤機的研制與開發(fā),實現(xiàn)了全程機械起盤代替人工起盤作業(yè),達到了提高工作效率的目的,為進一步實現(xiàn)水稻起盤的標(biāo)準(zhǔn)化、機械化、數(shù)字化和智能化提供參考。

目前,每個標(biāo)準(zhǔn)育秧大棚共有2 000盤育秧盤,需要5個人同時作業(yè)6 h才能完成全部秧盤的起盤工作。在傳統(tǒng)起盤裝置的基礎(chǔ)上,對起盤原理、起盤方式、動力核心等進行了改良。將原有的汽油機驅(qū)動改為電機分步控制,解決了在大棚內(nèi)工作時汽油機工作帶來振動噪聲及有害氣體等問題。電機分步控制可有效調(diào)整作業(yè)狀態(tài),多行同時起盤提高了起盤工作效率。優(yōu)化原有起盤鏟,減小起盤工作阻力;增加距離傳感器,保證了起盤穩(wěn)定性;輸送皮帶以穿山甲皮膚紋路為仿生原型,既具備除土功能,又可保證秧盤隨皮帶穩(wěn)定輸送。機器效率為400盤/h,僅需一人工作5 h即可全部完成,而且勞動強度不大、作業(yè)質(zhì)量高。結(jié)合機械插秧農(nóng)藝要求,黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院設(shè)計了電驅(qū)式單行水稻硬質(zhì)秧盤起盤機(圖3)。采用育秧棚內(nèi)自走、轉(zhuǎn)向、鏟起、裝框、運輸硬質(zhì)秧盤的方式,實現(xiàn)了育秧大棚內(nèi)硬質(zhì)秧盤的全自動起盤,為硬質(zhì)秧盤起盤設(shè)備的結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化提供了參考,降低生產(chǎn)成本,促進農(nóng)戶增收,真正實現(xiàn)提質(zhì)、節(jié)本、增效的目標(biāo)。

1.起盤鏟;2.縱向輸送帶;3.橫向輸送輥;4.循環(huán)疊盤機構(gòu);5.集盤托盤圖3 電驅(qū)式單行水稻硬質(zhì)秧盤起盤機

4 軟盤苗盤分離機械化技術(shù)

在黑龍江省,實現(xiàn)水稻生產(chǎn)的全過程機械化被視為確保該地區(qū)水稻產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定增長和提升的關(guān)鍵策略。這種全面機械化的作業(yè)方式主要包括以下幾個關(guān)鍵步驟:秸稈處理、土地整理、播種、移栽、病蟲害防治以及收割。然而,值得注意的是,在這些過程中,播種和移栽階段的水稻苗盤分離環(huán)節(jié)的機械化水平相對較低。目前,該環(huán)節(jié)的大部分工作仍然依賴于人力完成,即通過人工操作將已經(jīng)準(zhǔn)備好的水稻毯狀苗從塑料軟盤上取下,然后將其放入容器內(nèi)進行運輸。不僅增加了勞動強度,還提高了生產(chǎn)成本,成為制約黑龍江省水稻生產(chǎn)機械化的一個重要障礙,影響了整個地區(qū)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程。

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院在不斷的技術(shù)創(chuàng)新和改進的基礎(chǔ)上,設(shè)計出一款全新的水稻軟盤毯狀苗分離機(圖4),此設(shè)備以鏈傳動為核心,由電力驅(qū)動的馬達推動齒輪運轉(zhuǎn),進而觸發(fā)分離爪的開啟與閉合,以此完成對水稻軟盤毯狀苗的精確分割。此設(shè)備具有高效能、低噪聲及高度精確等特性,能夠顯著提升水稻的收割效果,同時也降低了人力操作的負(fù)擔(dān),進一步提高了生產(chǎn)效率。工作過程中,機器通過齒輪旋轉(zhuǎn),分離機構(gòu)實現(xiàn)縱向運動,電力驅(qū)動傳動絲杠使得扶苗機構(gòu)沿著導(dǎo)向光杠的方向進行橫向移動,而扶苗手則由一組齒輪控制,可同步開啟與關(guān)閉。此外,電力驅(qū)動的馬達通過鏈條的傳遞,讓齒輪軸旋轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)了扶苗的運動。最后,集苗機構(gòu)由電力驅(qū)動的齒輪驅(qū)動,帶動滑輪組上下移動,秧苗盤的運動路徑則受導(dǎo)向光杠的控制,以確保其位置不會產(chǎn)生偏差。

1.機架;2.集苗機構(gòu);3.PLC控制系統(tǒng);4.扶苗機構(gòu);5.分離爪;6.傳動絲杠;7.導(dǎo)向光桿;8.分離機構(gòu);9.扶苗手;10.滑輪組圖4 水稻軟盤毯狀苗分離機總體結(jié)構(gòu)圖

5 水稻軌道運輸機械化技術(shù)

水稻在棚內(nèi)被起盤后,會從秧棚轉(zhuǎn)運到插秧機上進行工作,在運輸秧苗等作業(yè)環(huán)節(jié)易造成勞動強度大、效率低等問題,使人們對運輸環(huán)節(jié)高效率、智能化的需求愈加迫切。在這一運輸過程中,秧盤損耗、資源浪費及效率降低都是不可忽視的問題。

常用的運輸機械雖可滿足稻田運輸?shù)囊?但在水稻秧苗與插秧機的運輸過程中仍依靠人工搬運,未實現(xiàn)機械化作業(yè),盡管目前市面上的運輸設(shè)備能夠很好地支持農(nóng)田運輸,但由于體積較大,經(jīng)常會造成田埂的損害,從而降低了農(nóng)田的生產(chǎn)效率。為解決這一問題,需進行技術(shù)改造和設(shè)備升級,使之能夠更加高效地完成田間作業(yè)。那業(yè)偉[5]設(shè)計出一種新穎、高效、可靠,且無人操作的水稻運輸車,該機械可實現(xiàn)無人機的自動駕駛、遠(yuǎn)程操作等多種功能。為了提高行進過程中的穩(wěn)定性,軌道交通工具上配備了一種平衡裝置技術(shù),它能檢測到行駛路面的傾角,如果超過10°,就會自動降低行駛速度,以防止行駛的偏離。此外,該技術(shù)還配備了一個光電開關(guān),能夠檢測到行駛路面上30 cm以外的障礙,實施緊急剎車,以確保行駛安全。為提升水稻秧苗的運輸效率,在此款水稻運輸車的基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種新技術(shù),它可根據(jù)指令,在沒有任何外力干擾的情況下,依據(jù)特征自動識別最佳運輸路線,實現(xiàn)無人駕駛和自動回程,該技術(shù)可有效減少能源損失、節(jié)省時間和勞動力。

6 前景展望

從北方秧棚內(nèi)的綜合生產(chǎn)能力看,為農(nóng)業(yè)從業(yè)者提供更便捷高效的田間作業(yè),降低運營和種植過程中的生產(chǎn)投入成本,提產(chǎn)提質(zhì)增收,為種植環(huán)節(jié)降本增效。進一步完善北方棚內(nèi)的機械化、智能化水平,利用現(xiàn)代化高新技術(shù)實現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)、高精度、高智能,以提升經(jīng)濟效益、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)模式、促進農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級,將智能化設(shè)備應(yīng)用到實踐中,推動水稻棚內(nèi)作業(yè)機械化、智能化發(fā)展,促進人民增收,減輕農(nóng)民壓力[6]。