0 引言
我國的第十二個五年計劃是從 2011 到 2015 年,確保國家糧食安全仍然是重中之重.隨著人口數量、土地沙漠化面積的逐年增加及化肥的過度使用,可以耕種的土地面積正逐年減少.人口的增加使糧食的需求呈持續性增長的趨勢,為確保糧食的生產安全,除增加耕種面積外,依靠科學技術,提高糧食作物的單產也是解決糧食緊缺問題的有效手段.而移栽技術在提高糧食單產的問題上,具有直播難以比擬的優越性.
育苗移栽技術具有對氣候的補償作用,能提高作物的復種指數[1 - 2],可將農作物的生育期提前 15 天左右,并有效地避免早春低溫、倒春寒、霜凍、冰雹等氣候的不良影響;避免蟲害、干旱等自然災害,提高幼苗成活率,確保每株農作物達到農藝要求;可以延長農作物的生育周期,增加積溫,提高農作物的品質,進而有效地增加了單產的產量,為獲得作物高產創造了有利條件.
在我國東北地區,無霜期比較短,溫度變化較大.以玉米育苗栽植技術為例,該技術將玉米的播種期提前 30 天左右,增加 200℃ 左右的積溫,令作物躲過干旱、蟲害、霜凍等災害.再者,應用育苗栽植技術的作物可提前成熟 10 天左右,避免了早霜等災害,有利于玉米的單產產量的增加.在我國華北地區,采用一年兩熟制,應用育苗栽植技術可以緩解兩茬之間接茬的矛盾,在北京地區采用這種技術可以使夏玉米的產量達到 10 500 ~ 12 000kg/hm2,較未采用育苗移栽技術之前,產量提高了 1% ~2% 左右[3].
1 國外自動移栽機具的發展現狀
國外自動移栽機具發展起步較早,且技術水平相對較高;但是,相比較其它的農業機械起步卻較晚:20世紀 30 年代出現手工喂苗的移栽機,50 年代出現半自動移栽機,到 80 年代半自動移栽機已經被廣泛的應用于生產實踐當中,許多國家也已經研制出自動移栽機.由于移栽機的工作對象為柔軟的農作物,致使移栽機構的參數眾多,滿足工作要求的移栽軌跡和姿態的目標函數也眾多,且各個目標之間的關系比較復雜.而參數和各個目標之間的函數關系也比較復雜,耦合性較強,使得優化設計的難度大幅度提升.移栽機械的初期設計都是半自動型,由手工完成取秧、送秧這兩個過程,僅栽插動作是依靠機構來完成.
在后續發明的移栽機械,目標相對簡單,在水稻插秧機上首先完成了全自動的已在過程:由同一個分插機構完成取秧、輸送和栽植 3 個動作.但是,無論是應用在水田還是旱田的缽苗移栽機,應用同一個移栽機構完成以上的 3 個動作,設計和優化難度相比較插秧機來說,大幅度提升.近 30 年來,全自動移栽機一直由3 套機構分別完成 3 個動作.以美國、加拿大、法國、意大利等為代表的大農業國家,因地廣人稀,適合自動、高速、寬幅的大型農業機械以補償勞動力不足等問題.
意大利法拉利公司生產的 FPC 型覆膜移栽一體化全自動移栽機\\(如圖 1 所示\\),主要使用方形切塊型壓縮基質的苗缽,連同幼苗一齊栽入土壤中,成排喂苗,每列 10 株,夾鉗與切塊分離器同步動作,將每株苗缽插入苗孔中;膜上苗孔由機器按幼苗設定株距自動進行位移測量、定位和穿孔.借助精確的電子控制系統和數字鍵盤株距調控系統,塑料薄膜上定位孔處的薄膜被完全切除,有效地防止了因風鼓動薄膜導致的幼苗損傷.更突出的是與以往的覆膜機相比,該機對幼苗苗缽栽入土中的牢固程度大為改進,完全消除了栽后倒伏、根系接觸不到實土而引起的死苗現象.（圖1-6省略）
此種機型最高移栽速度為 5 000 株/行·h,行距為 28~ 112cm,最小株距 25cm,且連續可調,最大作業行數為 6 行,配套拖拉機為 58. 8kW.其適用花椰菜、茄子、長葉生菜、辣椒等蔬菜,以及棉花、煙苗等經濟作物的移栽;但是缺點是只適用于方形壓縮基質,基質體積較大,育苗成本較高.
以日本為代表的小農業,地塊小、人口密度大,適合輕便、轉向靈活、作業精巧的中、小型農業機械.
日本 TPA -1 型全自動蔬菜移栽機在構思、設計、工藝、調節等方面有很多獨特之處.其采用專用苗盤供苗,1 人操作,可以實現全自動移栽.工作時,連桿機構將夾鉗由水平位置向上旋轉 90°,到水平位置時,夾鉗夾住秧苗;當由水平位置再旋轉 90°到垂直位置時,夾鉗放開秧苗,秧苗掉落到開溝器所開的溝槽內,再經覆土輪覆土鎮壓.TPA - 1 型全自動蔬菜移栽機的株距可以在 22 ~ 77cm 之間調節;使用專用苗箱,營養缽為 4mm ×4. 6mm ×4. 6mm 的缽苗;扶手可以上下轉動,并可以左右旋轉 17°,前后旋轉 180°,使得機械可以在不同角度和高度進行作業.
以美國、澳大利亞等的大農業生產方式和相應的農業機械,比較適合中國北方墾區和農村;而日本的小農業生產方式和所用的農業機械更適合中國南部地區和山區小地塊作業[4].
2 國內移栽機具的發展現狀
我國的移栽機具起步比較晚,開始于 20 世紀 50年代末,70 年代開始研制裸根苗移栽機,80 年代開始研制半自動移栽機.截止到目前,半自動移栽機也已經得到比較廣泛的應用.
2. 1 國內半自動移栽機的發展現
國內的半自動移栽按照栽植機構的不同可以分為以下幾類.
2. 1. 1 鉗夾式移栽機
以吉林工業大學研制的 2ZT 型移栽機為代表的圓盤夾式移栽機,如圖 2 所示.在工作時,人工將苗放到隨栽植盤轉動的秧夾上,當秧夾轉到苗溝內,凸輪控制秧夾松開,秧苗落到苗溝內,覆土輪覆土,完成栽植.
以 2ZQ 型鏈夾式移栽機\\(如圖 3 所示\\)為例:秧夾安裝在鏈條上.在工作時,人工將苗放到秧夾上,鏈條由鎮壓輪驅動,秧夾進入滑道;當秧夾轉到與地面垂直時,脫離滑道,秧夾打開,秧苗落入開好的溝中,覆土、鎮壓,完成栽植.
2. 1. 2 導苗管式移栽機
以中國農業大學研制的 2ZDF 型移栽機\\(如圖 4所示\\)為例:人工分苗后,將秧苗投入到喂入器的喂入筒內;當喂入筒轉到導苗管的上方時,喂入筒下面的活門打開,秧苗靠重力下落到導苗管內,通過傾斜的導苗管將秧苗引入到開溝器開出的苗溝內,在扶苗器的扶持下,秧苗呈直立狀態;然后在開溝器和覆土鎮壓輪之間所形成的覆土流的作用下,進行覆土、鎮壓,完成栽植.
此類機型可以克服旋轉式栽植器缺點,不傷苗、不埋苗,作業效率為 60 ~ 70 株/min,雖然較鉗夾式有些提高,但是仍然無法滿足高速作業要求.
2. 1. 3 撓性圓盤式移栽機
以烏盟農機研究所研制的 2ZT - 2 型甜菜移栽機為例\\(如圖 5 所示\\):人工將秧苗放到輸送帶上,秧苗呈水平狀態;當秧苗被輸送到兩個張開的撓性圓盤中間時,彈性滾輪將圓盤壓合,秧苗被夾住,并隨圓盤向下轉動,轉到秧苗與地面垂直時,圓盤脫離彈性滾輪,張開,秧苗落入溝內,覆土、鎮壓,完成栽植.
此類機型適合小株距作物,且結構簡單,成本較低,但是作業效率在 40 ~ 50 株/min,耐久性差,仍然不適合大面積作業.
2. 1. 4 吊籃式移栽機
以南通公司研制的 2ZBX - 2 型缽苗移栽機為例\\(如圖 6 所示\\):工作時,有驅動輪驅動栽植圓盤轉動,吊杯與地面保持垂直,并隨圓盤轉動.當吊杯轉到上面時,由人工將秧苗放入吊杯中;轉到下面預定位置時,吊杯上的滾輪與導軌接觸將吊杯鴨嘴打開,秧苗自由落入開溝器開出的溝內,隨后覆土、鎮壓,完成栽植.
此類機型對秧苗無夾持力,不易傷苗,吊藍在栽植過程中對苗提起扶持作用,直立度較好,喂苗速度在 30 ~ 50 株/min,但不適合高速、大面積作業[5].
2. 2 國內自動移栽機的發展現狀
國內對自動移栽機研究較少,因為自動移栽機的取苗和分苗機構相對復雜,研究尚在起步階段.由于作物的不同,自動化的移栽方式也大有不同,尚未見推廣成型的機械.
從 20 世紀 80 年代開始,國內就有 10 家多單位開始研究水稻缽苗的全自動移栽裝備.其中,中國農業大學宋建農教授研究的 2ZPY - H530 型水稻缽苗行栽機,設計巧妙、結構簡單,且最接近產業化,如圖 7 所示.
該缽苗移栽機采用對輥拔秧機構,實現水稻缽盤的自動輸送和栽植兩個個過程,機構原理如圖 7 所示.2ZPY-H530 型水稻缽苗行栽機主要是由壓秧板、輸秧輥、上拔秧輥和下拔秧輥等組成.缽盤苗通過手工放置在托板上,并自動喂入到輸秧輥上,拔秧輥和輸秧輥按一定傳動比轉動;當上、下兩個拔秧輥的夾秧板對接時,靠夾秧板外邊緣的彈性材料變形而產生的夾緊力,將位于上、下拔秧輥中間的缽苗夾持并帶動其一起運動,最后使得缽苗與缽盤脫離;當上下拔秧輥轉過一定角度后夾秧扳松開,缽苗落入導苗管,完成拔秧工作.
美國北卡羅萊納州立大學生物與農業工程系黃國彥教授提出了空氣整根營養缽育苗方法.吉林工業大學孫廷琮、馬成林等在黃國彥教授的 8 項專利的基礎上,研制了空氣整根營養缽育苗及移栽系統.該機為中馬力拖拉機驅動,懸掛式五行五投苗口,intel51系列單片微機控制的全自動移栽機\\(如圖 8 所示\\).
當秧盤上的缽腔對準投苗口時,投苗活門關閉,投苗腔體在風機的作用下,存在120mbar 的負壓,缽苗和水一起被吸下,由傳感器產生信號,將活門打開,缽苗和水一起被投到溝里,覆土、鎮壓完成栽植過程.此種移栽系統能夠實現根系發達作物的小苗移栽[6 -7].單個投苗單體可移栽 85 株/min 左右,雖集拔秧、分秧和插秧于一個自動操作過程;但實現此過程的技術要求較高,機器的維護困難,使得機器的大面積推廣帶來了困難.
吉林工業大學的范云翔、楊子萬等研制了溫室全自動移栽機.移栽機的移行機構由步進電機控制,確保位置精度,而移栽機的全部工作由單片機控制,可以在一定的范圍內遙控.其在實現移栽過程中將電學和機械學相結合,實現了全自動移栽.該機的關鍵部件是投苗機構,采用真空投苗裝置,吸苗的活塞筒由兩個氣缸組成,在整個秧苗的下落過程中,應用流體力學和工程熱力學,建立模型,計算相應參數并將其優化.移栽機使用的育苗秧盤最大為 600mm ×300mm,缽苗的缽腔最大為 30mm ×30mm 的空氣整根秧盤.其雖然傷苗率小于 1% ,漏苗率在 2% 以下,可以適應多種尺寸的秧盤;但是移栽速率較低,大約為60 株 / min,秧盤的制作成本較高,在北方地塊較大的農場,推廣使用上受到一定限制[8].
沈陽工業大學包春江、李寶筏、包文育等采用空氣整根育秧技術,提出氣吸取苗和投苗的有序移栽方案.其由步進電機驅動齒輪齒條機構控制秧箱的移動,曲柄擺桿機構控制吸氣活門,在投苗機構內部產生負壓,由電磁鐵控制單片機控制系統,使導苗管投苗活門按時按序完成或們的開啟和關閉,實現投苗和送秧,完成栽植過程.在空氣整根育苗 17 天、苗高11cm,缽體含水率 28% 的條件下,整機作業速度 0. 3m / s,落苗率 99% ,立秧率 98% ,行距 30. 0cm,株距\\(17. 1 + 24. 9\\)cm,生產率 0. 065hm2/ h,功耗小于2kW[9].華南農業大學馬瑞峻、區穎剛、趙祚喜等提出 2 自由度機械手式有序移栽的設計方案.作業時,啟動控制按鈕,送秧電機將秧苗送至拔秧位;當傳感器檢測到秧苗后,發出電信號,電動機停止,機械手將秧苗拔起,送入到滑道,秧夾打開,秧苗落到田間,隨后覆土、鎮壓,完成栽植過程[10].該方案設計的關鍵是送秧進給位置的確定以及秧苗的位置,為確保送秧進給量的精確性,機械手能夠準確抓取秧苗,利用反射型光電傳感器或者電磁傳感器來檢測秧苗的位置;但在機械手取秧的過程中,進給停止,降低了移栽速率.
3 發展與思考隨著我國工業化進程的加快和農村經濟水平的提高,農業勞動力的數量、素質和結構正在發生變化.農村勞動力大量向非農業產業轉移,造成農業生產力數量減少,季節性勞動力不足.這種農業結構的變化局面對農業機械的需求種類和數量提出了更高的要求.發展與提高移栽機械的技術水平,筆者認為應該從以下幾個方面入手:
1\\)農藝與農機有機地結合.研制栽植質量高的移栽機械,面臨許多難題,單一從農藝或者機械方面入手,不能很好地解決問題.多學科的有機結合為問題的求解提供了一條有效途徑.例如,大豆底莢漏割問題曾困擾我國多年.從農藝上,我國著名大豆育種專家王金陵教授培育出抗倒伏、底莢高的"東農四號"品種,解決大豆底莢低問題;從農機上,引進能夠貼地仿型的撓性切割裝置,從而解決因底莢低造成漏割損失問題,是農藝與農機雙管齊下解決實際問題的典型[11].各個學科之間既要有協作又要有不同的分工,制作相應的行業標準,從秧盤的大小、缽苗高度、苗盤的運輸等中間環節實現自動化、機械化,使育秧和移栽有機結合,從而形成系統的研究,實現育苗和移栽過程的全自動化.
2\\) 提高移栽機械的通用性和耐久性.由于各個作物的缽苗的缽盤不一致,沒有統一的標準,缽苗大小也不一致,移栽機的栽植機構較固定,取苗單一,不能適應多種作物的移栽,使得移栽機的通用性較差.在研究過程中,需要充分考慮農業生產過程中環境的復雜性,設計上,保證能夠在實現農業生產的基礎上,結構應該盡量簡單;材料上,使用新型復合材料,在保證機器的使用強度、剛度和過載保護的同時,減輕機器的質量和成本;工藝上,在經濟允許的情況下,應該提高零件的精度,使用標準化零件,增強互換性.同時,注意從設計到樣機加工完成中的各個問題,增加機器的耐久性和通用性.
3\\)發展自主創新的移栽機.在研究制造移栽機的過程中,一些企業和科研單位并不是在分析研究國外機型的基礎上,大多數不是消化吸收外國機械的優點、摒棄缺點,而是簡單地仿制各種機型.東北農業大學趙勻教授研究水稻插秧機,并不是仿制日本的曲柄搖桿式和偏心齒輪型星系分插機構,而是在其基礎上,取其精華,去其糟粕.為得到插秧軌跡,采用非圓齒輪式旋轉分插機構,在步行式插秧機得到應用,并通過樣機和產品的鑒定.在研制全自動移栽機過程中,發現國外的全自動移栽機將移栽分 3 步走:如意大利法拉利生產的另一種全自動移栽機,首先秧夾停在缽盤上方等待,頂出機構將缽苗從缽盤里頂出;與此同時秧夾夾住秧缽,旋轉 90°,秧夾打開,將秧苗投入到滑道內,至此,完成移栽.移栽機工作過程像"車間"一樣,整個機器也比較龐大.目前,利用非圓齒輪研制全自動移栽機,模仿手工移栽的軌跡,并取得一定的成果.國外的農業生產與土地情況與國內的不一樣,使得移栽機不能在國內更好的推廣使用,應該因地制宜的自主研發適應國內土地和氣候條件的移栽機.
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