現(xiàn)階段插秧機的主要特點及研究進展,農(nóng)業(yè)機械化論文

現(xiàn)前階段插秧機的主要特點以及研究進展,農(nóng)業(yè)機械化論文2018年，我們國家城鎮(zhèn)化率到達51．27%;2020年，到達52．57%;2020年，中國城鎮(zhèn)化率竟高達53．73%。我們國家農(nóng)村勞動力持續(xù)下降，且由于我們國家耕地面積有限，生產(chǎn)技術(shù)相對落后，病蟲害及氣候原因等影響，怎樣保證糧食供應(yīng)、避免糧食危機成為亟待解決的問題。水稻約占我們國家糧食總產(chǎn)量的40%，是我們國家第一大糧食作物，提高其機械化生產(chǎn)程度意義重大。插秧機作為水稻機械化生產(chǎn)經(jīng)過中的重要產(chǎn)品，能在品種、氣候、栽培技術(shù)及克制自然災(zāi)禍等條件相對穩(wěn)定情況下，進一步提高水稻勞動生產(chǎn)率及水稻綜合生產(chǎn)能力。而在機插秧技術(shù)相對成熟的國家，插秧機的品種及品類則相對成熟。現(xiàn)前階段，國內(nèi)外對插秧機產(chǎn)品的研究主要為獨輪乘坐式插秧機、手扶步進式插秧機及乘坐式高速插秧機3大類。本文闡述了現(xiàn)前階段這3類插秧機的主要特點以及其技術(shù)適用范圍;國內(nèi)外主流插秧機各自主要存在的缺乏和問題及機插質(zhì)量不高原因分析;最終對插秧機的發(fā)展趨勢研究方向進行分析和闡述。1國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)20世紀80年代末，日本水稻種植機械化達98%。韓國、美國、意大利等國家的水稻生產(chǎn)機械化水平也到達97%以上。多年來，水、旱田栽植機械高端技術(shù)分別被日韓及歐美壟斷。華而不實，日本、韓國以育苗機械移栽為主，即主要利用插秧機、拋擺機、噴苗器等設(shè)備，是將適齡秧苗按農(nóng)藝要求和規(guī)范，移栽到田間的一種水稻栽培方式。通常機械移栽主要是指機械插秧。歐美國家則多見機械直播方式，有旱整地旱直播、水整地水直播、旱整地水直播等播種方式方法，且較合適粳稻和早稻品種。由于直播不需要育秧，簡化了農(nóng)藝流程，且秧苗分蘗成穗率高、總穗數(shù)多、生育期短，做好除草防害防倒伏后，利于增產(chǎn)。由于移栽機械屬于復(fù)雜精準動作農(nóng)業(yè)機械，研究難度大，傳統(tǒng)研究方式方法周期長，成功率也較低。近年來，國內(nèi)開場出現(xiàn)理論研究與計算機技術(shù)相結(jié)合。在理論創(chuàng)新和方式方法創(chuàng)新基礎(chǔ)上，通過建立栽植機械創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計平臺等先進方式方法，大大縮短了研發(fā)周期等先進進展。2008年，由我們國家水稻所自主研發(fā)的水稻缽苗機插技術(shù)，采用缽形毯狀秧盤育秧，秧盤上的秧苗呈上毯下缽，根部被一格格分開。其不僅能夠做到定量、定位按缽取秧，且培育出的秧苗綜合素質(zhì)好，克制了毯苗機插技術(shù)取秧不均、傷秧傷根嚴重、漏秧率高及插后返青慢等問題［4］。伴隨著雙膜育秧、軟盤育秧、拌漿育秧、機插旱育秧等技術(shù)興起，國內(nèi)水稻插秧機產(chǎn)品更接近實際生產(chǎn)，可靠性及經(jīng)濟性都得到提高。1．1國內(nèi)水稻插秧機產(chǎn)品現(xiàn)在狀況國內(nèi)自引進日韓技術(shù)以來，企業(yè)和農(nóng)機研究所等加快了自主產(chǎn)品的研發(fā)。相比前期國內(nèi)產(chǎn)品呈現(xiàn)的整體實力不強、產(chǎn)品差異化、系列化程度不高，核心部件仍需進口及產(chǎn)品技術(shù)集中度不高等現(xiàn)在狀況，已獲得進展?，F(xiàn)技術(shù)較成熟產(chǎn)品以獨輪乘坐式為主，常見的6行機，行距在200～300mm可調(diào)。一般株距在120～220mm范圍內(nèi)分幾檔可調(diào)，性能及穩(wěn)定性均能知足主流需求，如春苗2ZT－9356B型、華裕2ZB－630型獨輪乘坐式水稻插秧機等。而因手扶式利潤相對較低，且效率偏低，較后出現(xiàn)如碧浪2ZF－430型、富來威2Z－455型、富爾代2ZS－4A型、濰泰430型等手扶式四行插秧機產(chǎn)品。乘坐式高速插秧機因構(gòu)造系統(tǒng)復(fù)雜，科技含量高，產(chǎn)品研發(fā)難度大。后期才出現(xiàn)如當代農(nóng)裝公司的2ZG630A型、碧浪2ZG630A、2ZG824型等乘坐式高速插秧機，以及常州亞美柯機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的國內(nèi)最先進的2ZB－6(RX－60AM)型缽苗乘坐式高速插秧機等產(chǎn)品。近年來，農(nóng)藝專家多年來提出的寬窄行插秧，具有避免病害、提高產(chǎn)量、減少倒伏的優(yōu)點;但由于沒有寬窄行插秧機而只能采用人工拉線插秧。為此，趙勻［5］、武傳宇等人的項目組發(fā)明的多種形式的寬窄行插秧機［6］，在不改變秧箱以及育秧裝置的前提下，實現(xiàn)了寬窄行的秧苗栽插，利于推廣，屬國際首創(chuàng)，有較大自主創(chuàng)新;而其旱地全自動取出式缽苗移栽機［7－8］，解決了移栽機創(chuàng)新的瓶頸即自動取苗機構(gòu)。其利用高階變形非圓齒輪行星系構(gòu)造［9］，實現(xiàn)了機械式自動取苗的鷹嘴型理想軌跡，優(yōu)化創(chuàng)新效果突出。另外，其水、旱田全自動頂出式缽苗移栽機［10－11］，發(fā)明了各種全自動頂出式缽苗移栽機構(gòu)，具有缽盤連續(xù)運動、效率高及不存在傷秧問題等優(yōu)點。上述產(chǎn)品，多已受權(quán)國際專利及國家發(fā)明專利等，顯示了近年來國內(nèi)插秧機產(chǎn)品研發(fā)實力?？傮w來講，國內(nèi)插秧機產(chǎn)品研究各品類均有自主技術(shù)，基本上能夠知足大多數(shù)生產(chǎn)需求，技術(shù)實力正不斷加強。十分是乘坐式高速插秧機，采用技術(shù)創(chuàng)新，新構(gòu)造、新工藝，增添新裝置、新功能。同時，出現(xiàn)了技術(shù)遷移型的新興產(chǎn)品，可知足更高層次要求的實際生產(chǎn)使用需要，擴大其應(yīng)用范圍等趨勢較為突出。1．1．1獨輪乘坐式插秧機國產(chǎn)獨輪乘坐式插秧機是技術(shù)氣力較為集中的類型產(chǎn)品，繼承了國內(nèi)20世紀60年代起的研發(fā)基礎(chǔ)，汲取日本插秧部件特點。其行走采用單輪驅(qū)動和整體浮板組合方式，陸地運輸時加裝2個尾輪，具有構(gòu)造簡單、操縱輕便、轉(zhuǎn)彎性能良好等特點，一般可分為普通型和快速型。普通型插秧采用分置式曲柄連桿機構(gòu)。此類型獨輪乘坐式插秧機，插秧行數(shù)多為6行，作業(yè)幅寬1．8m，配套2．94kW左右，作業(yè)效率0．13～0．20hm2/h?？焖傩筒逖頇C采用回轉(zhuǎn)式插秧機構(gòu)，取秧深度8～16mm、適應(yīng)泥腳深度10～30cm，作業(yè)效率提高至0．2～0．4hm2/h。其他參數(shù)與普通型類似，多數(shù)產(chǎn)品為6行或8行。由于其舒適性優(yōu)于手扶式，價格遠低于高速乘坐式，外加購機補貼，有一定性價比，因此一度成為國內(nèi)重要產(chǎn)品機型。前期吉林延吉公司的春苗2ZT系列、濰坊禾田農(nóng)業(yè)裝備公司的福禾2Z－6300型等較優(yōu);后期出現(xiàn)配備3．68kW柴油機的液壓過梗機型，動力強勁、操作靈敏、過梗輕松。例如，濰坊泰山廠生產(chǎn)的2Z－6300BG2型乘坐式液壓過梗型水稻插秧機等，屬同類產(chǎn)品中的差異化產(chǎn)品;濰坊濰佳農(nóng)業(yè)裝備公司生產(chǎn)的濰佳牌2ZK－630/8300型插秧機，采用先進的非圓齒輪行星輪系雙分插機構(gòu)，分插頻率提高較大，振動相對減少［12－14］;還有針對特殊泥田的、適應(yīng)深泥腳設(shè)計的插秧機產(chǎn)品等［15］。1．1．2手扶步進式插秧機手扶步進式插秧機多采用兩輪汽油機驅(qū)動，并配有仿形平衡浮板、曲柄搖桿式插秧機構(gòu)，4行300mm行距居多;也有合適丘陵山區(qū)作業(yè)的2行手扶式等機型，配備單缸小型汽油機。其具有轉(zhuǎn)彎半徑小、作業(yè)靈敏、適應(yīng)性強等優(yōu)點;田角地頭均可栽插，一人即可完成作業(yè)，適于小田塊作業(yè)，且具有適宜農(nóng)時，整地后不需沉淀等特點。當前，國內(nèi)較先進的當屬碧浪、松原豐谷農(nóng)機等的2ZF－430型手扶插秧機，特點是具有左右平衡功能(TBS液壓系統(tǒng))，整機水田通過性、適應(yīng)性較高，精致細密切塊技術(shù)確保了插秧均勻度，液壓升降自動仿形裝置控制了插秧深度，可避免壅塞。另外，利用變形橢圓齒輪具有非勻速傳動且傳動比調(diào)節(jié)范圍大特點，設(shè)計出的具有變形橢圓齒輪傳動后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)的手扶步進式插秧機，可構(gòu)成尾部具有環(huán)扣的靜軌跡，其插秧穴口更小、更有利于保證秧苗的直立性［16－18］。近年來，新產(chǎn)品出現(xiàn)較快:如江蘇隆慶公司的新洋2ZS－4A型，采用星輥式2段秧苗移送機構(gòu)、膠帶送秧機構(gòu)新技術(shù)，作業(yè)輕便、效率高;宇成公司的禾緣2ZS－466A型等，采用前置式往復(fù)滑桿、凸輪聯(lián)動縱向送秧機構(gòu)，具有秧苗送給精準的特點。這些產(chǎn)品插秧效率相差不大，但技術(shù)側(cè)重卻不盡一樣。1．1．3乘坐式高速插秧機乘坐式高速插秧機產(chǎn)品整體特點是作業(yè)效率高，舒適性、可靠性及自動化程度均最高。近年來，多數(shù)產(chǎn)品開場出現(xiàn)差異化改良:如加裝彌霧機，節(jié)省動力，提高效率;部分產(chǎn)品配置有直播、除草、開溝、施肥、施藥、鋪紙及免耕等部件，實現(xiàn)了復(fù)合作業(yè)，一機多用;甚至出現(xiàn)了搭載旋耕機的槍管式水稻直播機等產(chǎn)品［19］。當前，國內(nèi)產(chǎn)品主要有下面幾類代表機型:①碧浪2ZG630A型乘坐式高速插秧機。配備動力最大13．4kW，旋轉(zhuǎn)式強迫插秧，插秧深度10～40mm，采用靜液壓無級傳動變速裝置(HST)，液壓助力轉(zhuǎn)向，作業(yè)效率為0．2～0．53hm2/h。②雷沃谷神2Z－6G型等雷沃2Z系列乘坐式高速插秧機。該類產(chǎn)品采用電啟動汽油機動力，配備HMT(液壓機械無極變速裝置)變速箱［20－21］，操作簡單、構(gòu)造先進、送秧膠帶較長，送秧可靠，作業(yè)效率為0．33～0．6hm2/h(部分已停產(chǎn))。③科利亞2ZK－6型乘坐式高速插秧機。特點是轉(zhuǎn)向靈敏、性能穩(wěn)定、噪聲小、仿形效果好、秧苗適應(yīng)性強及維護保養(yǎng)簡單，作業(yè)效率0．27～0．53hm2/h。④富來威2ZG－6DK型。采用TBS自動平衡裝置，具有插秧效果好、穩(wěn)定性高及田間作業(yè)快速高效等特點。由上述產(chǎn)品特點不難看出，國內(nèi)乘坐式高速插秧機產(chǎn)品實力正在完善。技術(shù)型產(chǎn)品的涌現(xiàn)，更是針對我們國家農(nóng)業(yè)情況，兼顧了產(chǎn)品的適應(yīng)性、舒適性、經(jīng)濟性等因素，在提高生產(chǎn)效率的同時，正成為國內(nèi)插秧機產(chǎn)品的主力機型。1．2國外水稻插秧機產(chǎn)品現(xiàn)在狀況國外插秧機產(chǎn)品研究起源早、技術(shù)強，配套研發(fā)成熟，機型先進豐富。以鄰國日本為例，早在20世紀80年代中期，便研制出具有旋轉(zhuǎn)行星齒輪式分插機構(gòu)的高速插秧機。其為當代乘坐式高速插秧機雛形，理論分插頻率可達440次/min;同一時期又開發(fā)出，合適嚴寒復(fù)種地區(qū)的具有旋轉(zhuǎn)滑道機構(gòu)的缽苗乘坐式高速插秧機，分插頻率可達360次/min等。當前，對于分插機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化，則可利用試湊法和基于運動學目的函數(shù)優(yōu)化方式方法等來提高分插機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計效率，提高分插頻率，進一步提高栽插效率。發(fā)展至今，國外手扶步進式和乘坐式高速插秧機技術(shù)實力突出。手扶式主要產(chǎn)品有:久保田的SPW－48C型，井關(guān)的PC6型，東洋的PF455S型等。這3類機型分別配備了2．57kW、3．2kW、2．3kW動力，采用曲柄搖桿式、曲軸式等插植方式，多配置有準確插秧的插植爪、振擺傳感式自動水平裝置、取苗量和插植深淺調(diào)節(jié)裝置等，行距均為固定300mm。而其乘坐式高速插秧機產(chǎn)品主要有久保田的SPU－68C、SPD－8型，前者為7．7kW功率，水冷4沖程2氣缸OHC汽油發(fā)動機，作業(yè)效率0．53hm2/h的6行機，后者為14．7kW的水冷柴油發(fā)動機，旋轉(zhuǎn)式強迫插秧，0．8hm2/h效率的8行機。井關(guān)的PG6型為7/9．9kW(額定/最大)的風冷OHV汽油機(連續(xù)作業(yè)無高溫)動力，單回轉(zhuǎn)臂雙插秧爪機構(gòu)的6行機。洋馬的VP6、VP8D型，采用7．7kW風冷汽油機動力，機械仿形旋轉(zhuǎn)式插植系統(tǒng)的6行機;配備14．7kW動力，回轉(zhuǎn)插秧機構(gòu)，速度感應(yīng)型方向盤的8行機。東洋的P600型，則是采用自動液壓仿形裝置，多見配合軟盤、雙膜育苗的毯狀秧苗的機型等。上述產(chǎn)品的配置參數(shù)較接近，技術(shù)特點卻不盡一樣，性能和質(zhì)量等多方面領(lǐng)先于國內(nèi)產(chǎn)品。2水稻插秧機存在的問題由于需要知足不同地區(qū)的耕種環(huán)境、氣候特征、農(nóng)藝特點以及購買需求等情況，插秧機產(chǎn)品逐步構(gòu)成了如今的分類。但不同種類產(chǎn)品仍然各自包含一些問題，機插質(zhì)量有高有低，適用特征明顯，就單一產(chǎn)品的適用性、實用性等還不能完全知足不同層次實際生產(chǎn)的需求。2．1獨輪乘坐式插秧機問題獨輪乘坐式插秧機固然構(gòu)造緊湊、乘坐舒適，但由于其獨輪驅(qū)動加拖板底盤設(shè)計，可靠性較低，表現(xiàn)出適應(yīng)性較差、過埂能力弱及不具備仿形功能的缺點;且田地預(yù)整缺乏時，易出現(xiàn)漂秧漏秧現(xiàn)象，需進行人工補插，增加了額外勞動;而很難具體表現(xiàn)出插秧機高速插秧優(yōu)勢，容易出現(xiàn)壅泥下陷、轉(zhuǎn)彎半徑大等問題。這些問題造成插秧質(zhì)量不穩(wěn)定，影響插秧機性能的提高和推廣應(yīng)用，故該類產(chǎn)品較適于平原大面積地區(qū)。2．2手扶步進式插秧機問題手扶步進式插秧機相較于獨輪乘坐式，其舒適性缺乏、勞動強度更大，相較于乘坐式高速插秧機，其插秧效率、功能性、操作穩(wěn)定性均有明顯差距。十分是行走時人工換擋、換擋需停車、排氣筒位置不高、發(fā)動機前置等問題，一旦輪子下陷，發(fā)動機極易進水，過水渠時更可能損壞發(fā)動機。長期作業(yè)時，其插植機構(gòu)易出現(xiàn)松動磨損等情況，需及時調(diào)整維護，避免更大損壞及影響作業(yè)質(zhì)量。由于該類產(chǎn)品部分易損件生產(chǎn)工藝要求高，故更換費事，價格高。2．3乘坐式高速插秧機問題乘坐式高速插秧機具有技術(shù)水平高和可靠性好等特點，同樣具有價格昂貴、油耗大和使用維護成本高等缺陷。十分是國外品牌產(chǎn)品，價格一般在10～20萬元不等。、省級財政累計補貼近50%以后，仍高達數(shù)萬元，一定程度上限制了其推廣。由于該類產(chǎn)品栽插行數(shù)較多、效率高、單次負載秧苗較多、機身較重、為了保證完成多工況施肥除草等復(fù)合操作，發(fā)動機幾乎是滿負荷運轉(zhuǎn)，僅通過變速機構(gòu)調(diào)速，油耗較大。另外，部分產(chǎn)品操作面板、無極變速桿和升降操縱桿等桿件諸多，操作復(fù)雜，熟練操作周期長。3影響機插質(zhì)量的其他原因3．1田地耕茬不凈，水層不適由于大田耕茬不凈、存在雜草浮渣等，機插位置及深度難于實時調(diào)整，容易造成秧針或勾秧爪的沖擊卡頓損傷，影響機插質(zhì)量。田間無水層或水層太深。田間沒有水層，既加大插秧機運行時阻力、降低機械作業(yè)效率，又不能利用水層清洗秧爪，容易出現(xiàn)分離針和送秧器帶泥帶秧現(xiàn)象，增加了漏插機率;田面間水位太大，不僅影響移栽深度、增加漂秧，又因插秧機運行時水面起浪頭，沖擊已栽插的秧苗，增加了邊行例苗和漂秧。3．2大田耕整不適度，育秧不規(guī)范大田耕整應(yīng)適度，田塊應(yīng)精耕細耙，做到平整，使田塊高低相差不超過3cm左右。另外，田泥塊應(yīng)盡量上爛下實，保證插秧機作業(yè)時不陷機、不顫泥，力求插秧時到達寸水棵棵到。育秧不規(guī)范。一方面農(nóng)民集中育秧時習慣于濕潤育秧、旱育秧等，企圖增收;而與農(nóng)機相結(jié)合的機插秧大都未經(jīng)集中培育、比例少，機插秧品質(zhì)不齊。另一方面，床土質(zhì)量不達標。蓋籽土薄厚(床土厚度要求30mm左右)或粗細不宜，易造成表土板結(jié)、芽谷缺氧，1低不一，以及均勻度和整潔度較差等后果［26］。另外，育秧播種芽質(zhì)差，揭膜過早或過遲，造成出苗不整潔或秧苗竄高嚴重;受傷彎曲、秧齡太長、秧苗密度不均等因素也是導(dǎo)致機插質(zhì)量不高的重要原因。4水稻插秧機發(fā)展趨勢4．1國外水稻插秧機產(chǎn)品發(fā)展趨勢應(yīng)用新概念、新技術(shù)、先進研發(fā)生產(chǎn)理念與以往成熟農(nóng)耕應(yīng)用相融合，強調(diào)控制、自適應(yīng)、可選擇特點的功能強大、性能穩(wěn)定、選擇豐富的插秧機產(chǎn)品正逐步成為國外水稻插秧機產(chǎn)品發(fā)展的新方向。1)高性能復(fù)合式插秧機。在保證產(chǎn)品穩(wěn)定性的同時，配置同步測深施肥、噴霧、耙地等裝置，減少作業(yè)流程。如一次作業(yè)完成機械化整地和插秧的帶有原位松土破茬刀組的插秧機。2)傳統(tǒng)農(nóng)機及新技術(shù)融入高速插秧機。如加裝激光平地、太陽能光伏分布式發(fā)電照明裝置、懸臂式噴霧、播種器、旋耕機，以及用以檢測異物的振動隔離激光測距掃描器等機型。3)帶精到準確導(dǎo)航與定位的精細控制插秧機產(chǎn)品。伴隨世界精準農(nóng)業(yè)應(yīng)用越來越廣，基于工程創(chuàng)新與信息管理概念研發(fā)的高速插秧機產(chǎn)品已經(jīng)成為產(chǎn)品研究前沿。4)具有智能自適應(yīng)能力的插秧機。如轉(zhuǎn)彎時自動減速，能根據(jù)行駛情況及栽插狀態(tài)自行調(diào)速，或具有行駛速度變論域自適應(yīng)模糊PID控制算法控制系統(tǒng)的插秧機等。4．2國內(nèi)水稻插秧機產(chǎn)品發(fā)展趨勢進一步注重實際栽插質(zhì)量及生產(chǎn)效率，采用更先進的關(guān)鍵構(gòu)造，通過構(gòu)造、原理等優(yōu)化提高秧苗適應(yīng)性，具有較高自動化程度的插秧機產(chǎn)品，將是將來國內(nèi)水稻插秧機產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。1)作業(yè)質(zhì)量及效率進一步提高。如利用Solid-works、ADAMS、ANSYS等軟件，進行關(guān)鍵部件等的虛擬樣機分析;對秧爪運動仿形構(gòu)造、軌跡等進行優(yōu)化，以提高機插質(zhì)量;保證秧苗立苗直、不松懈及定位、定量準確，取秧精度更高層次等。2)乘坐式插秧機普遍采用高速插秧構(gòu)造。由傳統(tǒng)分秧機構(gòu)曲柄搖桿式、搖臂導(dǎo)桿式和轉(zhuǎn)臂滑道式，向高速分秧機構(gòu)旋轉(zhuǎn)滑道式、齒輪(偏心、橢圓)行星式、差速式和偏心鏈輪式轉(zhuǎn)變和應(yīng)用。3)提高插秧機對秧苗的適應(yīng)性。優(yōu)化插植軌跡，設(shè)置鉤秧針活動量、改良送秧裝置、實現(xiàn)細微調(diào)節(jié)的精到準確插秧，不傷秧、不漏秧，擴大對栽插秧苗的冗余。4)提高插秧機的自動化程度，操作維護簡易化，插秧機輕量化，并保證機具的可靠性、適應(yīng)性和操作靈敏性等。4．3水稻插秧機產(chǎn)品總體發(fā)展趨勢總體而言，插秧機經(jīng)典產(chǎn)品將會愈加完善，而在產(chǎn)品研發(fā)與更替中被保存;使用方便、低維護、機電控制可靠及安全保衛(wèi)考慮周到的產(chǎn)品，將會在發(fā)展趨勢中被保存，而成為一段時間內(nèi)，不變的研究方向。直到新的農(nóng)藝要求、水稻品種變化或秧苗培育方式的改變，水稻插