現階段插秧機的主要特點及研究進展,農業(yè)機械化論文

現前階段插秧機的主要特點以及研究進展,農業(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%。我們國家農村勞動力持續(xù)下降，且由于我們國家耕地面積有限，生產技術相對落后，病蟲害及氣候原因等影響，怎樣保證糧食供應、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量的40%，是我們國家第一大糧食作物，提高其機械化生產程度意義重大。插秧機作為水稻機械化生產經過中的重要產品，能在品種、氣候、栽培技術及克制自然災禍等條件相對穩(wěn)定情況下，進一步提高水稻勞動生產率及水稻綜合生產能力。而在機插秧技術相對成熟的國家，插秧機的品種及品類則相對成熟。現前階段，國內外對插秧機產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。本文闡述了現前階段這3類插秧機的主要特點以及其技術適用范圍;國內外主流插秧機各自主要存在的缺乏和問題及機插質量不高原因分析;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、噴苗器等設備，是將適齡秧苗按農藝要求和規(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，簡化了農藝流程，且秧苗分蘗成穗率高、總穗數多、生育期短，做好除草防害防倒伏后，利于增產。由于移栽機械屬于復雜精準動作農業(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，國內開場出現理論研究與計算機技術相結合。在理論創(chuàng)新和方式方法創(chuàng)新基礎上，通過建立栽植機械創(chuàng)新優(yōu)化設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，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好，克制了毯苗機插技術取秧不均、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、機插旱育秧等技術興起，國內水稻插秧機產品更接近實際生產，可靠性及經濟性都得到提高。1．1國內水稻插秧機產品現在狀況國內自引進日韓技術以來，企業(yè)和農機研究所等加快了自主產品的研發(fā)。相比前期國內產品呈現的整體實力不強、產品差異化、系列化程度不高，核心部件仍需進口及產品技術集中度不高等現在狀況，已獲得進展?，F技術較成熟產品以獨輪乘坐式為主，常見的6行機，行距在200～300mm可調。一般株距在120～220mm范圍內分幾檔可調，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品。乘坐式高速插秧機因構造系統(tǒng)復雜，科技含量高，產品研發(fā)難度大。后期才出現如當代農裝公司的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備有限公司生產的國內最先進的2ZB－6(RX－60AM)型缽苗乘坐式高速插秧機等產品。近年來，農藝專家多年來提出的寬窄行插秧，具有避免病害、提高產量、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。其利用高階變形非圓齒輪行星系構造［9］，實現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，具有缽盤連續(xù)運動、效率高及不存在傷秧問題等優(yōu)點。上述產品，多已受權國際專利及國家發(fā)明專利等，顯示了近年來國內插秧機產品研發(fā)實力?？傮w來講，國內插秧機產品研究各品類均有自主技術，基本上能夠知足大多數生產需求，技術實力正不斷加強。十分是乘坐式高速插秧機，采用技術創(chuàng)新，新構造、新工藝，增添新裝置、新功能。同時，出現了技術遷移型的新興產品，可知足更高層次要求的實際生產使用需要，擴大其應用范圍等趨勢較為突出。1．1．1獨輪乘坐式插秧機國產獨輪乘坐式插秧機是技術氣力較為集中的類型產品，繼承了國內20世紀60年代起的研發(fā)基礎，汲取日本插秧部件特點。其行走采用單輪驅動和整體浮板組合方式，陸地運輸時加裝2個尾輪，具有構造簡單、操縱輕便、轉彎性能良好等特點，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。此類型獨輪乘坐式插秧機，插秧行數多為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采用回轉式插秧機構，取秧深度8～16mm、適應泥腳深度10～30cm，作業(yè)效率提高至0．2～0．4hm2/h。其他參數與普通型類似，多數產品為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，因此一度成為國內重要產品機型。前期吉林延吉公司的春苗2ZT系列、濰坊禾田農業(yè)裝備公司的福禾2Z－6300型等較優(yōu);后期出現配備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，濰坊泰山廠生產的2Z－6300BG2型乘坐式液壓過梗型水稻插秧機等，屬同類產品中的差異化產品;濰坊濰佳農業(yè)裝備公司生產的濰佳牌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，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、適應深泥腳設計的插秧機產品等［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動，并配有仿形平衡浮板、曲柄搖桿式插秧機構，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。其具有轉彎半徑小、作業(yè)靈敏、適應性強等優(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)，且具有適宜農時，整地后不需沉淀等特點。當前，國內較先進的當屬碧浪、松原豐谷農機等的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、適應性較高，精致細密切塊技術確保了插秧均勻度，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節(jié)范圍大特點，設計出的具有變形橢圓齒輪傳動后插旋轉式分插機構的手扶步進式插秧機，可構成尾部具有環(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，新產品出現較快: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、膠帶送秧機構新技術，作業(yè)輕便、效率高;宇成公司的禾緣2ZS－466A型等，采用前置式往復滑桿、凸輪聯動縱向送秧機構，具有秧苗送給精準的特點。這些產品插秧效率相差不大，但技術側重卻不盡一樣。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，多數產品開場出現差異化改良:如加裝彌霧機，節(jié)省動力，提高效率;部分產品配置有直播、除草、開溝、施肥、施藥、鋪紙及免耕等部件，實現了復合作業(yè)，一機多用;甚至出現了搭載旋耕機的槍管式水稻直播機等產品［19］。當前，國內產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)。③科利亞2ZK－6型乘坐式高速插秧機。特點是轉向靈敏、性能穩(wěn)定、噪聲小、仿形效果好、秧苗適應性強及維護保養(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。由上述產品特點不難看出，國內乘坐式高速插秧機產品實力正在完善。技術型產品的涌現，更是針對我們國家農業(yè)情況，兼顧了產品的適應性、舒適性、經濟性等因素，在提高生產效率的同時，正成為國內插秧機產品的主力機型。1．2國外水稻插秧機產品現在狀況國外插秧機產品研究起源早、技術強，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，便研制出具有旋轉行星齒輪式分插機構的高速插秧機。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，合適嚴寒復種地區(qū)的具有旋轉滑道機構的缽苗乘坐式高速插秧機，分插頻率可達360次/min等。當前，對于分插機構的參數優(yōu)化，則可利用試湊法和基于運動學目的函數優(yōu)化方式方法等來提高分插機構優(yōu)化設計效率，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實力突出。手扶式主要產品有:久保田的SPW－48C型，井關的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節(jié)裝置等，行距均為固定300mm。而其乘坐式高速插秧機產品主要有久保田的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，旋轉式強迫插秧，0．8hm2/h效率的8行機。井關的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，單回轉臂雙插秧爪機構的6行機。洋馬的VP6、VP8D型，采用7．7kW風冷汽油機動力，機械仿形旋轉式插植系統(tǒng)的6行機;配備14．7kW動力，回轉插秧機構，速度感應型方向盤的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。上述產品的配置參數較接近，技術特點卻不盡一樣，性能和質量等多方面領先于國內產品。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、農藝特點以及購買需求等情況，插秧機產品逐步構成了如今的分類。但不同種類產品仍然各自包含一些問題，機插質量有高有低，適用特征明顯，就單一產品的適用性、實用性等還不能完全知足不同層次實際生產的需求。2．1獨輪乘坐式插秧機問題獨輪乘坐式插秧機固然構造緊湊、乘坐舒適，但由于其獨輪驅動加拖板底盤設計，可靠性較低，表現出適應性較差、過埂能力弱及不具備仿形功能的缺點;且田地預整缺乏時，易出現漂秧漏秧現象，需進行人工補插，增加了額外勞動;而很難具體表現出插秧機高速插秧優(yōu)勢，容易出現壅泥下陷、轉彎半徑大等問題。這些問題造成插秧質量不穩(wěn)定，影響插秧機性能的提高和推廣應用，故該類產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，其插植機構易出現松動磨損等情況，需及時調整維護，避免更大損壞及影響作業(yè)質量。由于該類產品部分易損件生產工藝要求高，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，仍高達數萬元，一定程度上限制了其推廣。由于該類產品栽插行數較多、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合操作，發(fā)動機幾乎是滿負荷運轉，僅通過變速機構調速，油耗較大。另外，部分產品操作面板、無極變速桿和升降操縱桿等桿件諸多，操作復雜，熟練操作周期長。3影響機插質量的其他原因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整，容易造成秧針或勾秧爪的沖擊卡頓損傷，影響機插質量。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，容易出現分離針和送秧器帶泥帶秧現象，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)范大田耕整應適度，田塊應精耕細耙，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。一方面農民集中育秧時習慣于濕潤育秧、旱育秧等，企圖增收;而與農機相結合的機插秧大都未經集中培育、比例少，機插秧品質不齊。另一方面，床土質量不達標。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、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致機插質量不高的重要原因。4水稻插秧機發(fā)展趨勢4．1國外水稻插秧機產品發(fā)展趨勢應用新概念、新技術、先進研發(fā)生產理念與以往成熟農耕應用相融合，強調控制、自適應、可選擇特點的功能強大、性能穩(wěn)定、選擇豐富的插秧機產品正逐步成為國外水稻插秧機產品發(fā)展的新方向。1)高性能復合式插秧機。在保證產品穩(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)農機及新技術融入高速插秧機。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)帶精到準確導航與定位的精細控制插秧機產品。伴隨世界精準農業(yè)應用越來越廣，基于工程創(chuàng)新與信息管理概念研發(fā)的高速插秧機產品已經成為產品研究前沿。4)具有智能自適應能力的插秧機。如轉彎時自動減速，能根據行駛情況及栽插狀態(tài)自行調速，或具有行駛速度變論域自適應模糊PID控制算法控制系統(tǒng)的插秧機等。4．2國內水稻插秧機產品發(fā)展趨勢進一步注重實際栽插質量及生產效率，采用更先進的關鍵構造，通過構造、原理等優(yōu)化提高秧苗適應性，具有較高自動化程度的插秧機產品，將是將來國內水稻插秧機產品的發(fā)展趨勢。1)作業(yè)質量及效率進一步提高。如利用Solid-works、ADAMS、ANSYS等軟件，進行關鍵部件等的虛擬樣機分析;對秧爪運動仿形構造、軌跡等進行優(yōu)化，以提高機插質量;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造。由傳統(tǒng)分秧機構曲柄搖桿式、搖臂導桿式和轉臂滑道式，向高速分秧機構旋轉滑道式、齒輪(偏心、橢圓)行星式、差速式和偏心鏈輪式轉變和應用。3)提高插秧機對秧苗的適應性。優(yōu)化插植軌跡，設置鉤秧針活動量、改良送秧裝置、實現細微調節(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、適應性和操作靈敏性等。4．3水稻插秧機產品總體發(fā)展趨勢總體而言，插秧機經典產品將會愈加完善，而在產品研發(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)考慮周到的產品，將會在發(fā)展趨勢中被保存，而成為一段時間內，不變的研究方向。直到新的農藝要求、水稻品種變化或秧苗培育方式的改變，水稻插