陳林濤，馬 旭，齊 龍，鹿芳媛，孫國棟，陳桂生，譚永炘

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

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水稻秧盤育秧流水線自動疊盤裝備現(xiàn)狀與展望

陳林濤，馬 旭，齊 龍，鹿芳媛，孫國棟，陳桂生，譚永炘

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

水稻工廠化秧盤育秧播種流水線主要由供盤、鋪底土、壓實、精密播種、淋灑水和取疊盤等裝備組成。由于我國現(xiàn)階段對工廠化育秧設(shè)備研究薄弱，關(guān)鍵技術(shù)有待突破，國內(nèi)的流水線在播種后取疊盤主要由人工逐個取盤，不僅勞動強度大，容易造成疲勞，還制約著工廠化育秧的生產(chǎn)效率，故秧盤自動疊盤裝備對提高流水線自動化程度、降低勞動強度和提高效率等方面具有重要作用。為此，綜述了國內(nèi)外自動疊盤技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有自動疊盤裝備的工作原理，指出了現(xiàn)行裝置中關(guān)鍵部件存在的不足，提出了水稻秧盤育秧流水線自動疊盤裝備今后的發(fā)展趨勢，指明可靠性高、適應(yīng)性強、符合輕簡栽培技術(shù)要求、能實現(xiàn)自動智能檢測與控制是自動疊盤裝備的主要發(fā)展方向。

水稻育秧；播種流水線；自動疊盤；軟硬秧盤；智能化

0 引言

水稻是我國三大主要糧食作物之一，是單產(chǎn)和總產(chǎn)最高的糧食作物，稻米是全國60%以上人口的口糧。我國水稻常年種植面積約3 000萬hm2，占全國糧食種植面積的27%，占世界水稻種植面積20%；全國水稻總產(chǎn)量約2億t，占全國糧食總產(chǎn)量的34%，占世界稻谷總產(chǎn)的35%，居世界第一。由此可見，水稻在我國糧食生產(chǎn)中占有十分重要的地位[1-3]。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，大力推進(jìn)水稻生產(chǎn)機械化是解決水稻生產(chǎn)勞動力短缺、實現(xiàn)水稻生產(chǎn)節(jié)本增效的有效措施[4]。水稻機械化育插秧技術(shù)是水稻栽植機械化的核心，而育秧技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)機與農(nóng)藝相融合的關(guān)鍵之舉。目前，我國水稻機械化育秧技術(shù)主要采用秧盤育秧方式，包括工廠化育秧和田間育秧兩種形式。近年來，為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，推進(jìn)糧食生產(chǎn)，水稻工廠化育秧技術(shù)日益成熟，應(yīng)用也在不斷發(fā)展和推廣，已經(jīng)成為水稻機械化生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。

水稻工廠化育秧工序主要包括秧盤供送、鋪底土、底土壓實、精密播種、覆表土、淋灑水及自動取疊盤等。為此，設(shè)計出性能完善、質(zhì)量可靠、高效自動化的機械裝置是水稻工廠化育秧技術(shù)與裝備推廣實施的重中之重。其中，研制的水稻育秧播種流水線自動疊盤裝置，可一次性搬走一定數(shù)量的秧盤，免去工人逐個取盤的繁瑣工作，明顯降低了勞動強度，提高了水稻育秧播種流水線作業(yè)效率。

本文參閱了國內(nèi)外的自動疊盤技術(shù)資料，研究了當(dāng)前疊盤裝備的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了現(xiàn)有自動疊盤裝備的工作原理，指出其現(xiàn)存的不足之處，并對今后國內(nèi)水稻秧盤育秧流水線自動疊盤裝備的研究方向提出了建議，以期為相關(guān)設(shè)備的研制提供參考。

1 國外研究現(xiàn)狀

目前，水稻種植技術(shù)主要有兩種：水稻直播和育秧移栽[5-6]。歐美和澳大利亞等國家的水稻種植方式以直播為主，研制的水稻秧盤育秧播種設(shè)備比較少，播種育苗流水線多用于蔬菜、花卉等作物的種植生產(chǎn)[7]。

意大利研制的阿爾法型滾筒式全自動穴盤播種機、荷蘭Visser公司和Flier Systems公司研制的蔬菜精量播種自動化生產(chǎn)線(見圖1)均配備有自動疊盤裝置，苗盤經(jīng)過流水線播種和淋水后，穴盤疊垛裝置將苗盤堆疊。該疊盤裝置機構(gòu)精密，可適用不同大小的苗盤，人工需求量少，勞動強度低，整機效率高達(dá)1 000盤/h以上，但設(shè)備規(guī)模大、價格較高。

此外，澳大利亞、美國等國家蔬菜種植也均采用全套流水線進(jìn)行播種育苗。目前，已有多種播種流水線被廣泛應(yīng)用，如B1ackmore Systerm、Marksman、Speed1ing Systerm、Hamilton等機型，其共同特點為：作業(yè)質(zhì)量較好，功能全，自動化程度較高[8-9]。

圖1 荷蘭蔬菜精量播種流水線Fig.1 A accurate vegetable sowing line

在園藝溫室自動化生產(chǎn)裝備系統(tǒng)方面，荷蘭采用現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)(如應(yīng)用內(nèi)部物流技術(shù)、電子技術(shù)、計算機管理技術(shù)及信息技術(shù)等)，實現(xiàn)了盆花基質(zhì)裝盆、種苗移植、盆花搬運、灌溉、疏盆、盆花分級、成品包裝等一系列自動化作業(yè)[10-11]。在苗床自動化搬運方面，利用盆花裝床機、輸送軌道、驅(qū)動機構(gòu)和檢測系統(tǒng)可對苗床堆疊后進(jìn)行雙層輸送，大大提高了生產(chǎn)效率，減輕了人工作業(yè)的勞動強度，實現(xiàn)了自動化、智能化生產(chǎn)。圖2是雙層苗床自動搬運作業(yè)的相關(guān)設(shè)備。

圖2 苗床自動化搬運作業(yè)過程Fig.2 Automatic seedling bed transporter

荷蘭生產(chǎn)苗床自動搬運裝備的公司很多，如VISSER國際貿(mào)易與工程公司、CODEMA集團(tuán)公司及KG系統(tǒng)公司。其中，CODEMA集團(tuán)公司苗床搬運系統(tǒng)形式多樣，技術(shù)較為全面，其溫室盆花苗床物流化自動搬運裝備系統(tǒng)已被中國天津濱海國際花卉科技園區(qū)股份有限公司等知名企業(yè)引用[12]。雖然歐美發(fā)達(dá)國家的流水線作業(yè)設(shè)備的研究主要用于蔬菜和園藝設(shè)備中，但相關(guān)技術(shù)為自動疊盤裝備的設(shè)計提供了參考。

亞洲國家的水稻種植方式通常以移栽為主，韓國的育秧技術(shù)水平與日本接近。20世紀(jì)80年代，日本的育秧和插秧機械已基本實現(xiàn)系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。井關(guān)、久保田、日清、三菱等株式會社[13-15]都設(shè)計開發(fā)出育秧播種設(shè)備，室內(nèi)成套水稻育秧設(shè)施完善、規(guī)模大、自動化程度高，其相關(guān)水稻工廠化育秧流水線如圖3所示。

圖3 日本水稻工廠化育秧流水線Fig.3 Japanese rice seedling factory line

目前，日本的一些農(nóng)機公司也公開了若干自動疊盤裝置的專利產(chǎn)品。例如，久保田公司研制的S-ST系列自動疊盤裝置和洋馬公司研制的YAS系列自動疊盤裝置，如圖4所示。這些裝置的執(zhí)行機構(gòu)具有精密化和多樣化特點，作業(yè)效率可達(dá)1 000盤/h以上；但由于整套設(shè)備進(jìn)口成本高，未見引進(jìn)應(yīng)用。

圖4 S-ST型自動疊盤裝置Fig.4 S-ST automatic tray stacker

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國水稻種植主要采用育秧移栽的方式，只在少數(shù)地區(qū)采用直播方式[16]。近10年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇云馬農(nóng)機制造有限公司及臺州一鳴機械設(shè)備有限公司等單位對水稻精密育秧流水線進(jìn)行了相關(guān)研究，不斷涌現(xiàn)出簡單、實用的工廠化育秧流水線設(shè)備。以前秧盤育秧流水線的核心技術(shù)集中在精密播種環(huán)節(jié)，而今除播種器的精量排種外，播種灑水后的秧盤能否高效整齊地疊放也是研究的重點[17-18]。

目前，自動疊盤裝備主要應(yīng)用臺灣地區(qū)亦祥企業(yè)有限公司研制的氣動式疊盤機和臺州市一鳴機械設(shè)備有限公司研制的苗盤疊盤機。圖5是臺灣亦祥企業(yè)有限公司研制的三大牌育秧機自動計數(shù)與疊盤裝置。該裝置利用氣缸提供動力進(jìn)行疊盤作業(yè)，其利用接近檢測開關(guān)、擱板、控制閥門和升降氣缸等裝置進(jìn)行秧盤自動收集和疊盤。整個裝置反應(yīng)迅速，收盤及時有序，疊盤快速，節(jié)省了勞動力；但存在價格昂貴的缺點，加之氣動沖擊較大，該裝置只用于硬秧盤的疊盤作業(yè)。

圖5 臺灣三大牌育秧機疊盤設(shè)備Fig.5 Taiwan Sanda tray stacker

圖6是浙江省臺州市一鳴機械設(shè)備有限公司研制的苗盤疊盤機[19]。該設(shè)備主要包括機架、升降機構(gòu)、秧盤頂持裝置及秧盤感應(yīng)裝置，利用感應(yīng)裝置控制升降機構(gòu)的動力裝置，動力電機驅(qū)動升降機構(gòu)進(jìn)行秧盤堆疊作業(yè)。升降裝置為X式的升降架，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，簡單可靠，工作時秧盤能平穩(wěn)升降；但裝置局限于硬秧盤作業(yè)，未見其應(yīng)用于軟秧盤作業(yè)，且作業(yè)效率有待提高。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)馬旭[20]等設(shè)計了一種水稻秧盤自動疊盤裝置。水稻秧盤育秧精密播種流水線的自動疊盤裝置主要由空氣壓縮機、秧盤輸送機構(gòu)、秧盤升降機構(gòu)、土壤防漏機構(gòu)、電控箱、機架及電機等組成，如圖7所示。工作時，該裝置利用接近開關(guān)檢測秧盤信號，通過PLC控制秧盤升降機構(gòu)升降秧盤來實現(xiàn)軟盤(含托盤)或硬秧盤的快速自動疊放，利用土壤防漏機構(gòu)的蓋板防止秧盤內(nèi)土壤在疊盤過程中發(fā)生側(cè)漏。整個裝置反應(yīng)迅速，疊盤有序，適合軟、硬秧盤使用，且增設(shè)了土壤防漏機構(gòu)保證了秧盤內(nèi)種子分布的均勻性。該設(shè)備對提高水稻秧盤育秧精密播種流水線的生產(chǎn)率及減輕勞動強度具有實際意義。

1.機架 2 動力裝置 3.拉桿 4.升降架 5.盤架 6.活動頂?shù)?7.秧盤 8.防撞片圖6 臺州市一鳴機械設(shè)備疊盤機Fig.6 A tray stacker

1.導(dǎo)向板 2.橡膠滾輪 3.蓋板 4.土壤防漏機構(gòu) 5.蓋板升降氣缸 6.蓋板電磁閥 7.秧盤升降機構(gòu) 8.滑軌 9.接觸板 10.機架 11.空氣壓縮機 12.接近開關(guān) 13.氣源處理件 14.秧盤升降氣缸 15.疊盤電磁閥 16.電機M1 17.電控箱 18.電機M2圖7 自動疊盤裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 A automatic tray stacker

重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院高立洪等人設(shè)計了一種機械式秧盤疊盤機[21]，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1.機架 2.主動皮帶輪軸 3.從動皮帶輪軸 4.鏈輪 5.皮帶輪 6.輸送皮帶 7.凸輪軸 8.凸輪 9.電磁離合器軸 10.電磁離合器 11.從動鏈輪 12.凸輪主軸 13.從動傳動鏈輪 14.秧盤導(dǎo)向立架 15.秧盤支撐桿 16.轉(zhuǎn)動盤 17.秧盤支撐軸 18.回位彈簧圖8 秧盤疊盤機Fig.8 The tray stacker

工作時，利用傳感器、凸輪軸的旋轉(zhuǎn)、秧盤支撐桿及擋板的相互配合機械作用進(jìn)行疊盤。

浙江理工大學(xué)研制的撥輪式秧盤疊盤機如圖9所示。其利用前后撥輪上邊軸的同步轉(zhuǎn)動實現(xiàn)疊盤作業(yè)[22]。工作時，對秧盤的沖擊較小，避免了疊盤過程中對已經(jīng)播好種子位置的移動，保證了秧盤內(nèi)種子的分布均勻性。此發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，但未見應(yīng)用。

圖9 撥輪式秧盤疊盤機Fig.9 The tray stacker

綜上所述，上述機型都能實現(xiàn)秧盤自動疊放的功能，且不同原理的疊盤裝置適用的秧盤品種和生產(chǎn)率也不同[23-25]。國外和我國臺灣的產(chǎn)品，大型精密，生產(chǎn)率高，技術(shù)比較成熟，但價格較貴，適應(yīng)的秧盤單一，只在少數(shù)規(guī)模較大的育秧公司引進(jìn)，沒有得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)，其他部門研制起步較晚，雖然提出了一些不同的疊盤方法，但機器的可靠性和對秧盤的適應(yīng)性及智能化程度有待提高，尤其是國內(nèi)的秧盤種類繁多，現(xiàn)有疊盤裝置大多只適用于單一型式的秧盤，需要繼續(xù)改進(jìn)與開發(fā)。

3 發(fā)展趨勢

3.1 適于水稻輕簡栽培技術(shù)的軟、硬秧盤自動疊盤技術(shù)與裝置

水稻輕簡栽培技術(shù)[26-28]是指比傳統(tǒng)的水稻栽培有顯著的省工、省力、節(jié)本、增效的水稻栽培技術(shù)。當(dāng)前國內(nèi)工廠化水稻秧盤育秧從輕簡化栽培種植技術(shù)出發(fā)，主要趨向使用軟秧盤降低育秧成本，達(dá)到節(jié)本增效的目的，但市場上現(xiàn)有的自動疊盤裝置中，主要應(yīng)用于硬秧盤疊盤，疊盤應(yīng)用范圍過于單一。因此，設(shè)計出能適應(yīng)軟、硬秧盤通用的自動疊盤裝置是今后疊盤技術(shù)的重點發(fā)展方向之一。目前的疊盤機主要采用氣動和機械結(jié)合的原理進(jìn)行疊盤作業(yè)，而氣動原理疊盤過程中振動和沖擊較大，對于軟秧盤自動疊盤容易造成托盤與軟盤脫落，影響整個疊盤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以需要開發(fā)振動和沖擊小的平穩(wěn)自動疊盤裝置，以實現(xiàn)軟、硬秧盤的自動疊盤。

3.2 可靠性高、適應(yīng)性強的自動疊盤原理與技術(shù)

現(xiàn)行的大多數(shù)硬秧盤疊盤裝置的工作原理主要是利用秧盤兩側(cè)的凸起翻邊，夾持驅(qū)動實現(xiàn)對秧盤的堆疊和放盤，這樣對用過的變形舊秧盤適應(yīng)性差，可靠性低，需要研制新工作原理的疊盤裝置，來保證疊盤操作的可靠性和適應(yīng)性。例如，改變凸起翻邊驅(qū)動為托秧盤底部驅(qū)動，或強化現(xiàn)有秧盤凸起翻邊強度及改變結(jié)構(gòu)型式。另外，我國使用的秧盤種類繁多，新的疊盤原理應(yīng)能適用多種類型和新舊秧盤使用，具有較強的通用性。

3.3 工廠化育秧中心的智能化秧盤輸送技術(shù)與裝備

隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)村勞動力的減少，最近幾年農(nóng)村涌現(xiàn)出大量的龍頭企業(yè)、農(nóng)村專業(yè)合作社和種糧大戶，在部分地區(qū)水稻育秧已開始逐步向工廠化育秧中心發(fā)展。因此，水稻育秧生產(chǎn)也會向蔬菜、花卉一樣，向苗床智能自動化搬運和檢測系統(tǒng)等方向發(fā)展。設(shè)備中將采用智能程度高的檢測和診斷系統(tǒng)(如對已變形秧盤自動識別檢測與剔除系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的故障自診斷技術(shù))，將大大提高了生產(chǎn)效率，減輕人工作業(yè)的勞動強度，實現(xiàn)了自動化、智能化生產(chǎn)，保證秧盤高效可靠輸送作業(yè)[29-35]。

4 結(jié)束語

我國水稻種植面積大、區(qū)域廣，各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也不平衡，秧盤育秧的條件差異較大，在實際生產(chǎn)中應(yīng)因地制宜選擇水稻育秧播種技術(shù)與裝備，并對現(xiàn)有設(shè)備加強改進(jìn)與優(yōu)化，完善育秧體系，使所育秧苗與移栽機械相配套[36-38]。隨著水稻品種的變化及我國農(nóng)村體制的改革與發(fā)展，水稻育秧機械化將朝著集中化、輕簡化、自動化和智能化的方向發(fā)展。

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Research and Prospect of Automatic Tray Stacking Device of Rice Precision Seeding for Nursing Seedlings Pipeline

Chen Lintao, Ma Xu, Qi Long, Lu Fangyuan, Sun Guodong, Chen Guisheng, Tan Yongxin

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

At present,taking trays out from the rice nursery seedling planter is carried out by manual working, which is labor-intensive and inefficient, and some of the tray stackers existing now can somehow realize the function of automatic stacking, but most of them are inefficient and have a poor intelligence. Based on reviewing the research domestic and overseas of automatic tray stacking device and technology, this paper analyzed the shortages of existing automatic tray stacking devices, and summarized the types and characteristics of the automatic tray stacking techniques. This paper pointed out that the automatic tray stacking equipments develops in a direction of intellectualization and with hard and soft tray, with high-speed to increase the efficiency.The automatic tray stacking device can play a more important role in rice nursing seedlings pipeline.

rice nursing; seedlings pipeline; automatic tray stacking; hard and soft tray; intellectualization

2016-04-26

廣東省科技計劃項目(2014B020207002)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203059)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項研究(CARS 01 33)

陳林濤(1993-),男，云南玉溪人，碩士研究生，(E-mail)1574287180@qq.com。

馬 旭(1959-)，男，沈陽人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)maxu1959@scau.edu.cn。

S233.2

A

1003-188X(2017)06-0260-05