肖名濤，肖仕雄，孫松林，陳 斌，陳 盛

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，長沙 410128;2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備工程技術(shù)研究中心，長沙 410128)

0 引言

隨著人口數(shù)量的增長，工業(yè)化和城鎮(zhèn)用地增加，土地沙漠化面積擴(kuò)大，人均可耕地面積正逐年減少，糧食產(chǎn)量可持續(xù)增長成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要難題。在我國，由于土地資源稀缺，依靠增加耕種面積較大幅度提高糧食產(chǎn)量難以實現(xiàn)，而采用品種改良和新的農(nóng)藝方法提高糧食作物的單產(chǎn)，將是提高糧食總產(chǎn)的有效手段[1-2]。

移栽技術(shù)能夠充分利用光熱資源、提升復(fù)種指數(shù)，具有對氣候的補(bǔ)償作用，可將農(nóng)作物的生育期提前15天左右，并可有效地避免早春低溫、倒春寒、霜凍、冰雹等氣候的不良影響。該技術(shù)可避免蟲害、干旱等自然災(zāi)害，提高幼苗成活率，確保每株農(nóng)作物達(dá)到農(nóng)藝要求;可以延長農(nóng)作物的生育周期，增加積溫，提高農(nóng)作物的品質(zhì)，進(jìn)而有效地增加單產(chǎn)。移栽技術(shù)是大幅度提升糧食產(chǎn)量的有效手段之一，也是我國目前確保農(nóng)產(chǎn)品安全的重要手段[3-5]。

油菜是我國主要的油料作物，常年油菜播種面積700萬hm2，總產(chǎn)1 200萬t，單產(chǎn)1 800kg/hm2。面積、總產(chǎn)量居世界首位，單產(chǎn)高于世界平均水平。國內(nèi)油菜生產(chǎn)一般以傳統(tǒng)人工操作，每667m2需要12～14個工，用工費用占生產(chǎn)成本的60%以上；而加拿大等國油菜生產(chǎn)全程機(jī)械化，每667平方米用工量不到1個，澳大利亞勞動成本不到3%[6]。

長期以來，我國油菜移栽一直沿用傳統(tǒng)的手工勞作方式，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。由于油菜種植面積的增加和農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移，油菜移栽機(jī)械化已成為農(nóng)民越來越迫切的要求。與小麥、水稻生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展速度相比，油菜機(jī)械化的發(fā)展比較遲緩，移栽技術(shù)落后、效率低已成為油菜生產(chǎn)的制約因素，這種狀況與我國油菜生產(chǎn)大國地位很不相稱[7]。移栽機(jī)構(gòu)作為移栽機(jī)的核心部件，一款高速、穩(wěn)定、適應(yīng)性好的移栽機(jī)構(gòu)將會是提升移栽效率的關(guān)鍵途徑之一。

1 油菜移栽機(jī)構(gòu)的類型及工作原理

目前，油菜移栽機(jī)的分類尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)育苗移栽方式的不同，可以分為裸苗、營養(yǎng)塊和缽體苗移栽機(jī)；根據(jù)自動化程度，可分為手動、半自動移栽機(jī)與全自動移栽機(jī)；根據(jù)懸掛系統(tǒng)的不同，又能分為牽引式和自走式。國內(nèi)移栽機(jī)一般采用的分類方法是按照移栽機(jī)構(gòu)的不同進(jìn)行分類，能夠適應(yīng)油菜缽苗移栽的農(nóng)藝要求的有鉗夾式、吊籃式、撓性圓盤式、導(dǎo)管式及往復(fù)式移栽機(jī)[8-9]。

1.1 鉗夾式移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

鉗夾式移栽機(jī)構(gòu)由栽植盤、驅(qū)動鏈條和秧夾組成，如圖1所示。作業(yè)時，人工將秧苗放到秧夾上，鏈條帶動秧夾向地面運動，秧苗隨著秧夾一起轉(zhuǎn)向地面；當(dāng)鏈條轉(zhuǎn)動到最低點時，秧夾打開，使秧苗植入開溝器開出的溝槽中。這種類型的移植器結(jié)構(gòu)簡單，株距和栽植深度穩(wěn)定，造價低；但在高速作業(yè)時，人工喂苗容易導(dǎo)致漏苗、缺苗現(xiàn)象的發(fā)生，且秧苗容易被秧夾損傷，整個機(jī)構(gòu)株距調(diào)節(jié)困難[10]。

1.2 撓性圓盤式移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

撓性圓盤式移栽機(jī)構(gòu)的主要工作部件有撓性秧爪及驅(qū)動圓盤，如圖2所示。作業(yè)時，需要人工將秧苗放入喂苗器中，秧苗經(jīng)過喂苗器后落入兩個張開的撓性秧爪中間，秧爪被彈性滾輪壓合，將秧苗夾持；撓性秧爪帶著秧苗在圓盤的驅(qū)動下向地面運動，當(dāng)轉(zhuǎn)動到與地面垂直時，秧爪脫離彈性滾輪，秧苗被釋放，最終秧苗移栽至開溝器開好的溝槽中。該型移栽器結(jié)構(gòu)簡單，夾持秧苗不受鉗夾或鏈夾數(shù)量限制，生產(chǎn)成本低，對株距適應(yīng)性好，但移栽深度不穩(wěn)定，存在傷苗、漏苗、埋苗等現(xiàn)象，且秧爪耐久性差。

1.鏈條 2.秧夾

1.撓性秧爪 2.圓盤

1.3 吊籃式移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

吊籃式移栽器主要由吊籃式栽植器、偏心圓盤及栽植圓盤組成，如圖3所示。工作時，吊籃的兩端沿著偏心圓盤和移栽圓盤的軌跡運動，使得吊籃始終與地面垂直；當(dāng)?shù)趸@運行到最上端時，人工將秧苗放入吊籃內(nèi)，完成喂苗；在偏心圓盤和栽植圓盤的帶動下，栽植器運動至最低點，固定滑道使栽植器下端打開，秧苗落入溝中，完成移栽。這類型的移植器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整株距困難，喂苗速度慢，在粘性土壤中打孔困難，移栽效果不理想[11]；但是，該型移栽器在工作期間能保護(hù)秧苗不受任何沖擊，不容易傷苗，直立度好，適用于缽體苗及裸苗移栽。

1.吊籃 2.偏心圓盤 3.栽植圓盤

1.4 導(dǎo)管式移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

導(dǎo)管式移栽機(jī)構(gòu)的組成是由導(dǎo)苗管和控制機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。作業(yè)時，需要將秧盤輸送至制定位置，然后將其底盤抽出，秧苗落在托盤上，再由托盤將秧苗送至導(dǎo)管入口，秧苗就會順導(dǎo)管到已打好的孔中，完成移栽過程。導(dǎo)管式移栽器對秧苗沖擊小，能夠保證秧苗在移栽時的直立度和栽植深度，但需要配合打孔裝置進(jìn)行作業(yè)，由打孔裝置對行距和株距進(jìn)行控制，導(dǎo)致移栽成本增加，且在高速作業(yè)下容易出現(xiàn)漏栽和重栽現(xiàn)象。

1.機(jī)架 2.開溝器 3.肥料箱 4.地輪 5.鏈輪 6.導(dǎo)苗管 7.鏈輪 8.覆土板 9.凸輪間歇機(jī)構(gòu) 10. 承接盤 11. 鎮(zhèn)壓輪 12.缽體苗 13. 座位

1.5 往復(fù)式移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

往復(fù)式移栽機(jī)主要由鴨嘴栽植器、多桿式驅(qū)動機(jī)構(gòu)和喂苗盤等組成，如圖5所示。工作時，由喂苗盤將秧苗喂入鴨嘴式栽植器中，栽植器在多桿機(jī)構(gòu)帶動下按照一定的工作軌跡到達(dá)底部完成開穴；隨后鴨嘴栽植器張開，缽苗落入開好的孔中，最后由多桿機(jī)構(gòu)帶動栽植器脫離栽植孔并回轉(zhuǎn)至初始區(qū)域，同時鎮(zhèn)壓輪覆土完成移栽作業(yè)。往復(fù)式移栽機(jī)構(gòu)能夠保證較高栽植率且株距的調(diào)整方便，不易傷苗，漏插、重插現(xiàn)象相對較少，在粘重土壤環(huán)境中適應(yīng)性好；但機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，維護(hù)較困難，移栽速度相比前幾種較緩慢[12]。

2 國內(nèi)外移栽機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

一些發(fā)達(dá)國家對育苗移栽技術(shù)的研究較早，在20世紀(jì)20年代開始研發(fā)秧苗栽植機(jī)具，30年代出現(xiàn)了手工喂苗的移栽機(jī)械，50年代出現(xiàn)了多種不同形式的半自動移栽機(jī)，到80年代半自動移栽機(jī)已在生產(chǎn)中廣泛使用。90年代,有關(guān)部門加強(qiáng)從育苗到栽植整個系統(tǒng)的研究,使育苗和栽植有機(jī)地結(jié)合,研制出多種全自動移栽機(jī)[13]。根據(jù)缽苗移栽時的狀況，主要分為穴盤苗移栽機(jī)和壓縮基質(zhì)苗自動移栽機(jī)。這兩種機(jī)型都采用了取苗送苗與移栽機(jī)構(gòu)相結(jié)合的方式實現(xiàn)全自動移栽[14]，但全自動移栽機(jī)的取苗送苗裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整機(jī)價格過高，導(dǎo)致其推廣緩慢[15]。

發(fā)達(dá)國家的移栽技術(shù)可以分為兩類：一是以美國、澳大利亞等國為代表的大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，由于其耕地面積廣闊，移栽機(jī)的研發(fā)以多行自動化作業(yè)為主，適用于我國北方平原地區(qū)大田油菜移栽；二是以日本等國為代表的小農(nóng)業(yè)，由于其地塊小、人口密度大、降雨時間長，移栽機(jī)的研發(fā)多以輕便、靈活及適應(yīng)含水率高的黏土為主，機(jī)型更適合我國南方的“稻板田”中的油菜移栽作業(yè)[16]。

我國最早對移栽機(jī)的研究始于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時主要是試驗研究棉花育苗移栽機(jī)和甘薯穴盤苗栽植機(jī)；70年代，我國開始研究裸根苗移栽機(jī)；在80年代，成功研制了半自動蔬菜移栽機(jī)。在這期間，引進(jìn)了國外先進(jìn)的移栽機(jī)械，但由于育苗技術(shù)和移栽配套性技術(shù)的局限性，未得到國內(nèi)市場的認(rèn)可[17]。目前，我國在政策上的扶持及對移栽機(jī)構(gòu)的研究的深入，使得移栽機(jī)的市場逐漸打開，有一部分成熟的機(jī)型面市，但大多數(shù)的還是處于研發(fā)階段，與國外的產(chǎn)品還存在一定差距。

2.1 鉗夾式移栽機(jī)構(gòu)

鉗夾式移栽機(jī)構(gòu)作為一款機(jī)構(gòu)簡易、性能可靠的移栽機(jī)構(gòu)，代表機(jī)型有意大利法拉利公司(Ferrari)生產(chǎn)的FPS系列移栽機(jī)，如圖6所示。該改機(jī)型采用成排喂苗，最大移栽行數(shù)為7行，最高移栽速度2 500株/(h·行)，行距28～49cm，最小株距27cm，株距連續(xù)可調(diào)，如圖7所示。

國內(nèi)的南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司在2008年研制了2ZQ-4型半自動油菜移栽機(jī)，主要用于油菜的裸苗和缽體苗移栽。這款機(jī)型由4人操作，可對4行進(jìn)行移栽[18-19]。

圖6 意大利法拉利公司生產(chǎn)的F系列移栽機(jī)

圖7 2ZQ-4型半自動油菜移栽機(jī)

2.2 撓性圓盤式移栽機(jī)構(gòu)

撓性圓盤式移栽機(jī)構(gòu)的圓盤一般由橡膠材料或薄鋼板制成，機(jī)構(gòu)簡單，成本低，但圓盤的壽命較短，多適用于小缽體、長莖稈的作物，通用性較差，栽植深度不穩(wěn)定[20]。

其主要代表性的機(jī)型有日本久保田生產(chǎn)的KN型半自動移栽機(jī)、法國生產(chǎn)的皮卡爾全自動移栽機(jī)、德國PRIMA公司生產(chǎn)的加盤式壓縮土缽苗移栽機(jī)。國內(nèi)機(jī)型主要是由黑龍江省研制的2ZT-2型移栽機(jī)，機(jī)組作業(yè)人數(shù)3人，作業(yè)行數(shù)2行，生產(chǎn)率0.2hm2/h[21]。

2.3 吊杯式移栽機(jī)構(gòu)

吊杯式移栽機(jī)構(gòu)主要用于膜上移栽，移栽與打孔同時進(jìn)行，避免了重栽與漏栽現(xiàn)象。代表機(jī)型有日本井關(guān)PVHR2乘坐式蔬菜移栽機(jī)(見圖8)，栽植行數(shù)為2行，最高移栽速度為3 600株/(h·行)，行距可調(diào)節(jié)范圍為30～40cm和40～50cm；株距調(diào)節(jié)為30、32、35、40、43、48、50、54、60cm。意大利法拉利FPA型的最高移栽速度2000株(h·行)，最大行數(shù)為7行，行距30～100cm，最小株距20cm，株距連續(xù)可調(diào)。國內(nèi)的代表機(jī)型有南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司研制的2ZBX系列懸掛式吊杯移栽機(jī)(見圖9)，該系列機(jī)型最大移栽行數(shù)為6行，對應(yīng)的操作人數(shù)7人，最小行數(shù)為1行，對應(yīng)的操作人數(shù)為2人。移栽速度2 100株/(h·行)，株距適應(yīng)范圍為20～198cm。

安徽博萊澤農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司研制的2ZB-2型移栽機(jī)采用轉(zhuǎn)盤式喂苗方式，最大移栽行數(shù)為2行，機(jī)組操作人數(shù)為2人，采用拖拉機(jī)牽引作業(yè)，移栽速度為3 750株/(h·行)，移栽行距范圍26～80cm，株距范圍20～32cm，漏載率小于3%[22]。

圖8 井關(guān)PVHR2乘坐式蔬菜移栽機(jī)

2.4 導(dǎo)苗管式移栽機(jī)構(gòu)

導(dǎo)苗管式移栽機(jī)構(gòu)最大的優(yōu)點是不傷苗，能夠達(dá)到較好的直立度和更深穩(wěn)定度，代表機(jī)型有意大利法拉利公司生產(chǎn)的采用水平回轉(zhuǎn)格盤喂入的MULTIPLA系類移栽機(jī)，如圖10所示。該型號移栽機(jī)采用輪轉(zhuǎn)式人工投苗，最大作業(yè)行數(shù)為6行，最高移栽速度5 000株/(h·行),行距范圍30～100cm，最小株距8cm,株距連續(xù)可調(diào)；

國內(nèi)的相關(guān)機(jī)型有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2ZDF型半自動導(dǎo)苗管式移栽機(jī)(見圖11)，采用了旋轉(zhuǎn)杯式喂入器，作業(yè)的范圍在2～6行,操作人員為1人/行，喂苗頻率60株/min，作業(yè)速度0.7～1km/h，最小行距為55cm，株距調(diào)整范圍在14～34cm。[23]。

圖9 2ZB-2型移栽機(jī)

圖10 法拉利公司生產(chǎn)的MULTIPLA系列移栽機(jī)

圖11 2ZDF型半自動導(dǎo)苗管式移栽機(jī)

2.5 往復(fù)式移栽機(jī)構(gòu)

往復(fù)式移栽機(jī)構(gòu)能夠保證缽苗的直立度及株距的可調(diào)性，機(jī)構(gòu)的入土力度較大，適應(yīng)于粘性土壤環(huán)境下的移栽。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)肖名濤、孫松林、羅江河等設(shè)計了一種雙平行多桿栽植機(jī)構(gòu)，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)朱斌彬、呂釗欽設(shè)計了一種甘薯移栽機(jī)。前者在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)上增加了1套雙平行搖桿機(jī)構(gòu)和1套曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，使得其運動軌跡與農(nóng)藝要求的軌跡相符合，簡化了移栽機(jī)構(gòu)，提升了移栽效率；后者采用了齒輪齒條加四桿機(jī)構(gòu)的傳動方式來達(dá)到農(nóng)藝要求的移栽軌跡。工作時，將秧苗放入夾苗鈑金上，由傳動鏈輪、槽輪機(jī)構(gòu)、同步帶輪及同步帶組成的間歇式送苗裝置輸送至栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行移栽[24-26]。

由于歐美地區(qū)的油菜移栽多采用大規(guī)模多行移栽作業(yè)，且其移栽的環(huán)境多為沙土，往復(fù)式移栽機(jī)構(gòu)在沙土環(huán)境下的作業(yè)效率相對于其他機(jī)構(gòu)不太理想，但往復(fù)式移栽機(jī)構(gòu)在粘重土壤條件下的適應(yīng)性比較強(qiáng)，主要適應(yīng)于我國南方油菜的移栽環(huán)境。因此，國外的油菜移栽機(jī)幾乎沒有采用往復(fù)式移栽機(jī)構(gòu)，通常只有水稻插秧機(jī)采用了該類型的移栽機(jī)構(gòu)。

3 移栽機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢分析

3.1 現(xiàn)階段移栽機(jī)構(gòu)存在的主要問題

1)農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)的設(shè)計聯(lián)系不緊密。要想達(dá)到更好的移栽效果，需要移栽機(jī)構(gòu)符合其農(nóng)藝要求。株距與行距的確定、入土深度與直立度等都是移栽機(jī)構(gòu)研發(fā)的關(guān)鍵因素，這些因素都與油菜移栽的農(nóng)藝密切相關(guān)。另一方面，需要培養(yǎng)適合移栽的幼苗，提升油菜幼苗的存活能力，減少外界因素對幼苗生長的影響，使幼苗能夠適應(yīng)未來高速化移栽的需求。

2)移栽機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性較差。目前市面上的油菜移栽機(jī)大多數(shù)只能適應(yīng)松軟土壤環(huán)境下作業(yè)，在我國南方粘重土壤環(huán)境中的移栽效果不理想，導(dǎo)致了南方油菜移栽機(jī)械化程度低。所以，提升油菜缽體苗移栽機(jī)構(gòu)在粘重土壤環(huán)境中的適應(yīng)能力是現(xiàn)如今迫切需要解決的問題之一。為了在滿足農(nóng)藝要求的條件下增強(qiáng)移栽機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性，可以采用新型的移栽方式或者在已有的移栽機(jī)構(gòu)上進(jìn)行針對性改進(jìn)，使其能夠適應(yīng)多工況作業(yè)，增加機(jī)具的適應(yīng)性。

3)機(jī)構(gòu)工作狀況不穩(wěn)定，工作效果不理想。如今我國大部分的移栽機(jī)都是采購國外的機(jī)型，而國內(nèi)外的工作環(huán)境具有一定的差異，導(dǎo)致部分國外機(jī)型在國內(nèi)的工作效果并不理想。為了達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，必須對作業(yè)土壤的信息及移栽對象的信息進(jìn)行采集分析，然后根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)在其結(jié)構(gòu)上進(jìn)行針對性優(yōu)化設(shè)計，提升工作穩(wěn)定性，減少不利現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.2 移栽機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢

1)移栽機(jī)作業(yè)的高速化。工作效率作為評價移栽機(jī)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，優(yōu)化移栽機(jī)構(gòu)，使移栽機(jī)能夠滿足高速化作業(yè)，是今后移栽機(jī)發(fā)展的重要一環(huán)。鑒于歐美國家機(jī)械化移栽起步較早，總結(jié)了大量設(shè)計經(jīng)驗，吸收國際上的先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合我國現(xiàn)狀加以改進(jìn)，是優(yōu)化方法的關(guān)鍵手段之一。

2)提升機(jī)械化移栽質(zhì)量的穩(wěn)定性。提升工作效率的另一種方法是保證移栽質(zhì)量的穩(wěn)定，避免二次作業(yè)，降低成本。根據(jù)油菜缽體苗的特性與其移栽環(huán)境的特點對移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少漏栽、倒伏等不利于移栽的現(xiàn)象產(chǎn)生，改進(jìn)移栽方法，避免對油菜缽體苗的損傷而導(dǎo)致油菜后期的產(chǎn)量下降。

3)移栽機(jī)構(gòu)適應(yīng)性的多樣化。為了減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，降低移栽作業(yè)的成本是移栽機(jī)發(fā)展必須考慮的問題。提升移栽器的通用性，移栽機(jī)構(gòu)需要適應(yīng)不同移栽環(huán)境更是我國油菜移栽機(jī)械化面臨的難題之一。為了增加移栽機(jī)的適應(yīng)性，需要增加移栽器的可調(diào)整型，能夠讓移栽機(jī)最大限度地滿足不同工作情況的需求，保證油菜移栽機(jī)既能在北方沙土大田快作業(yè)又能在南方含水率較高的黏性土壤中作業(yè)。

4)移栽的智能化。隨著我國農(nóng)業(yè)人口的減少，全自動智能化移栽將成為未來的趨勢。為了更快地實現(xiàn)智能化，需要移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)盡可能地簡單化，且方便在機(jī)構(gòu)上安裝傳感器，實現(xiàn)對機(jī)構(gòu)精確控制，以及移栽作業(yè)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與反饋。移栽的智能化是在前三點的基礎(chǔ)上提出的，只有油菜的機(jī)械化移栽具備了高速、穩(wěn)定、多適應(yīng)性等條件之后，智能化移栽的作用才能被最大程度地發(fā)揮出來。