李加興，傅賢康，陸啟名，但玉林，韓橋超，羅薇，周小松，吳荻

（貴州師范大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025）

水稻作為糧食作物，在糧食安全中占有及其重要的地位。截至2019年水稻常年種植面積約為3 000×104hm2，全國(guó)水稻機(jī)械化程度已高達(dá)78%，但西南地區(qū)因地理位置和環(huán)境所影響，水稻機(jī)械化程度普遍偏低。以貴州省為例，在貴州省地理環(huán)境中，山地和丘陵占到全省總面積的92.5%。且大部分地區(qū)山勢(shì)起伏較大，平原地區(qū)的大型農(nóng)機(jī)難以施展，極大的限制了地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展。加上農(nóng)村城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，進(jìn)城務(wù)工的人數(shù)增多，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺問題已經(jīng)凸顯，且山區(qū)可耕種農(nóng)田較為分散，平原地區(qū)的大型插秧機(jī)和其他農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)用受到極大的限制。因此，想要促進(jìn)山區(qū)水稻種植行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，就要研發(fā)適用于山區(qū)水稻種植的機(jī)械設(shè)備，提高山區(qū)水稻種植的機(jī)械化水平。本項(xiàng)目研究的小型山地插秧機(jī)能提高山區(qū)水稻的種植效率，減少水稻種植所需的勞動(dòng)力，從而提高山區(qū)水稻栽種產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化程度，促進(jìn)沿線產(chǎn)業(yè)的快速升級(jí)，并提高產(chǎn)量，讓農(nóng)民在不耽誤春耕的條件下種植茶葉、辣椒等經(jīng)濟(jì)作物，從而達(dá)到鞏固脫貧成果的目的。本項(xiàng)目研究的小型山地插秧機(jī)設(shè)計(jì)采取模塊化和自動(dòng)化的設(shè)計(jì)理念，將各個(gè)部件設(shè)計(jì)小巧便于山區(qū)拆卸、組裝和搬運(yùn)。操作者只需控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)方向即可完成插秧的全部動(dòng)作。

1 技術(shù)背景

西南山區(qū)耕地以梯田居多，耕地較為分散，嚴(yán)重限制了大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用。2016年，黔西南州播種機(jī)僅興義市示范推廣一臺(tái)。插秧機(jī)數(shù)量為零。加上農(nóng)村勞動(dòng)力短缺，播種時(shí)間和茶葉等經(jīng)濟(jì)作物收獲時(shí)間相沖突，以至無法將農(nóng)民的收益最大化，因此推動(dòng)山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化對(duì)于穩(wěn)定農(nóng)村勞動(dòng)人口、提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入有著極大的作用。

2020年貴州省政府印發(fā)關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)施意見，明確到2025年主要農(nóng)作物耕種收機(jī)械化率將達(dá)到55%，這一政策為小型山地插秧機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供了良好政治基礎(chǔ)。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外

目前，水稻插秧機(jī)研究水平較高的國(guó)家主要有日本、韓國(guó)、美國(guó)、意大利和澳大利亞，其中日本和韓國(guó)在水稻種植方式上與我國(guó)相近，文章將針對(duì)兩國(guó)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

日本：日本的水稻生產(chǎn)機(jī)械的研究和應(yīng)用領(lǐng)先于其他國(guó)家，從1970年解決種植工藝與機(jī)械結(jié)合的難題開始，日本的機(jī)械插秧技術(shù)開始了快速的發(fā)展。此后經(jīng)過10多年的發(fā)展，日本機(jī)械化水稻種植面積已約占全國(guó)種植面積的90%；到20世紀(jì)90年代，除了個(gè)別區(qū)域因地形和地貌等原因不適合機(jī)械化生產(chǎn)的情況外，水稻種植已基本機(jī)械化。日本插秧機(jī)結(jié)構(gòu)主要可以分為兩種形式：步行式和乘用式。其中步行式為兩輪驅(qū)動(dòng),插秧機(jī)構(gòu)有2、4、6行。乘坐式三、四輪驅(qū)動(dòng)，有4、6、8、10行。兩種形式的插秧株距和行距均可調(diào)。作業(yè)效率高達(dá)300～500次/min，最高作業(yè)速度為1.4 m/s。機(jī)械化的高效種植效率在減少農(nóng)忙時(shí)間的同時(shí)，有效增強(qiáng)農(nóng)時(shí)提高水稻產(chǎn)量，而且機(jī)插育秧秧田的利用率比常規(guī)育秧提高8到10倍，可最大幅度節(jié)省耕地，增強(qiáng)水稻生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)能力。

韓國(guó)：韓國(guó)插秧機(jī)以引進(jìn)日本技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)的本土化為基礎(chǔ)，其造型和結(jié)構(gòu)與日本的插秧機(jī)相似，但是由于極力降低成本和價(jià)格又受到日本關(guān)鍵技術(shù)的限制，其質(zhì)量和性能低于日本同類產(chǎn)品。為了改變這種情況，韓國(guó)企業(yè)積極開發(fā)自己的產(chǎn)品，致力于技術(shù)來源的多樣化。

2.2 國(guó)內(nèi)

近幾年，國(guó)產(chǎn)高速插秧機(jī)銷量呈指數(shù)級(jí)速度增長(zhǎng)。2018年銷量超過了5 000臺(tái)，市場(chǎng)占有率超過30%，沃得驍龍和星月神兩個(gè)品牌的銷量都超過了1 500臺(tái)，而在2014年之前，國(guó)產(chǎn)高速插秧機(jī)的銷量還幾乎為零。

其中星月神的2ZG-6S/2ZG-6Q型采用獨(dú)創(chuàng)的不傷苗旋轉(zhuǎn)滑道式稀植栽培技術(shù)，使秧苗栽植過程的“頂、接、落、送、栽”5個(gè)關(guān)鍵工作步驟循序漸進(jìn)、緊密有序，實(shí)現(xiàn)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的精確配合。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，突破了常規(guī)插秧機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，特別是從動(dòng)力輸出至各傳動(dòng)部件、縱向傳送爪部件、秧苗頂出部件、接苗器部件、秧苗輸送部件、栽植部件等，各運(yùn)動(dòng)部件之間高度精確協(xié)調(diào)一致，保證了技術(shù)先進(jìn)性。

3 設(shè)計(jì)思路

目前，貴州山區(qū)水稻種植機(jī)械化使用程度最高的機(jī)械主要為犁田機(jī)，本項(xiàng)目研究的小型山地插秧機(jī)使用結(jié)構(gòu)參考犁田機(jī)的設(shè)計(jì)，將其操作和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，讓插秧機(jī)能更好的上手，設(shè)計(jì)和制作小型山地插秧機(jī)時(shí)，使其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、便于維修和運(yùn)輸?shù)墓δ?。插秧機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有控制部分，動(dòng)力部分及傳動(dòng)執(zhí)行部分。

控制部分：考慮到電氣部分故障頻率較高，為了后期維修方便，整體布局設(shè)計(jì)基于現(xiàn)在西南地區(qū)水稻種植過程中使用最多的機(jī)械即小型犁田機(jī)，對(duì)小型山地插秧機(jī)的控制部分設(shè)計(jì)參考小型犁田機(jī)的控制系統(tǒng)，方便使用者快速上手，加快使用者的熟練程度，減少因操作失誤引起的故障。

動(dòng)力部分：優(yōu)先考慮成本較低的電力無刷電機(jī)作為動(dòng)力，在后期測(cè)試上存在動(dòng)力不足時(shí)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)做為動(dòng)力，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，將其設(shè)計(jì)為單獨(dú)模塊，使其可以從整體結(jié)構(gòu)上拆下，方便使用者搬運(yùn)與后期維修。

傳動(dòng)執(zhí)行部分：主要功能為放入秧苗與在田里的行走，同樣設(shè)計(jì)為單獨(dú)模塊，可以從小型山地插秧機(jī)上單獨(dú)拆卸，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的重量較大，因此將執(zhí)行部分的車輪與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)在一起，方便發(fā)動(dòng)機(jī)的搬運(yùn)。

4 結(jié)構(gòu)原理

4.1 裝置結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The overall mechanism diagram

圖2 夾緊機(jī)構(gòu)Fig.2 The clamping mechanism

圖3 夾秧機(jī)構(gòu)Fig.3 The seedling clamping mechanism

運(yùn)動(dòng)原理：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1為整個(gè)裝置動(dòng)力來源，通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)前行進(jìn)輪3運(yùn)動(dòng)，整個(gè)裝置通過手持機(jī)構(gòu)8控制前進(jìn)方向，見圖1。整個(gè)裝置的特點(diǎn)在于固定塊7夾秧機(jī)構(gòu)卡位9手持機(jī)構(gòu)8處均設(shè)置有機(jī)構(gòu)相同的機(jī)構(gòu)，通過拉起夾緊裝置10進(jìn)行固定，便于拆卸?？筛鶕?jù)需求在夾秧機(jī)構(gòu)卡位9處將夾秧機(jī)構(gòu)拆卸，安裝其他如犁田，收割等裝置，根據(jù)裝置不同后行進(jìn)輪11可不進(jìn)行安裝。在育秧盤5處設(shè)置有育秧盤導(dǎo)水板6，防止因重力原因?qū)⒀砻缟蠚埩舻乃侄逊e到底部導(dǎo)致底部秧苗壞死。傳動(dòng)方式除夾秧機(jī)構(gòu)外其余機(jī)構(gòu)均采用帶傳動(dòng)，減少水草對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的干擾。前后行進(jìn)輪11在設(shè)計(jì)上在保證機(jī)器平穩(wěn)行駛的條件下盡量不破壞泥土平整性和松軟性，保證秧苗能牢固固定在泥土里。

4.2 運(yùn)行方式

如圖4所示，使用時(shí)，只需兩人將機(jī)器模塊運(yùn)送至田邊組裝，完成后將秧苗放入機(jī)器入口，即可完成操作。

小型山地插秧機(jī)的目的在于提供一種水稻秧苗栽種設(shè)備，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高栽種效率。它的具體操作方式如下。

啟動(dòng)機(jī)器，將水稻秧苗放入儲(chǔ)秧盤中，電機(jī)通過動(dòng)力傳輸裝置完成動(dòng)力分配，帶動(dòng)夾秧裝置運(yùn)動(dòng)。夾秧裝置通過經(jīng)過儲(chǔ)秧盤時(shí)向前的推力將秧苗夾緊在裝置內(nèi)，進(jìn)入泥土?xí)r與地面保持90°，保證秧苗能穩(wěn)固的栽種在泥土中。夾秧裝置與行進(jìn)輪為從動(dòng)關(guān)系，保證機(jī)器在前進(jìn)的同時(shí)能將插入的秧苗等距排列。小型山地插秧機(jī)操作簡(jiǎn)單，模塊化更便于山區(qū)搬運(yùn)，極大地提高了播種效率。

4.3 本裝置要解決的問題

模塊化組裝時(shí)暴露部件的安全問題；盡量減輕裝置的重量；減小夾秧裝置對(duì)秧苗的損傷；模塊化拼裝的難度；插秧機(jī)構(gòu)與田里殘留水草等物質(zhì)干涉，引起發(fā)動(dòng)機(jī)過載皮帶打滑。

5 結(jié)語(yǔ)

本裝置已申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專利，研究基于貴州地形地勢(shì)，將插秧機(jī)小型化，且操作方便，栽種效率高。模塊化的設(shè)計(jì)為零件更換預(yù)留了空間，減少了維修成本。同時(shí)有望通過更換對(duì)應(yīng)模塊與水稻收割機(jī)結(jié)合，為后期模塊研發(fā)預(yù)留了空間，降低機(jī)器的采購(gòu)成本，具有極大的市場(chǎng)價(jià)值，可為小型山地插秧機(jī)的研究提供參考。