水稻機插硬盤育秧自動疊盤裝置研究現狀及展望

楊　靖謝方平符志勇劉大為*王修善李　旭

水稻機插硬盤育秧自動疊盤裝置研究現狀及展望

楊靖1，謝方平1，2，符志勇1，劉大為1，2*，王修善1，2，李旭1，2

(1.湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.智能農機裝備湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128)

育秧是制約水稻機械化種植發展的關鍵因素，當前我國有關水稻工廠化育秧設備技術的研究相對較薄弱，現有水稻育秧播種流水線中覆土作業后的秧盤主要是由人工進行逐個疊放，工作效率低，勞動強度大，且直接影響著工廠化育秧的生產效率。通過概括國內外水稻育秧播種流水線自動疊盤裝置的研究現狀，深入分析了現有自動疊盤裝置的結構特點及其工作原理，針對其存在的不足和缺陷，對未來水稻育秧播種流水線自動疊盤裝置的發展趨勢進行了展望，以期為疊盤設備的研究提供一定參考。

水稻育秧；播種流水線；自動疊盤；智能化

我國人多地少，糧食安全一直是國家的頭等大事。水稻是我國主要的糧食作物，年種植面積約3000萬hm2，約占全國糧食種植總面積的30%，占世界水稻種植面積的20%。我國年產稻谷約2億余噸，接近糧食總產量的一半，是我國單產最高的糧食作物，因此水稻在我國糧食生產中占有十分重要的地位[1-3]。目前，我國水稻種植環節機械化水平較低，育秧是制約水稻機械化種植發展的關鍵因素[4]。我國水稻機械化育秧技術主要為秧盤育秧，有水稻工廠化育秧和田間育秧兩種形式[5]，育秧質量的好壞將直接影響機插秧質量和增產效果，水稻工廠化育秧相較于傳統育秧可以滿足機插秧的要求，且具有秧苗品質好、育秧周期短、人工勞動強度低等優勢[6, 7]。

在工廠化育秧中，目前基本采用育秧播種流水線進行水稻播種作業，可一次性完成秧盤的自動擺放、鋪底土、壓實、播種、淋水、覆表土和疊盤等工序[8]。在疊盤階段，疊盤裝置在機械或氣動等原理的作用下，可將完成覆土作業后的單個秧盤整齊疊放在一起，以便于人工搬運或機械手碼垛。目前，在疊盤階段大多是通過人工完成逐個取盤，工作效率低，勞動強度大(人工取盤最高效率500盤/h)，因此研究出適合于秧盤疊放的設備對提高水稻工廠化育秧效率、降低生產成本投入和提高水稻機械化種植率極其重要[9]。

1　國外研究現狀

目前水稻種植主要分為直播和育秧移栽兩種方式[10]。歐美和澳大利亞等國家的水稻種植模式以直播為主，用于水稻育秧播種作業的機具設備較少，主要用于蔬菜、花卉等作物育苗播種作業，被廣泛應用的流水線機型有B1ackmore System、Marksman、Speed1ing System、Hamilton等，自動化程度高，作業效果好[11, 12]。

日本和韓國育秧播種設備的技術水平在亞洲較為領先。日本于20世紀70年代在蔬菜、花卉等育苗設備的基礎上，研發出了適用于水稻工廠化育秧的播種設備，在80年代育秧和插秧機械就已基本實現系列化和標準化。目前，日本的久保田、井關、洋馬和三菱等株式會社都研發出了相應的育秧播種設備[13-15]，均具有產品成熟，智能化程度高，引進價格昂貴，設備成套存在等特點。久保田公司研制的S-ST系列自動疊盤裝置和矢崎公司生產的自動疊盤機，具有自動化程度高、工作效率快等優勢。韓國的水稻機械化技術起步較晚，但在引進國外先進技術和創新的基礎上，已有跟日本齊驅并駕的趨勢[16]。日本和韓國典型自動疊盤裝置的型號和特點，如表1所示。

表1　國外典型自動疊盤裝置

由此可見，雖然歐美等發達國家對流水線設備的研究主要集中在蔬菜、花卉等園藝植物，但其相關設備的制造也為水稻育秧播種設備的研制提供了一定技術參考。日本和韓國的水稻育秧播種設備自動化程度高，作業性能好，其自動疊盤裝置技術水平較為先進，成套設備適合于大規模水稻種植作業，但引入成本較高，并不適應于我國低成本、輕簡化的育秧作業。

2　國內研究現狀

我國的水稻種植模式主要以育秧移栽為主[17]，與國外成熟機型相比存在成本較高、推廣困難等問題。我國有關育秧設備的研制起步于20世紀80年代，在吸收國外先進機型的基礎上，也逐步研發出了自己的育秧播種設備[18]。近年來，國內多所高校、科研單位和農機企業對水稻育秧播種設備進行了多項究，在取得豐富經驗的同時也研制出了多種適用于水稻工廠化育秧的新型設備。

目前，根據工作原理自動疊盤裝置可分為機械式和氣動機械組合式，這兩類疊盤裝置的工作原理相似，差別在于如何實現疊盤動作。機械式疊盤裝置是指采用電動機作為動力來源，由電動機驅使曲柄滑桿、拉桿等機械部件將電機輸出的旋轉運動轉變為上下直線運動來實現秧盤的堆疊，采用機械式工作原理的疊盤裝置具有低成本、調節方便和穩定性強等優點，適合于高速作業。氣動機械組合式疊盤裝置是利用氣缸拉動頂盤機構來實現疊盤，用空氣機提供氣源，通過傳感器發送信號給電磁閥，由電磁閥來控制氣缸動作，其特點是動作迅速、控制方便，但容易受到外部氣源和電子設備的影響，速度快時會產生較大沖擊，且速度難以控制。

2.1　機械式疊盤裝置

國內很多水稻育秧播種設備生產企業都有自主研發的機械式工作原理的疊盤裝置產品。臺州市一鳴機械設備有限公司研發的自動疊盤機構，主要由機架、升降機構、秧盤持頂裝置和秧盤位置感應裝置等組成，如圖1所示。升降機構采用X式的升降架，秧盤持頂裝置由鉸接在機架上的活動頂刀組成。通過尾部感應裝置檢測秧盤信號并控制升降機構的動力裝置，驅動電機使升降機構完成上下運動，升降機構將秧盤推送至活動頂刀上方。該裝置結構簡單，設計合理，能滿足硬秧盤的疊盤作業，但不能設置疊盤數量，高速作業時需要及時搬運[19]。

1　機架；2　動力裝置；3　拉桿；4　升降架；5　盤架；6　活動頂刀；7　秧盤；8　防撞片。

杭州賽得林智能裝備有限公司針對其“播種機育苗盤疊盤機構”專利中存在疊盤氣缸數量多、成本高，動作可靠性較差等問題，設計了一種機械式的播種機自動疊盤機構，主要由機架、輸送裝置、頂出裝置和支撐裝置組成，如圖2所示。該機構工作時，由電機輸出動力，利用傳動盤和連桿帶動可繞導桿上下滑動的頂出裝置進行疊盤作業，結構簡單，疊盤動作穩定，但不適用于軟盤作業[20]。

1　機架；2　頂出裝置；3　動力電機；4　擋板；5　感應頭；6　限位板；7　頂出架；8　支撐塊；9　輸送裝置。

江蘇云馬農機制造有限公司生產的壘盤機主要通過可上下滑動的滑塊與一端只可向上翻轉的翻轉板實現疊盤作業，如圖3所示。該機構由行程開關檢測秧盤信號，電機驅動連接曲軸旋轉，使連接桿帶動滑塊向下運動，翻轉板觸碰到秧盤頂部時向上翻轉，待滑塊到達最底端時，翻轉板處于水平狀態，并托起秧盤底部。該機構結構新穎，可設置疊盤數量，但目前只能配套該公司秧盤使用，工作效率有待加強[21]。

1傳送帶； 2支撐擋板； 3滑塊； 4滑塊導軌；5固定擋板； 6連接桿； 7連接曲柄； 8電機。

圖3 江蘇云馬壘盤機

重慶市農業科學院高立洪等[22]人設計的秧盤疊盤機主要由機架、秧盤導向立架、光電傳感器、電磁離合器和凸輪等組成，其中秧盤導向立架包括可繞轉動軸旋轉的秧盤支撐桿，如圖4所示。進行疊盤作業時，由光電傳感器檢測秧盤信號，利用凸輪的旋轉頂起秧盤底部，將秧盤支撐于秧盤支撐桿上。該裝置采用機械零部件相互配合進行疊盤，平穩可靠，但凸輪會對秧盤底面造成較大沖擊，容易導致秧盤內均勻分布的種子發生錯位，適合于低速作業。

1　秧盤導向立架；2　從動傳動連鏈輪；3　輸送皮帶；4　凸輪軸；5　凸輪；6　皮帶輪；7　機架；8　從動鏈輪；9　從動皮帶輪軸；10　鏈輪；11　電磁離合器軸；12　電磁離合器；13　凸輪主軸；14　主動皮帶輪軸。

浙江理工大學李革等[23]研制的撥輪式秧盤疊盤機的前后撥輪可實現同步轉動，撥輪上有伸出的邊軸，如圖5所示。該裝置結構簡單，作業時通過撥輪的轉動，使邊軸抬起秧盤至擺動頂盤架上，由于疊盤間隙較短，對秧盤的沖擊小，可以保證秧盤內種子分布的均勻性，但未見投入應用。

1　撥輪；2　邊軸；3　主動輪；4　頂盤架；5　彈簧；6　限位板。

2.2　氣動機械組合式疊盤裝置

臺灣亦祥企業有限公司研發了多款水稻育苗播種機與穴盤自動堆疊機，圖6為三大牌氣動式疊盤機。該裝置通過皮帶輸送秧盤，利用氣缸提供動力進行疊盤作業，通過行程開關、升降氣缸、擱板和控制閥門等裝置進行秧盤的堆疊。疊盤作業反應迅速，工作效率高，但氣缸沖擊大，速度較快時疊盤整齊度不夠理想，且只適用于傳統毯狀硬秧盤的疊盤作業[24]。

圖6　臺灣亦祥三大牌氣動式疊盤機

華南農業大學馬旭等[25]針對現有疊盤裝置只適用于硬盤作業且存在沖擊過大，導致秧盤內土壤發生側漏使得種子外露的問題，研制了一種水稻秧盤自動疊放裝置，主要由空氣壓縮機、秧盤輸送機構、秧盤升降機構、土壤防漏機構、電控箱、機架、和電動機等組成，如圖7所示。工作時通過接近開關檢測秧盤信號，利用PLC控制秧盤升降機構升降實現硬、軟秧盤的快速自動疊放，由土壤防漏機構的氣動移動蓋板來防止秧盤內土壤在疊盤過程中發生側漏而導致表土不足，避免種子外露。秧盤升降機構和土壤防漏機構的動力來源皆來自于氣缸，土壤防漏機構作業時貼合在最上層秧盤頂部，可保證秧盤內種子均勻分布，疊盤過程反應迅速，但軟、硬盤嵌套工序未能實現自動化，人工裝盤容易造成疲勞。

1　導向板；2　橡膠輥輪；3　蓋板；4　土壤防漏機構；5　蓋板升降氣缸；6　蓋板電磁閥；7　秧盤升降機構；8　滑軌；9　接觸板；10　機架；11　空氣壓縮機；12　接近開關；13　氣源處理件；14　秧盤升降氣缸；15　疊盤電磁閥；16　電動機M1；17　電控箱；18　電動機M2。

中國水稻研究所徐一成等[26]研發了一種氣動式水稻育秧盤疊盤裝置，主要由機架、對稱分布的秧盤升降機構、皮帶傳送裝置、光電感應器和氣動控制裝置組成，如圖8所示。作業時通過光電感應器檢測秧盤信號，利用氣動元件控制升降單元和秧盤限位擋板的上下運動實現自動疊盤作業。該裝置將動力、運動部件和托盤部件組合一體，通過調節兩側安裝架的間距，可滿足對不同尺寸規格的育秧盤進行疊盤操作的要求，但未見投入應用。

1　機架；2　秧盤升降機構；3　皮帶傳送裝置；4　皮帶；5　皮帶輪；6　皮帶輪軸；7　秧盤限位擋板

浙江大學王永維等[27]設計的一種水稻育秧播種苗盤自動疊放裝置，主要由苗盤輸送總成、苗盤疊放總成、氣動總成和控制器組成，如圖9所示。該裝置通過電機驅動平移支架往復取盤和放盤，利用氣缸伸縮實現升降支架與夾持器的夾盤運動，整機規模較大，疊盤過程穩定可靠，但工作效率較慢，且設備制造成本高。

1　機架；2　齒條；3　升降氣缸；4　步進電動機；5　齒輪；6　直線軸承；7　推桿；8　伸縮架；9　平移支架；10　滑塊；11　主動鏈輪；12　減速電動機；13　導軌；14　從動鏈輪；15　主動軸；16　尼龍軸承；17　苗盤；18　光電傳感器；19　滾輪；20　從動軸；21　輸送架；22　升降支架；23　取放氣缸；24　取盤接近開關；25　夾持器；26　放盤接近開關；27　控制器；28　空氣壓縮機。

綜上所述，采用機械式和氣動機械組合式均能實現疊盤作業[28-30]，現有自動疊盤裝備的疊盤方式幾乎都是通過氣缸或電機驅使頂盤升降機構頂起秧盤進行上下運動，利用秧盤兩側凸起的翻邊，使秧盤被夾持在支撐塊上，再通過人工搬運或機械手進行碼垛。雖然不同疊盤裝置對不同結構的秧盤適應性不同，但基本能實現硬秧盤的自動疊盤作業。

3　存在的問題

近年來，水稻工廠化育秧技術發展迅速，采用水稻育秧播種流水線解決了傳統人工育秧播種過程中存在的耗時耗力等缺點，其配備的自動疊盤裝置為秧盤的搬運提供了更為簡便、快捷的方式。國外針對育秧播種設備的研究開展較早，設備較為先進，自動化程度和生產率高，但結構復雜，價格昂貴，目前我國只有少數大規模育秧公司引進。我國水稻育秧播種設備的研發是以國外成熟的育秧播種裝置為原型，針對機體結構，疊盤機理，運動參數匹配等方面進行分析和研究，通過優化研制出了多種水稻育秧播種裝置，但實際作業效果仍與國外先進設備存在一定差距，部分機型還處于試制階段。

我國現有自動疊盤裝置還存在以下問題：一是不能同時滿足軟秧盤與硬秧盤的疊盤作業，大多只能適應特定類型或尺寸的秧盤；二是對變形秧盤的適應性差，易出現疊盤整齊度低、卡盤和翻盤等問題；三是疊盤作業沖擊較大，影響秧盤內稻種和土壤均勻分布甚至造成物料灑出；四是工作效率不高，增加了育秧設備的工作時間。

4　展望

近年來，隨著我國城鎮化和農業現代化的不斷推進，農業機械已經能有效代替人工從事農業工作，工廠化育秧已成為了現代農業生產中的關鍵環節?，F階段我國有關水稻工廠化育秧的設備及技術依舊薄弱，自動疊盤裝置的關鍵技術有待突破，需要進一步學習和借鑒國外先進機械設備，結合國情完成自主科技攻關，實現水稻育秧規范化、標準化生產。

(1)研究出對軟、硬秧盤具有通用性的自動疊盤裝置。當前，國內工廠化育秧朝著輕簡化栽培種植技術方向前進，主要趨于使用低成本的軟秧盤(硬秧盤的價格是軟秧盤的10多倍)和育秧基質[31, 32]?，F有自動疊盤裝置主要應用于硬秧盤，進行軟盤作業時需要在其底下人工套入特定的托盤，且容易造成脫落，秧盤數量多時人工勞動強度大，因此研究出對軟、硬秧盤具有通用性的自動疊盤裝置，是今后實現低成本、輕簡化育秧作業的重點方向之一。

(2)設計出適應性強、疊盤沖擊小且速度快的自動疊盤裝置?，F有自動疊盤裝置在高速作業時會對秧盤產生較大沖擊，容易破壞秧盤內土壤和稻種的均勻分布，甚至對秧盤造成損傷。其次是對秧盤的適應性差，秧盤經過反復使用產生變形或結構損傷后，無法進行疊盤作業，且往往一種疊盤設備只能適用特定的秧盤進行作業，因此急需改進疊盤機構結構或優化工作原理，以降低對秧盤的沖擊，提高秧盤的適應性和工作效率。

(3)研發出作業性能完善的水稻育秧播種流水線輔助裝置。目前與工廠化育秧設備配套的輔助裝置應用較少，針對種子漏播、秧盤回收等方面的研發還處于空白，沒有實現全自動化作業[33]，研發出可實時檢測稻種情況并補種的設備、秧盤收回和清潔設備、可自動輸送秧盤的運輸車和可剔除破損秧盤的設備等，對于提高工廠化育秧自動化和效率意義重大。

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Research status and prospect of automatic tray stacking device for rice seedling cultivation with machine insert hard disk

YANG Jing1, XIE Fangping1,2, FU Zhiyong1, LIU Dawei1,2*, WANG Xiushan1,2, LI Xu1,2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2. Hunan Key Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery Equipment, Changsha, Hunan 410128, China)

Seedling raising is the key factor restricting the development of mechanized rice planting. At present, the research on the equipment and technology of rice factory seedling cultivation in China is relatively weak. The rice trays of the existing rice seedling cultivation and seeding line after the middle soil covering operation are mainly stacked manually one by one. Manual operation has low efficiency and high labor intensity, and directly affects the production efficiency of factory seedling cultivation. This paper summarizes the research status of the automatic disc stacking device in the rice seedling cultivation and seeding assembly line at home and abroad analyzes the structural characteristics and working principle of the existing automatic disc stacking device. In view of its shortcomings and defects, the future development trend of automatic tray stacking device for rice seedling and sowing line was prospected. The research results of this paper are expected to provide some reference for the research of disk stacking device.

rice seedling cultivation; sowing line; automatic stack; intelligence

S223

A

2096–8736(2022)06–0001–06

楊靖(1999—)，男，湖南衡山人，碩士研究生，主要從事農業機械技術及智能裝備研究。

劉大為(1983—)，男，湖南益陽人，博士研究生，副教授，主要研究方向為水稻生產全程機械化技術與裝備。

責任編輯：陽湘暉

英文編輯：唐琦軍