现 代 农 业
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论文
旱地自动移栽技术发展现状及分析
  来源:农机化研究  作者:崔巍  发表时间:2015-05-16 12:42

摘要: 效率低下、经济效益不明显致使半自动移栽机在国内推广受阻,因此当前越来越多学者开始研究自动 移栽技术。欧美、日本等国家自动移栽技术发展成熟,而国内大多处于研究阶段。自动移栽机主要工作部件有 取苗部件、给苗部件和栽植部件。取苗部件可分为排式取苗和单株取苗,排式取苗又可分为顶出式取苗和拔出 式取苗; 给苗部件有纯机械驱动和电气联合驱动两种结构; 而栽植部件结构形式与半自动移栽机相同。为此,对这 3 种部件分别进行阐述,介绍了不同结构的工作原理和优缺点,并对今后国内自动移栽机的研究方向提出了建议。

关键词: 自动移栽;取苗部件; 给苗部件;栽植部件;旱地

中图分类号: S233.2 文献标识码: A 文章编号: 1003 -188X(2015)06 -0001 -05

引言

育苗移栽技术可充分利用光热资源,提高作物复 种指数,具有对气候的补偿作用和使作物生长提前的 综合效益,是我国未来确保农产品供给安全的重要手 段。目前,国内移栽机械以半自动移栽机为主。半自 动移栽由人工取苗,取出的钵苗被放置在相应的输送 装置或直接送入栽植装置,因人工喂苗速度有限、作 业人员数量较多、作业效率不高,不适合短时间内完 成大面积移栽,机械化效益不明显。目前,其仅在种植利润较高的经济作物( 如烟草、油菜) 中有一定的推广。对于蔬菜、玉米和棉花等,由于作物本身种植利 润低,半自动移栽机由于效率低下成本回收慢,因此 至今还未见大面积推广。此外,新疆、东北等地区人口少而种植面积广,作物移栽期劳动力紧张情况尤为 突出,对移栽机的工作效率提出了更高的要求。全自 动移栽机机械自动取苗,工作效率可以提高至半自动 移栽机的 2 ~4 倍,极大地降低了操作者的劳动强度, 并可很好地解决劳动力不足、作业效率低下等问题,被国内外普遍认为是最终的发展方向[1 - 7]。

1 国内外发展现状

收稿日期: 2014 -06 -28 基金项目: “十二五”国家科技支撑计划项目( 2014BAD08B04) ; 国家高 技术研究发展计划项目( 2012AA10A501) ; 国家科技基础性 工作专项( 创新方法工作) 项目(2013IM030700) 作者简介: 崔 巍( 1984 - ) ,女,山东泰安人,工程师,博士生研究 生,( E - mail) 187372519@ qq. com。 通讯作者: 宋建农( 1961 - ) ,男,北京人,教授,博士生导师,( E - mail) songjn @ cau. edu. cn。

国外特别是欧美国家的全自动移栽技术研究较国内而言起步早,也相对成熟,部分全自动移栽机已 经有较好的推广。美国 Renaldo 公司于 2003 年开发 的基于空气整根苗盘的全自动蔬菜移栽机,针对特制的倒锥形硬质组合苗盘所育的苗,采用了负压取苗方 式,将苗从上向下吸出后沿着输送管道送给栽植器; 缺点是苗盘价格高、构造复杂,取苗时容易致基质松 散,而且只能适合幼小的苗。当前推广较多的全自动 移栽机有意大利 Ferrari 公司的 Futura 系列全自动移 栽机、英国的 Pearson 全自动移栽机以及澳大利亚的 Williames 自动移栽机等。此类移栽机多为排式取苗, 通过横、纵向输送及定位系统控制苗盘位置,采用顶 苗杆将穴盘中的苗成排顶出或通过取苗爪将苗从穴 盘中成排取出,实现精准取苗、投苗,每组部件取苗效 率超过 8 000 株/h。这些机型主要针对基质钵苗,融合了先进的多传感器技术、自动控制技术,大幅提高 作业效率、大量节省劳动力,满足了现代农业的发展 需要; 但是价格昂贵,结构复杂,维护困难。另外,日本旱地自动移栽技术也有很好的发展,如洋马、井关 和久保田株式会社都有比较成熟的自动移栽机。以洋马自动移栽机为例,以原有插秧机技术为基础并加 以改进, 1 行只有 1 个取苗机械手。这种形式的移栽 机整机体积小,移动灵活,特别适用于丘陵小地块作 业; 缺点是 1 次只取 1 株苗,速度较低,洋马自动移栽 机作业效率为 3 000 株/行·h。 目前,国内还没出现成熟的自动移栽机,大部分 自动移栽技术研究多处于部件研究和试验阶段。吉 林工业大学孙廷琮等人[8]发明了空气整根营养钵苗及移栽系统。空气整根营养钵育苗及移栽系统在 原理和技术上都实现了穴盘育苗移栽自动化,但是多 年来一直没有推广使用。

2 国内外自动移栽机关键技术分析

自动移栽机主要由 3 大部件组成: 取苗部件、给苗部件和栽植部件。栽植部件在半自动移栽机上已 有应用并且发展较为成熟,因此设计稳定、可靠的取苗部件和给苗部件是实现全自动移栽的关键。

2.1 国内外自动移栽取苗技术研究现状现有国内外自动移栽技术在取苗方式上大致可分为两类,即排式取苗和单株取苗。

2. 1. 1 排式取苗 每个工作单元有多个取苗爪,一次取多株苗。此类结构通常融合自动控制技术和气动技术于一体,实现一组取苗爪的精准定位、准确动作,取苗速度较高, 能达到 8 000 株/h。排式取苗根据具体动作方式又可分为两大类: 顶出式取苗和拔出式取苗。 1) 顶出式取苗: 取苗爪运动至取苗位置后静止; 顶针从育苗穴盘后部将苗顶出并推入取苗爪夹持区 域; 取苗爪夹紧苗钵,完成取苗; 被取出的秧苗随取苗 爪移动至输送部件上方,完成投苗。此种取苗方式动 作稳定可靠,不伤苗体或基质,对不同种类秧苗的通 用性强; 但是取苗过程需要不同部件配合完成,对定位、动作控制要求高,结构复杂。代表机型有 Ferrari 全自动移栽机、Williames全自动移 栽机[9]及 Agitiplanter 全自动移栽机等。

全自动移栽机取苗部件 Fig. 1 Ferrari seedling pick - up device 2) 拔出式取苗: 取苗爪主动加持苗茎干或插入秧 苗土钵内,将苗拔出穴盘,而带苗移动至输送部件上 方,投苗。此种形式取苗动作由单一工作部件完成,结构相对简单,动作快捷; 但是由于取苗爪要加持茎干或基质,对加持部位会有一定的损伤。代表机型有 Teaproject全自动移栽机及 Pearson 全自动移 栽机等。

国内学者研究的取苗机械手以拔出式取苗居多。比较典型的有北京工业大学高国华等人[10]、沈阳农 业大学邱立春等人[11],集合气动技术和自动控制技 术设计移栽爪( 见图 4) ,通过气缸控制取苗爪的移动和取苗、放苗动作。这类研究多针对室内穴盘苗移盘 设计。南京农业大学韩长杰等人[12]设计了多组气缸 驱动的翻转摆位式取苗机械手,利用扎苗、 放苗气缸控制取苗爪的取苗、放苗,翻转气缸和摆位气缸控制机械手在取苗位和投苗位的姿态变换; 通过 室内取苗试验得出,系统取喂苗总可靠率达 98. 92%, 平均基质损失质量 9. 26%,取喂速度达 4 200 株/h, 未见明显伤苗。南京农业大学尹文庆等人[13]设计的机械手的工作原理为通过滑道( 槽形凸轮) 控制取苗 爪的张开和闭合。浙江大学任烨等人[14]研究了基于 机器视觉的设施农业移栽机器人,包括视觉系统、控 制系统、机器臂等。机器臂由步进电机驱动,气缸驱动末端执行器,并对针式、铲式和锥形 3 种手指的取 苗效果进行了对比试验,认为铲式效果最好。江苏大 学毛罕平、胡建平等人[15 - 16]设计了旱地穴盘移栽装 置末端执行器,多个取苗执行器并联安装,通过凸轮控制开合。

2. 1. 2 单株取苗 单株取苗即 1 次取 1 株秧苗,每行只有 1 个取苗 爪工作,大多采取拔出式取苗方式。取苗爪从育苗盘中将苗取出,直接加持至栽植部件上方,投入栽植器。此类取苗方式要求取苗爪以特殊轨迹运动,并在运动中不断变换姿态,以满足取苗和投苗要求[17]。单株取苗机械手从取苗、送苗到投苗至栽植器的动作都由单一部件完成,结构简单紧凑,生产成本低; 缺点是一次只取 1 株苗,速度较低,通常不高于 4 500 株/h。单株取苗形式多见于日本洋马、井关、久保田等公司开发的全自动移栽机。国内浙江理工大 学[18 -19]开发的回转箱式取苗机械手、江苏大学[20]开发的凸轮连杆组合式取苗部件、中国农机院[17]开发

的齿轮 - 五杆取苗机械手都是比较典型的单株取苗 机械手。 江苏大学毛罕平等人开发的自动取苗机械手由 取苗爪、回转箱驱动机构及槽形凸轮机构组成,机构 运动时以图 7 所示轨迹实现从穴盘中取苗和向植苗机构投苗的动作。浙江理工大学俞高红等人采用回 转式取苗机械手在行星减速箱内配置非圆齿轮和不 完全齿轮,形成插值臂末端特定的运动轨迹,从而完 成取苗和向栽植部件投苗的动作。中国 农机院赵亮等人采用双曲柄的五杆机构控制取苗爪, 实现苗爪的取苗和投苗动作,取苗工作效率为 4 200 株/h[17]。

2.2 国内外自动移栽机给苗技术研究现状 设计与取苗装置动作准确配合的苗盘的进给装置也是自动移栽机开发的关键技术之一。 不管排式取苗还是单株取苗,相对应的苗盘进给 原理基本一致。整个进给大致可分为横向进给和纵向进给。横向进给目的是取同一排苗,进给 1 次,取 1 株或多株苗。整排苗取完后纵向进给动作,将下一排 苗送至待取行,继续取下一排苗。假定取苗部件 1 次 取 a 株苗,对于一个规格为m × n 的苗盘,横向进给 m a - 1 次,纵向进给 n - 1 次,即可将整盘苗取完。 给苗部件要求进给准确、无累积误差,现有机型 具体实现形式主要有两种: 纯机械驱动进给和机电气 动联合控制的间歇进给。前者通常与单株取苗机械 手配合使用,后者通常与排式取苗配合使用。洋马自 动移栽机送苗机构为纯机械驱动,横向进给利用凸轮 轴控制,纵向进给由凸轮轴一侧的边凸轮触发棘轮动 作,结构简单、紧凑。Ferrari、Williames 等自动移栽机的送苗机构均为电气结合控制,机构由气动元件驱动,通过传感器、PLC 等电子器件控制其 动作的频率和幅度,从而达到精准送苗的目的。

国内专门进行给苗部件的研究较少,中国农机院[17]设计的给苗部件采用凸轮轴与间歇运动机构结合控制苗盘的横向间歇进给,采用棘轮结构控制其纵向进给。韩长杰[12]基于气动技术设计穴盘步进移位 机构,通过步进移位气缸结合棘轮实现苗盘的横向进 给,通过左右移位气缸实现苗盘的左右进给。

2.3 国内外全自动移栽机栽植技术研究现状国内外全自动移栽机常见的栽植方式主要有导苗 管式、挠性圆盘式及输送带式等。

2. 3. 1 导苗管式 秧苗由输送装置送到导苗管上方,顺着导苗管在重力作用下落入开沟器开好的土槽中,后在回流土与压实装置作用下定植。Ferrari 全自动移栽机和 Williames 全自动移栽机均为此种栽植方式。

2. 3. 2 挠性圆盘式通常挠性圆盘式移栽机的输送装置是全程输送带式,秧苗在输送带末端被交接至挠性圆盘,再随挠性圆盘栽入土中。典型机具有 Agitiplanter 全自动移栽机和 FMC 全自动移栽机等。

2. 3. 3 输送带式此种形式是指由输送带直接将秧苗送入开好的 土槽中,后在回流土与压实装置作用下覆土定植。代 表机型是 Pearson 全自动移栽机,如图 14 所示。以上几种栽植形式在半自动移栽机中都有应用,但是有个共同的缺点是无法实现膜上移栽,在我国大 部分地区( 如东北、西北甚至部分南方地区) 推广2. 3. 4 鸭嘴式栽植部件 鸭嘴式栽植部件可以实现膜上移栽,是目前我国半自动移栽机中使用较多的栽植方式。目前,国外自动移栽机使用鸭嘴栽植器的只有洋马生产的全自动移栽机,但是移栽效率较低,仅为 35 ~ 50 株/min。国内中国农机院[17]设计的自动移栽机采用 的就是鸭嘴式栽植器。

3 结论

国外自动移栽机技术先进、性能可靠,并且已经有一定规模的推广使用; 但是价格非常昂贵,是半自 动移栽机的 10 倍以上,大大超出了国内用户的购买能力,且多数机型不能满足国内移栽农艺需求,在国 内难以推广。半自动移栽机推广受阻使国内学者越来越重视自动移栽机的研究,近几年有了很大的发展,但是目前多处于研究试验阶段,还没有出现性能 稳定可靠的自动移栽机产品,自动移栽机的开发任重而道远。

自动移栽机开发过程中应注意以下几点: 1) 自动移栽对苗盘规格、成苗大小、育苗质量都有较高要求,因此在研究自动移栽技术的同时,发展与之配套的育苗农艺。 2) 国内各地的整地条件参差不齐,部分地区地况 较差,限制了移栽机械的使用。自动移栽机结构较复杂,对地况的要求会更严格,应开发与其配套的整地机械,尽可能减少影响其正常作业的不利因素。 3) 当前国内学者对自动移栽技术的研究重点多放在取苗装置上,忽略了对给苗装置的研究,而给苗 装置对整个机具运行速度和可靠性有重要影响。 4) 在发展自动移栽技术的同时,不应过分追求速 度,同时也应考虑生产成本和性能可靠性问题,寻求高效率和低成本的最佳契合点。

(责任编辑:nyadmin)
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