水稻生态育秧装置及全程机械化应用现状与发展前景

张 煊,张 戈,胡俊男,吕泽霖,衣淑娟

(黑龙江八一农垦大学 工程学院,黑龙江 大庆 163319)

0 引言

黑龙江省位于高纬度寒带地区,虽不适宜传统水稻种植,但通过利用数字化技术,可有效推动农业农村现代化发展进程,进而为实现乡村的全面振兴提供强有力的支撑。水稻棚内作业机械化是当前生产过程中的薄弱环节,使用起盘机代替人工进行起盘,是实现水稻全程机械化的关键步骤,不仅能够提高生产效率,节省人工成本还能进一步推进水稻种植的标准化、数字化、可溯化和智慧化,提高农业装备的创新能力,为水稻生产提供高效、节约、耐用的新型智慧装备。通过大力推广应用寒区水稻育秧棚室机械化技术,不仅能够更好地贯彻“补短板、强弱项、促协调”的发展战略,还能够促进农业机械化的转型升级,加速实现水稻全程机械化生产,为农业现代化建设提供有力的支持[1-2]。

1 智能苗床平地机械化技术

近年来,我国工厂化育秧机械方面发展较快,进步较大,可实现铺土、播种、覆土、洒水等步骤的机械化作业,但在棚内平整地等农艺环节,仍然依靠人工采用相对原始的农机具进行作业,高强度的整备作业极易对苗床平整度产生误差,导致资源浪费,对后续育秧摆盘环节造成较大影响。

为提高水稻秧棚内苗床平地质量,黑龙江八一农垦大学工程学院研制了一款新型平地机(图1),它采用机械和液压两种方法,能够有效改善水稻种植区的平地状况。该平地机通过平土工程师的操控,使得平地区域的地表变得平坦,并且能有效减少2.4 cm的地表高差,同时也能使平地区域的平均高度下降0.387 cm,从而达到改善平地作业的目的[3]。

1.悬挂机架;2.传动系统;3.浮板;4.刮土器;5.限深卡图1 旋转式苗床平地机工作装置示意图

2 育秧摆盘覆土机械化技术

当前,大部分棚内育秧过程仍依赖于人工操作,包括摆放秧盘、覆盖土壤及播种等步骤,继续采用此方式作业将面临生产效率低下、工作时间过长以及人力投入过大的挑战。根据《黑龙江统计年鉴2021》得知,2020年该省水稻种植面积达到287万hm2,这意味着需要有5.6万hm2的育秧区域[4]。经进一步研究发现,每0.067 hm2摆盘和覆盖土壤的人工费用为220～280元,每年在摆盘和覆盖土壤方面的人力成本接近2.3亿元,而且在农忙时,由于人手不足的问题,常常会出现无法满足需求的情况。因此,为了减轻育秧过程中的人力负担,节省人力成本,提升育秧的生产效率,摆盘机这一创新设备应运而生。

开始工作前,需要先把设备(图2)的横向轨道安置在大棚内的砖道上。横向轨道是通过多个轨道节嵌套的方式进行固定,这样可根据大棚的长度来灵活地调整轨道节数。然后将横向轨道上的行走轮插入到纵向轨道里,接着将摆盘覆土机置于横向轨道上,让横向行走轮能够嵌入到横向导轨中。最初的工作阶段,由人工手动将秧盘一个接一个地放入摆盘覆土机的内部,使得第一个秧盘能与拨动毛刷接触,同时蓄电池会驱动铺盘皮带,使秧盘在拨动毛刷的推动力下滑向地面。与此同时,土箱中的育秧土会在覆土皮带的传输作用下,同步覆盖在秧盘上,完成覆土过程。在整个工作中,可通过控制系统来调节电机的转速,以此来调整整体设备的前进速度,满足水稻育秧摆盘与覆土工序的农业工艺需求。这不仅可以减轻农民的劳动强度,还能降低劳动生产成本,缩短摆盘与覆土工序的时间,提升工作效率和作业质量。

1.控制箱;2.蓄电池;3.横向轨道;4.秧盘限位装置;5.秧盘喂入口;6.土箱;7.减速器;8.前进电机;9.行走轮;10.覆土皮带;11.铺盘皮带;12.拨动毛刷;13.纵向轨道图2 电驱式单行水稻育秧摆盘覆土机总体结构图

3 起盘机械化技术

我国北方水稻种植主要方式为育秧移栽,因其具有秧苗分布均匀、插秧质量好、抗倒伏、省时省工等优点,所以被广泛应用。依托叠盘暗室育秧技术的背景,满足棚内硬盘育秧起盘的需求,实现水稻棚内的全程机械化起盘作业,解决人工起盘作业强度大和工作效率低的问题,从而降低水稻生产成本。水稻硬盘育秧全自动起盘机的研制与开发,实现了全程机械起盘代替人工起盘作业,达到了提高工作效率的目的,为进一步实现水稻起盘的标准化、机械化、数字化和智能化提供参考。

目前,每个标准育秧大棚共有2 000盘育秧盘,需要5个人同时作业6 h才能完成全部秧盘的起盘工作。在传统起盘装置的基础上,对起盘原理、起盘方式、动力核心等进行了改良。将原有的汽油机驱动改为电机分步控制,解决了在大棚内工作时汽油机工作带来振动噪声及有害气体等问题。电机分步控制可有效调整作业状态,多行同时起盘提高了起盘工作效率。优化原有起盘铲,减小起盘工作阻力;增加距离传感器,保证了起盘稳定性;输送皮带以穿山甲皮肤纹路为仿生原型,既具备除土功能,又可保证秧盘随皮带稳定输送。机器效率为400盘/h,仅需一人工作5 h即可全部完成,而且劳动强度不大、作业质量高。结合机械插秧农艺要求,黑龙江八一农垦大学工程学院设计了电驱式单行水稻硬质秧盘起盘机(图3)。采用育秧棚内自走、转向、铲起、装框、运输硬质秧盘的方式,实现了育秧大棚内硬质秧盘的全自动起盘,为硬质秧盘起盘设备的结构改进和优化提供了参考,降低生产成本,促进农户增收,真正实现提质、节本、增效的目标。

1.起盘铲;2.纵向输送带;3.横向输送辊;4.循环叠盘机构;5.集盘托盘图3 电驱式单行水稻硬质秧盘起盘机

4 软盘苗盘分离机械化技术

在黑龙江省,实现水稻生产的全过程机械化被视为确保该地区水稻产业稳定增长和提升的关键策略。这种全面机械化的作业方式主要包括以下几个关键步骤:秸秆处理、土地整理、播种、移栽、病虫害防治以及收割。然而,值得注意的是,在这些过程中,播种和移栽阶段的水稻苗盘分离环节的机械化水平相对较低。目前,该环节的大部分工作仍然依赖于人力完成,即通过人工操作将已经准备好的水稻毯状苗从塑料软盘上取下,然后将其放入容器内进行运输。不仅增加了劳动强度,还提高了生产成本,成为制约黑龙江省水稻生产机械化的一个重要障碍,影响了整个地区的农业现代化进程。

黑龙江八一农垦大学工程学院在不断的技术创新和改进的基础上,设计出一款全新的水稻软盘毯状苗分离机(图4),此设备以链传动为核心,由电力驱动的马达推动齿轮运转,进而触发分离爪的开启与闭合,以此完成对水稻软盘毯状苗的精确分割。此设备具有高效能、低噪声及高度精确等特性,能够显著提升水稻的收割效果,同时也降低了人力操作的负担,进一步提高了生产效率。工作过程中,机器通过齿轮旋转,分离机构实现纵向运动,电力驱动传动丝杠使得扶苗机构沿着导向光杠的方向进行横向移动,而扶苗手则由一组齿轮控制,可同步开启与关闭。此外,电力驱动的马达通过链条的传递,让齿轮轴旋转,从而实现了扶苗的运动。最后,集苗机构由电力驱动的齿轮驱动,带动滑轮组上下移动,秧苗盘的运动路径则受导向光杠的控制,以确保其位置不会产生偏差。

1.机架;2.集苗机构;3.PLC控制系统;4.扶苗机构;5.分离爪;6.传动丝杠;7.导向光杆;8.分离机构;9.扶苗手;10.滑轮组图4 水稻软盘毯状苗分离机总体结构图

5 水稻轨道运输机械化技术

水稻在棚内被起盘后,会从秧棚转运到插秧机上进行工作,在运输秧苗等作业环节易造成劳动强度大、效率低等问题,使人们对运输环节高效率、智能化的需求愈加迫切。在这一运输过程中,秧盘损耗、资源浪费及效率降低都是不可忽视的问题。

常用的运输机械虽可满足稻田运输的要求,但在水稻秧苗与插秧机的运输过程中仍依靠人工搬运,未实现机械化作业,尽管目前市面上的运输设备能够很好地支持农田运输,但由于体积较大,经常会造成田埂的损害,从而降低了农田的生产效率。为解决这一问题,需进行技术改造和设备升级,使之能够更加高效地完成田间作业。那业伟[5]设计出一种新颖、高效、可靠,且无人操作的水稻运输车,该机械可实现无人机的自动驾驶、远程操作等多种功能。为了提高行进过程中的稳定性,轨道交通工具上配备了一种平衡装置技术,它能检测到行驶路面的倾角,如果超过10°,就会自动降低行驶速度,以防止行驶的偏离。此外,该技术还配备了一个光电开关,能够检测到行驶路面上30 cm以外的障碍,实施紧急刹车,以确保行驶安全。为提升水稻秧苗的运输效率,在此款水稻运输车的基础上开发出了一种新技术,它可根据指令,在没有任何外力干扰的情况下,依据特征自动识别最佳运输路线,实现无人驾驶和自动回程,该技术可有效减少能源损失、节省时间和劳动力。

6 前景展望

从北方秧棚内的综合生产能力看,为农业从业者提供更便捷高效的田间作业,降低运营和种植过程中的生产投入成本,提产提质增收,为种植环节降本增效。进一步完善北方棚内的机械化、智能化水平,利用现代化高新技术实现高标准、高精度、高智能,以提升经济效益、优化产业模式、促进农机装备产业转型升级,将智能化设备应用到实践中,推动水稻棚内作业机械化、智能化发展,促进人民增收,减轻农民压力[6]。