膜上移栽機(jī)械研究進(jìn)展及與分析

徐高偉，邱緒云，朱夢(mèng)霞，張晶杰，薦世春，宋裕民

（1.250357 山東省 濟(jì)南市 山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院；2.250022 山東省 濟(jì)南市 山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；3.250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院）

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)于20 世紀(jì)70 年代末[1]首先在日本研制使用。目前我國已經(jīng)大面積推廣和使用，尤其在棉花、蔬菜、中草藥和煙草等作物中應(yīng)用較為廣泛。地膜覆蓋栽培能促使農(nóng)作物早熟增產(chǎn)，在增溫、保溫、保墑和防治病蟲雜草等方面效果尤為顯著。

在棉花、蔬菜、中草藥和煙草等作物中，育苗移栽是其重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)[2-3]，移栽通過溫室育苗，延長(zhǎng)生長(zhǎng)期，便于苗期管理，培育壯苗，從而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，應(yīng)用前景廣闊。

將地膜覆蓋技術(shù)和育苗移栽技術(shù)結(jié)合，可以最大限度地提升棉花、蔬菜、中草藥和煙草等覆膜栽培作物的產(chǎn)量和品種，提高其經(jīng)濟(jì)效益。

膜上移栽機(jī)改變了傳統(tǒng)移栽機(jī)的破土方式，為減少對(duì)覆蓋地膜的破壞，膜上移栽機(jī)的破土方式為成穴式，但由于作業(yè)效率和作業(yè)穩(wěn)定性等問題，現(xiàn)有膜上移栽機(jī)械未得到大規(guī)模的應(yīng)用和推廣。本文旨在對(duì)國內(nèi)外膜上栽植機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理和特性進(jìn)行分析，探討目前我國膜上移栽機(jī)械的主要問題，為我國膜上移栽機(jī)的未來發(fā)展提供建議。

1 國外膜上移栽機(jī)械現(xiàn)狀

國內(nèi)外對(duì)膜上栽植裝備進(jìn)行了廣泛研究。歐美、日本等國家已經(jīng)研制出了部分作物機(jī)械化程度高的全自動(dòng)膜上移栽機(jī)，全自動(dòng)和半自動(dòng)膜上移栽機(jī)同時(shí)推廣應(yīng)用。

美國Kennco 公司研制了一款水輪式膜上移栽機(jī)[4]，如圖1 所示。該機(jī)主要由水箱、水輪、栽植鏟、秧架等組成。水輪式膜上栽植裝備由拖拉機(jī)作為動(dòng)力源牽引，水箱安裝于栽植機(jī)的前上方，通過水管與水輪連接。水輪的動(dòng)力來源于水輪在地膜上的轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪側(cè)邊焊接栽植鏟并隨水輪轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)栽植鏟轉(zhuǎn)動(dòng)到底部時(shí)，突破地膜繼續(xù)插入膜下地壟，在膜下成穴并注水。水輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)栽植鏟退出地壟和地膜。操作人員手動(dòng)取出秧苗，將秧苗放入栽植鏟所開的穴口中并手動(dòng)完成覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)。該機(jī)可完成單行或多行的膜上栽植作業(yè)，株距的調(diào)節(jié)需更換水輪且栽植深度固定。

圖1 美國Kennco 公司的水輪式移栽機(jī)Fig.1 Water wheel transplanter made in Kennco Company of America

在作業(yè)過程中，栽植機(jī)能完成成穴、注水和送秧，由人工完成栽植、覆土和鎮(zhèn)壓過程，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，栽植效率不高。水輪在地膜上轉(zhuǎn)動(dòng)，易撕破地膜。Buckeye Tractor 公司和Plasti Tech公司也研制過類似的產(chǎn)品。

意大利Hortus 公司研制了一款吊杯式膜上移栽機(jī)[5]，如圖2 所示。該機(jī)型采用吊杯單鴨嘴式，可實(shí)現(xiàn)膜上栽植。該機(jī)主要由苗架、秧苗導(dǎo)引槽和吊杯鴨嘴式栽植器組成。工作時(shí)，操作人員將缽體苗放入導(dǎo)引槽中。缽苗在傾斜的導(dǎo)引槽滑動(dòng)，吊杯栽植器通過不規(guī)則滑道，當(dāng)?shù)醣喿煸灾财鬟\(yùn)動(dòng)至導(dǎo)引槽的后方時(shí)，缽苗從導(dǎo)引槽中滑出進(jìn)入吊杯鴨嘴栽植器中，并隨吊杯鴨嘴栽植器運(yùn)動(dòng)。吊杯鴨嘴栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)到地壟，突破地膜并在膜下成穴。吊杯鴨嘴栽植器底部打開，缽苗落入穴口中，吊杯鴨嘴栽植器向上轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)備接苗。在栽植機(jī)構(gòu)后方安裝覆土鎮(zhèn)壓裝置，完成覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)。

圖2 意大利Hortus 公司的吊杯式移栽機(jī)Fig.2 Hanging-cup transplanter made in Hortus Company of Italy

該機(jī)型僅為半自動(dòng)栽植機(jī)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，栽植效率相對(duì)于水輪式移栽機(jī)有了提高，栽植效率為50 株/(min/行)。意大利MAS 公司也研發(fā)了類似吊杯式栽植機(jī)，美國M.T.公司研制了基于四桿機(jī)構(gòu)的吊杯式栽植機(jī)，并在栽植機(jī)后方設(shè)置了定量注水裝置，應(yīng)用廣泛。

美國雷納多銷售服務(wù)有限公司研制了雷納多HTME1100 型移栽機(jī)[6]，如圖3 所示。

圖3 美國雷納多公司的HTME1100 型半自動(dòng)移栽機(jī)Fig.3 HTME1100 semi-automatic transplanter made in Renardo Sales &Service Co.of America

在作業(yè)過程中采用丙烷加熱燃燒器觸碰地膜，在地膜上形成圓孔。由人工將秧苗放入栽植機(jī)構(gòu)的栽植器中并隨栽植器進(jìn)入地壟，鴨嘴栽植器打開，栽植秧苗，隨后完成覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)。鎮(zhèn)壓后進(jìn)行定量注水，以保證秧苗栽植后生長(zhǎng)周期中所需的水分，該機(jī)可調(diào)節(jié)株距和栽植深度，以保證不同作物的栽植農(nóng)藝要求。

日本洋馬公司研制了一種全自動(dòng)膜上移栽機(jī)[7]，如圖4 所示。該機(jī)采用2 套機(jī)構(gòu)分別完成取苗和栽植作業(yè)。在栽植過程中，取苗機(jī)構(gòu)在滑道中運(yùn)動(dòng)下深入穴盤內(nèi)夾取缽苗，轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置將缽苗放入栽植機(jī)構(gòu)的鴨嘴栽植器中。栽植機(jī)構(gòu)通過鴨嘴栽植器完成破膜、成穴和栽植作業(yè)。該機(jī)型栽植效率可達(dá)到60 株/(min/行)。但該機(jī)作業(yè)對(duì)象為標(biāo)準(zhǔn)化的缽盤育苗且對(duì)育苗的質(zhì)量要求高。日本的久保田和井關(guān)也研制了相似產(chǎn)品。

圖4 日本洋馬全自動(dòng)鴨嘴式移栽機(jī)Fig.4 Automatic duckbill type transplanter made in Yanmar of Japan

日本井關(guān)研制了PVPHR2 型膜上移栽機(jī)[8]，如圖5 所示。該機(jī)型為凸輪多桿機(jī)構(gòu)半自動(dòng)移栽機(jī)，其中鴨嘴栽植器與機(jī)構(gòu)的連桿固連，通過凸輪多桿式機(jī)構(gòu)完成膜上栽植作業(yè)。工作時(shí)，由人工將秧苗放入轉(zhuǎn)動(dòng)的苗杯中。秧苗在苗杯的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到鴨嘴栽植器上方時(shí)，苗杯下端蓋打開，落入鴨嘴栽植器中，由栽植機(jī)構(gòu)完成膜上栽植作業(yè)。該機(jī)型所搭載的凸輪多桿式機(jī)構(gòu)所形成的穴口較小，避免刮破地膜，保證了栽植的直立度，適用于蔬菜、煙草等要求較高立苗率的經(jīng)濟(jì)作物移栽。

圖5 日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社的PVPHR2 型移栽機(jī)Fig.5 ISEKI’s transplanter of PVPHR2 type

日本井關(guān)研發(fā)了PVH100型甘薯傾斜移栽機(jī)[9]，如圖6 所示。該機(jī)為半自動(dòng)移栽機(jī)，采用帶夾式機(jī)構(gòu)，操作人員將秧苗放入夾苗帶秧夾上，夾苗帶轉(zhuǎn)動(dòng)為夾持栽植機(jī)構(gòu)供給秧苗，夾持栽植機(jī)構(gòu)夾住甘薯秧苗的根部插入土壤進(jìn)行栽植作業(yè)。該機(jī)可完成壟上移栽和膜上移栽，以實(shí)現(xiàn)甘薯平栽和斜栽不同的農(nóng)藝要求，具有較好的通用性，適合我國的大部分甘薯種植地區(qū)，但由于丹參種苗形態(tài)特征相對(duì)于甘薯秧苗差異性較大，根部也較脆，夾持栽植機(jī)構(gòu)無法對(duì)丹參種苗進(jìn)行有效夾持，因此無法適合丹參膜上傾斜栽植。

圖6 日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社的PVH100 型移栽機(jī)Fig.6 ISEKI’s transplanter of PVH100 model

2 國內(nèi)膜上移栽機(jī)械現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)的學(xué)者和企業(yè)對(duì)移栽機(jī)進(jìn)行了大量的研究和推廣，取得了一批成果。目前國內(nèi)市面上的膜上栽植裝備以半自動(dòng)為主，少數(shù)高校和科研院所研制了全自動(dòng)膜上栽植裝備，但還未進(jìn)行大批量的生產(chǎn)和市場(chǎng)推廣，下面介紹幾種代表性機(jī)型。

江蘇富來威公司生產(chǎn)了一種輕簡(jiǎn)式半自動(dòng)移栽機(jī)[10]，如圖7 所示。作業(yè)時(shí)人工將缽苗放入送苗裝置的苗杯中，達(dá)到指定位置，苗杯打開，秧苗落入下方的鴨嘴栽植器中，鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，插入地壟栽植秧苗，栽植后向上運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備接苗。但該機(jī)只適用于具有立苗率要求的經(jīng)濟(jì)作物移栽。

圖7 富來威半自動(dòng)栽植機(jī)Fig.7 Semi-automatic transplanter of FLW

浙江理工大學(xué)陳建能等人設(shè)計(jì)一種偏心-橢圓齒輪行星輪系栽植機(jī)構(gòu)[11]，如圖8 所示。該機(jī)構(gòu)由7個(gè)非圓齒輪、1個(gè)行星架和2個(gè)栽植嘴組成，中間非圓齒輪兩側(cè)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，中間非圓齒輪與機(jī)架固定。作業(yè)時(shí)，行星架為動(dòng)力源轉(zhuǎn)動(dòng)，通過兩級(jí)傳動(dòng)帶動(dòng)行星非圓齒輪及固聯(lián)于其上的栽植器做非勻速擺動(dòng)，滿足栽植機(jī)構(gòu)栽植器端點(diǎn)特定的軌跡和栽植器姿態(tài)。該機(jī)構(gòu)構(gòu)思巧妙，轉(zhuǎn)動(dòng)一次完成兩次栽植作業(yè)，栽植效率較高，主要針對(duì)蔬菜缽體苗的栽植。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)周脈樂等人設(shè)計(jì)了一種回轉(zhuǎn)式膜上辣椒缽苗移栽機(jī)構(gòu)[12]，如圖9 所示。該機(jī)構(gòu)由非圓齒輪行星輪系和平面四桿機(jī)構(gòu)組合而成。非圓齒輪行星輪系完成取苗、輸送和栽植三個(gè)動(dòng)作，平面四桿機(jī)構(gòu)在行星輪與行星架間的非勻速速轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下完成破膜和打孔。一個(gè)機(jī)構(gòu)可依次完成取苗、送苗和膜上栽植等一系列動(dòng)作，同時(shí)一個(gè)機(jī)構(gòu)上裝有兩個(gè)栽植部件，回轉(zhuǎn)一周完成兩次栽植動(dòng)作，降本增效，目前正處于試驗(yàn)階段。

圖8 回轉(zhuǎn)式非圓齒輪行星輪系栽植機(jī)構(gòu)Fig.8 Planetary gears type planting mechanism

圖9 回轉(zhuǎn)式膜上辣椒缽苗移栽機(jī)構(gòu)Fig.9 Rotary pepper pot seeding transplanting mechanism on agricultural plastic film

江蘇大學(xué)胡建平等人研制了一種自走式旱地蔬菜全自動(dòng)四行缽苗移栽機(jī)[13]，如圖10 所示。該機(jī)由自走式底盤提供動(dòng)力，包括兩組栽植單元，各單元分別包括一套送苗裝置、取苗機(jī)構(gòu)、分苗裝置、栽植機(jī)構(gòu)，各部分間通過機(jī)械傳動(dòng)和電控實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)移栽。每個(gè)單元可實(shí)現(xiàn)兩行蔬菜移栽，通過并列添加栽植單元可實(shí)現(xiàn)多行作業(yè)。自走式移栽機(jī)在作業(yè)時(shí)，穴盤苗苗盤放置于送苗裝置的箱盤中，苗盤輸送到指定位置后，由氣力式取苗機(jī)構(gòu)取苗，在氣缸作用下沿滑道運(yùn)轉(zhuǎn)至分苗裝置上部，取苗機(jī)構(gòu)在配置時(shí)序下依次將缽苗投入到分苗杯中，分苗杯到達(dá)栽植機(jī)構(gòu)栽植器上方時(shí)打開，缽苗在重力的作用下落入對(duì)應(yīng)栽植機(jī)構(gòu)的栽植器中，由栽植器成穴栽植，將缽苗栽入田中。自走式底盤的液壓提升裝置可根據(jù)壟高調(diào)節(jié)栽植部件整體高度以調(diào)節(jié)栽植深度，使移栽機(jī)能夠適應(yīng)不同壟高及平地栽植。

圖10 自走式移栽機(jī)整機(jī)Fig.10 Whole self-propelled transplanting machine

3 存在的主要問題

（1）育苗技術(shù)與移栽發(fā)展不匹配。移栽機(jī)械作業(yè)針對(duì)農(nóng)作物種苗，種苗的質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化決定了移栽機(jī)械作業(yè)的質(zhì)量。目前，部分作物仍采用裸苗育苗的方式，裸苗所育作物種苗的質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)無法保證；缽苗育苗存在盤根率較低，缽苗的缽體易碎等問題，降低了移栽機(jī)械的作業(yè)質(zhì)量；

（2）自動(dòng)化程度不高。目前，我國市場(chǎng)上所使用的移栽機(jī)械多為半自動(dòng)移栽機(jī)，全自動(dòng)移栽機(jī)處于研制和試驗(yàn)階段，半自動(dòng)移栽機(jī)由人工投苗，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，作業(yè)效率受人工投苗效率的限制較低，用工成本無法下降；

（3）膜上移栽機(jī)械的作業(yè)質(zhì)量較低。市面上的膜上移栽機(jī)均可實(shí)現(xiàn)膜上移栽，但在作業(yè)過程中出現(xiàn)漏苗、帶苗、刮膜等現(xiàn)象，移栽立苗角度合格率較低，因此需對(duì)現(xiàn)有移栽機(jī)核心部件的機(jī)構(gòu)和性能進(jìn)行優(yōu)化提升。

4 結(jié)論

（1）國內(nèi)外膜上移栽機(jī)械在工藝、材料等方面發(fā)展迅速，但在作業(yè)性能等方面未有較大進(jìn)展。半自動(dòng)膜上移栽機(jī)械采用人工投苗的方式，栽植部件主要采用鴨嘴式栽植器；全自動(dòng)膜上移栽機(jī)采用機(jī)、電、液等3 套裝置完成取苗、送苗和膜上移栽作業(yè)。

（2）國內(nèi)高校和部分研發(fā)機(jī)構(gòu)研制了新型移栽機(jī)樣機(jī)，但無法轉(zhuǎn)化應(yīng)用和在市場(chǎng)推廣。未來膜上移栽機(jī)械的研制工作應(yīng)著重實(shí)際應(yīng)用，在農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合的基礎(chǔ)上，優(yōu)化現(xiàn)有半自動(dòng)移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能，同時(shí)提高育苗技術(shù)，研制適合我國國情的、能夠推廣應(yīng)用的全自動(dòng)移栽機(jī)。