水稻生態育秧裝置及全程機械化應用現狀與發展前景

張 煊,張 戈,胡俊男,呂澤霖,衣淑娟

(黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

黑龍江省位于高緯度寒帶地區,雖不適宜傳統水稻種植,但通過利用數字化技術,可有效推動農業農村現代化發展進程,進而為實現鄉村的全面振興提供強有力的支撐。水稻棚內作業機械化是當前生產過程中的薄弱環節,使用起盤機代替人工進行起盤,是實現水稻全程機械化的關鍵步驟,不僅能夠提高生產效率,節省人工成本還能進一步推進水稻種植的標準化、數字化、可溯化和智慧化,提高農業裝備的創新能力,為水稻生產提供高效、節約、耐用的新型智慧裝備。通過大力推廣應用寒區水稻育秧棚室機械化技術,不僅能夠更好地貫徹“補短板、強弱項、促協調”的發展戰略,還能夠促進農業機械化的轉型升級,加速實現水稻全程機械化生產,為農業現代化建設提供有力的支持[1-2]。

1 智能苗床平地機械化技術

近年來,我國工廠化育秧機械方面發展較快,進步較大,可實現鋪土、播種、覆土、灑水等步驟的機械化作業,但在棚內平整地等農藝環節,仍然依靠人工采用相對原始的農機具進行作業,高強度的整備作業極易對苗床平整度產生誤差,導致資源浪費,對后續育秧擺盤環節造成較大影響。

為提高水稻秧棚內苗床平地質量,黑龍江八一農墾大學工程學院研制了一款新型平地機(圖1),它采用機械和液壓兩種方法,能夠有效改善水稻種植區的平地狀況。該平地機通過平土工程師的操控,使得平地區域的地表變得平坦,并且能有效減少2.4 cm的地表高差,同時也能使平地區域的平均高度下降0.387 cm,從而達到改善平地作業的目的[3]。

1.懸掛機架;2.傳動系統;3.浮板;4.刮土器;5.限深卡圖1 旋轉式苗床平地機工作裝置示意圖

2 育秧擺盤覆土機械化技術

當前,大部分棚內育秧過程仍依賴于人工操作,包括擺放秧盤、覆蓋土壤及播種等步驟,繼續采用此方式作業將面臨生產效率低下、工作時間過長以及人力投入過大的挑戰。根據《黑龍江統計年鑒2021》得知,2020年該省水稻種植面積達到287萬hm2,這意味著需要有5.6萬hm2的育秧區域[4]。經進一步研究發現,每0.067 hm2擺盤和覆蓋土壤的人工費用為220～280元,每年在擺盤和覆蓋土壤方面的人力成本接近2.3億元,而且在農忙時,由于人手不足的問題,常常會出現無法滿足需求的情況。因此,為了減輕育秧過程中的人力負擔,節省人力成本,提升育秧的生產效率,擺盤機這一創新設備應運而生。

開始工作前,需要先把設備(圖2)的橫向軌道安置在大棚內的磚道上。橫向軌道是通過多個軌道節嵌套的方式進行固定,這樣可根據大棚的長度來靈活地調整軌道節數。然后將橫向軌道上的行走輪插入到縱向軌道里,接著將擺盤覆土機置于橫向軌道上,讓橫向行走輪能夠嵌入到橫向導軌中。最初的工作階段,由人工手動將秧盤一個接一個地放入擺盤覆土機的內部,使得第一個秧盤能與撥動毛刷接觸,同時蓄電池會驅動鋪盤皮帶,使秧盤在撥動毛刷的推動力下滑向地面。與此同時,土箱中的育秧土會在覆土皮帶的傳輸作用下,同步覆蓋在秧盤上,完成覆土過程。在整個工作中,可通過控制系統來調節電機的轉速,以此來調整整體設備的前進速度,滿足水稻育秧擺盤與覆土工序的農業工藝需求。這不僅可以減輕農民的勞動強度,還能降低勞動生產成本,縮短擺盤與覆土工序的時間,提升工作效率和作業質量。

1.控制箱;2.蓄電池;3.橫向軌道;4.秧盤限位裝置;5.秧盤喂入口;6.土箱;7.減速器;8.前進電機;9.行走輪;10.覆土皮帶;11.鋪盤皮帶;12.撥動毛刷;13.縱向軌道圖2 電驅式單行水稻育秧擺盤覆土機總體結構圖

3 起盤機械化技術

我國北方水稻種植主要方式為育秧移栽,因其具有秧苗分布均勻、插秧質量好、抗倒伏、省時省工等優點,所以被廣泛應用。依托疊盤暗室育秧技術的背景,滿足棚內硬盤育秧起盤的需求,實現水稻棚內的全程機械化起盤作業,解決人工起盤作業強度大和工作效率低的問題,從而降低水稻生產成本。水稻硬盤育秧全自動起盤機的研制與開發,實現了全程機械起盤代替人工起盤作業,達到了提高工作效率的目的,為進一步實現水稻起盤的標準化、機械化、數字化和智能化提供參考。

目前,每個標準育秧大棚共有2 000盤育秧盤,需要5個人同時作業6 h才能完成全部秧盤的起盤工作。在傳統起盤裝置的基礎上,對起盤原理、起盤方式、動力核心等進行了改良。將原有的汽油機驅動改為電機分步控制,解決了在大棚內工作時汽油機工作帶來振動噪聲及有害氣體等問題。電機分步控制可有效調整作業狀態,多行同時起盤提高了起盤工作效率。優化原有起盤鏟,減小起盤工作阻力;增加距離傳感器,保證了起盤穩定性;輸送皮帶以穿山甲皮膚紋路為仿生原型,既具備除土功能,又可保證秧盤隨皮帶穩定輸送。機器效率為400盤/h,僅需一人工作5 h即可全部完成,而且勞動強度不大、作業質量高。結合機械插秧農藝要求,黑龍江八一農墾大學工程學院設計了電驅式單行水稻硬質秧盤起盤機(圖3)。采用育秧棚內自走、轉向、鏟起、裝框、運輸硬質秧盤的方式,實現了育秧大棚內硬質秧盤的全自動起盤,為硬質秧盤起盤設備的結構改進和優化提供了參考,降低生產成本,促進農戶增收,真正實現提質、節本、增效的目標。

1.起盤鏟;2.縱向輸送帶;3.橫向輸送輥;4.循環疊盤機構;5.集盤托盤圖3 電驅式單行水稻硬質秧盤起盤機

4 軟盤苗盤分離機械化技術

在黑龍江省,實現水稻生產的全過程機械化被視為確保該地區水稻產業穩定增長和提升的關鍵策略。這種全面機械化的作業方式主要包括以下幾個關鍵步驟:秸稈處理、土地整理、播種、移栽、病蟲害防治以及收割。然而,值得注意的是,在這些過程中,播種和移栽階段的水稻苗盤分離環節的機械化水平相對較低。目前,該環節的大部分工作仍然依賴于人力完成,即通過人工操作將已經準備好的水稻毯狀苗從塑料軟盤上取下,然后將其放入容器內進行運輸。不僅增加了勞動強度,還提高了生產成本,成為制約黑龍江省水稻生產機械化的一個重要障礙,影響了整個地區的農業現代化進程。

黑龍江八一農墾大學工程學院在不斷的技術創新和改進的基礎上,設計出一款全新的水稻軟盤毯狀苗分離機(圖4),此設備以鏈傳動為核心,由電力驅動的馬達推動齒輪運轉,進而觸發分離爪的開啟與閉合,以此完成對水稻軟盤毯狀苗的精確分割。此設備具有高效能、低噪聲及高度精確等特性,能夠顯著提升水稻的收割效果,同時也降低了人力操作的負擔,進一步提高了生產效率。工作過程中,機器通過齒輪旋轉,分離機構實現縱向運動,電力驅動傳動絲杠使得扶苗機構沿著導向光杠的方向進行橫向移動,而扶苗手則由一組齒輪控制,可同步開啟與關閉。此外,電力驅動的馬達通過鏈條的傳遞,讓齒輪軸旋轉,從而實現了扶苗的運動。最后,集苗機構由電力驅動的齒輪驅動,帶動滑輪組上下移動,秧苗盤的運動路徑則受導向光杠的控制,以確保其位置不會產生偏差。

1.機架;2.集苗機構;3.PLC控制系統;4.扶苗機構;5.分離爪;6.傳動絲杠;7.導向光桿;8.分離機構;9.扶苗手;10.滑輪組圖4 水稻軟盤毯狀苗分離機總體結構圖

5 水稻軌道運輸機械化技術

水稻在棚內被起盤后,會從秧棚轉運到插秧機上進行工作,在運輸秧苗等作業環節易造成勞動強度大、效率低等問題,使人們對運輸環節高效率、智能化的需求愈加迫切。在這一運輸過程中,秧盤損耗、資源浪費及效率降低都是不可忽視的問題。

常用的運輸機械雖可滿足稻田運輸的要求,但在水稻秧苗與插秧機的運輸過程中仍依靠人工搬運,未實現機械化作業,盡管目前市面上的運輸設備能夠很好地支持農田運輸,但由于體積較大,經常會造成田埂的損害,從而降低了農田的生產效率。為解決這一問題,需進行技術改造和設備升級,使之能夠更加高效地完成田間作業。那業偉[5]設計出一種新穎、高效、可靠,且無人操作的水稻運輸車,該機械可實現無人機的自動駕駛、遠程操作等多種功能。為了提高行進過程中的穩定性,軌道交通工具上配備了一種平衡裝置技術,它能檢測到行駛路面的傾角,如果超過10°,就會自動降低行駛速度,以防止行駛的偏離。此外,該技術還配備了一個光電開關,能夠檢測到行駛路面上30 cm以外的障礙,實施緊急剎車,以確保行駛安全。為提升水稻秧苗的運輸效率,在此款水稻運輸車的基礎上開發出了一種新技術,它可根據指令,在沒有任何外力干擾的情況下,依據特征自動識別最佳運輸路線,實現無人駕駛和自動回程,該技術可有效減少能源損失、節省時間和勞動力。

6 前景展望

從北方秧棚內的綜合生產能力看,為農業從業者提供更便捷高效的田間作業,降低運營和種植過程中的生產投入成本,提產提質增收,為種植環節降本增效。進一步完善北方棚內的機械化、智能化水平,利用現代化高新技術實現高標準、高精度、高智能,以提升經濟效益、優化產業模式、促進農機裝備產業轉型升級,將智能化設備應用到實踐中,推動水稻棚內作業機械化、智能化發展,促進人民增收,減輕農民壓力[6]。