水稻秧盘育秧流水线自动叠盘装备现状与展望

陈林涛，马 旭，齐 龙，鹿芳媛，孙国栋，陈桂生，谭永炘

(华南农业大学 工程学院，广州 510642)



水稻秧盘育秧流水线自动叠盘装备现状与展望

陈林涛，马 旭，齐 龙，鹿芳媛，孙国栋，陈桂生，谭永炘

(华南农业大学 工程学院，广州 510642)

水稻工厂化秧盘育秧播种流水线主要由供盘、铺底土、压实、精密播种、淋洒水和取叠盘等装备组成。由于我国现阶段对工厂化育秧设备研究薄弱，关键技术有待突破，国内的流水线在播种后取叠盘主要由人工逐个取盘，不仅劳动强度大，容易造成疲劳，还制约着工厂化育秧的生产效率，故秧盘自动叠盘装备对提高流水线自动化程度、降低劳动强度和提高效率等方面具有重要作用。为此，综述了国内外自动叠盘技术与装备的现状，分析了现有自动叠盘装备的工作原理，指出了现行装置中关键部件存在的不足，提出了水稻秧盘育秧流水线自动叠盘装备今后的发展趋势，指明可靠性高、适应性强、符合轻简栽培技术要求、能实现自动智能检测与控制是自动叠盘装备的主要发展方向。

水稻育秧；播种流水线；自动叠盘；软硬秧盘；智能化

0 引言

水稻是我国三大主要粮食作物之一，是单产和总产最高的粮食作物，稻米是全国60%以上人口的口粮。我国水稻常年种植面积约3 000万hm2，占全国粮食种植面积的27%，占世界水稻种植面积20%；全国水稻总产量约2亿t，占全国粮食总产量的34%，占世界稻谷总产的35%，居世界第一。由此可见，水稻在我国粮食生产中占有十分重要的地位[1-3]。

随着经济的发展，农村产业结构不断调整，大力推进水稻生产机械化是解决水稻生产劳动力短缺、实现水稻生产节本增效的有效措施[4]。水稻机械化育插秧技术是水稻栽植机械化的核心，而育秧技术是实现农机与农艺相融合的关键之举。目前，我国水稻机械化育秧技术主要采用秧盘育秧方式，包括工厂化育秧和田间育秧两种形式。近年来，为满足农业生产需要，推进粮食生产，水稻工厂化育秧技术日益成熟，应用也在不断发展和推广，已经成为水稻机械化生产过程中的重要环节。

水稻工厂化育秧工序主要包括秧盘供送、铺底土、底土压实、精密播种、覆表土、淋洒水及自动取叠盘等。为此，设计出性能完善、质量可靠、高效自动化的机械装置是水稻工厂化育秧技术与装备推广实施的重中之重。其中，研制的水稻育秧播种流水线自动叠盘装置，可一次性搬走一定数量的秧盘，免去工人逐个取盘的繁琐工作，明显降低了劳动强度，提高了水稻育秧播种流水线作业效率。

本文参阅了国内外的自动叠盘技术资料，研究了当前叠盘装备的应用现状，阐述了现有自动叠盘装备的工作原理，指出其现存的不足之处，并对今后国内水稻秧盘育秧流水线自动叠盘装备的研究方向提出了建议，以期为相关设备的研制提供参考。

1 国外研究现状

目前，水稻种植技术主要有两种：水稻直播和育秧移栽[5-6]。欧美和澳大利亚等国家的水稻种植方式以直播为主，研制的水稻秧盘育秧播种设备比较少，播种育苗流水线多用于蔬菜、花卉等作物的种植生产[7]。

意大利研制的阿尔法型滚筒式全自动穴盘播种机、荷兰Visser公司和Flier Systems公司研制的蔬菜精量播种自动化生产线(见图1)均配备有自动叠盘装置，苗盘经过流水线播种和淋水后，穴盘叠垛装置将苗盘堆叠。该叠盘装置机构精密，可适用不同大小的苗盘，人工需求量少，劳动强度低，整机效率高达1 000盘/h以上，但设备规模大、价格较高。

此外，澳大利亚、美国等国家蔬菜种植也均采用全套流水线进行播种育苗。目前，已有多种播种流水线被广泛应用，如B1ackmore Systerm、Marksman、Speed1ing Systerm、Hamilton等机型，其共同特点为：作业质量较好，功能全，自动化程度较高[8-9]。

图1 荷兰蔬菜精量播种流水线Fig.1 A accurate vegetable sowing line

在园艺温室自动化生产装备系统方面，荷兰采用现代工业自动化技术(如应用内部物流技术、电子技术、计算机管理技术及信息技术等)，实现了盆花基质装盆、种苗移植、盆花搬运、灌溉、疏盆、盆花分级、成品包装等一系列自动化作业[10-11]。在苗床自动化搬运方面，利用盆花装床机、输送轨道、驱动机构和检测系统可对苗床堆叠后进行双层输送，大大提高了生产效率，减轻了人工作业的劳动强度，实现了自动化、智能化生产。图2是双层苗床自动搬运作业的相关设备。

图2 苗床自动化搬运作业过程Fig.2 Automatic seedling bed transporter

荷兰生产苗床自动搬运装备的公司很多，如VISSER国际贸易与工程公司、CODEMA集团公司及KG系统公司。其中，CODEMA集团公司苗床搬运系统形式多样，技术较为全面，其温室盆花苗床物流化自动搬运装备系统已被中国天津滨海国际花卉科技园区股份有限公司等知名企业引用[12]。虽然欧美发达国家的流水线作业设备的研究主要用于蔬菜和园艺设备中，但相关技术为自动叠盘装备的设计提供了参考。

亚洲国家的水稻种植方式通常以移栽为主，韩国的育秧技术水平与日本接近。20世纪80年代，日本的育秧和插秧机械已基本实现系列化和标准化。井关、久保田、日清、三菱等株式会社[13-15]都设计开发出育秧播种设备，室内成套水稻育秧设施完善、规模大、自动化程度高，其相关水稻工厂化育秧流水线如图3所示。

图3 日本水稻工厂化育秧流水线Fig.3 Japanese rice seedling factory line

目前，日本的一些农机公司也公开了若干自动叠盘装置的专利产品。例如，久保田公司研制的S-ST系列自动叠盘装置和洋马公司研制的YAS系列自动叠盘装置，如图4所示。这些装置的执行机构具有精密化和多样化特点，作业效率可达1 000盘/h以上；但由于整套设备进口成本高，未见引进应用。

图4 S-ST型自动叠盘装置Fig.4 S-ST automatic tray stacker

2 国内研究现状

我国水稻种植主要采用育秧移栽的方式，只在少数地区采用直播方式[16]。近10年，华南农业大学、江苏云马农机制造有限公司及台州一鸣机械设备有限公司等单位对水稻精密育秧流水线进行了相关研究，不断涌现出简单、实用的工厂化育秧流水线设备。以前秧盘育秧流水线的核心技术集中在精密播种环节，而今除播种器的精量排种外，播种洒水后的秧盘能否高效整齐地叠放也是研究的重点[17-18]。

目前，自动叠盘装备主要应用台湾地区亦祥企业有限公司研制的气动式叠盘机和台州市一鸣机械设备有限公司研制的苗盘叠盘机。图5是台湾亦祥企业有限公司研制的三大牌育秧机自动计数与叠盘装置。该装置利用气缸提供动力进行叠盘作业，其利用接近检测开关、搁板、控制阀门和升降气缸等装置进行秧盘自动收集和叠盘。整个装置反应迅速，收盘及时有序，叠盘快速，节省了劳动力；但存在价格昂贵的缺点，加之气动冲击较大，该装置只用于硬秧盘的叠盘作业。

图5 台湾三大牌育秧机叠盘设备Fig.5 Taiwan Sanda tray stacker

图6是浙江省台州市一鸣机械设备有限公司研制的苗盘叠盘机[19]。该设备主要包括机架、升降机构、秧盘顶持装置及秧盘感应装置，利用感应装置控制升降机构的动力装置，动力电机驱动升降机构进行秧盘堆叠作业。升降装置为X式的升降架，结构设计合理，简单可靠，工作时秧盘能平稳升降；但装置局限于硬秧盘作业，未见其应用于软秧盘作业，且作业效率有待提高。

华南农业大学马旭[20]等设计了一种水稻秧盘自动叠盘装置。水稻秧盘育秧精密播种流水线的自动叠盘装置主要由空气压缩机、秧盘输送机构、秧盘升降机构、土壤防漏机构、电控箱、机架及电机等组成，如图7所示。工作时，该装置利用接近开关检测秧盘信号，通过PLC控制秧盘升降机构升降秧盘来实现软盘(含托盘)或硬秧盘的快速自动叠放，利用土壤防漏机构的盖板防止秧盘内土壤在叠盘过程中发生侧漏。整个装置反应迅速，叠盘有序，适合软、硬秧盘使用，且增设了土壤防漏机构保证了秧盘内种子分布的均匀性。该设备对提高水稻秧盘育秧精密播种流水线的生产率及减轻劳动强度具有实际意义。

1.机架 2 动力装置 3.拉杆 4.升降架 5.盘架 6.活动顶刀 7.秧盘 8.防撞片图6 台州市一鸣机械设备叠盘机Fig.6 A tray stacker

1.导向板 2.橡胶滚轮 3.盖板 4.土壤防漏机构 5.盖板升降气缸 6.盖板电磁阀 7.秧盘升降机构 8.滑轨 9.接触板 10.机架 11.空气压缩机 12.接近开关 13.气源处理件 14.秧盘升降气缸 15.叠盘电磁阀 16.电机M1 17.电控箱 18.电机M2图7 自动叠盘装置结构示意图Fig.7 A automatic tray stacker

重庆市农业科学院高立洪等人设计了一种机械式秧盘叠盘机[21]，结构如图8所示。

1.机架 2.主动皮带轮轴 3.从动皮带轮轴 4.链轮 5.皮带轮 6.输送皮带 7.凸轮轴 8.凸轮 9.电磁离合器轴 10.电磁离合器 11.从动链轮 12.凸轮主轴 13.从动传动链轮 14.秧盘导向立架 15.秧盘支撑杆 16.转动盘 17.秧盘支撑轴 18.回位弹簧图8 秧盘叠盘机Fig.8 The tray stacker

工作时，利用传感器、凸轮轴的旋转、秧盘支撑杆及挡板的相互配合机械作用进行叠盘。

浙江理工大学研制的拨轮式秧盘叠盘机如图9所示。其利用前后拨轮上边轴的同步转动实现叠盘作业[22]。工作时，对秧盘的冲击较小，避免了叠盘过程中对已经播好种子位置的移动，保证了秧盘内种子的分布均匀性。此发明结构简单，但未见应用。

图9 拨轮式秧盘叠盘机Fig.9 The tray stacker

综上所述，上述机型都能实现秧盘自动叠放的功能，且不同原理的叠盘装置适用的秧盘品种和生产率也不同[23-25]。国外和我国台湾的产品，大型精密，生产率高，技术比较成熟，但价格较贵，适应的秧盘单一，只在少数规模较大的育秧公司引进，没有得到广泛应用。国内，其他部门研制起步较晚，虽然提出了一些不同的叠盘方法，但机器的可靠性和对秧盘的适应性及智能化程度有待提高，尤其是国内的秧盘种类繁多，现有叠盘装置大多只适用于单一型式的秧盘，需要继续改进与开发。

3 发展趋势

3.1 适于水稻轻简栽培技术的软、硬秧盘自动叠盘技术与装置

水稻轻简栽培技术[26-28]是指比传统的水稻栽培有显著的省工、省力、节本、增效的水稻栽培技术。当前国内工厂化水稻秧盘育秧从轻简化栽培种植技术出发，主要趋向使用软秧盘降低育秧成本，达到节本增效的目的，但市场上现有的自动叠盘装置中，主要应用于硬秧盘叠盘，叠盘应用范围过于单一。因此，设计出能适应软、硬秧盘通用的自动叠盘装置是今后叠盘技术的重点发展方向之一。目前的叠盘机主要采用气动和机械结合的原理进行叠盘作业，而气动原理叠盘过程中振动和冲击较大，对于软秧盘自动叠盘容易造成托盘与软盘脱落，影响整个叠盘系统的稳定性，所以需要开发振动和冲击小的平稳自动叠盘装置，以实现软、硬秧盘的自动叠盘。

3.2 可靠性高、适应性强的自动叠盘原理与技术

现行的大多数硬秧盘叠盘装置的工作原理主要是利用秧盘两侧的凸起翻边，夹持驱动实现对秧盘的堆叠和放盘，这样对用过的变形旧秧盘适应性差，可靠性低，需要研制新工作原理的叠盘装置，来保证叠盘操作的可靠性和适应性。例如，改变凸起翻边驱动为托秧盘底部驱动，或强化现有秧盘凸起翻边强度及改变结构型式。另外，我国使用的秧盘种类繁多，新的叠盘原理应能适用多种类型和新旧秧盘使用，具有较强的通用性。

3.3 工厂化育秧中心的智能化秧盘输送技术与装备

随着我国农村经济的发展和农村劳动力的减少，最近几年农村涌现出大量的龙头企业、农村专业合作社和种粮大户，在部分地区水稻育秧已开始逐步向工厂化育秧中心发展。因此，水稻育秧生产也会向蔬菜、花卉一样，向苗床智能自动化搬运和检测系统等方向发展。设备中将采用智能程度高的检测和诊断系统(如对已变形秧盘自动识别检测与剔除系统，以及系统的故障自诊断技术)，将大大提高了生产效率，减轻人工作业的劳动强度，实现了自动化、智能化生产，保证秧盘高效可靠输送作业[29-35]。

4 结束语

我国水稻种植面积大、区域广，各地区经济发展也不平衡，秧盘育秧的条件差异较大，在实际生产中应因地制宜选择水稻育秧播种技术与装备，并对现有设备加强改进与优化，完善育秧体系，使所育秧苗与移栽机械相配套[36-38]。随着水稻品种的变化及我国农村体制的改革与发展，水稻育秧机械化将朝着集中化、轻简化、自动化和智能化的方向发展。

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Research and Prospect of Automatic Tray Stacking Device of Rice Precision Seeding for Nursing Seedlings Pipeline

Chen Lintao, Ma Xu, Qi Long, Lu Fangyuan, Sun Guodong, Chen Guisheng, Tan Yongxin

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

At present,taking trays out from the rice nursery seedling planter is carried out by manual working, which is labor-intensive and inefficient, and some of the tray stackers existing now can somehow realize the function of automatic stacking, but most of them are inefficient and have a poor intelligence. Based on reviewing the research domestic and overseas of automatic tray stacking device and technology, this paper analyzed the shortages of existing automatic tray stacking devices, and summarized the types and characteristics of the automatic tray stacking techniques. This paper pointed out that the automatic tray stacking equipments develops in a direction of intellectualization and with hard and soft tray, with high-speed to increase the efficiency.The automatic tray stacking device can play a more important role in rice nursing seedlings pipeline.

rice nursing; seedlings pipeline; automatic tray stacking; hard and soft tray; intellectualization

2016-04-26

广东省科技计划项目(2014B020207002)；公益性行业(农业)科研专项(201203059)；现代农业产业技术体系建设专项研究(CARS 01 33)

陈林涛(1993-),男，云南玉溪人，硕士研究生，(E-mail)1574287180@qq.com。

马 旭(1959-)，男，沈阳人，教授，博士生导师，(E-mail)maxu1959@scau.edu.cn。

S233.2

A

1003-188X(2017)06-0260-05