水稻插秧机关键技术的研发.pdf

0 引言水稻是我国种植面积最大 、 单产最高 、 总产最多的主要粮食作物 ， 其常年种植面积和总产约占我国粮食作物的 28%和 40%， 种植方式主要为传统的人工插秧 。 虽然我国在 20 世纪 60 年代已开始水稻种植机械化研究 ， 对插秧机关键部件的设计与研究有所突破 ， 但使用成本高 ， 可操作性差 ， 远不及水稻生产机械化中的耕作机械和收获机械 ， 与我国经济社会的发展状况不协调 ， 严重制约了我国水稻生产的发展 ， 成为制约水稻生产全程机械化的瓶颈 ， 也限制了我国水稻生产的规模化 、 专业化 、 商品和现代化的发展 。20 世纪 80 年代后 ， 引进 、 吸收 、 消化的小苗带土宽行机插秧技术在低成本育秧技术取得突破后 ， 在单季常规稻种植地区 ， 机插秧技术推广应用有了长足的发展 。 但在水稻主产地区的双季稻和杂交稻的应用上 ， 由于水稻品种的特性决定其栽培技术的特殊性 ，有别于常规稻 ， 以致于目前所应用的机插技术尚不能适应 。 其特征为 ： 已占水稻种植面积的 55%左右杂交稻种植的关键为单本稀植 ， 要求机插定位 、 定量准确 ， 机插秧单株稀植技术亟待解决 。 双季稻的后季稻秧龄较长 、 秧苗过高 ， 移栽时已有分蘖 ； 插秧机分插机构的运动轨迹尚未适应 ， 机插秧效果不好 。目前 ， 国内尚缺少对水稻大苗 、 大株距和单本稀植机插秧关键技术的应用基础研究 ， 要解决制约水稻生产全程机械化的瓶颈问题 ， 有以下几个方面的关键技术需要进行研发 。1 稀植分插机构分插机构是水稻插秧机的关键工作部件之一 ， 从水稻插秧机问世以来一直是研究的热点 ， 机插性能主要集中在三个方面 ：一是如何保证栽插质量 。 即如何实现插秧时的秧爪轨迹和姿态 (取秧角和插秧角 )近似于人工手插轨迹 ，精确插秧 ； 如何实现分插机构工作时运转平稳 、 震动小 ， 达到不伤秧 、 不漏插 。二是立苗直 、 不松散 。 秧针及插植叉头部几何形状的设计是立苗姿态主要原因之一 ， 而分插机构插植端的入水角 、 回转时的运动轨迹应防止干涉插前秧苗 ； 浮板的尺寸 、 形体的设计对立苗姿态影响很大 ，如何实现浮板形体小 、 浮力大 、 行走时壅泥少 、 对邻行秧苗的影响小是机械设计的关键 。三是定位 、 定量准确 ， 取秧精度高 。 即机插时保持秧苗姿态 ， 正确输送 、 精确插秧 ； 实现取苗量调节手柄与送秧皮带 (齿轮 )结构连动 ， 随取苗量的变化自动调节纵向送秧量等 。国内对步行插秧机分插机构的设计与研究大多采用运动学建模与优化相结合的方法 ； 对日本的旋转式分插机构进行工作机理的研究 ， 并提出了不少改进方案 ， 在运动学特性分析研究较为充分 ， 在动力学分析方面由于数学建模的复杂性研究较少 。 要解决我国水稻种植大株距 、 大苗机插秧问题 ， 需要农机与农艺进水稻插秧机关键技术的研发朱祖良(江苏省农业机械试验鉴定站 ， 南京市 ， 210000)摘要 ： 为使水稻插秧机的运用得到进一步推广 ， 针对我国水稻种植品种多 、 产量高 、 地域差别大 、 劳动强度大等问题 ，对我国机秧插技术的应用进行了研究 ， 分析了制约我国水稻插秧机发展的主要问题 ， 阐述了当前插秧机稀植分插机构 、自动控制与监测技术 、 设计 、 开发的现状与今后研发方向 。 对加快水稻插秧机关键技术的研发步伐 ， 推动我国水稻种植机械化的发展 ， 具有重要的意义 。关键词 ： 插秧机 ； 分插机构 ； 自动控制 ； 设计中图分类号 ： 献标识码 ： A 文章编号 ： 1006009)02 论水稻插秧机关键技术的研发 J. 中国农机化 , 2009, (2): 6667, 72. 2009, (2): 6667, 72_收稿日期 ： 2009 年 2 月 18 日朱祖良 ， 男 ， 1953 年生 ， 南京市人 ， 江苏省农机鉴定站高级工程师 ； 研究方向为机械设计 。中国农机化2009第 2 期总第 222 期一 步相结合 ， 从机构工作机理的角度创新构思稀植分插机构的应用方案 ， 解决杂交稻种植中大株距 、 大苗移栽时分插机构的设计问题 ， 并采用科学的试验和检测手段进行试验分析与验证 ， 以满足 55%以上稀植插秧面积的机械化种植需要 。2 插秧机自动控制与监测技术1) 水稻生长的生物性要求是 “浅 、 稳 、 直 、 匀 ”。秧苗的 “浅 、 稳 ”， 水稻返青快 、 分蘖多 ， 根系比较发达 ， 不易倒伏 ； 秧苗的 “直 、 匀 ”， 水稻生长的通风 、透光条件好 ， 病虫害不易发生 ， 籽粒饱满 ， 能实现高产 、 稳产 。 插秧机的优势就在于浅插并插深一致 ， 但机插秧时如何去实现 ， 机械设计的关键在于插植部件的水平技术与土壤条件相适应的仿形装置 。 国内对机插秧技术的研究偏向于机械工作原理和结构改进 ， 缺少对插秧部分水平平衡控制和根据土壤条件的自动插深控制原理与技术的研究 ， 导致我国水稻插秧机的插秧精度和立苗姿态及工作适应性不如日本 、 韩国的插秧机过关 。2) 日本是水稻种植机械研发水平较高的国家 ， 在自动插深插的控制上采取了速度感应型插深自动调节机构 ， 根据不同插秧速度条件下浮板浮起高度的变化自动调节插秧深度 ； 插植部平衡控制采用了先进的 “衡装置 ， 插秧时插植部的倾斜及机身的倾斜可分别通过 “倾斜传感器 ” 和 “角度传感器 ” 来控制插植部水平 ， 并且研究人员已经开展利用卫星全球定位系统 (航的无人驾驶水稻插秧机的研究及基于机器视觉导航插秧机进行辅助驾驶的应用研究 。 导航技术在插秧机中的应用也将成为高水平水稻插秧机的发展趋势之一 。3) 解决高速乘坐式插秧机所发生的成条漏插的现象 ， 除了需要提高秧苗质量 、 规范装秧 、 提高插秧机构的分插精度外 ， 配置漏插与栽插质量的监视报警装置势在必行 。4) 乘坐式插秧机的高速不高效 ， 其原因之一是装秧辅助时间多 ， 研发插秧机自动供秧技术将有助于解决该问题 ， 提高机器适应性 、 作业质量与生产效率 。3 设计与开发平台国内对机插秧技术的设计与开发手段还较为传统 ， 很大一部分是借凭经验进行类比设计 ， 一般只进行静态分析而不注重动态特征分析 。 不像汽车制造 、工程机械 、 航空航天等工业产品应用先进虚拟样机技术进行研发 。 基于 虚拟样机技术解决方案 ， 可以较好地解决水稻插秧机复杂的机械 /液压混合设计 、 动力学分析和结构与参数优化 ， 在产品开发设计中可用于虚拟模型的验证以及对多种方案进行比较 ， 如在计算机上验证稀植分插机构 、插深自动调节机构 、 插植部平衡控制机构的工作原理与动作准确性 ， 对小田块地区的小半径转向靠行的仿真与模拟 ， 改进纵向送秧量 、 横向送秧量与秧针取秧量三者之间的协调和匹配 ， 保证各行取秧量一致 ， 使各个秧箱同时补秧 。 在秧苗几何物理的基础上 ， 利用 立其数字物理模型 ， 把该模型引入到虚拟样机软件 ， 建立水稻插秧机虚拟样机和工作对象的作用关系 ， 从而可更精确地分析插秧机的工作过程 。日本洋马乘坐式高速插秧机已经采用液压机械混合驱动的 速和 级变速器 ， 其传动效率高 、 性能优越 ， 从而使底盘行走能力得到极大提升 。另外 ， 6 行乘座式高速插秧机的销售价格比 4 行手扶插秧机价格高 46 倍 ， 但工作效率仅提高 1 倍 ， 零部件维修价格高 ， 运行成本与目前多数农村经济状况不相适应 。 针对我国国情 ， 研发配置旋转式分插机构的普通乘座式 4 行 、 6 行四轮驱动的高速插秧机 ， 性价比高 、 投资回报快 、 在经济相对比较发达 、 田块中 、小的水稻生产区都具有很大的市场潜力 。水稻插秧机的发展是实现我国水稻生产全程机械化 、 水稻生产的规模化 、 商品化和农业结构调整的重要举措 ； 是充分体现出农机与农艺相结合 、 实用高效和原始创新能力 。 插秧机稀植分插机构的作业精度 、自动控制与监测技术水平是插秧机整机质量和作业质量的技术关键 ， 对插秧机关键技术的研发将降低生产成本 ， 节省劳动力 ， 提高机器作业性能 、 可靠性和适应性 。 运用虚拟样机技术可以较好地解决复杂的水稻插秧机的设计 、 动力学分析和参数优化 ， 可大大减少研发成本和物理样机制造 、 试验的周期 ， 具有巨大的工程实用价值 ， 对我国水稻插秧机设计水平的提高有极大的促进作用 。 加快水稻插秧机关键技术的研发步伐 ， 对推动我国水稻种植机械化的发展 ， 对促进规模化生产 、 农业结构调整 、 农村劳动力转移 、 新农村建设和实现农业现代化具有重要的意义 。参 考 文 献1 朱德峰 , 陈惠哲 , 徐一成 . 我国水稻机械种植的发展前景与对策 J. 农业技术与装备 , 2007, (1): 1415.2 包春江 , 李宝筏 . 日本水稻插秧机的研究进展 J. 农业机械学报 , 2004, 35(1): 162166.3 李耀明 , 徐立章 , 向忠平 , 邓玲黎 . 日本水稻种植机械化技术的最新研究进展 J. 农业机械学报 , 2005, 21(11): 182185.4 赵匀 . 农业机械计算机辅助分析和设计 M. 北京 : 清华大学出版社 , 1998.(下转第 72 页 )朱祖良：论水稻插秧机关键技术的研发第 2 期 67学 报 , 2006, (11).14 黄少安 , 孙圣民 , 宫明波 , 等 . 中国土地产权制度对农业经济增长的影响 对 19491978 年中国大陆农业生产效率的实证分析 J. 中国