人力手拉插秧机设计（含三维SW模型）
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2004年1月农 业 机 械 学 报第3 5卷 第1期日本水稻插秧机的研究进展包春江 李宝筏 【摘要】全面论述日本插秧机的研究历程。将日本插秧机的发展划分为3个时期：实用插秧机出现前的开发期、实用插秧机普及期、乘坐式插秧机出现到高速插秧机普及期。2 0世纪9 0年代后日本水稻插秧机主要向降低生产成本，节省劳动力以及多种功能方向开展研究与推广。关键词：水稻 插秧机 日本 发展中图分类号：S2 2 3.9 1文献标识码：AResearch Development of Rice Transplanter in JapanBao Chunjiang Li Baofa（Shenyang Agricultural University）AbstractThis paper reviewed entirely the research history of rice transplanter from postwar JapanThe development of rice transplanter in Japan was divided into three periods in the paper includ-ing the initial developing period before appearance of a practical transplanter，the popularizingperiod of practical transplanter in whole nation and the period of the emergence of ride transplant-er to the popularization of high-speed transplanterAfter the1 9 9 0 s，the transplanter in Japanwas researched and developed mostly aimed to reduce production cost，work force and to implem-ent multiple functionsKey words Rice，Transplanter，Japan，Development收稿日期：2 0 0 2 0 8 0 5包春江 沈阳农业大学农业工程学院 博士 副教授，1 1 0 1 6 1 沈阳市李宝筏 沈阳农业大学农业工程学院 教授 博士生导师 引言中国插秧机研究了近5 0年，至今水稻种植机械化水平只有3.9 6。而日本自然条件、农业生产特点与我国相似，日本在对我国水稻插秧机研究的基础上，用了2 0多年的时间实现了水稻种植机械化，因此，研究日本水稻插秧机发展的历史和现状，对探索中国水稻种植机械发展道路，开发水稻种植机械具有重要意义。1 2 0 世纪 9 0 年代前日本水稻插秧机的发展日本水稻插秧机的发展经历了3个时期：实用插秧机出现前的开发期；实用插秧机普及期，乘坐式插秧机出现到高速插秧机普及期。1.1 实用插秧机出现前的开发期1.1.1 插秧机的早期开发第一个插秧机专利出现在1 8 9 8年，二战后迅速增加，1 9 6 0年超过3 0 0件。当时出现了熊冈式、菅原式、荒川式、二反田式、富士机械式、岩并式、佐佐木式、井关式等多种形式的插秧机，虽未被实用化，但成为当今日本水稻插秧机的基础。1.1.2 洗根苗插秧机商品化在日本最早商品化的插秧机是1 9 6 4年农机株式会社开发的洗根苗插秧机。其后，石川岛芝浦机械（株）、农机（株）、机械（株）等厂家也有洗根苗插秧机上市，而且拔秧机也商品化了，但因洗根苗插秧机未能提高整个插秧作业的效率而于1 9 7 0年停止生产。1.1.3 带土小苗插秧机的研究1 9 6 2年开口正夫研制出人力一行带状带土小苗插秧机，其后被工业（株）改良，生产出式人力插秧机，1 9 6 9年推广4万台以上。1 9 6 8年佐藤造机（株）制造出带土毯状小苗插秧机。该机横向送秧机构和插秧机构连动，自动将带土毯状小苗切断，强制插秧，体现了现代插秧机的基本构造。1.2 实用插秧机普及期1 9 7 0年井关农机（株）制造出2轮苗箱后倾浮筒式毯状苗手扶插秧机，它是现代2行插秧机的原型，1 9 7 1年开始上市。1 9 7 2年根据插深的需要能够自动上下调节车轮的插秧机开始进入市场，解决了手动调节的麻烦。1 9 7 2 1 9 7 3年有1 1种型号的插秧机通过农机研究所的鉴定。至此，插毯状苗、浮筒滑行、曲柄式插秧机构强制插秧的日本型插秧机被定型。1.3 乘坐式插秧机出现到高速插秧机普及期1.3.1 第一代乘坐式插秧机乘坐式插秧机的研究始于1 9 6 7年，当时在农林省农事试验场将插秧部分装载在拖拉机上进行试验。1 9 6 8年日本农机研究所进行专用插秧机的研究，将插秧部分装载在四轮驱动的车体上，试制出乘坐式洗根苗插秧机和毯状苗插秧机，1 9 7 0年毯状苗乘坐式插秧机已进入商品化。第一代乘坐式插秧机的插秧部分借鉴步行式插秧机，行走部分借鉴拖拉机技术，因此保证了插秧部分和行走部分的性能。1.3.2 第二代乘坐式插秧机1 9 7 9年至1 9 8 0年，现代乘坐式插秧机的雏形插秧机问世。插秧机头部安装一个浮筒式探测器，感知插秧深度，从而可上下调节插秧机头。1 9 8 0年后的乘坐式插秧机都是自走式的专用机，插秧部分和行走部分结构紧凑，性能提高：控制手柄单一化、转弯自动减速、插秧部分自动提升，使操作者的作业负担得到改善；安装了探测苗箱秧苗是否用完的传感器和推秧装置，改进了送秧机构和液压插深控制机构，使插秧更加可靠；在曲柄上加配重进行部分动平衡，使分插频率由2 0 0次min 提高到2 7 0次min。1.3.3 第三代乘坐式插秧机1 9 8 5年农机研究所开发了具有旋转行星齿轮式分插机构的高速插秧机。1 9 8 6年与井关农机（株）共同开发制造高速插秧机，插秧速度1.1ms，这就是现代高速插秧机的原型。该机构行星齿轮采用偏心齿轮或椭圆齿轮。偏心行星齿轮分插机构主要由齿轮箱、秧爪和旋转轴等组成。齿轮箱两端装有两组秧爪，当旋转轴和偏心轮系工作时，秧爪沿一定方向运动，形成插秧轨迹，完成分秧和插秧工作。秧爪驱动轴旋转一周，两个秧爪交替地把秧苗插入水田中，即插秧两穴。理论上在同等转速下效率为曲柄摇杆式插秧机的2倍，分插频率可达4 4 0次min。椭圆行星齿轮分插机构的工作过程与偏心行星齿轮分插机构相似，且椭圆齿轮的啮合性能优于偏心齿轮，但由于椭圆齿轮加工复杂等原因，出售的高速插秧机多采用偏心行星齿轮分插机构。1 9 8 6年以后插秧机各部分的控制机构得到根本的改进，插秧精度进一步提高，如插秧部分左右摇摆控制、速度感应型插深控制、根据水田硬度自动液压控制等。1 9 8 6年5月农机（株）开发出具有旋转滑道机构的钵苗乘坐式高速插秧机。其工作过程分为5个步骤：冲接落送插。分插频率可达3 6 0次min，行驶速度1ms。钵苗插秧特别适合寒冷地区和复种地区，受到农家的欢迎，钵苗插秧机在北海道已有5 0 的占有率。2 日本 9 0 年代开发的水稻插秧技术及机械近年来日本水稻插秧机主要向着降低生产成本，节省劳动力以及多种功能方向开展研究与推广。高速水稻插秧机发展方向是提高使用的操作性能和自动化水平，产品规格多样化，有向大型发展的趋势。2.1 节省育苗成本2.1.1 乳苗插秧技术乳苗插秧栽培技术的开发始于8 0年代前期，由日本石川县农业试验场的中谷治夫提出 1，2，代表人物今井良卫获得1 9 9 2年日本第4 7届农业技术功勋奖 3，4。农业生产工学研究会从1 9 9 0年开始利用新日铁化学（株）开发的乳苗专用石棉毯状苗，在全国范围实施乳苗移植栽培技术的实用化研究。乳苗指比小苗小、1 2叶龄的苗，一般育苗7 1 0天，苗高5 8cm。乳苗移栽优点：育苗时间短，为小苗和中苗的1 3 1 2；育苗成本降低，与小苗、中苗相比，育苗成本分别降低3 3 和4 2；乳苗胚乳残存率高达3 5 6 5，移栽后耐低温，缓苗快，低位分蘖多，同期移栽3 4周后可追上小苗；乳苗移栽水稻产量与小苗移栽大体相同，有的地区还稍高 5 1 0。乳苗插秧机是对现有插秧机的秧爪和取秧口进行改造、增大取秧量的范围、增设压苗板等，取得了良好的作业效果 1 1，1 2。2.1.2 长毯状无土培育小苗插秧技术1 9 9 6年，田坂幸平等开发了水稻无土育苗插秧技术。育苗苗床长度6m，宽度2 8cm。先在播种床上铺无纺布，然后循环供营养液，用播种机播催芽的1 6 3 第1期包春江 等：日本水稻插秧机的研究进展种子。其后用2 0 3 0 的水温管理，1 0日后育成高1 0 1 2cm、2叶龄的小苗，在无纺布下形成1 2cm毯状根须。将此苗用塑料管作芯，卷成直径为4 0 4 5cm、质量为1 0 1 5kg 的筒状苗，其质量、体积是带土毯状苗的1 5，从而提高了运苗效率。对现有的插秧机进行改进（改进栽植臂、强化送秧机构、安装筒状苗专用的载秧台等）即可制造出长毯状小苗插秧机。该机的载秧台上可同时放6个苗卷，相当于6 0盘带土毯状苗，可实现30 0 0m2地块连续插秧而无须补给秧苗。若辅助秧架上再放6个苗卷，中途由机手补给秧苗，则可插60 0 0m2地块，从而减少了辅助作业者的劳动量。产量和带土苗移栽相当 1 3 1 5。2.1.3 稀植插秧稀植插秧是将株距调到2 2 3 1cm 进行插秧。目的是节约用苗（所需苗数减半）和提高效率。稀植插秧机是将回转式高速插秧机每行的一个秧爪工作、横向送秧量减半，从而实现株距3 0cm 1 6。2.2 复合作业2.2.1 施肥同时插秧日本在8 0年代开始研究并推广施肥插秧机，至今，插秧机普遍装备侧行施肥装置。能施液状肥料的插秧机在1 9 7 5年商品化，能施粒状肥料的插秧机在1 9 7 8年由农机研究所试制，1 9 8 1年商品化。这些施肥插秧机从1 9 7 5年前后开始装备在步行插秧机上，其后才装备在乘坐式插秧机上。施肥插秧从施肥方式上可分为侧行施肥和双层施肥两种 1 7，1 8。在施肥插秧机的后部安装施除草剂设备（和侧行施肥、杀菌剂箱组合在一起），插秧的同时施肥和除草剂，制成施肥、除草、插秧复合作业机。该机可使插秧前后作业大幅度省力与省时 1 6。2.2.2 覆纸同时插秧鸟取大学津野幸人于1 9 9 1年提出再生纸覆盖水田的杂草防除法。再生纸以废旧瓦楞纸为原料，无需漂白和添加药品，覆盖田面4 0 5 0日后分解，成为土壤养分而没有回收的必要。覆盖再生纸可以抑制水田杂草被确认后，伊藤邦夫于1 9 9 3 1 9 9 4年进行了覆盖再生纸抑制水稻纹枯病的试验研究。在生产上，减少农药的用量和用药次数，结果表明对病虫草害的防治效果同常规不减农药的相当，并对产量无显著影响。1 9 9 3年三菱农机（株）研制出铺纸插秧机，生产率为0.1 1hm2h 1 9 2 5。2.2.3 覆膜同时插秧1 9 8 7年坂本真一、梅木佳良等在塑料温室内用聚乙烯塑料膜覆盖水田进行提前早稻收获期的研究。1 9 9 3年宫崎大学永田雅辉等提出将旱田覆膜技术引入水田的覆膜插秧法，并进行田间试验，确认此种方法可促进早稻初期生育，出穗期和收获期提前。1 9 9 6年永田雅辉等研制出覆膜插秧机。该机包括覆膜部分、打孔部分、插秧部分，由洋马农机（株）生产的4行乘坐式高速插秧机 RR4 0型改制而成，覆膜、打孔、插秧顺次进行 2 6 3 1。2.3 减少耕作的插秧技术2.3.1 免耕插秧8 0年代初期千叶县岩泽信夫等试验免耕插秧方法，即在未耕的水田上直接插秧，9 0年代在全国试验推广。三菱农机（株）、农机（株）先后推出免耕插秧机。免耕插秧机是在现有的插秧机栽植臂前方安装开沟器（凸缘锯齿形园盘式或旋耕刀式）。作业时，开沟器先开出深4 0 5 0mm、宽1 5mm 的沟，然后栽植臂将秧苗插入沟内 3 2。免耕水田，土壤氧化性好，团粒结构作用强，腐殖质逐年增加，水中分解的有机物丰富，藻类繁殖旺盛，水栖动物多，水稻的天敌也增多。连续多年免耕的水田，地力逐年增加，施肥量和施药量逐年减少。免耕插秧的特点：稻茎又粗又短、抗倒伏；株形紧凑，采光好；稻根粗壮、洁白、数量多、活性强；成熟期的下位叶枯萎少，穗大、齐整，但穗数少，产量与耕耙地移栽的水稻相当，有的还略高；稻米食味好，污染少，成本低，为发展有机农业开辟了新的途径 3 3。2.3.2 部分耕同时插秧农业研究中心1 9 8 8年开始研究部分耕插秧机，并与石川岛芝浦机械（株）共同研制出部分耕插秧机 3 1，3 3。该机悬挂在拖拉机后面，动力由拖拉机动力输出轴供给旋耕部分和插秧部分。旋耕装置在苗带位置耕出宽1 0cm、深1 0cm 的苗床，浮筒将耕过的土壤表面拖平，然后由栽植臂进行插秧，同时侧行施肥 3 4。部分耕插秧与传统的插秧相比，可简化田间作业工序，节省5 0 的劳动时间，减少用水量和油料消耗，降低水稻生产成本，而产量不减。2.3.3 全面浅耕与部分耕同时插秧部分耕插秧机因作业速度低（0.3 0.4ms）、稻田易生杂草等问题而改良为耕耘插秧机。旋耕装置和插秧部分直接搭载在拖拉机上，用旋耕刀全面浅耕2 3cm 的土层，在苗带位置耕出深8cm、宽1 0cm 的苗床，然后由栽植臂进行插秧，即全面浅耕与部分耕插秧，也可同时侧行施肥。耕耘插秧作业是插秧的当天往田里灌2cm 深的水，然后即可在未耕的稻茬或麦茬地里进行，耕耘插秧机作业速度可达0.5 0.7ms 3 3，3 5。2.3.4 不耙地插秧日本于1 9 8 4年开发了不耙地插秧技术。其特点1 6 4农 业 机 械 学 报2004年 是使用双轴旋耕机一次完成耕、耙作业，作好插秧的土壤准备。双轴旋耕机前后有2个旋耕装置：前一个旋耕装置进行通常的旋耕作业，完成土壤的耕翻、碎土；后一个旋耕装置，耕刀短、旋转半径小，反转旋耕，进行表层土壤的细碎和平整。旋耕机的碎土率高，2cm 以下的土块可达到7 7，碎土效果及对田面的平整程度都达到插秧的土壤要求。为提高插秧精度，双轴旋耕机作业后要马上往田里灌水，以便沉淀泥土。插秧时需要再次灌水，插秧深度要比通常深2 5 3 0mm。双轴旋耕机作业过的水田，透水性好，有利于改善粘质土壤的透水性及水旱田轮作。不耙地插秧与常规插秧相比，生长后期稻根活力强，出穗早，有效茎的比率高，成熟时期的稻株茎短，抗倒伏，两者产量相当。2.3.5 浅耕不耙地插秧浅耕不耙地插秧，即用浅耕旋耕机耕耘78cm，插秧5 6日前灌水，然后用插秧机栽插钵苗。浅耕不耙地有如下优点：犁底层平坦，提高作业效率；耕层土壤氧化性好，根部土壤含氧量高、肥料浓度大，促进水稻初期生长；水温、地温高，透水性好，水稻生长旺盛；稻根粗壮、洁白、数量多、活性强；稻米食味好，污染少，成本低。近年来三菱农机（株）、井关农机（株）开发出浅耕不耙地并同时插秧的机具，碎土耙配置在分插机构前方，实现碎土耙地和插秧的复合作业，节省劳力3 0 1 6。2.3.6 干田插秧技术适合免耕或不耙地插秧的水田，在入水前插秧然后灌水的方法称为水稻干田插秧技术，1 9 9 2年农业研究中心开始研究此项技术。他们对部分耕插秧机和耕耘插秧机进行若干改造，主要是加装秧爪清洗装置，实现了干田插秧。此项技术与常规插秧相比，省略耕和耙作业；与免耕插秧相比，抑制杂草效果好；与灌水后进行耕和插秧的部分耕插秧和耕耘插秧相比，机体的行走稳定性高。该机水陆两用，适合不同的土壤条件。2.4 特殊形式插秧机 1 62.4.1 锯齿形密植插秧机锯齿形密植插秧机能将每盘苗顺次左右两边取苗插秧，实现秧苗在田间锯齿形分布。这样在保证秧苗株距的同时进行密植，不会引起生育竞争，产量能增收1 0 左右。2.4.2 四方形排列插秧机前一行程插的苗与后一行程插的苗在横向上成排，即井字形排列。这样通过传感器检测秧苗、微型计算机控制插秧驱动轴变速机构实现横纵两个方向机械除草。生研机构（原农机研究所）正在与工厂共同开发四方形排列插秧机。2.4.3 单株苗插秧机单株苗插秧机是将在特殊形状的氨甲酸酯板上播一粒稻种育成的无土栽培苗连同氨甲酸酯板一起切取一株进行插秧的专用插秧机，该机正在研究开发中。2.4.4 折叠式插秧机作为实现稻作低成本的手段，最近日本政府方面提出水田大区划的构想，与此对应，插秧机开始向大型化方面发展，1 9 9 6年研制出8行折叠式插秧机。折叠方式有两种，一种是插秧部分对分成两部分，称为中折式；另一种是将插秧部分6行分成3个部分，称为两端折叠式。2 0 0 1年研制出1 0行插秧机，作业速度0.91.1ms，平均作业效率达到0.5 2hm2h 3 6。2.4.5 无人驾驶插秧机农林水产省农业研究中心1 9 9 9年开发了利用卫星全球定位系统（GPS）导航的无人驾驶水稻插秧机。在插秧机上搭载 RTKGPS（计量误差2cm）和FOG 式姿势测量仪，接收人造地球卫星发送的信号。由于地表不平，GPS 天线随插秧机摇晃幅度达2 0cm。为解决此问题，在插秧机上安装动态补正传感器，使重心位置测定精度为4cm。该机在无人驾驶下，以0.8ms 的速度进行作业，每排秧苗间的行距误差在8cm 以内，满足有人驾驶插秧作业走直误差1 0cm 的要求，达到世界最高水平 3 7。3 结束语纵观日本水稻插秧机的发展，充分体现出农机与农艺相结合、实用高效和重视原始创新。中国水稻种植机械几十年仍停留在独轮拖板式，缺乏技术创新，在这点上我国应总结经验，既要学习先进技术，又要重视原始性创新，只有消化吸收国外技术，同时注重农机与农艺相结合，才能研制出农民在价格上能承受、在性能上认可的适用水稻种植机械。近年来日本水稻插秧机向着降低生产成本，节省劳动力以及多种功能方向开展研究与推广，特别是减少耕作插秧技术、稀植插秧技术和钵苗插秧技术值得我们借鉴。此外，日本水稻种植机械化之所以发展很快，这与1 9 5 3年日本政府颁布“农业机械化促进法”有很大的关系，在这方面，我国政府应加大对农民的购机补贴和扶持力度，增加农民收入，加快劳动力转移，促进中国水稻种植机械化的发展。1 6 5 第1期包春江 等：日本水稻插秧机的研究进展参考文献1 6 6农 业 机 械 学 报2004年
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