现阶段插秧机的主要特点及研究进展

　　引言
　　
　　2011 年，我国城镇化率达到 51． 27% ; 2012 年，达到 52． 57% ; 2013 年，中国城镇化率竟高达 53． 73% 。

　　我国农村劳动力持续下降，且由于我国耕地面积有限，生产技术相对落后，病虫害及气候原因等影响，如何保证粮食供给、避免粮食危机成为亟待解决的问题。水稻约占我国粮食总产量的 40% ，是我国第一大粮食作物，提高其机械化生产程度意义重大。

　　插秧机作为水稻机械化生产过程中的重要产品，能在品种、气候、栽培技术及克服自然灾害等条件相对稳定情况下，进一步提高水稻劳动生产率及水稻综合生产能力。而在机插秧技术相对成熟的国家，插秧机的品种及品类则相对成熟。现阶段，国内外对插秧机产品的研究主要为独轮乘坐式插秧机、手扶步进式插秧机及乘坐式高速插秧机3 大类。本文论述了现阶段这 3 类插秧机的主要特点及其技术适用范围; 国内外主流插秧机各自主要存在的不足和问题及机插质量不高原因分析; 最终对插秧机的发展趋势研究方向进行分析和论述。

　　1 国内外发展动态

　　20 世纪 80 年代末，日本水稻种植机械化达 98% 。

　　韩国、美国、意大利等国家的水稻生产机械化水平也达到 97% 以上。多年来，水、旱田栽植机械高端技术分别被日韩及欧美垄断。其中，日本、韩国以育苗机械移栽为主，即主要利用插秧机、抛摆机、喷苗器等设备，是将适龄秧苗按农艺要求和规范，移栽到田间的一种水稻栽培方式。通常机械移栽主要是指机械插秧。欧美国家则多见机械直播方式，有旱整地旱直播、水整地水直播、旱整地水直播等播种方法，且较适合粳稻和早稻品种。因为直播不需要育秧，简化了农艺流程，且秧苗分蘖成穗率高、总穗数多、生育期短，做好除草防害防倒伏后，利于增产。由于移栽机械属于复杂精准动作农业机械，研究难度大，传统研究方法周期长，成功率也较低。

　　近年来，国内开始出现理论研究与计算机技术相结合。在理论创新和方法创新基础上，通过建立栽植机械创新优化设计平台等先进方法，大大缩短了研发周期等先进进展。2008 年，由我国水稻所自主研发的水稻钵苗机插技术，采用钵形毯状秧盘育秧，秧盘上的秧苗呈上毯下钵，根部被一格格分开。其不仅可以做到定量、定位按钵取秧，且培育出的秧苗综合素质好，克服了毯苗机插技术取秧不均、伤秧伤根严重、漏秧率高及插后返青慢等问题［4］。伴随着双膜育秧、软盘育秧、拌浆育秧、机插旱育秧等技术兴起，国内水稻插秧机产品更接近实际生产，可靠性及经济性都得到提高。

　　1． 1 国内水稻插秧机产品现状国内自引进日韩技术以来，企业和农机研究所等加快了自主产品的研发。相比前期国内产品呈现的整体实力不强、产品差异化、系列化程度不高，核心部件仍需进口及产品技术集中度不高等现状，已获得进展。

　　现技术较成熟产品以独轮乘坐式为主，常见的 6行机，行距在 200 ～ 300mm 可调。一般株距在 120 ～220mm 范围内分几档可调，性能及稳定性均能满足主流需求，如春苗 2ZT － 9356B 型、华裕 2ZB － 630 型独轮乘坐式水稻插秧机等。而因手扶式利润相对较低，且效率偏低，较后出现如碧浪 2ZF －430 型、富来威 2Z－ 455 型、富尔代 2ZS － 4A 型、潍泰 430 型等手扶式四行插秧机产品。乘坐式高速插秧机因结构系统复杂，科技含量高，产品研发难度大。后期才出现如现代农装公司的 2ZG630A 型、碧浪 2ZG630A、2ZG824 型等乘坐式高速插秧机，以及常州亚美柯机械设备有限公司生产的国内最先进的 2ZB － 6( RX － 60AM) 型钵苗乘坐式高速插秧机等产品。

　　近年来，农艺专家多年来提出的宽窄行插秧，具有避免病害、提高产量、减少倒伏的优点; 但由于没有宽窄行插秧机而只能采用人工拉线插秧。为此，赵匀［5］、武传宇等人的项目组发明的多种形式的宽窄行插秧机［6］，在不改变秧箱以及育秧装置的前提下，实现了宽窄行的秧苗栽插，利于推广，属国际首创，有较大自主创新; 而其旱地全自动取出式钵苗移栽机［7 －8］，解决了移栽机创新的瓶颈即自动取苗机构。其利用高阶变形非圆齿轮行星系结构［9］，实现了机械式自动取苗的“鹰嘴型”理想轨迹，优化创新效果突出。另外，其水、旱田全自动顶出式钵苗移栽机［10 －11］，发明了各种全自动顶出式钵苗移栽机构，具有钵盘连续运动、效率高及不存在伤秧问题等优点。上述产品，多已授权国际专利及国家发明专利等，显示了近年来国内插秧机产品研发实力。

　　总体来说，国内插秧机产品研究各品类均有自主技术，基本上能够满足大多数生产需求，技术实力正不断加强。特别是乘坐式高速插秧机，采用技术创新，新结构、新工艺，增添新装置、新功能。同时，出现了技术迁移型的新兴产品，可满足更高要求的实际生产使用需要，扩大其应用范围等趋势较为突出。

　　1． 1． 1 独轮乘坐式插秧机国产独轮乘坐式插秧机是技术力量较为集中的类型产品，继承了国内 20 世纪60 年代起的研发基础，吸取日本插秧部件特点。其行走采用单轮驱动和整体浮板组合方式，陆地运输时加装 2 个尾轮，具有结构简单、操纵轻便、转弯性能良好等特点，一般可分为普通型和快速型。

　　普通型插秧采用分置式曲柄连杆机构。此类型独轮乘坐式插秧机，插秧行数多为 6 行，作业幅宽 1． 8m，配套 2． 94kW 左右，作业效率 0． 13 ～0． 20 hm2/ h。

　　快速型插秧机采用回转式插秧机构，取秧深度 8～ 16mm、适应泥脚深度 10 ～ 30cm，作业效率提高至0． 2 ～ 0． 4hm2/ h。其他参数与普通型类似，多数产品为 6 行或 8 行。

　　由于其舒适性优于手扶式，价格远低于高速乘坐式，外加政府购机补贴，有一定性价比，因而一度成为国内重要产品机型。前期吉林延吉公司的“春苗”2ZT系列、潍坊禾田农业装备公司的福禾 2Z － 6300 型等较优; 后期出现配备 3． 68 kW 柴油机的液压过梗机型，动力强劲、操作灵活、过梗轻松。例如，潍坊泰山厂生产的 2Z － 6300BG2 型乘坐式液压过梗型水稻插秧机等，属同类产品中的差异化产品; 潍坊潍佳农业装备公司生产的潍佳牌 2ZK － 630/8300 型插秧机，采用先进的非圆齿轮行星轮系双分插机构，分插频率提高较大，振动相对减少［12 －14］; 还有针对特殊泥田的、适应深泥脚设计的插秧机产品等［15］。

　　1． 1． 2 手扶步进式插秧机手扶步进式插秧机多采用两轮汽油机驱动，并配有仿形平衡浮板、曲柄摇杆式插秧机构，4 行 300mm行距居多; 也有适合丘陵山区作业的 2 行手扶式等机型，配备单缸小型汽油机。其具有转弯半径小、作业灵活、适应性强等优点; 田角地头均可栽插，一人即可完成作业，适于小田块作业，且具有适宜农时，整地后不需沉淀等特点。

　　目前，国内较先进的当属碧浪、松原丰谷农机等的 2ZF －430 型手扶插秧机，特点是具有左右平衡功能( TBS 液压系统) ，整机水田通过性、适应性较高，精密切块技术确保了插秧均匀度，液压升降自动仿形装置控制了插秧深度，可避免壅塞。

　　另外，利用变形椭圆齿轮具有非匀速传动且传动比调节范围大特点，设计出的具有变形椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构的手扶步进式插秧机，可形成尾部具有环扣的静轨迹，其插秧穴口更小、更有利于保证秧苗的直立性［16 －18］。

　　近年来，新产品出现较快: 如江苏隆庆公司的新洋 2ZS － 4A 型，采用星辊式 2 段秧苗移送机构、胶带送秧机构新技术，作业轻便、效率高; 宇成公司的禾缘2ZS － 466A 型等，采用前置式往复滑杆、凸轮联动纵向送秧机构，具有秧苗送给精准的特点。这些产品插秧效率相差不大，但技术偏重却不尽相同。

　　1． 1． 3 乘坐式高速插秧机乘坐式高速插秧机产品整体特点是作业效率高，舒适性、可靠性及自动化程度均最高。近年来，多数产品开始出现差异化改进: 如加装弥雾机，节省动力，提高效率; 部分产品配置有直播、除草、开沟、施肥、施药、铺纸及免耕等部件，实现了复合作业，一机多用;甚至出现了搭载旋耕机的枪管式水稻直播机等产品［19］。

　　目前，国内产品主要有以下几类代表机型: ①碧浪 2ZG630A 型乘坐式高速插秧机。配备动力最大13． 4kW，旋转式强制插秧，插秧深度 10 ～ 40mm，采用静液压无级传动变速装置( HST) ，液压助力转向，作业效率为 0． 2 ～ 0． 53hm2/ h。②雷沃谷神 2Z － 6G 型等雷沃 2Z 系列乘坐式高速插秧机。该类产品采用电启动汽油机动力，配备 HMT( 液压机械无极变速装置) 变速箱［20 － 21］，操作简单、构造先进、送秧胶带较长，送秧可靠，作业效率为 0． 33 ～ 0． 6hm2/ h ( 部分 已停产) 。

　　③科利亚 2ZK － 6 型乘坐式高速插秧机。特点是转向灵活、性能稳定、噪声小、仿形效果好、秧苗适应性强及维护保养简单，作业效率 0． 27 ～ 0． 53hm2/ h。④富来威 2ZG －6DK 型。采用 TBS 自动平衡装置，具有插秧效果好、稳定性高及田间作业快捷高效等特点。

　　由上述产品特点不难看出，国内乘坐式高速插秧机产品实力正在完善。技术型产品的涌现，更是针对我国农业情况，兼顾了产品的适应性、舒适性、经济性等因素，在提高生产效率的同时，正成为国内插秧机产品的主力机型。

　　1． 2 国外水稻插秧机产品现状国外插秧机产品研究起源早、技术强，配套研发成熟，机型先进丰富。以邻国日本为例，早在 20 世纪80 年代中期，便研制出具有旋转行星齿轮式分插机构的高速插秧机。其为现代乘坐式高速插秧机雏形，理论分插频率可达 440 次/min; 同一时期又开发出，适合寒冷复种地区的具有旋转滑道机构的钵苗乘坐式高速插秧机，分插频率可达 360 次/min 等。目前，对于分插机构的参数优化，则可利用“试凑法”和基于运动学目标函数优化方法等来提高分插机构优化设计效率，提高分插频率，进一步提高栽插效率。

　　发展至今，国外手扶步进式和乘坐式高速插秧机技术实力突出。手扶式主要产品有: 久保田的 SPW －48C 型，井关的 PC6 型，东洋的 PF455S 型等。这 3 类机型分别配备了 2． 57kW、3． 2kW、2． 3kW 动力，采用曲柄摇杆式、曲轴式等插植方式，多配置有准确插秧的插植爪、振摆传感式自动水平装置、取苗量和插植深浅调节装置等，行距均为固定 300mm。

　　而其乘坐式高速插秧机产品主要有久保田的 SPU－ 68C、SPD － 8 型，前者为 7． 7kW 功率，水冷 4 冲程 2气缸 OHC 汽油发动机，作业效率 0． 53 hm2/ h 的 6 行机，后者为 14． 7kW 的水冷柴油发动机，旋转式强制插秧，0． 8 hm2/ h 效率的 8 行机。井关的 PG6 型为 7 /9． 9kW( 额定 / 最大) 的风冷 OHV 汽油机 ( 连续作业无高温) 动力，单回转臂双插秧爪机构的 6 行机。洋马的VP6、VP8D 型，采用 7． 7kW 风冷汽油机动力，机械仿形旋转式插植系统的 6 行机; 配备 14． 7kW 动力，回转插秧机构，速度感应型方向盘的 8 行机。东洋的 P600型，则是采用自动液压仿形装置，多见配合软盘、双膜育苗的毯状秧苗的机型等。上述产品的配置参数较接近，技术特点却不尽相同，性能和质量等多方面领先于国内产品。

　　2 水稻插秧机存在的问题

　　由于需要满足不同地区的耕种环境、气候特征、农艺特点及购买需求等情况，插秧机产品逐渐形成了现在的分类。但不同种类产品仍然各自包含一些问题，机插质量有高有低，适用特征明显，就单一产品的适用性、实用性等还不能完全满足不同层次实际生产的需求。

　　2． 1 独轮乘坐式插秧机问题独轮乘坐式插秧机虽然结构紧凑、乘坐舒适，但由于其独轮驱动加拖板底盘设计，可靠性较低，表现出适应性较差、过埂能力弱及不具备仿形功能的缺点; 且田地预整不足时，易出现漂秧漏秧现象，需进行人工补插，增加了额外劳动; 而很难体现插秧机高速插秧优势，容易出现壅泥下陷、转弯半径大等问题。

　　这些问题造成插秧质量不稳定，影响插秧机性能的提高和推广应用，故该类产品较适于平原大面积地区。

　　2． 2 手扶步进式插秧机问题手扶步进式插秧机相较于独轮乘坐式，其舒适性不足、劳动强度更大，相较于乘坐式高速插秧机，其插秧效率、功能性、操作稳定性均有明显差距。特别是行走时人工换挡、换挡需停车、排气筒位置不高、发动机前置等问题，一旦轮子下陷，发动机极易进水，过水渠时更可能损坏发动机。长期作业时，其插植机构易出现松动磨损等情况，需及时调整维护，避免更大损坏及影响作业质量。由于该类产品部分易损件生产工艺要求高，故更换麻烦，价格高。

　　2． 3 乘坐式高速插秧机问题乘坐式高速插秧机具有技术水平高和可靠性好等特点，同样具有价格昂贵、油耗大和使用维护成本高等缺陷。特别是国外品牌产品，价格一般在 10 ～ 20万元不等。中央、省级财政累计补贴近 50% 以后，仍高达数万元，一定程度上限制了其推广。

　　由于该类产品栽插行数较多、效率高、单次负载秧苗较多、机身较重、为了保证完成多工况施肥除草等复合操作，发动机几乎是满负荷运转，仅通过变速机构调速，油耗较大。另外，部分产品操作面板、无极变速杆和升降操纵杆等杆件众多，操作复杂，熟练操作周期长。

　　3 影响机插质量的其他原因

　　3． 1 田地耕茬不净，水层不适由于大田耕茬不净、存在杂草浮渣等，机插位置及深度难于实时调整，容易造成秧针或勾秧爪的冲击卡顿损伤，影响机插质量。

　　田间无水层或水层太深。田间没有水层，既加大插秧机运行时阻力、降低机械作业效率，又不能利用水层清洗秧爪，容易出现分离针和送秧器带泥带秧现象，增加了漏插机率; 田面间水位太大，不仅影响移栽深度、增加漂秧，又因插秧机运行时水面起浪头，冲击已栽插的秧苗，增加了边行例苗和漂秧。

　　3． 2 大田耕整不适度，育秧不规范大田耕整应适度，田块应精耕细耙，做到平整，使田块高低相差不超过 3cm 左右。另外，田泥块应尽量上烂下实，保证插秧机作业时不陷机、不颤泥，力求插秧时达到寸水棵棵到。

　　育秧不规范。一方面农民集中育秧时习惯于湿润育秧、旱育秧等，企图增收; 而与农机相结合的机插秧大都未经集中培育、比例少，机插秧品质不齐。另一方面，床土质量不达标。盖籽土薄厚( 床土厚度要求30mm 左右) 或粗细不宜，易造成表土板结、芽谷缺氧，1低不一，以及均匀度和整齐度较差等后果［26］。另外，育秧播种芽质差，揭膜过早或过迟，造成出苗不整齐或秧苗窜高严重; 受伤弯曲、秧龄太长、秧苗密度不均等因素也是导致机插质量不高的重要原因。

　　4 水稻插秧机发展趋势

　　4． 1 国外水稻插秧机产品发展趋势应用新概念、新技术、先进研发生产理念与以往成熟农耕应用相融合，强调“控制、自适应、可选择”特点的功能强大、性能稳定、选择丰富的插秧机产品正逐渐成为国外水稻插秧机产品发展的新方向。

　　1) 高性能复合式插秧机。在保证产品稳定性的同时，配置同步测深施肥、喷雾、耙地等装置，减少作业流程。如一次作业完成机械化整地和插秧的带有原位松土破茬刀组的插秧机。

　　2) 传统农机及新技术融入高速插秧机。如加装激光平地、太阳能光伏分布式发电照明装置、悬臂式喷雾、播种器、旋耕机，以及用以检测异物的振动隔离激光测距扫描器等机型。

　　3) 带精确导航与定位的精细控制插秧机产品。

　　伴随世界精准农业应用越来越广，基于工程创新与信息管理概念研发的高速插秧机产品已经成为产品研究前沿。

　　4) 具有智能自适应能力的插秧机。如转弯时自动减速，能根据行驶情况及栽插状态自行调速，或具有行驶速度变论域自适应模糊 PID 控制算法控制系统的插秧机等。

　　4． 2 国内水稻插秧机产品发展趋势进一步注重实际栽插质量及生产效率，采用更先进的关键结构，通过结构、原理等优化提高秧苗适应性，具有较高自动化程度的插秧机产品，将是未来国内水稻插秧机产品的发展趋势。

　　1) 作业质量及效率进一步提高。 如利用 Solid-works、ADAMS、ANSYS 等软件，进行关键部件等的虚拟样机分析; 对秧爪运动仿形结构、轨迹等进行优化，以提高机插质量; 保证秧苗立苗直、不松散及定位、定量准确，取秧精度更高等。

　　2) 乘坐式插秧机普遍采用高速插秧结构。由传统分秧机构—曲柄摇杆式、摇臂导杆式和转臂滑道式，向高速分秧机构—旋转滑道式、齿轮( 偏心、椭圆) 行 星 式、差 速 式 和 偏 心 链 轮 式 转 变 和 应用。

　　3) 提高插秧机对秧苗的适应性。优化插植轨迹，设置钩秧针活动量、改进送秧装置、实现细微调节的精确插秧，不伤秧、不漏秧，扩大对栽插秧苗的冗余。

　　4) 提高插秧机的自动化程度，操作维护简易化，插秧机轻量化，并保证机具的可靠性、适应性和操作灵活性等。

　　4． 3 水稻插秧机产品总体发展趋势总体而言，插秧机经典产品将会更加完善，而在产品研发与更替中被保留; 使用方便、低维护、机电控制可靠及安全保护考虑周到的产品，将会在发展趋势中被保留，而成为一段时间内，不变的研究方向。直到新的农艺要求、水稻品种变化或秧苗培育方式的改变，水稻插秧机产品的研究与发展趋势随之也会改变。

　　1) 设计合理、使用方便的经典产品。 传统机型中，动力及作业效率较为恒定，而重在机插质量的插秧机产品，将进一步从生产技术及配套零件成本上优化，并逐渐成为经典产品。

　　2) 低维护、低保养成本的产品。 结构上结实耐用，如承重件多用整体式结构; 易损件采用低成本更换式或作结构加强，以降低维护率等。

　　3) 具有更加精简可靠的电控系统的产品。除了更符合部分农户的操作习惯外，更能防止因控制系统故障而引发的意外情况，也有利于提高其工况适应能力。

　　4) 附加更多的应急安全自保装置的产品。如: 防止烧机油、发动机进水或秧爪卡顿，防失控自断电保护，增设推秧板急停按钮等。

　　5 结语

　　纵观近代插秧机研究现状及其发展趋势，无论是国内还是国外，皆应根据各自实际的水稻品种、土壤状况、气候条件、耕作习惯、灌溉及病虫害防治等因素，综合考虑实际生产需求后，研发实际配套的插秧机产品。只有产品研发与改进优化紧紧围绕满足实际作物生产需求、人工操作意见及发挥机械高效、稳定、省力等优点的宗旨，才能最大程度上符合未来农耕对插秧机产品的需求。

　　参考文献:

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　　［4］ 水稻钵苗机插技术实现稻作技术更新换代［J］． 农业科技与信息，2013( 11) : 14．
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