劉甲振，耿愛(ài)軍,，栗曉宇，侯加林，韓緒明

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018)

0 引言

大蒜風(fēng)味獨(dú)特，是生活中不可或缺的食用佐料。除其食用價(jià)值外，大蒜還在保健醫(yī)療方面發(fā)揮著滅菌、消毒等多種作用[1-2]。我國(guó)2015-2016年度大蒜種植面積為78萬(wàn)hm2。2016年大蒜單產(chǎn)約為2 164kg/hm2，總產(chǎn)量為1 701萬(wàn)t(數(shù)據(jù)來(lái)源：2017年農(nóng)業(yè)部市場(chǎng)與經(jīng)濟(jì)信息司)。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求的不斷增加，大蒜的生產(chǎn)和銷售呈現(xiàn)直線上升態(tài)勢(shì)[3]。

機(jī)械播種進(jìn)程中，蒜瓣單粒取種精確度和蒜瓣補(bǔ)種技術(shù)的提高是大蒜播種機(jī)研發(fā)的核心內(nèi)容。只有為大蒜播種機(jī)設(shè)計(jì)一種合適的蒜瓣單粒取種、補(bǔ)種方式，才能在有效降低大蒜空穴率、蒜瓣重粒率的同時(shí)提高大蒜的出苗率。

1 國(guó)外大蒜播種機(jī)單粒取種及補(bǔ)種技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外大蒜播種機(jī)中，日韓兩國(guó)的專利占大多數(shù)，其他國(guó)家只有很少的專利。日本和韓國(guó)研發(fā)的大蒜播種機(jī)適合亞洲多山地、丘陵、高原地形，歐美國(guó)家研制的大蒜播種機(jī)適合歐美多平原地形。國(guó)外大蒜播種機(jī)的單粒取種方式主要為機(jī)械式取種，分為窩眼輪式、勺帶式、夾持式、勺鏈?zhǔn)?、轉(zhuǎn)勺式及振動(dòng)式等。大蒜的補(bǔ)種還主要停留在人工補(bǔ)種或者依靠機(jī)械的自身取種而不進(jìn)行補(bǔ)種。

1.1 窩眼輪式取種

美國(guó)研制的12行大蒜播種機(jī)和德國(guó)研制的BeeherCG-6型播種機(jī)搭載的取種方式均為窩眼輪式取種，如圖1所示。

圖1 窩眼輪式取種示意圖

工作原理：在圓柱型滾輪上垂直配置窩眼，窩眼輪轉(zhuǎn)過(guò)種箱時(shí)種子憑自重落入窩眼內(nèi)，當(dāng)窩眼輪經(jīng)過(guò)刮種器時(shí)，多余的種子被清落，以保證窩眼內(nèi)只有1粒種子；然后，進(jìn)入護(hù)種區(qū)后轉(zhuǎn)到下方位置，種子憑自身重力或其他方式脫離窩眼，落入種溝。窩眼輪上窩眼的形狀、尺寸、個(gè)數(shù)、排數(shù)按照大蒜播種的農(nóng)藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于窩眼輪式取種在護(hù)種過(guò)程中大蒜極易受損，因此該取種方式作業(yè)速度較低[4-5]。

1.2 勺帶式取種

勺帶式取種方式是在皮帶上以行和列矩陣的形式排列取種勺，如圖2所示。2006年，韓國(guó)YANG WI SEOK發(fā)明了勺帶式取種方式。棘輪機(jī)構(gòu)的操作將種子容納部分逐漸收縮，大蒜種子上升將種子聚集在輸送帶的下端附近，使得待播大蒜可以容易地被取種勺取起。當(dāng)種子容納部分幾乎沒(méi)有種子時(shí)，再通過(guò)棘輪機(jī)構(gòu)的操作將種子容納部分放還至原始狀態(tài)，以便人工續(xù)種。安裝取種勺的皮帶從底部移動(dòng)到頂部(約60°)進(jìn)行種子播種，與沿垂直方向移動(dòng)的情況相比，大蒜種子更容易取起。即使多個(gè)大蒜種子被取起，但當(dāng)皮帶振動(dòng)時(shí)，取種勺只剩下單粒蒜種，多余的大蒜落回種子容納部分。當(dāng)大蒜被帶至最高點(diǎn)時(shí)，從取種勺自由落下，并沿著導(dǎo)管向地面落下，實(shí)現(xiàn)播種[6]。這種勺帶式取種方式可以直觀確認(rèn)大蒜種子是否落在取種勺中，從而能夠在種子落下之前實(shí)現(xiàn)人工補(bǔ)種。因此，雖然該方式實(shí)現(xiàn)了快速的播種操作也在一定程度上降低了大蒜的重種率，但大蒜的空穴率問(wèn)題沒(méi)有很好地解決。

1. 傳送帶 2. 取種勺 3. 種子容納部分 4. 棘輪機(jī)構(gòu)

1.3 夾持式取種

我國(guó)江蘇省徐州市引進(jìn)的由日本洋馬公司研制的PH4R型乘坐式大蒜播種機(jī)采用的就是夾持式取種方式。工作時(shí)，蒜種由蒜農(nóng)預(yù)先按豎直方向放在夾持器內(nèi)，隨著夾持器由鏈板帶動(dòng)至位置最低處，開(kāi)孔器將薄膜開(kāi)口，然后由推蒜桿完成蒜種的栽植，設(shè)計(jì)栽植合格率在95%以上[7-8]。2006年，日本MITO HIROKI等人發(fā)明了一種夾持式取蒜技術(shù)，如圖3所示。操作者將1個(gè)大蒜裝載到夾持器中，由于組成夾持器的4個(gè)夾持版狀體的前端都設(shè)計(jì)成了錐形，所以大蒜可以平穩(wěn)地從發(fā)芽側(cè)被向下按下。當(dāng)1個(gè)蒜瓣全部按入夾持器中時(shí)，蒜瓣的全部或一部分夾在夾持板狀體中間凹曲面處。此時(shí)，凹曲面夾持部沿向外方向按壓，但是4個(gè)板狀體的基部都安裝在環(huán)狀構(gòu)件上且被彈簧包圍，所以在凹曲面夾持部沿向外方向按壓時(shí)通過(guò)彈簧的作用力將其推向中心側(cè)，進(jìn)而完成大蒜的夾持[9]。由于夾持式取種方式存在大蒜補(bǔ)種耗費(fèi)人工、裝夾易損傷大蒜的缺陷，因此應(yīng)用不太廣泛。

1. 大蒜 2.彈簧 3. 夾持板狀體

1.4 轉(zhuǎn)勺式取種

法國(guó)Erme公司研制的5行牽引式大蒜播種機(jī)和西班牙Borch公司研制的BUL-5型大蒜播種機(jī)均搭載了轉(zhuǎn)勺式取種方式[10-11]。該方式在轉(zhuǎn)盤(pán)上安裝多個(gè)取種勺，如圖4所示。當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)充種區(qū)時(shí)，取種勺取種，勺內(nèi)舀入種子，隨著轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，多余的種子憑借自身重力滑落，實(shí)現(xiàn)清種；隨后，勺內(nèi)的蒜種經(jīng)過(guò)導(dǎo)種管時(shí)落入導(dǎo)種管，最后通過(guò)底座排出口落入種溝[12]。由于農(nóng)用機(jī)器田間振動(dòng)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)勺式取種方式的精度產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致出現(xiàn)空穴，因此該排種器不適宜高速作業(yè)。

1.5 勺鏈?zhǔn)饺》N

圖5為常見(jiàn)的勺鏈?zhǔn)饺》N。由韓國(guó)永東機(jī)械廠研發(fā)的YD-1550型大蒜播種機(jī)搭載了勺鏈?zhǔn)饺》N方式，配置動(dòng)力為11kW的拖拉機(jī)，播幅70cm，行數(shù)5行，株距14cm，每小時(shí)可播種大蒜0.1hm2左右。這種取種方式和勺帶式取種類似，即在運(yùn)動(dòng)鏈上安裝多個(gè)取種勺，當(dāng)取種勺經(jīng)過(guò)充種區(qū)時(shí)蒜種被取起隨運(yùn)動(dòng)鏈上升，在上升過(guò)程中由運(yùn)動(dòng)鏈的振動(dòng)去掉取種勺中多余的種子，同時(shí)對(duì)空勺進(jìn)行人工補(bǔ)種。勺鏈?zhǔn)饺》N在取種過(guò)程中因其運(yùn)動(dòng)鏈為直立上升，所以蒜種不易被取起，導(dǎo)致空勺較多，要占用人工進(jìn)行補(bǔ)種。勺鏈?zhǔn)饺》N方式因其制造簡(jiǎn)單、操作方便而被普遍引用[13-16]。

1. 取種勺 2. 轉(zhuǎn)盤(pán)

圖5 勺鏈?zhǔn)饺》N示意圖

1.6 振動(dòng)式取種

振動(dòng)式取種通過(guò)振動(dòng)裝置使裝有蒜瓣的容器振動(dòng)，進(jìn)而使蒜瓣單粒順次通過(guò)排種管，完成單粒取種，如圖6所示。目前，此方式已被韓國(guó)LEE、KIL MI改成機(jī)械式凸輪機(jī)構(gòu)振動(dòng)取種[17-18]。

圖6 振動(dòng)式取種示意圖

2 國(guó)內(nèi)大蒜播種機(jī)單粒取種及補(bǔ)種技術(shù)現(xiàn)狀

大蒜播種類屬于精量播種范疇，我國(guó)精密取種的研究始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)40年多的發(fā)展，我國(guó)單粒取種技術(shù)從當(dāng)初的仿制和跟隨已逐漸變?yōu)楠?dú)立創(chuàng)新，并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。通過(guò)Espacenet檢索，我國(guó)的大蒜播種機(jī)專利數(shù)量占總數(shù)的74%。我國(guó)大蒜播種機(jī)單粒取種主要分為機(jī)械式和氣力式。機(jī)械式取種除上述國(guó)外的取種方式外，還有錐盤(pán)式、旋轉(zhuǎn)式、轉(zhuǎn)筒式及鏈勺式等，氣力式取種主要為氣吸式。我國(guó)大蒜取種過(guò)程中的補(bǔ)種為人工式和機(jī)械式。

2.1 錐盤(pán)式取種

錐盤(pán)式取種(見(jiàn)圖7)是由韓效孟設(shè)計(jì)的錐面型孔盤(pán)，中心為圓錐面，周圍為平面，平面上設(shè)長(zhǎng)圓形型孔，且沿圓周線方向均勻排列，型孔由大蒜尺寸決定。把精選的蒜種加入種箱內(nèi)，在播種過(guò)程中，地輪滾動(dòng)的同時(shí)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)取種器沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)；蒜種箱內(nèi)的大蒜在錐面型孔盤(pán)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，做相同方向的圓周運(yùn)動(dòng)，圓錐斜面上的種子分流下滑到四周平面上，滑至平面上的蒜種落入型孔內(nèi)，隨錐面型孔盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)落入型孔內(nèi)的蒜種經(jīng)過(guò)取種器底座上的投種孔上空時(shí)，蒜種下墜，掉入輸種管，完成播種過(guò)程[19]。這種取種方式操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因沒(méi)有補(bǔ)種操作致使播種會(huì)出現(xiàn)空穴，播種質(zhì)量不易保證。

2.2 旋轉(zhuǎn)式取種

旋轉(zhuǎn)式取種的取種盤(pán)結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。該設(shè)計(jì)是考慮了大蒜單粒精密取種和鱗芽朝上入土的要求。取種盤(pán)蒜瓣種穴的形狀和尺寸根據(jù)蒜瓣的外形和尺寸設(shè)計(jì)，取種盤(pán)上的種穴經(jīng)過(guò)充種區(qū)時(shí)，每次定向取得1粒蒜種；當(dāng)取種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到下方時(shí)，蒜瓣鱗芽朝上直立入土，實(shí)現(xiàn)大蒜播種“尖上根下”的農(nóng)藝要求[20-23]。單個(gè)種穴長(zhǎng)度要能容納1粒不同長(zhǎng)度的蒜種，種勺長(zhǎng)度為蒜種平均長(zhǎng)度的1.6倍，種勺高度約等于蒜種平均高度的1.3倍。種勺寬度約等于蒜種平均寬度的1.3倍。將所測(cè)量蒜種曲率描繪并掃描繪制蒜瓣立體圖，從而獲得種勺曲率。旋轉(zhuǎn)式取種單粒取種的成功率超過(guò)90%，但是大蒜品種不同種穴設(shè)計(jì)不同，所以單個(gè)取種器對(duì)多品種蒜種適應(yīng)性差，且來(lái)考慮取種空穴問(wèn)題，沒(méi)有進(jìn)行補(bǔ)種[24]。

1. 錐面型孔盤(pán) 2. 型孔

圖8 旋轉(zhuǎn)式取種示意圖

2.3 轉(zhuǎn)筒式取種

由南通大學(xué)魏玉珍等人研制的一種大蒜取種方式和由山東五征集團(tuán)研制的WZ-4型大蒜種植機(jī)所搭載的單粒取種方式都是轉(zhuǎn)筒式取種，如圖9所示。轉(zhuǎn)筒式取種采用扇形開(kāi)合式結(jié)構(gòu)，避免了取種過(guò)程中的漏種和傷種問(wèn)題。其依據(jù)大蒜形狀和尺寸設(shè)計(jì)了半球面夾緊式取蒜勺，均布在轉(zhuǎn)筒上，取種后經(jīng)毛刷清種、刮種板清種及離心力清種三級(jí)清種清除多余蒜種，并使其落入清種斗，以保證單粒取種的實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)筒式取種一定程度上解決了蒜種的漏取、重取、多取及損傷問(wèn)題，但也沒(méi)有涉及取種過(guò)程中空勺補(bǔ)種問(wèn)題[25-26]。

圖9 轉(zhuǎn)筒式取種示意圖

2.4 氣力式取種

氣力式取種是通過(guò)氣流實(shí)現(xiàn)蒜種的吸附和吹送，因其剛性小對(duì)蒜種損傷低而越來(lái)越受研究人員和使用者的青睞[27-29]。2016年，梁開(kāi)星等人研制的一種氣力式大蒜單粒取種裝置，如圖10所示。

1. 通孔 2. 單粒取種軸 3. 輸氣管 4. 氣體換向裝置

將單粒取種軸設(shè)計(jì)成中空、兩頭密閉的管狀形式，且內(nèi)部被重合于中心軸線的隔板劃分成兩個(gè)不連通的內(nèi)腔；單粒取種軸的表面對(duì)稱布置兩組通孔，通孔個(gè)數(shù)和間距依據(jù)播種要求布置；氣體換向裝置通過(guò)輸氣管分別與兩個(gè)內(nèi)腔連接；單粒取種軸在風(fēng)機(jī)和外部動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)1周的過(guò)程中，兩組通孔順次完成吸氣(取種)和噴氣(送種)兩個(gè)動(dòng)作[30]。氣力式單粒取種精確度超過(guò)98%幾乎不用補(bǔ)種，且取種效率也得到大幅度提高，適合快速作業(yè)，對(duì)蒜種的損傷低于其他取種方式，但存在不易維修的缺點(diǎn)。

2.5 鏈勺式取種

我國(guó)鏈勺式取種與國(guó)外同類型取種方式相比有其獨(dú)創(chuàng)性。由濟(jì)南華慶鑄造有限公司研制的一種大蒜播種機(jī)如圖11(a)所示。該機(jī)器取種的設(shè)計(jì)是把傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈改成傳動(dòng)鏈板，在每塊鏈板上根據(jù)播種要求安裝取種勺，避免了因機(jī)器振動(dòng)而導(dǎo)致蒜種從兩傳動(dòng)鏈之間掉落現(xiàn)象的發(fā)生，從而使大蒜取種率達(dá)到95%。由臨沂建領(lǐng)模具機(jī)械有限公司研制的一種全自動(dòng)大蒜播種機(jī)所搭載的取種方式如圖11(b)所示。該取種方式是對(duì)取種勺進(jìn)行了改進(jìn)，取種勺由3塊爪形板組成，兩側(cè)板長(zhǎng)度和弧形凹槽深度均比中間板的小，從而使取種精確度和工作效率大幅提高。

圖11 鏈勺式取種示意圖

2.6 大蒜補(bǔ)種方式

現(xiàn)有大蒜補(bǔ)種方式類似于圖12(a)所示的人工補(bǔ)種方式，即在取種過(guò)程中對(duì)取種裝置的空勺進(jìn)行人工放種，以降低大蒜播種的空穴率。這種補(bǔ)種方式不僅耗費(fèi)人力，且補(bǔ)種人的手部易受傷。2014年，劉新田等人發(fā)明了一種如圖12(b)所示的機(jī)械式補(bǔ)種方式。在播種機(jī)工作過(guò)程中，當(dāng)大蒜漏種發(fā)生時(shí)，紅外傳感器將信號(hào)傳遞給控制器，控制器啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)則抓種器抓取蒜種進(jìn)行補(bǔ)種；當(dāng)抓種器沒(méi)有成功抓取種子時(shí)，控制器再次啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)重復(fù)操作，直至補(bǔ)種成功。這種補(bǔ)種方式雖然降低了人力，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修難度大。

1. 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2. 抓種器

3 結(jié)論

1)大蒜播種機(jī)的單粒取種技術(shù)雖然已經(jīng)基本成型且取種方式多樣，但限于蒜種的尺寸不一、形態(tài)各異，導(dǎo)致取種過(guò)程中漏種等現(xiàn)象頻生，尚無(wú)很好的解決方案。

2)大蒜播種機(jī)補(bǔ)種技術(shù)較單粒取種技術(shù)而言相對(duì)滯后，主要停留在人工補(bǔ)種階段。補(bǔ)種技術(shù)得不到突破，大蒜機(jī)械化播種的空穴率問(wèn)題就很難解決。

3)單一化技術(shù)研究既浪費(fèi)人力又浪費(fèi)物力，所以大蒜機(jī)械化播種過(guò)程中大蒜單粒取種及補(bǔ)種技術(shù)的研究應(yīng)趨向通用型，即能適合平原、山地等多種地形的播種需求。

4)大蒜單粒取種及補(bǔ)種技術(shù)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，才能得到推廣和發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步，大蒜機(jī)械化種植中的單粒取種及補(bǔ)種也應(yīng)朝自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，以便更大程度地釋放人力，提高生產(chǎn)速度，降低成本。