李彥棟，牛長河，賈生濤

（1.新疆農業(yè)大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所）

0 引言

大蒜作為一種藥食兩用的農作物，具有極高的經濟價值[1]。我國是世界上最大的大蒜生產國和出口國，根據(jù)FAO（聯(lián)合國糧農組織）數(shù)據(jù)顯示，2018 年我國的大蒜種植面積約79.3 萬hm2，約占世界大蒜種植總面積的51.3%，大蒜總產量約2 233.4 萬t，約占世界總產量的78.4%。2017 年我國大蒜出口達171.2 萬t，占全球大蒜貿易量的78.8%，大蒜出口創(chuàng)匯近22 億美元。近年來，隨著農業(yè)產業(yè)結構的優(yōu)化升級，大蒜種植面積連年增加，帶動大蒜加工等一系列產業(yè)高速發(fā)展，這對大蒜主產區(qū)蒜農增收致富起到了至關重要的作用[2]。然而以人工種植為主的大蒜種植方式限制了大蒜種植業(yè)的進一步發(fā)展，人工種植大蒜勞動強度大且效率極低，人力成本占總成本的一半以上，這導致大蒜種植成本居高不下，大蒜種植機械化的實現(xiàn)對提高大蒜種植效益、增加農民收入具有重要意義[3]。

1 國內外現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

歐美等西方發(fā)達國家地廣人稀，大蒜種植和收獲機械化發(fā)展早、程度高。如美國、法國、西班牙等發(fā)達國家，為了方便大面積機械作業(yè)，播種機多為隨機播種，效率高，基本可以實現(xiàn)單粒播種，但無法控制大蒜鱗芽朝向[4-6]。

西班牙寶奇公司生產的大蒜播種機[7]精度高，可實現(xiàn)單粒播種，株距、入土深度可調節(jié)，并且可以播種不同尺寸級別的蒜種，但該播種機無法控制種植后大蒜鱗芽朝向，且價格昂貴。法國ERME 公司的氣吸式大蒜播種機[8]通過采用振動槽來實現(xiàn)蒜種鱗芽朝上，但是由于蒜種調向結構過于復雜，不能扶正蒜種，因此不能保證大蒜直立入土。

亞洲國家大蒜種植農藝要求復雜，且有食用蒜薹的習慣，因此多要求直立下栽，機械化程度低，播種技術大多集中在中國、韓國、日本等國家[9-15]。

日本洋馬的PH4R 型乘坐式大蒜種植機[16]，如圖1。通過人工投種實現(xiàn)大蒜直立播種，但存在傷種、蒜種直立度低、種植過深，壟間間距過大等問題。

圖1 PH4R 型乘坐式大蒜種植機

金怡韓[17]等人在2016 年改進了原有大蒜播種機，如圖2。通過對壓土輥增加刮土裝置解決了壓土輥覆土效果不理想的問題，同時，改進的大蒜播種機放棄了原有的排種方式，采取了勺式取種，達到了單粒取種的目的，但新機型仍無直立下栽部件，取種勺向下運動時可能會造成大蒜機械損傷，導致大蒜無法出苗或苗株孱弱[18]。

圖2 旋耕式大蒜播種機

金成秀等人2013 年發(fā)明的旋耕式大蒜播種機[19]如圖3。該機旋耕部件和播種部件動力均由一種小型手扶拖拉機提供，一次性可播種6 行，由于旋耕部件對地面進行了平整作業(yè)，極大地便利了后續(xù)的播種作業(yè)，提高了播種機作業(yè)的連續(xù)性，大大降低了因上季農作物殘茬纏繞等造成的故障。但該播種機也未解決大蒜直立下栽的大蒜種植關鍵問題，并且大蒜播種和旋耕均用同一套系統(tǒng)傳動，增加了播種機傳動系統(tǒng)故障率。

圖3 旋耕式大蒜播種機

同年樸德泉等人設計的自走式大蒜播種機[20]，如圖4。該機由一臺內燃機提供動力，播種機設置操控臺，由一名駕駛員進行操控，作業(yè)靈活。蒜種經機械結構頂升后由圓周旋轉的刷子掃入播種管道，落入開溝器開好的溝內，經由覆土機構覆土后完成播種，由于缺少蒜種調向機構，該機構僅能一定程度上實現(xiàn)單粒取種，不能完成直立下栽的農藝要求。

圖4 自走式大蒜播種機

河宗友[21]在2016 年對該機型進行了改進，如圖5。該機將傾斜的排種機構改為豎直方向，解決了蒜種無法正確投入直立下栽機構的問題，但該取種機構仍存在重播、漏播等情況，因此設計了兩個人員位置進行人工檢查，導致了該機播種效率不高。

圖5 河宗友改進的大蒜播種機

馬耀旺在2016 年設計的大蒜播種機[22]如圖6。該機通過轉盤取種勺進行取種，投入輸種管，通過中間轉盤一粒粒投入下栽轉盤完成播種。該機械基本能實現(xiàn)單粒播種，但仍存在諸多問題，種箱內蒜種愈少取種盤在種箱內取種難度愈大，蒜種在輸種管出口容易堵塞，輸種管、中間轉盤與下載轉盤之間存在的間隙可能會導致卡種、傷種。

圖6 馬耀旺設計的大蒜播種機

樸英植[23]在2017 年設計的大蒜播種機如圖7，該機由小型拖拉機牽引，地輪驅動播種部件并且為噴藥作業(yè)提供動力。

嚴勇均[24]在2019 年發(fā)明的大蒜直立播種機，其蒜種調向機構通過不同孔徑的長條篩水平徑向振動，調整蒜種根部朝下，落入下栽機構完成栽種，該機型播種的大蒜正芽率高，但調向機構對蒜種大小均勻度要求較高，蒜種較小無法進行調向，蒜種較大可能會卡住影響后續(xù)播種，因此播種前需人工或機械對大蒜進行篩選，一定程度上增加了成本。

圖7 自動噴藥大蒜播種機

圖8 嚴勇均設計的大蒜直立播種機

1.2 國內現(xiàn)狀

國內大蒜種植機械多以直立、單粒、等行距為種植目標?，F(xiàn)階段我國大蒜種植機械有以下幾種機具。

2014 年山東省農業(yè)機械科學研究院崔榮江等人設計了一款大蒜播種機[25]，如圖9。該機包括機架、單粒取種裝置、直立下栽裝置、大蒜鱗芽方向控制裝置，傳動總成為單粒取種裝置、直立下栽裝置和大蒜鱗芽方向控制裝置提供動力?？蓪崿F(xiàn)鄰行錯位直立播種，利于大蒜生長和實現(xiàn)機械化收獲。

圖9 大蒜播種機

2018 年山東省瑪麗亞農業(yè)機械有限公司辛麗在現(xiàn)有基礎上設計了旋耕式大蒜播種機[26]，如圖10。該機增加了旋耕裝置和整地裝置，可實現(xiàn)旋耕、整地、播種一體化。

2015 年天津理工大學張登權、張創(chuàng)開、吳艷娟等人設計了一款大蒜播種機[27]，如圖11。該機能夠解決蒜瓣方向識別以及蒜瓣下栽直立的關鍵技術問題，采用二次蒜瓣定向辨識的方法，一次辨識是運用重力原理與蒜瓣的特殊形體結構相結合的方式，二次辨識是采用電氣控制的方式，將蒜瓣的特殊形體結構檢測輸入到單片機，分析數(shù)據(jù)進而分辨，經過兩次辨識提高蒜瓣辨識精確度，同時本實用新型能夠將蒜瓣壓入土壤，豎直固定好，且結構簡單，自動高效。

圖10 旋耕式大蒜播種機

圖11 單片機識別式大蒜播種機

2017 年臨沂鳳林農機制造有限公司楊青設計了液壓驅動式大蒜播種機[28]，如圖12。整機包括機架、旋轉機構、底盤、液壓泵、驅動裝置以及液壓油缸，液壓油缸垂直固定于機架和底盤之間，且液壓油缸相對于機架或底盤可旋轉。液壓驅動式大蒜播種機能夠在播種到地界位置處時，實現(xiàn)旋轉，進而在該位置播種。

圖12 液壓驅動式大蒜播種機

2017 年天津理工大學吳艷娟、郭彥楠等人設計了一種智能大蒜播種機[29],如圖13。該機包括車體、盛蒜裝置、吸蒜裝置、傳蒜裝置、圖像采集裝置、開溝裝置、栽種裝置、培土裝置、壓土裝置、清潔裝置、動力裝置和控制系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)等株距、芽朝上、直立播種模式，采用圖像識別技術應用于識別種子的芽根部位，設計智能栽種機械手按種子芽根部位進行抓取，實現(xiàn)了單粒種子豎直下栽。

2019 年徐州三石工控科技有限公司王成文、鐘志堂、崔軍等人設計了六行手扶式大蒜播種機[30]，如圖14。該機包括車架、柵條輥子、扶手、后行走總成、種倉、開溝器、轉向總成、劃行器和動力系統(tǒng)。該機適用于小規(guī)模種植，且操作簡單、機具成本低。

圖13一種智能大蒜播種機

圖14 六行手扶式大蒜播種機

2 討論

現(xiàn)階段我國大蒜播種機處于飛速發(fā)展階段，已經基本實現(xiàn)單粒取種、蒜種鱗芽方向控制、直立下栽等技術突破。

大蒜播種時蒜種間隔對大蒜的產量也有很大的影響，國內大蒜播種機調節(jié)蒜種間距仍然較為繁瑣，國外的氣吸式排種器在一定程度上解決了精密排種的問題，提高了播種的效率，增加了產量。

大蒜播種機要根據(jù)不同地區(qū)種植農藝要求進行針對性的設計。如丘陵山區(qū)需要采用小型播種機，而平原地區(qū)采用大型機械，干旱地區(qū)要進行鋪管覆膜，有利于提高機械利用率和提高大蒜生產效率。

大蒜播種機械關鍵技術主要集中在大蒜播種機的蒜種直立栽種控制技術和蒜種鱗芽方向控制技術兩個方面，因此著重發(fā)展蒜種鱗芽方向控制技術和蒜種直立控制技術的自動化和智能化，是提高大蒜種植產量和生產效率的必然選擇和趨勢。如用圖像識別技術應用于識別種子的芽根部位，設計智能栽種機械手按種子芽根部位進行抓取，可實現(xiàn)單粒種子豎直下栽。