中國礦業(yè)大學徐海學院 侯信 何福鋮 沈龍 王水林 魏超

1 研究背景

黨的十九大報告中明確提出實施“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略，科技興農是鄉(xiāng)村振興中的重要一環(huán)。通過對江蘇省邳州市大蒜種植進行實地調研，筆者發(fā)現(xiàn)人工種植——成本高、人口老齡化嚴重、播種不均勻；機械化種植——空穴率高、蒜種無法直立生長、需多人協(xié)同作業(yè)等。此外，研究該產品的技術人員數(shù)量相對較少，這些都阻礙著新型大蒜播種機的發(fā)展與更迭換代。對江蘇邳州實地調研的結果顯示，農民越來越注重機械化的高效與高質量，市場上的機器已不能滿足生產需要，現(xiàn)有機器技術存在短板，在大蒜的取種運輸方面容易造成破壞，影響了機器在市場上的銷售與普及。根據(jù)農民的需求，使用現(xiàn)有機器會出現(xiàn)漏播問題，需要人工補插蒜種，極其耗費人力。為解決上述問題，本研究小組通過對江蘇邳州大蒜實地調研、網(wǎng)上查閱資料等渠道，收集了解到土地流轉難、種蒜成本高、機械化種植程度低、人口老齡化、勞動力不足、青年人才缺失等問題，研究出了半自動化大蒜播種機，在播種方面做出了新的方案。機器的半自動化以及自走式使播種工作更加方便、靈活。松土、開溝、種植、覆土由同一機器作業(yè)，高效率完成種植工作，減輕農民的負擔，提高了種植效率。

2 設計方案

整體機器分為以下部分：（1）新制托盤裝置（2）預處理裝置（3）同步運輸裝置（4）滾筒壓蒜裝置（5）鴨嘴種植裝置。

2.1 整體工作原理

托盤式大蒜播種一體機是集旋耕、開溝、種植于一體的多功能播種機，工作時旋耕刀和開溝器由操作臺通過齒輪鏈條傳動調整到適合土地高度的位置，進行預先處理工作。然后將分好的蒜種放置在新制托盤中，并將新制托盤安放在機器上，通過同步運輸裝置將托盤運輸?shù)綕L筒壓蒜裝置下方。由滾筒壓蒜裝置將蒜壓至鴨嘴種植裝置中。到達最末端時，鴨嘴一側的連桿由凸輪機構打開，將蒜種種入土地中，當通過凸輪遠休止程時，凸輪產生的推力消失，鴨嘴因為彈簧作用回彈關閉，大蒜完成播種。

2.2 新制托盤裝置

（1）結構組成

新制托盤裝置由蒜穴、托盤和托盤固定架組成，托盤主要材質是聚乙烯，蒜穴采用硅膠材質，托盤可以循環(huán)使用。每個托盤可以放81顆蒜，固定架上可放置50層托盤，每畝地機器需要工作14分鐘，大大縮短了人工的播種時間。

（2）工作原理

工作時需要人工將蒜種放置在新制托盤的蒜穴中，在托盤左右兩側上端有溝槽，下端有滑柱支撐，可以實現(xiàn)多個托盤堆疊，同時可以完成兩托盤之間的相對滑動。當滾筒壓蒜裝置中的橡膠壓桿下壓時，蒜穴的左右兩半穴同時打開，保證蒜種鱗芽朝上落下。使用托盤種植可以保證鱗芽朝上，如圖1所示。

圖1 蒜穴

2.3 預處理裝置

（1）結構組成

預處理裝置由旋耕刀、開溝器、齒輪、軸系零件組成。旋耕刀安裝在機器最前端，由齒輪帶動，用于調節(jié)高低。開溝器由鏈傳動帶動工作，進行高低的調節(jié)，適用于不同的播種深度，如圖2所示。

圖2 開溝器和旋耕刀

（2）工作原理

在播種階段，旋耕刀通過相應的齒輪旋轉來調節(jié)旋耕深度，以應對各種高低不平的種植環(huán)境，該部分主要是利用旋轉原理帶動旋耕機構上的旋耕刀進行旋轉，從而使地面的土壤分布均勻。開溝器主要是起對土壤進行開溝的作用，開溝器工作時通過大蒜播種機上的齒輪和鏈條來調節(jié)開溝的深度，從而達到適合大蒜種植的土壤條件。

2.4 同步運輸裝置

（1）結構組成

同步運輸裝置由帶輪、特制皮帶、絲桿軸、齒輪組成。同步帶傳動裝置放在托盤兩側，將同步帶的傳動軸改成絲桿軸，與齒輪進行配合運動，如圖3所示。

圖3 同步運輸裝置

（2）工作原理

同步帶裝置帶動托盤向前運動，兩托盤之間可以進行滑動，同步帶的動力由絲桿運動提供，此運動方式，減少了傳動源。

2.5 滾筒壓蒜裝置

（1）結構組成

滾筒壓蒜裝置結構由五部分構成，分為橡膠壓桿、凸輪軸、齒輪、壓縮彈簧和滾筒外壁。凸輪軸通過滾筒外壁固定在機架上，滾筒外壁兩端連接齒輪進行運轉。在滾筒外壁上開有9組壓桿孔，彈簧、橡膠壓桿固定在滾筒內壁里，每1組又有4組壓桿和8個彈簧構成。

（2）工作原理

當托盤和壓桿同時到達指定位置，壓桿處于托盤蒜穴正上方，齒輪帶動滾筒外壁進行運轉，此時滾筒外壁帶動內部壓桿和彈簧一起轉動，而齒輪軸保持不動。當壓桿轉動到凸輪的頂端，由于兩者之間的間隙變小，壓桿沖出外壁孔，壓出蒜穴內的大蒜。壓完蒜后由于壓縮彈簧的彈性作用使壓桿復位，重復以上工作進行種蒜。同時在壓桿復位過程中，滾筒外仍繼續(xù)轉動，轉動的切向方向與托盤運動方向相同，未收回去的壓桿可以帶動托盤向前運動。如圖4所示。

圖4 滾筒式壓蒜裝置

2.6 鴨嘴種植裝置

（1）結構組成

鴨嘴種植裝置由播蒜組件、插管、壓桿芯、接地輪、斗形器、鴨嘴形開合器組成。鴨嘴種植裝置分為凸輪結構、行星輪、鴨嘴和連桿四部分，一排共有7組連桿，每組連桿上存在9個鴨嘴進行同步作用。斗形器安裝在鴨嘴上方，能夠增大蒜種落入鴨嘴的面積。如圖5所示。

圖5 鴨嘴種植裝置

（2）工作原理

橡膠壓桿是通過凸輪和彈性件來實現(xiàn)上下的往復壓蒜運動。安裝座上安裝的插蒜組件的套管無法移動，組件下口與安裝座存在凸出的相對距離，機械與土壤的間隙配合是通過接地輪來實現(xiàn)的，使得機器向前運動過程中連續(xù)種蒜，減小與土壤接觸產生的阻力。使用鐵制壓嘴進行開合，方便開穴，將蒜種下。

3 裝置基本數(shù)據(jù)

表1 機器各部分基本數(shù)據(jù)

4 經(jīng)濟效益分析

大蒜生產主要靠人力完成，成本高，平均每人每天僅能播種0.02 hm2，而大蒜適宜播種期為10～15天，錯過播種時間會影響大蒜的生長和出售。據(jù)測算，機械播種效率是人工的50倍以上，節(jié)省成本達到5980元/hm2，占大蒜總產出的20%。同時大蒜播種可以提早3～5天完成。2021年暑期筆者團隊對江蘇省邳州市下轄的宿羊山鎮(zhèn)、趙墩鎮(zhèn)進行了社會實踐調研，并以此為例進行經(jīng)濟效益分析。以邳州市大蒜播種面積60.9萬畝為基準，需要機器3000臺。國內大蒜播種面積1264.5萬畝，需要機器53000臺。

托盤式大蒜播種一體機：每臺機器造價8450元，托盤成本控制在10元以內，屬于小型農業(yè)機械，使用壽命為8年。托盤式大蒜播種一體機質包1年，主要部件質包2年。通過對江蘇省邳州市宿羊山鎮(zhèn)調研，若普及使用托盤式大蒜播種一體機，邳州市人工播種和機械播種對比，如表2所示。

表2 邳州市（60.9萬畝）人工播種和機械播種對比

通過數(shù)據(jù)對比可以得出，機械種植的項目投資回報較人工播種花費有大幅度降低，在提高農民基本收入，減少播種成本的同時，解決了勞動力不足的問題；機器的制造和維修，為大部分人提供了更多的工作崗位，為緩解人口老齡化問題提供幫助。

5 創(chuàng)新點

（1）使用托盤種植可以保證鱗芽朝上，解決了取蒜易堵塞問題，提升營養(yǎng)價值，增加農民收益，大大降低了空穴率，提高了種植效率，解決了人工種植的惡劣環(huán)境，每個托盤可以放81顆蒜，每畝地機器需要工作14分鐘，大大降低了人工種植時間。

（2）旋耕刀和開溝器這兩個機構與大蒜播種機的其他機構組裝配合使用后，可以實現(xiàn)種植一體化，提高了大蒜的種植效率。同時旋耕刀和開溝器這兩個工作機構還節(jié)省了許多資源，利用旋耕刀和開溝器對種植地面進行旋耕、開溝和松土等工作比使用農具進行開溝松土節(jié)約了人力物力，還大大提高了大蒜種植效率。

（3）滾筒壓蒜裝置的使用，該裝置結構簡單、成本低、傳動由齒輪帶動，精度高、能夠保證9組同時下壓、誤差小，同時壓桿復位過程中，滾筒外壁繼續(xù)轉動，轉動的切向方向與托盤向前的方向相同，未收回去的壓桿可以帶動托盤向前運動。降低了同步裝置的工作效率。

6 結語

通過對江蘇省邳州市社會實踐調研及對當?shù)剡M行經(jīng)濟效益分析，得知目前市場上的大蒜播種機價格高、空穴率高、正芽率低等問題。我們研發(fā)團隊發(fā)明了托盤種植裝置，可以降低空穴率，提高正芽率，成本低。同時據(jù)調查2019年全國大蒜種植面積598.2萬畝，2020年全國大蒜種植面積在745萬畝左右，由于大蒜種植面積增加，迫切需要機械化代替人工種植，提高種植效率，保證種植質量。目前常用的播種機械的點播技術，在實際應用的過程中，播種速度慢、垂直偏向幅度大，種植結果不理想。種植高效、高質量，是每個農民日日渴望的，因此本產品具有很好的市場前景。