大蒜播種機單粒取種及補種技術(shù)研究現(xiàn)狀

劉甲振，耿愛軍,，栗曉宇，侯加林，韓緒明

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018)

0 引言

大蒜風(fēng)味獨特，是生活中不可或缺的食用佐料。除其食用價值外，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2015-2016年度大蒜種植面積為78萬hm2。2016年大蒜單產(chǎn)約為2 164kg/hm2，總產(chǎn)量為1 701萬t(數(shù)據(jù)來源：2017年農(nóng)業(yè)部市場與經(jīng)濟(jì)信息司)。近年來，隨著國內(nèi)外市場需求的不斷增加，大蒜的生產(chǎn)和銷售呈現(xiàn)直線上升態(tài)勢[3]。

機械播種進(jìn)程中，蒜瓣單粒取種精確度和蒜瓣補種技術(shù)的提高是大蒜播種機研發(fā)的核心內(nèi)容。只有為大蒜播種機設(shè)計一種合適的蒜瓣單粒取種、補種方式，才能在有效降低大蒜空穴率、蒜瓣重粒率的同時提高大蒜的出苗率。

1 國外大蒜播種機單粒取種及補種技術(shù)現(xiàn)狀

國外大蒜播種機中，日韓兩國的專利占大多數(shù)，其他國家只有很少的專利。日本和韓國研發(fā)的大蒜播種機適合亞洲多山地、丘陵、高原地形，歐美國家研制的大蒜播種機適合歐美多平原地形。國外大蒜播種機的單粒取種方式主要為機械式取種，分為窩眼輪式、勺帶式、夾持式、勺鏈?zhǔn)健⑥D(zhuǎn)勺式及振動式等。大蒜的補種還主要停留在人工補種或者依靠機械的自身取種而不進(jìn)行補種。

1.1 窩眼輪式取種

美國研制的12行大蒜播種機和德國研制的BeeherCG-6型播種機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)過種箱時種子憑自重落入窩眼內(nèi)，當(dāng)窩眼輪經(jīng)過刮種器時，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、個數(shù)、排數(shù)按照大蒜播種的農(nóng)藝要求進(jìn)行設(shè)計。由于窩眼輪式取種在護(hù)種過程中大蒜極易受損，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YANG WI SEOK發(fā)明了勺帶式取種方式。棘輪機構(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有種子時，再通過棘輪機構(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到頂部(約60°)進(jìn)行種子播種，與沿垂直方向移動的情況相比，大蒜種子更容易取起。即使多個大蒜種子被取起，但當(dāng)皮帶振動時，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)大蒜被帶至最高點時，從取種勺自由落下，并沿著導(dǎo)管向地面落下，實現(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現(xiàn)人工補種。因此，雖然該方式實現(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，但大蒜的空穴率問題沒有很好地解決。

1. 傳送帶 2. 取種勺 3. 種子容納部分 4. 棘輪機構(gòu)

1.3 夾持式取種

我國江蘇省徐州市引進(jìn)的由日本洋馬公司研制的PH4R型乘坐式大蒜播種機采用的就是夾持式取種方式。工作時，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至位置最低處，開孔器將薄膜開口，然后由推蒜桿完成蒜種的栽植，設(shè)計栽植合格率在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個大蒜裝載到夾持器中，由于組成夾持器的4個夾持版狀體的前端都設(shè)計成了錐形，所以大蒜可以平穩(wěn)地從發(fā)芽側(cè)被向下按下。當(dāng)1個蒜瓣全部按入夾持器中時，蒜瓣的全部或一部分夾在夾持板狀體中間凹曲面處。此時，凹曲面夾持部沿向外方向按壓，但是4個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通過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種耗費人工、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Erme公司研制的5行牽引式大蒜播種機和西班牙Borch公司研制的BUL-5型大蒜播種機均搭載了轉(zhuǎn)勺式取種方式[10-11]。該方式在轉(zhuǎn)盤上安裝多個取種勺，如圖4所示。當(dāng)轉(zhuǎn)盤通過充種區(qū)時，取種勺取種，勺內(nèi)舀入種子，隨著轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，多余的種子憑借自身重力滑落，實現(xiàn)清種；隨后，勺內(nèi)的蒜種經(jīng)過導(dǎo)種管時落入導(dǎo)種管，最后通過底座排出口落入種溝[12]。由于農(nóng)用機器田間振動會對轉(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為常見的勺鏈?zhǔn)饺》N。由韓國永東機械廠研發(fā)的YD-1550型大蒜播種機搭載了勺鏈?zhǔn)饺》N方式，配置動力為11kW的拖拉機，播幅70cm，行數(shù)5行，株距14cm，每小時可播種大蒜0.1hm2左右。這種取種方式和勺帶式取種類似，即在運動鏈上安裝多個取種勺，當(dāng)取種勺經(jīng)過充種區(qū)時蒜種被取起隨運動鏈上升，在上升過程中由運動鏈的振動去掉取種勺中多余的種子，同時對空勺進(jìn)行人工補種。勺鏈?zhǔn)饺》N在取種過程中因其運動鏈為直立上升，所以蒜種不易被取起，導(dǎo)致空勺較多，要占用人工進(jìn)行補種。勺鏈?zhǔn)饺》N方式因其制造簡單、操作方便而被普遍引用[13-16]。

1. 取種勺 2. 轉(zhuǎn)盤

圖5 勺鏈?zhǔn)饺》N示意圖

1.6 振動式取種

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

圖6 振動式取種示意圖

2 國內(nèi)大蒜播種機單粒取種及補種技術(shù)現(xiàn)狀

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

2.1 錐盤式取種

錐盤式取種(見圖7)是由韓效孟設(shè)計的錐面型孔盤，中心為圓錐面，周圍為平面，平面上設(shè)長圓形型孔，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)，在播種過程中，地輪滾動的同時通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動取種器沿順時針方向轉(zhuǎn)動；蒜種箱內(nèi)的大蒜在錐面型孔盤旋轉(zhuǎn)帶動下，做相同方向的圓周運動，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)，隨錐面型孔盤一起轉(zhuǎn)動；當(dāng)落入型孔內(nèi)的蒜種經(jīng)過取種器底座上的投種孔上空時，蒜種下墜，掉入輸種管，完成播種過程[19]。這種取種方式操作方便、結(jié)構(gòu)簡單，因沒有補種操作致使播種會出現(xiàn)空穴，播種質(zhì)量不易保證。

2.2 旋轉(zhuǎn)式取種

旋轉(zhuǎn)式取種的取種盤結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。該設(shè)計是考慮了大蒜單粒精密取種和鱗芽朝上入土的要求。取種盤蒜瓣種穴的形狀和尺寸根據(jù)蒜瓣的外形和尺寸設(shè)計，取種盤上的種穴經(jīng)過充種區(qū)時，每次定向取得1粒蒜種；當(dāng)取種盤轉(zhuǎn)動到下方時，蒜瓣鱗芽朝上直立入土，實現(xiàn)大蒜播種“尖上根下”的農(nóng)藝要求[20-23]。單個種穴長度要能容納1粒不同長度的蒜種，種勺長度為蒜種平均長度的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90%，但是大蒜品種不同種穴設(shè)計不同，所以單個取種器對多品種蒜種適應(yīng)性差，且來考慮取種空穴問題，沒有進(jìn)行補種[24]。

1. 錐面型孔盤 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合式結(jié)構(gòu)，避免了取種過程中的漏種和傷種問題。其依據(jù)大蒜形狀和尺寸設(shè)計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、多取及損傷問題，但也沒有涉及取種過程中空勺補種問題[25-26]。

圖9 轉(zhuǎn)筒式取種示意圖

2.4 氣力式取種

氣力式取種是通過氣流實現(xiàn)蒜種的吸附和吹送，因其剛性小對蒜種損傷低而越來越受研究人員和使用者的青睞[27-29]。2016年，梁開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不連通的內(nèi)腔；單粒取種軸的表面對稱布置兩組通孔，通孔個數(shù)和間距依據(jù)播種要求布置；氣體換向裝置通過輸氣管分別與兩個內(nèi)腔連接；單粒取種軸在風(fēng)機和外部動力裝置驅(qū)動旋轉(zhuǎn)1周的過程中，兩組通孔順次完成吸氣(取種)和噴氣(送種)兩個動作[30]。氣力式單粒取種精確度超過98%幾乎不用補種，且取種效率也得到大幅度提高，適合快速作業(yè)，對蒜種的損傷低于其他取種方式，但存在不易維修的缺點。

2.5 鏈勺式取種

我國鏈勺式取種與國外同類型取種方式相比有其獨創(chuàng)性。由濟(jì)南華慶鑄造有限公司研制的一種大蒜播種機如圖11(a)所示。該機器取種的設(shè)計是把傳統(tǒng)的傳動鏈改成傳動鏈板，在每塊鏈板上根據(jù)播種要求安裝取種勺，避免了因機器振動而導(dǎo)致蒜種從兩傳動鏈之間掉落現(xiàn)象的發(fā)生，從而使大蒜取種率達(dá)到95%。由臨沂建領(lǐng)模具機械有限公司研制的一種全自動大蒜播種機所搭載的取種方式如圖11(b)所示。該取種方式是對取種勺進(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 大蒜補種方式

現(xiàn)有大蒜補種方式類似于圖12(a)所示的人工補種方式，即在取種過程中對取種裝置的空勺進(jìn)行人工放種，以降低大蒜播種的空穴率。這種補種方式不僅耗費人力，且補種人的手部易受傷。2014年，劉新田等人發(fā)明了一種如圖12(b)所示的機械式補種方式。在播種機工作過程中，當(dāng)大蒜漏種發(fā)生時，紅外傳感器將信號傳遞給控制器，控制器啟動驅(qū)動電機，電機運轉(zhuǎn)則抓種器抓取蒜種進(jìn)行補種；當(dāng)抓種器沒有成功抓取種子時，控制器再次啟動驅(qū)動電機重復(fù)操作，直至補種成功。這種補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)動電機 2. 抓種器

3 結(jié)論

1)大蒜播種機的單粒取種技術(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)致取種過程中漏種等現(xiàn)象頻生，尚無很好的解決方案。

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

3)單一化技術(shù)研究既浪費人力又浪費物力，所以大蒜機械化播種過程中大蒜單粒取種及補種技術(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，大蒜機械化種植中的單粒取種及補種也應(yīng)朝自動化和智能化方向發(fā)展，以便更大程度地釋放人力，提高生產(chǎn)速度，降低成本。