大蒜播種機(jī)械化研究進(jìn)展分析

李彥棟，牛長河，賈生濤

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所）

0 引言

大蒜作為一種藥食兩用的農(nóng)作物，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。我國是世界上最大的大蒜生產(chǎn)國和出口國，根據(jù)FAO（聯(lián)合國糧農(nóng)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(chǎn)量約2 233.4 萬t，約占世界總產(chǎn)量的78.4%。2017 年我國大蒜出口達(dá)171.2 萬t，占全球大蒜貿(mào)易量的78.8%，大蒜出口創(chuàng)匯近22 億美元。近年來，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，大蒜種植面積連年增加，帶動(dòng)大蒜加工等一系列產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，這對大蒜主產(chǎn)區(qū)蒜農(nóng)增收致富起到了至關(guān)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(jìn)一步發(fā)展，人工種植大蒜勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率極低，人力成本占總成本的一半以上，這導(dǎo)致大蒜種植成本居高不下，大蒜種植機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)對提高大蒜種植效益、增加農(nóng)民收入具有重要意義[3]。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

歐美等西方發(fā)達(dá)國家地廣人稀，大蒜種植和收獲機(jī)械化發(fā)展早、程度高。如美國、法國、西班牙等發(fā)達(dá)國家，為了方便大面積機(jī)械作業(yè)，播種機(jī)多為隨機(jī)播種，效率高，基本可以實(shí)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(chǎn)的大蒜播種機(jī)[7]精度高，可實(shí)現(xiàn)單粒播種，株距、入土深度可調(diào)節(jié)，并且可以播種不同尺寸級別的蒜種，但該播種機(jī)無法控制種植后大蒜鱗芽朝向，且價(jià)格昂貴。法國ERME 公司的氣吸式大蒜播種機(jī)[8]通過采用振動(dòng)槽來實(shí)現(xiàn)蒜種鱗芽朝上，但是由于蒜種調(diào)向結(jié)構(gòu)過于復(fù)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(nóng)藝要求復(fù)雜，且有食用蒜薹的習(xí)慣，因此多要求直立下栽，機(jī)械化程度低，播種技術(shù)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(jī)[16]，如圖1。通過人工投種實(shí)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(jī)

金怡韓[17]等人在2016 年改進(jìn)了原有大蒜播種機(jī)，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(shí)，改進(jìn)的大蒜播種機(jī)放棄了原有的排種方式，采取了勺式取種，達(dá)到了單粒取種的目的，但新機(jī)型仍無直立下栽部件，取種勺向下運(yùn)動(dòng)時(shí)可能會造成大蒜機(jī)械損傷，導(dǎo)致大蒜無法出苗或苗株孱弱[18]。

圖2 旋耕式大蒜播種機(jī)

金成秀等人2013 年發(fā)明的旋耕式大蒜播種機(jī)[19]如圖3。該機(jī)旋耕部件和播種部件動(dòng)力均由一種小型手扶拖拉機(jī)提供，一次性可播種6 行，由于旋耕部件對地面進(jìn)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(jī)作業(yè)的連續(xù)性，大大降低了因上季農(nóng)作物殘茬纏繞等造成的故障。但該播種機(jī)也未解決大蒜直立下栽的大蒜種植關(guān)鍵問題，并且大蒜播種和旋耕均用同一套系統(tǒng)傳動(dòng)，增加了播種機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)故障率。

圖3 旋耕式大蒜播種機(jī)

同年樸德泉等人設(shè)計(jì)的自走式大蒜播種機(jī)[20]，如圖4。該機(jī)由一臺內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，播種機(jī)設(shè)置操控臺，由一名駕駛員進(jìn)行操控，作業(yè)靈活。蒜種經(jīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)頂升后由圓周旋轉(zhuǎn)的刷子掃入播種管道，落入開溝器開好的溝內(nèi)，經(jīng)由覆土機(jī)構(gòu)覆土后完成播種，由于缺少蒜種調(diào)向機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)僅能一定程度上實(shí)現(xiàn)單粒取種，不能完成直立下栽的農(nóng)藝要求。

圖4 自走式大蒜播種機(jī)

河宗友[21]在2016 年對該機(jī)型進(jìn)行了改進(jìn)，如圖5。該機(jī)將傾斜的排種機(jī)構(gòu)改為豎直方向，解決了蒜種無法正確投入直立下栽機(jī)構(gòu)的問題，但該取種機(jī)構(gòu)仍存在重播、漏播等情況，因此設(shè)計(jì)了兩個(gè)人員位置進(jìn)行人工檢查，導(dǎo)致了該機(jī)播種效率不高。

圖5 河宗友改進(jìn)的大蒜播種機(jī)

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

圖6 馬耀旺設(shè)計(jì)的大蒜播種機(jī)

樸英植[23]在2017 年設(shè)計(jì)的大蒜播種機(jī)如圖7，該機(jī)由小型拖拉機(jī)牽引，地輪驅(qū)動(dòng)播種部件并且為噴藥作業(yè)提供動(dòng)力。

嚴(yán)勇均[24]在2019 年發(fā)明的大蒜直立播種機(jī)，其蒜種調(diào)向機(jī)構(gòu)通過不同孔徑的長條篩水平徑向振動(dòng)，調(diào)整蒜種根部朝下，落入下栽機(jī)構(gòu)完成栽種，該機(jī)型播種的大蒜正芽率高，但調(diào)向機(jī)構(gòu)對蒜種大小均勻度要求較高，蒜種較小無法進(jìn)行調(diào)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(jī)械對大蒜進(jìn)行篩選，一定程度上增加了成本。

圖7 自動(dòng)噴藥大蒜播種機(jī)

圖8 嚴(yán)勇均設(shè)計(jì)的大蒜直立播種機(jī)

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)大蒜種植機(jī)械多以直立、單粒、等行距為種植目標(biāo)。現(xiàn)階段我國大蒜種植機(jī)械有以下幾種機(jī)具。

2014 年山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院崔榮江等人設(shè)計(jì)了一款大蒜播種機(jī)[25]，如圖9。該機(jī)包括機(jī)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(dòng)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(dòng)力?？蓪?shí)現(xiàn)鄰行錯(cuò)位直立播種，利于大蒜生長和實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲。

圖9 大蒜播種機(jī)

2018 年山東省瑪麗亞農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司辛麗在現(xiàn)有基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了旋耕式大蒜播種機(jī)[26]，如圖10。該機(jī)增加了旋耕裝置和整地裝置，可實(shí)現(xiàn)旋耕、整地、播種一體化。

2015 年天津理工大學(xué)張登權(quán)、張創(chuàng)開、吳艷娟等人設(shè)計(jì)了一款大蒜播種機(jī)[27]，如圖11。該機(jī)能夠解決蒜瓣方向識別以及蒜瓣下栽直立的關(guān)鍵技術(shù)問題，采用二次蒜瓣定向辨識的方法，一次辨識是運(yùn)用重力原理與蒜瓣的特殊形體結(jié)構(gòu)相結(jié)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(jié)構(gòu)檢測輸入到單片機(jī)，分析數(shù)據(jù)進(jìn)而分辨，經(jīng)過兩次辨識提高蒜瓣辨識精確度，同時(shí)本實(shí)用新型能夠?qū)⑺獍陦喝胪寥溃Q直固定好，且結(jié)構(gòu)簡單，自動(dòng)高效。

圖10 旋耕式大蒜播種機(jī)

圖11 單片機(jī)識別式大蒜播種機(jī)

2017 年臨沂鳳林農(nóng)機(jī)制造有限公司楊青設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動(dòng)式大蒜播種機(jī)[28]，如圖12。整機(jī)包括機(jī)架、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、底盤、液壓泵、驅(qū)動(dòng)裝置以及液壓油缸，液壓油缸垂直固定于機(jī)架和底盤之間，且液壓油缸相對于機(jī)架或底盤可旋轉(zhuǎn)。液壓驅(qū)動(dòng)式大蒜播種機(jī)能夠在播種到地界位置處時(shí)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而在該位置播種。

圖12 液壓驅(qū)動(dòng)式大蒜播種機(jī)

2017 年天津理工大學(xué)吳艷娟、郭彥楠等人設(shè)計(jì)了一種智能大蒜播種機(jī)[29],如圖13。該機(jī)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(dòng)力裝置和控制系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)等株距、芽朝上、直立播種模式，采用圖像識別技術(shù)應(yīng)用于識別種子的芽根部位，設(shè)計(jì)智能栽種機(jī)械手按種子芽根部位進(jìn)行抓取，實(shí)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(shè)計(jì)了六行手扶式大蒜播種機(jī)[30]，如圖14。該機(jī)包括車架、柵條輥?zhàn)印⒎鍪?、后行走總成、種倉、開溝器、轉(zhuǎn)向總成、劃行器和動(dòng)力系統(tǒng)。該機(jī)適用于小規(guī)模種植，且操作簡單、機(jī)具成本低。

圖13一種智能大蒜播種機(jī)

圖14 六行手扶式大蒜播種機(jī)

2 討論

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

大蒜播種時(shí)蒜種間隔對大蒜的產(chǎn)量也有很大的影響，國內(nèi)大蒜播種機(jī)調(diào)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(chǎn)量。

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

大蒜播種機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)主要集中在大蒜播種機(jī)的蒜種直立栽種控制技術(shù)和蒜種鱗芽方向控制技術(shù)兩個(gè)方面，因此著重發(fā)展蒜種鱗芽方向控制技術(shù)和蒜種直立控制技術(shù)的自動(dòng)化和智能化，是提高大蒜種植產(chǎn)量和生產(chǎn)效率的必然選擇和趨勢。如用圖像識別技術(shù)應(yīng)用于識別種子的芽根部位，設(shè)計(jì)智能栽種機(jī)械手按種子芽根部位進(jìn)行抓取，可實(shí)現(xiàn)單粒種子豎直下栽。