大蒜直立篩選方法探究及其裝置設(shè)計(jì)

魏玉珍，鄒棟林，劉勇蘭，喜冠南

(1.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019; 2. 南通科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系， 江蘇 南通 226007)

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大蒜直立篩選方法探究及其裝置設(shè)計(jì)

魏玉珍1，鄒棟林2，劉勇蘭2，喜冠南1

(1.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019; 2. 南通科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系， 江蘇 南通 226007)

大蒜形狀不規(guī)則、粒大易磨損、粒多易堵塞是阻礙大蒜直立篩選與種植的關(guān)鍵問(wèn)題。為此，通過(guò)對(duì)大蒜的品種特征、形狀特征與尺寸特征等方面進(jìn)行分析，尋找出大蒜芽端與根部的差異，從而為直立篩選方法的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。為滿足大蒜直立種植的特殊農(nóng)藝要求，保證大蒜的品相質(zhì)量并提高種植效率，本文提出了傾斜分隔槽排種法、觸碰開(kāi)關(guān)篩選法和平衡碗篩選法，并進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)與各方案優(yōu)劣分析，為我國(guó)大蒜播種機(jī)的優(yōu)化提供參考。

大蒜；直立篩選；特征分析；方法探究；裝置設(shè)計(jì)

0 引言

根據(jù)大蒜銷售的相關(guān)調(diào)查得知，大蒜外觀的品相質(zhì)量對(duì)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值影響非常大[1-2]，所以大蒜在種植過(guò)程中具有特殊的農(nóng)藝要求：要求滿足芽端朝上、根部朝下的直立種植條件，保證其生長(zhǎng)姿態(tài)端正，從而收獲高品相質(zhì)量的大蒜[3-4]。此外，根據(jù)有關(guān)專家的實(shí)驗(yàn)研究得知，大蒜芽端朝上的直立種植方式可縮短大蒜生長(zhǎng)周期，獲得的產(chǎn)量是隨機(jī)播種產(chǎn)量的5倍左右[5]。因此，如何保證大蒜直立篩選準(zhǔn)確度和種植直立度是設(shè)計(jì)大蒜種植機(jī)需要解決的核心問(wèn)題。

目前，國(guó)外已出現(xiàn)各種類型的大蒜種植機(jī)。其中，典型的有日本的壓穴式大蒜播種機(jī)[6]，利用半球穴的球面控制大蒜的直立度，但采用的是隨機(jī)排種方式，因而芽端方向是隨機(jī)的。法國(guó)的愛(ài)瑪大蒜播種機(jī)利用特定的扶正機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)蒜種在輸送過(guò)程中的直立狀態(tài)，但芽方向篩選的準(zhǔn)確度較低[7-8]。我國(guó)是大蒜生產(chǎn)大國(guó)，但國(guó)內(nèi)的種植仍主要采用手工插植的方式完成，通過(guò)人工分辨蒜瓣的芽端與根部，手動(dòng)插到土壤中。該方式雖然保證了篩選百分之百的準(zhǔn)確度，其工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且種植效率很低，因此更為可靠有效的大蒜種植機(jī)械亟待進(jìn)一步研制。

本研究針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)大蒜直立篩選問(wèn)題展開(kāi)，通過(guò)對(duì)大蒜的品種特征、形狀特征和尺寸特征的分析與相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，分別找出大蒜的芽端和根部的差異與共性，以此為理論依據(jù)展開(kāi)大蒜直立篩選方法的設(shè)計(jì)思路；通過(guò)各方法的優(yōu)劣分析，為大蒜種植機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，推動(dòng)我國(guó)大蒜種植的機(jī)械化發(fā)展。

1 大蒜特征分析

1.1 大蒜品種特征

大蒜可根據(jù)蒜頭顏色、蒜瓣大小及播種季節(jié)等分類，有白皮蒜、紫皮蒜、早熟蒜等品種，雖然品種多樣，但外形特征大致相同，體積差異稍大。

1.2 大蒜形狀特征

大蒜形狀特征分析如下：

1)每個(gè)蒜瓣主要由兩個(gè)較寬且成一定夾角的平面以及一個(gè)弧形曲面組成。

2)每個(gè)蒜瓣的芽端呈尖端狀，而根部呈小平面狀。

3)利用物理中懸掛式重心尋找方法可知，每個(gè)蒜瓣的重心位置均是更靠近其根部的。

1.3 大蒜尺寸特征

為尋求蒜瓣在尺寸方面的共性，取200粒白皮大蒜瓣進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果如表1所示，實(shí)驗(yàn)中尺寸參數(shù)如圖1所示。因大蒜在種植之前通常會(huì)進(jìn)行選種，取大小相近、飽滿肥碩的蒜瓣作種，所以本研究對(duì)其各個(gè)尺寸的平均值進(jìn)行研究，取平均長(zhǎng)26.50mm、平均寬16.90mm、平均高19.10mm作為直立篩選裝置設(shè)計(jì)的參考參數(shù)。

表1 大蒜尺寸參數(shù)測(cè)量結(jié)果

圖1 大蒜尺寸參數(shù)

2 大蒜直立篩選方法探究

2.1 傾斜分隔槽排種法

通過(guò)對(duì)蒜瓣尺寸的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其平均寬度與平均高度差值較小，因此當(dāng)蒜瓣從高處掉落著地時(shí)，其接觸面為寬平面或弧形曲面。若以弧形曲面著地，由于重心分布特點(diǎn)導(dǎo)致穩(wěn)定性不高，當(dāng)?shù)孛鎯A斜一定角度，其必然將以寬平面著地，重新達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。

試驗(yàn)驗(yàn)證：取200粒常見(jiàn)的白皮蒜瓣從高處自由落下進(jìn)行試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)接觸面情況知，大約78.5%的蒜瓣是以寬平面著地，而約21.5%的蒜瓣是以弧形曲面著地。當(dāng)?shù)孛鎯A斜一定角度時(shí)，蒜瓣全部呈現(xiàn)寬平面著地狀態(tài)。結(jié)合該特點(diǎn)，本文提出了一種傾斜分隔槽排種法如下：蒜種由斗形種箱底部掉落到下方的傾斜分隔槽，其底部在槽寬方向和槽長(zhǎng)方向均傾斜一定角度，使蒜瓣掉落之后全部呈現(xiàn)以寬平面著地狀態(tài)，且在重力作用下沿著槽長(zhǎng)方向往下劃落，進(jìn)入方向篩選裝置中，如圖2所示。

圖2 排種方案原理示意圖

為減小摩擦的影響，傾斜分隔槽的內(nèi)壁均為光滑面。為防止蒜瓣卡在分隔槽的上方，故相鄰隔板之間存在高度差。每個(gè)槽的寬度大于蒜瓣寬度且小于蒜瓣長(zhǎng)度，從而保證分隔槽內(nèi)蒜瓣是單個(gè)縱向排列。此外，為防止掉落的蒜瓣數(shù)量過(guò)多發(fā)生擁堵，故在分隔槽上方設(shè)計(jì)了單列圓柱排種器，其凹槽尺寸設(shè)計(jì)僅能容納一個(gè)蒜瓣，且在去冗刷的作用下，進(jìn)一步保證了蒜瓣單粒排種，結(jié)構(gòu)如圖3所示。于是，分隔槽內(nèi)的蒜瓣最終呈現(xiàn)寬平面著地的單?？v向隊(duì)列，為下一步的方向篩選工作做好準(zhǔn)備。

圖3 單列圓柱排種器

2.2 觸碰開(kāi)關(guān)篩選法

根據(jù)上述大蒜特征分析可得，蒜瓣芽端均又細(xì)又尖，故可抽象為一個(gè)點(diǎn)；而蒜根部位均有木質(zhì)化的莖盤且被剪切得較為平整，故可將其抽象為一個(gè)小塊的圓形平面。因此，可根據(jù)點(diǎn)與面的差異展開(kāi)大蒜芽朝向的篩選設(shè)計(jì)思路，以下篩選方法均基于傾斜分隔槽排種法展開(kāi)。

如圖4所示：蒜瓣以單粒縱向隊(duì)列形式沿著傾斜分隔槽下滑，進(jìn)入接種器的錐形杯中；錐形杯隨著傳送帶的運(yùn)動(dòng)而被輸送到夾緊套正下方，同時(shí)上方的夾緊套在連桿的帶動(dòng)下開(kāi)始垂直下壓，其內(nèi)部的彈性橡膠套擴(kuò)張，從而將蒜瓣夾緊；此時(shí)，連桿帶動(dòng)夾緊套水平運(yùn)動(dòng)進(jìn)入方向篩選裝置的平行對(duì)心軌道，蒜瓣沿著平行板間隙運(yùn)動(dòng)，根據(jù)是否觸碰到開(kāi)關(guān)被分別輸送到芽端朝上的收集區(qū)和芽端朝下的收集區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)大蒜芽端方向篩選。

圖5為接種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其中，錐形杯被固定在傳送帶上呈陣列緊密分布，且在錐形杯兩側(cè)設(shè)一個(gè)三角形開(kāi)口，三角形開(kāi)口方向一致且共線；夾緊套固定在連桿上可隨其運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，每個(gè)夾緊套與錐形杯共軸線；錐形套底部設(shè)有帶開(kāi)口的彈性橡膠套，當(dāng)夾緊套下壓蒜瓣時(shí)將發(fā)生形變，從而可利用彈性形變夾緊蒜瓣。

圖6為篩選原理示意圖。其平行對(duì)心軌道的中心線與錐形杯三角形開(kāi)口共線，防止蒜瓣偏離軌道導(dǎo)致觸碰開(kāi)關(guān)失效。平行對(duì)心軌道的兩塊平板之間的間隙要求小于蒜瓣根部小平面的寬度，充分利用蒜瓣芽端與根部的點(diǎn)與面的差異進(jìn)行分類。

圖4 觸碰開(kāi)關(guān)方向篩選原理示意圖

圖5 接種器結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 篩選原理示意圖

圖7為分類裝置示意圖。其導(dǎo)向板通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)與觸碰開(kāi)關(guān)相連接。若是蒜瓣芽端朝下，呈尖端的芽端通過(guò)平行板間隙必然觸碰到開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)分類裝置中的導(dǎo)向板擺動(dòng)，于是此類蒜瓣由主管道被分到芽端朝下的收集區(qū)；若是蒜瓣根部朝下，則不會(huì)觸到開(kāi)關(guān)，則分類裝置中的導(dǎo)向板不會(huì)被啟動(dòng)，此類蒜瓣將進(jìn)入另一個(gè)收集區(qū)；通過(guò)換向裝置可將蒜瓣的芽端方向進(jìn)行統(tǒng)一，再結(jié)合直立種植裝置進(jìn)行播種。

圖7 分類裝置示意圖

2.3 平衡碗篩選法

基于上述對(duì)大蒜特征分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于每個(gè)蒜瓣近似呈犬牙狀且重心分布靠近蒜根部位，所以當(dāng)蒜瓣以弧形曲面與地面接觸時(shí)，根據(jù)杠桿原理可知：當(dāng)蒜瓣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，蒜瓣芽端高度會(huì)高于蒜根部位。因此，利用根部與芽端高度差異可展開(kāi)大蒜芽朝向的篩選設(shè)計(jì)思路，提出了一種平衡碗篩選法。為了進(jìn)一步便于大蒜芽端方向篩選，該篩選方法也是基于傾斜分隔槽排種法展開(kāi)的。

圖8為平衡碗分布圖。平衡碗篩選法的具體實(shí)施過(guò)程如下：蒜瓣經(jīng)過(guò)傾斜分隔槽后，呈現(xiàn)單?？v向隊(duì)列形式，在重力作用下沿著槽依此劃入平衡碗中，而平衡碗在傳送帶上呈陣列緊密排列，防止蒜瓣卡在相鄰的平衡碗之間，從而順利進(jìn)入方向篩選階段。圖9為平衡碗示意圖。其底部水平、內(nèi)壁光滑呈碗狀，從而保證蒜瓣掉落到平衡碗后會(huì)沿著的弧形內(nèi)壁“倒下”，以弧形曲面著地達(dá)到靜止的平衡狀態(tài)。隨著傳送帶運(yùn)動(dòng)，每排平衡碗的碗口分別與傾斜分隔槽的槽口一一對(duì)應(yīng)，保證蒜瓣準(zhǔn)確掉落其中。固定在連桿上夾緊套呈圓錐狀，內(nèi)部包括兩個(gè)周期性閉合的裝夾片，完成準(zhǔn)確夾緊蒜瓣任務(wù)。

圖8 平衡碗分布圖

圖9 平衡碗裝置示意圖

2.4 方案優(yōu)劣分析

傾斜槽排種法利用大蒜從高處掉落后的著地面特點(diǎn)，采用特殊結(jié)構(gòu)的傾斜分隔槽，有效減少了大蒜的形態(tài)種類，實(shí)現(xiàn)了蒜瓣單?？v向排列；觸碰開(kāi)關(guān)篩選法利用蒜瓣芽端與根部的“點(diǎn)”與“面”的差異特點(diǎn)，根據(jù)能否觸碰到平行對(duì)心軌道中間的開(kāi)關(guān)進(jìn)行方向篩選，再結(jié)合分類裝置將蒜瓣分到芽端朝下與根部朝下兩個(gè)收集區(qū)；平衡碗篩選法則利用蒜瓣的犬牙形狀和重心分布特點(diǎn)展開(kāi)，蒜瓣以弧形曲面著地時(shí)芽端與根部存在高度差，利用光滑碗狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行方向篩選。

傾斜分隔槽排種法僅是一種排種方法，而觸碰開(kāi)關(guān)篩選法與平衡碗篩選法均是以此為基礎(chǔ)的篩選方法，二者分別利用不同原理，達(dá)到了大蒜直立篩選的目的。為了驗(yàn)證方法的可行性，故制作簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)裝置并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

利用硬紙板做出簡(jiǎn)易的傾斜分隔槽，用紙板卷成圓錐狀，在對(duì)稱位置剪開(kāi)兩個(gè)三角形開(kāi)口，制作出4個(gè)同樣大小的錐形杯，同時(shí)直立地粘在一塊紙板上；同樣方法，制作4個(gè)底部水平且壁面呈弧形的平衡碗，直立地粘在另一塊紙板上。此外，利用彈性橡膠材料制作夾緊套和觸碰開(kāi)關(guān)，用兩塊有機(jī)玻璃板模擬平行對(duì)心軌道等。

取100粒白皮蒜瓣進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：蒜瓣由高處掉落到分隔槽后，74%的蒜瓣能實(shí)現(xiàn)單粒蒜瓣以平面著地狀態(tài)；通過(guò)手動(dòng)下壓夾緊套，其彈性橡膠套擴(kuò)張并將蒜瓣從錐形杯中夾起， 沿著三角形開(kāi)口進(jìn)入平行對(duì)心軌道，通過(guò)統(tǒng)計(jì)是否觸碰到開(kāi)關(guān)發(fā)現(xiàn)，篩選準(zhǔn)確度達(dá)67%；而采用平衡碗裝置時(shí)，篩選準(zhǔn)確度達(dá)71%。

由于本文主要針對(duì)大蒜直立篩選方法展開(kāi)探究，僅對(duì)原理進(jìn)行簡(jiǎn)易試驗(yàn)驗(yàn)證，且受有限的試驗(yàn)條件限制，所以各個(gè)裝置的設(shè)計(jì)有待于進(jìn)一步完善。但是，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文提出的傾斜槽排種方法和兩種大蒜直立篩選方法具有一定的合理性與可行性。

4 結(jié)論

1) 傾斜槽排種法有效實(shí)現(xiàn)蒜瓣單?？v向排列，極大地減少了芽端方向種類，為兩種篩選方法的開(kāi)展做好準(zhǔn)備工作；觸碰開(kāi)關(guān)篩選法根據(jù)觸碰開(kāi)關(guān)是否啟動(dòng)來(lái)判斷蒜瓣芽端的朝向，而平衡碗篩選法則根據(jù)重心分布特點(diǎn)，利用光滑碗裝狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)芽端的朝向篩選。

2) 各方案的設(shè)計(jì)原理均是基于大蒜的特征分析，均有一定的獨(dú)創(chuàng)性，為后續(xù)大蒜直立篩選的深入研究提供了新的設(shè)計(jì)思路，更為大蒜種植機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

[1] Lei P, Shijian D, Ronghua L. Research on the Identification of the Roots of Garlic Base on Pattern Recognition[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(5): 26-31.

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Method Inquisition and Device Design of Garlic Upright Screening

Wei Yuzhen1, Zou Donglin2, Liu Yonglan2, Xi Guannan1

(1.School of Mechanical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China; 2.Department of Mechanical and Electronics, Nantong Technology Vocational College, Nantong 226007, China)

Irregular shape, large size, easy to wear and easy to block are the key problems to prevent garlic from upright screening and planting. For these problems, the characteristics of variety, shape and size of garlic were analyzed in the present study. And the differences between the bud and the root of garlic can be found to offer theoretical basis for the design of garlic upright screening. In order to meet the special agronomic requirements of the garlic upright planting, to ensure the quality of garlic and to improve the planting efficiency, the seed metering method of the inclined separation groove, the screening method of touch switch and the screening method of balancing bowls were proposed in the this study. Devices were designed and the advantages and disadvantages of these methods were analyzed to provide some

for the optimization of the garlic planting machines in China.

garlic; upright screening; characteristics analysis; method inquisition; device design

2016-04-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51476080);南通市市級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目(MS12015088);南通市傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(CP12012004)

魏玉珍(1990-)，女，山東日照人，碩士研究生，(E-mail)2587394994@qq.com。

喜冠南(1956-)，男，江蘇南通人，教授，博士， (E-mail)guannanxi@ntu.edu.cn。

S223.94

A

1003-188X(2017)05-0122-04