一種基于數(shù)字化設(shè)計(jì)的大蒜智能播種作業(yè)機(jī)械

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 侯信 何福鋮 沈龍 王水林 魏超

1 研究背景

黨的十九大報(bào)告中明確提出實(shí)施“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略，科技興農(nóng)是鄉(xiāng)村振興中的重要一環(huán)。通過(guò)對(duì)江蘇省邳州市大蒜種植進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)人工種植——成本高、人口老齡化嚴(yán)重、播種不均勻；機(jī)械化種植——空穴率高、蒜種無(wú)法直立生長(zhǎng)、需多人協(xié)同作業(yè)等。此外，研究該產(chǎn)品的技術(shù)人員數(shù)量相對(duì)較少，這些都阻礙著新型大蒜播種機(jī)的發(fā)展與更迭換代。對(duì)江蘇邳州實(shí)地調(diào)研的結(jié)果顯示，農(nóng)民越來(lái)越注重機(jī)械化的高效與高質(zhì)量，市場(chǎng)上的機(jī)器已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，現(xiàn)有機(jī)器技術(shù)存在短板，在大蒜的取種運(yùn)輸方面容易造成破壞，影響了機(jī)器在市場(chǎng)上的銷(xiāo)售與普及。根據(jù)農(nóng)民的需求，使用現(xiàn)有機(jī)器會(huì)出現(xiàn)漏播問(wèn)題，需要人工補(bǔ)插蒜種，極其耗費(fèi)人力。為解決上述問(wèn)題，本研究小組通過(guò)對(duì)江蘇邳州大蒜實(shí)地調(diào)研、網(wǎng)上查閱資料等渠道，收集了解到土地流轉(zhuǎn)難、種蒜成本高、機(jī)械化種植程度低、人口老齡化、勞動(dòng)力不足、青年人才缺失等問(wèn)題，研究出了半自動(dòng)化大蒜播種機(jī)，在播種方面做出了新的方案。機(jī)器的半自動(dòng)化以及自走式使播種工作更加方便、靈活。松土、開(kāi)溝、種植、覆土由同一機(jī)器作業(yè)，高效率完成種植工作，減輕農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，提高了種植效率。

2 設(shè)計(jì)方案

整體機(jī)器分為以下部分：（1）新制托盤(pán)裝置（2）預(yù)處理裝置（3）同步運(yùn)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(pán)式大蒜播種一體機(jī)是集旋耕、開(kāi)溝、種植于一體的多功能播種機(jī)，工作時(shí)旋耕刀和開(kāi)溝器由操作臺(tái)通過(guò)齒輪鏈條傳動(dòng)調(diào)整到適合土地高度的位置，進(jìn)行預(yù)先處理工作。然后將分好的蒜種放置在新制托盤(pán)中，并將新制托盤(pán)安放在機(jī)器上，通過(guò)同步運(yùn)輸裝置將托盤(pán)運(yùn)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(dá)最末端時(shí)，鴨嘴一側(cè)的連桿由凸輪機(jī)構(gòu)打開(kāi)，將蒜種種入土地中，當(dāng)通過(guò)凸輪遠(yuǎn)休止程時(shí)，凸輪產(chǎn)生的推力消失，鴨嘴因?yàn)閺椈勺饔没貜楆P(guān)閉，大蒜完成播種。

2.2 新制托盤(pán)裝置

（1）結(jié)構(gòu)組成

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

（2）工作原理

工作時(shí)需要人工將蒜種放置在新制托盤(pán)的蒜穴中，在托盤(pán)左右兩側(cè)上端有溝槽，下端有滑柱支撐，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)托盤(pán)堆疊，同時(shí)可以完成兩托盤(pán)之間的相對(duì)滑動(dòng)。當(dāng)滾筒壓蒜裝置中的橡膠壓桿下壓時(shí)，蒜穴的左右兩半穴同時(shí)打開(kāi)，保證蒜種鱗芽朝上落下。使用托盤(pán)種植可以保證鱗芽朝上，如圖1所示。

圖1 蒜穴

2.3 預(yù)處理裝置

（1）結(jié)構(gòu)組成

預(yù)處理裝置由旋耕刀、開(kāi)溝器、齒輪、軸系零件組成。旋耕刀安裝在機(jī)器最前端，由齒輪帶動(dòng)，用于調(diào)節(jié)高低。開(kāi)溝器由鏈傳動(dòng)帶動(dòng)工作，進(jìn)行高低的調(diào)節(jié)，適用于不同的播種深度，如圖2所示。

圖2 開(kāi)溝器和旋耕刀

（2）工作原理

在播種階段，旋耕刀通過(guò)相應(yīng)的齒輪旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)旋耕深度，以應(yīng)對(duì)各種高低不平的種植環(huán)境，該部分主要是利用旋轉(zhuǎn)原理帶動(dòng)旋耕機(jī)構(gòu)上的旋耕刀進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使地面的土壤分布均勻。開(kāi)溝器主要是起對(duì)土壤進(jìn)行開(kāi)溝的作用，開(kāi)溝器工作時(shí)通過(guò)大蒜播種機(jī)上的齒輪和鏈條來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)溝的深度，從而達(dá)到適合大蒜種植的土壤條件。

2.4 同步運(yùn)輸裝置

（1）結(jié)構(gòu)組成

同步運(yùn)輸裝置由帶輪、特制皮帶、絲桿軸、齒輪組成。同步帶傳動(dòng)裝置放在托盤(pán)兩側(cè)，將同步帶的傳動(dòng)軸改成絲桿軸，與齒輪進(jìn)行配合運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 同步運(yùn)輸裝置

（2）工作原理

同步帶裝置帶動(dòng)托盤(pán)向前運(yùn)動(dòng)，兩托盤(pán)之間可以進(jìn)行滑動(dòng)，同步帶的動(dòng)力由絲桿運(yùn)動(dòng)提供，此運(yùn)動(dòng)方式，減少了傳動(dòng)源。

2.5 滾筒壓蒜裝置

（1）結(jié)構(gòu)組成

滾筒壓蒜裝置結(jié)構(gòu)由五部分構(gòu)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(guò)滾筒外壁固定在機(jī)架上，滾筒外壁兩端連接齒輪進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。在滾筒外壁上開(kāi)有9組壓桿孔，彈簧、橡膠壓桿固定在滾筒內(nèi)壁里，每1組又有4組壓桿和8個(gè)彈簧構(gòu)成。

（2）工作原理

當(dāng)托盤(pán)和壓桿同時(shí)到達(dá)指定位置，壓桿處于托盤(pán)蒜穴正上方，齒輪帶動(dòng)滾筒外壁進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)滾筒外壁帶動(dòng)內(nèi)部壓桿和彈簧一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而齒輪軸保持不動(dòng)。當(dāng)壓桿轉(zhuǎn)動(dòng)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(nèi)的大蒜。壓完蒜后由于壓縮彈簧的彈性作用使壓桿復(fù)位，重復(fù)以上工作進(jìn)行種蒜。同時(shí)在壓桿復(fù)位過(guò)程中，滾筒外仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的切向方向與托盤(pán)運(yùn)動(dòng)方向相同，未收回去的壓桿可以帶動(dòng)托盤(pán)向前運(yùn)動(dòng)。如圖4所示。

圖4 滾筒式壓蒜裝置

2.6 鴨嘴種植裝置

（1）結(jié)構(gòu)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(kāi)合器組成。鴨嘴種植裝置分為凸輪結(jié)構(gòu)、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(gè)鴨嘴進(jìn)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(guò)凸輪和彈性件來(lái)實(shí)現(xiàn)上下的往復(fù)壓蒜運(yùn)動(dòng)。安裝座上安裝的插蒜組件的套管無(wú)法移動(dòng)，組件下口與安裝座存在凸出的相對(duì)距離，機(jī)械與土壤的間隙配合是通過(guò)接地輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使得機(jī)器向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中連續(xù)種蒜，減小與土壤接觸產(chǎn)生的阻力。使用鐵制壓嘴進(jìn)行開(kāi)合，方便開(kāi)穴，將蒜種下。

3 裝置基本數(shù)據(jù)

表1 機(jī)器各部分基本數(shù)據(jù)

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

大蒜生產(chǎn)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(cuò)過(guò)播種時(shí)間會(huì)影響大蒜的生長(zhǎng)和出售。據(jù)測(cè)算，機(jī)械播種效率是人工的50倍以上，節(jié)省成本達(dá)到5980元/hm2，占大蒜總產(chǎn)出的20%。同時(shí)大蒜播種可以提早3～5天完成。2021年暑期筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)江蘇省邳州市下轄的宿羊山鎮(zhèn)、趙墩鎮(zhèn)進(jìn)行了社會(huì)實(shí)踐調(diào)研，并以此為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。以邳州市大蒜播種面積60.9萬(wàn)畝為基準(zhǔn)，需要機(jī)器3000臺(tái)。國(guó)內(nèi)大蒜播種面積1264.5萬(wàn)畝，需要機(jī)器53000臺(tái)。

托盤(pán)式大蒜播種一體機(jī)：每臺(tái)機(jī)器造價(jià)8450元，托盤(pán)成本控制在10元以?xún)?nèi)，屬于小型農(nóng)業(yè)機(jī)械，使用壽命為8年。托盤(pán)式大蒜播種一體機(jī)質(zhì)包1年，主要部件質(zhì)包2年。通過(guò)對(duì)江蘇省邳州市宿羊山鎮(zhèn)調(diào)研，若普及使用托盤(pán)式大蒜播種一體機(jī)，邳州市人工播種和機(jī)械播種對(duì)比，如表2所示。

表2 邳州市（60.9萬(wàn)畝）人工播種和機(jī)械播種對(duì)比

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出，機(jī)械種植的項(xiàng)目投資回報(bào)較人工播種花費(fèi)有大幅度降低，在提高農(nóng)民基本收入，減少播種成本的同時(shí)，解決了勞動(dòng)力不足的問(wèn)題；機(jī)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(wèn)題提供幫助。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）使用托盤(pán)種植可以保證鱗芽朝上，解決了取蒜易堵塞問(wèn)題，提升營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，增加農(nóng)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(gè)托盤(pán)可以放81顆蒜，每畝地機(jī)器需要工作14分鐘，大大降低了人工種植時(shí)間。

（2）旋耕刀和開(kāi)溝器這兩個(gè)機(jī)構(gòu)與大蒜播種機(jī)的其他機(jī)構(gòu)組裝配合使用后，可以實(shí)現(xiàn)種植一體化，提高了大蒜的種植效率。同時(shí)旋耕刀和開(kāi)溝器這兩個(gè)工作機(jī)構(gòu)還節(jié)省了許多資源，利用旋耕刀和開(kāi)溝器對(duì)種植地面進(jìn)行旋耕、開(kāi)溝和松土等工作比使用農(nóng)具進(jìn)行開(kāi)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、傳動(dòng)由齒輪帶動(dòng)，精度高、能夠保證9組同時(shí)下壓、誤差小，同時(shí)壓桿復(fù)位過(guò)程中，滾筒外壁繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的切向方向與托盤(pán)向前的方向相同，未收回去的壓桿可以帶動(dòng)托盤(pán)向前運(yùn)動(dòng)。降低了同步裝置的工作效率。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)江蘇省邳州市社會(huì)實(shí)踐調(diào)研及對(duì)當(dāng)?shù)剡M(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，得知目前市場(chǎng)上的大蒜播種機(jī)價(jià)格高、空穴率高、正芽率低等問(wèn)題。我們研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)明了托盤(pán)種植裝置，可以降低空穴率，提高正芽率，成本低。同時(shí)據(jù)調(diào)查2019年全國(guó)大蒜種植面積598.2萬(wàn)畝，2020年全國(guó)大蒜種植面積在745萬(wàn)畝左右，由于大蒜種植面積增加，迫切需要機(jī)械化代替人工種植，提高種植效率，保證種植質(zhì)量。目前常用的播種機(jī)械的點(diǎn)播技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，播種速度慢、垂直偏向幅度大，種植結(jié)果不理想。種植高效、高質(zhì)量，是每個(gè)農(nóng)民日日渴望的，因此本產(chǎn)品具有很好的市場(chǎng)前景。