大蒜芽端篩選及直立種植方案探究

魏玉珍，鄒棟林，劉勇蘭，喜冠南

(1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.南通科技職業學院 機電工程系， 江蘇 南通 226007)

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大蒜芽端篩選及直立種植方案探究

魏玉珍1，鄒棟林2，劉勇蘭2，喜冠南1

(1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.南通科技職業學院 機電工程系， 江蘇 南通 226007)

我國作為世界大蒜主要生產國，目前的種植方式以人工為主，大蒜種植業機械化發展緩慢。隨著對大蒜種植技術的深入研究，芽端朝上的直立種植方式逐漸成為必要的農藝要求。為保證大蒜的品相質量并提高種植效率，針對如何實現大蒜芽端方向篩選和保證種植的直立度，通過對大蒜的繁殖方式、種植農藝及外形幾何等方面進行分析，提出了一種芽端方向篩選方案和3種不同的直立種植方案，并展開裝置設計、方案優劣分析及可行性驗證，旨在為我國大蒜播種機的優化提供參考。

大蒜；直立篩選；特征分析

0 引言

根據對膳食營養的深入研究，大蒜不僅因其獨特的辛辣風味成為日常飲食的一種必備佐料，而且具有很高的營養價值和醫用價值。大蒜既可提供人體所需元素，改善糖代謝，又可降壓降脂、殺菌消毒，且因其富含有機鍺而具有強大的抗癌效應，被贊譽為“天然廣譜植物抗生素”。目前，大蒜已經成為很多國家的主要農業經濟作物，種植面積也逐年增加。在我國，大蒜總產量、出口量及種植面積都居于世界前列[1]。然而，由于大蒜芽端朝上直立種植的特殊農藝要求，大蒜種植業的機械化發展仍存在較大難度。

在國外，大蒜種植的相關專利技術主要集中在韓國和日本，其次是歐美國家。韓國的手扶式大蒜播種機采用轉勺式排種器投種，較好地控制了蒜瓣的輸送數量和速度，但大蒜的芽端方向篩選準確度、種植直立度均較低。日本的壓穴式大蒜播種機采用半球錐壓穴，較好地利用球面特點控制大蒜的直立度，但因其隨機排種方式使得大蒜芽端方向不可控。捷克的大蒜載種機采用振動抖槽定向器，較好地保證了蒜瓣輸送過程中的直立度，但入土后的直立度難以保證。美國的農業種植以規模化、專業化為特點，大蒜播種機集合了開溝、投種、覆土、覆膜等一系列作業，自動化程度高，種植效率高，但大蒜芽端篩選的準確度和直立度很低[2]。

在國內，大蒜種植機械也得到一定發展，典型機型為山東五征集團研制的一款大蒜播種機械，利用錐形播種斗壓出播種穴并進行投種，能夠初步達到大蒜直立種植的要求，但其直立度受到拖拉機的前進速度等因素的影響較大。然而，目前國內大蒜種植機械化并不成熟，仍然以人工方式分辨芽端、直立插入土中。根據相關大蒜生產調查發現，每戶3人1天可種植大蒜的面積僅666.7m2多,雇傭人工每人每天的工資約為150～200元。該方式雖然保證了芽端方向篩選的準確度和種植的直立度，但勞動強度大、種植效率低且大蒜生產的人工成本高[3]。

因此，機械化是我國大蒜種植業發展的必然趨勢，而如何保證芽端方向篩選的準確度和種植的直立度是大蒜機械化發展中需要解決的關鍵問題。本研究針對如何實現大蒜芽端朝上、直立種植的問題展開，基于對大蒜的特征分析，提出一種大蒜芽端方向篩選方案和3種直立種植方案，并進行裝置設計，通過各方案的優劣分析，為我國大蒜種植機的優化設計提供參考。

1 大蒜特征分析

1.1 大蒜的繁殖方式

常見的大蒜頭實則為鱗莖，蒜瓣為鱗芽，蒜頭結構示意圖如圖1所示。生活中，蒜瓣通常會被誤認為大蒜的種子，然而其本身只是一種地下塊莖。由于大蒜的花發育不良，產種極少，種子難育且遺傳性不穩定，因此通常利用蒜瓣的無性繁殖來種植大蒜，且發育周期短、性狀遺傳好，有利于提高大蒜的存活率和保證較大產量。

圖1 蒜頭結構示意圖

1.2 大蒜的農藝要求

根據大蒜銷售的相關調查得知，大蒜外觀的品相對其經濟價值影響非常大，尤其對于大蒜出口銷售，品相好的大蒜市場價格通常約為品相差的3～4倍。此外，有專家的實驗研究表明，直立種植方式帶來的大蒜產量約是隨機播種的5倍[4-5]。

本研究中取3組白皮大蒜，每10粒為1組，改變條件進行直立種植實驗，結果如表1所示。

表1 大蒜直立種植實驗結果

根據實驗結果的統計可得：

1)大蒜芽端向下時，發芽周期長，蒜苗生長緩慢，相比同期的B組和C組，其蒜苗植株矮小嬌弱、蒜莖彎曲程度大且明顯。

2)大蒜芽端水平放置時，相比同期植株較矮且蒜莖存在彎曲。

3)大蒜芽端向上時，發芽周期短、蒜苗健壯有力、生長速度快，相比同期植株蒜莖直立粗壯。

隨著人們對大蒜種植技術的深入研究，芽端朝上、直立種植逐漸成為大蒜種植過程中需要滿足的特殊的農藝要求。該方式不僅可縮短發芽周期，且可提高大蒜外觀質量，甚至可提高大蒜產量。因此，如何保證該特殊的農藝要求成為大蒜種植機械研制的焦點[6-7]。

1.3 大蒜的幾何分析

大蒜頭因其根部被修剪而成小圓平面，蒜瓣則圍繞著一根圓柱木質化莖盤緊密圓周排列，其品種多樣但外形特征大致相同。

通過對大蒜的幾何分析可得：

1)蒜瓣外形極其不規則，大致呈現月牙狀但芽端與根部差異較小，故可循規律并不明顯；

2)蒜瓣大小不一致，尺寸偏差范圍較大，對于大蒜種植機械的排種精度影響較大；

3)蒜瓣皮薄易被損傷，粒多易發生堵塞，故對于大蒜種植機械的蒜種輸送提出較高要求；

4)通過物理學中不規則物體重心懸掛法測得，蒜瓣處于直立狀態時，重心分布靠近根部,如圖2所示。

圖2 大蒜重心分布圖

綜上所述，為保證大蒜性狀穩定遺傳，通常采用蒜瓣進行無性繁殖。為了滿足大蒜市場銷售的高品相質量需求，芽端朝上、直立種植的特殊農藝引起了廣大蒜農的關注，很多專家學者的深入研究也進一步驗證了直立種植的合理性，如何保證該農藝要求成為了大蒜種植機械的研究焦點。然而，大蒜外形不規則、皮薄易損傷、粒多易堵塞等問題是直立種植研究的難點，本研究針對這些難點提出了一種芽端方向篩選方案和3種直立種植方案。

2 大蒜芽端方向篩選方案

基于上文對大蒜特征的分析發現，大蒜芽端與根部的差異甚微，純機械的篩選方法很難保證較高的篩選準確度，因此提出了采用顏色傳感器的篩選方法。即在播種前將大蒜根部進行染色處理(染色劑須對大蒜生理活性無影響)，通過顏色傳感器進行方向區分，從而完成芽端方向篩選。

該方案主要組成部分有取種器、輸送管道、篩選器、單粒排種器及主箱體等機構，如圖3所示。

工作原理：將染色處理過的大小均勻的蒜瓣放入主箱體中，取種器周期性轉動從而將蒜瓣周期性地輸送到輸送管道中，單粒排種器控制蒜瓣輸送速度，使單粒蒜瓣依次進入篩選器中，利用篩選器中的顏色傳感器完成大蒜芽端方向的篩選。

1．取種器 2.輸送管道 3.篩選器 4.單粒排種器 5.主箱體

為了實現大蒜的芽端篩選，設計重點如下：

1)圖4為取種器。其在大轉軸上陣列分布著若干個(可根據實際種植需求設計數量)彎鉤狀的取蒜鉤，取蒜鉤的寬度小于蒜長且大于蒜寬，從而保證取種器每轉動1周每個取蒜鉤只取1粒蒜瓣，較好地解決因蒜瓣數量過多導致輸送管道發生堵塞問題。

圖4 取種器結構示意圖

2)輸送管道的直徑小于蒜長大于蒜寬，從而使得蒜瓣處于直立狀態，便于后期進入篩選器進行篩選；同時，輸送管道采用彈簧管，由于其伸縮性強且整個裝置在種植過程中存在機械振動，可有效減少輸送管道中蒜瓣堵塞現象。

3)圖5為單粒排種器。其凸輪轉動使得滑塊周期性水平運動，當滑塊上的孔與輸送管道口對接時，蒜瓣進入滑塊下方的輸送管道中，反之蒜瓣不會進入下方，從而實現階段性地單粒排種，為下一步篩選工作奠定基礎。其中，彈簧的作用是使滑塊自動復位。

4)圖6為篩選器。其在軸I上陣列分布著若干底部安裝顏色傳感器的錐形杯，且隨著軸I的順時針轉動而轉動；當蒜瓣由輸送管道進入篩選器的錐形杯時，若根部朝下則顏色傳感器識別后發出信號，控制軸II順時針轉動，從而將該類蒜瓣輸送到收集管道I中；若根部朝上則顏色傳感器識別后發出信號，控制控制軸II逆時針轉動，從而將該類蒜瓣輸送到收集管道II中；然后，再通過特定的換向裝置將收集管道I和II中的芽端方向進行統一，為下一步直立種植工作做準備。

1.彈簧 2.凸輪 3.滑塊

1.錐形杯 2.顏色傳感器 3.軸I 4.軸II

3 大蒜直立種植方案探究

3.1 方案1

該方案主要由送種機構、隔板導桿、彈簧、壓穴轉盤、凸輪及壓穴模組成，如圖7所示。

工作原理：該方案的設計原理是大蒜點播技術。整個機構由拖拉機驅動，壓穴轉盤4的轉動帶動其上的壓穴模在土壤壓出一個個錐形種穴；已經完成芽端篩選的蒜瓣，保持芽端朝上被輸送到送種機構中，隨后自由落入已經壓好的種穴中；隔板導桿隨著凸輪的轉動進行周期性水平運動，即周期性地阻斷送種機構的管道。

為了實現大蒜的直立種植，設計重點如下：

1)為了保證蒜瓣處于直立狀態，送種機構的管道直徑和壓穴模直徑同理，以蒜瓣的尺寸為參考設計，大于蒜瓣寬度小于蒜瓣長度。

2)隔板導桿的周期性水平運動是為了保證每次只能有1個蒜瓣落入到種穴中，避免出現一穴多種的情況。

3)蒜瓣從隔板下落到種穴的時間要與拖拉機前進1個株距的時間保持一致，拖拉機前進1個株距時，蒜瓣能夠正好落入種穴中。

4)送種機構前段部分采用傾斜設計，目的是減小蒜瓣下落速度，且保證蒜瓣從送種機構傾斜處下落至隔板位置所需時間與隔板導桿水平運動1次的時間一致。

1.送種機構 2.隔板導桿 3.彈簧 4.壓穴轉盤 5.凸輪 6.種穴 7.壓穴模 8.土壤

3.2 方案2

該方案主要組成部分包括氣缸、機架、連桿I、播種爪可動件、連桿II、播種爪固定件及導蒜管等機構，如圖8所示。

1.氣缸 2.機架 3.連桿I 4.播種爪可動件 5.連桿II 6.播種爪固定件 7.導蒜管

工作原理：將已經完成芽端篩選的蒜瓣保持芽端朝上，通過特定的排種器間歇性地輸送到導蒜管中。圖5所示狀態為直立種植機構的常態，在該狀態下蒜瓣不能落入種穴中。當氣缸1帶動連桿I向上運動時，連桿II將逆時針旋轉，直至播種爪可動件運動到豎直狀態；此時，蒜瓣可以順利從播種爪中落下，進入到種穴中。

為了實現大蒜的直立種植，設計重點如下：

1)導蒜管固定在機架上，播種爪固定件與導蒜管固定連接，與播種爪可動件鉸鏈相連；而氣缸運動帶動連桿I、II運動，從而控制播種爪的開閉。

2)通過調整氣缸的運動與排種器排出蒜瓣的速度，保證每個種穴中只落入1粒蒜瓣。

3)為保證蒜瓣處于直立狀態，導蒜管的直徑和由固定件與可動件組成的播種爪直徑同方案1，以蒜瓣的尺寸為參考設計，大于蒜瓣寬度小于蒜瓣長度。

4)播種爪的固定件與可動件為圓弧狀瓣件且其內壁均附有彈性橡膠墊片，以減小蒜瓣的損傷。

3.3 方案3

該方案主要組成部分包括導蒜管、支架、螺栓I、撥蒜桿、播種爪、主體、壓蒜桿、彈簧、螺栓II、滾輪及凸輪等機構，如圖9所示。

1.導蒜管 2.支架 3.螺栓I 4.撥蒜桿 5.播種爪 6.主體

工作原理：將已經完成芽端篩選的蒜瓣保持芽端朝上，通過特定的排種器間歇性地輸送到導蒜管中，由撥蒜桿周期性運動控制蒜瓣輸送速度，蒜瓣最終落入到播種爪中且成直立狀態；同時，凸輪機構在電機的帶動下轉動，推動滾輪下壓壓蒜桿沿主體內腔豎直往下運動，壓蒜桿下壓蒜瓣促使播種爪張開，從而蒜瓣被壓入種穴中；隨后，播種爪在扭簧作用下回位，壓蒜桿在彈簧作用下也向上歸位，完成了一次種植。

為了實現大蒜的直立種植，設計重點如下：

1)右邊導蒜管外端設有小的凸輪機構，通過與播種速度協調一致，來保證一次只能通過1顆蒜瓣，并將調整裝置上的蒜瓣壓入到播種爪中，在種溝中保持直立。

2)壓蒜桿的端部設計為中空段且內附有彈性橡膠套，其目的是避免壓蒜桿下壓蒜瓣時損傷芽端。

3)播種爪的材料采用塑料(塑料相對于金屬材料質地更軟，不至于損傷蒜瓣)，壓蒜桿將蒜瓣壓入播種爪后使其擴張；此外，播種爪與機構主體采用扭簧連接，從而保證壓蒜桿撤回后播種爪能自動復位。

4)非封閉式的播種爪將蒜瓣插入種穴過程中，播種爪擴張，周圍的泥土通過爪的間隙進入并覆蓋住蒜瓣，從而保證當播種爪撤回后蒜瓣依然能夠呈現穩定的直立狀態。

3.4 方案優劣分析

方案的優劣分析如表2所示。

表2 方案優劣分析

為了驗證方法的可行性，制作簡易的設計裝置并進行試驗驗證。利用硬紙板做出簡易的大蒜篩選器的錐形杯并粘貼固定在一段塑料水管上，用牙簽作為軸II，模擬大蒜篩選方案，可實現蒜瓣的分類功能；用薄鐵片制作直立方案1中的壓穴轉盤、方案2中的播種爪固定件與可動件(鉚釘將二者進行鉸接)和方案3中的播種爪，取50粒白皮蒜瓣進行簡單模擬實驗。試驗結果發現：該3種方案均可實現大蒜的直立種植，但直立度保持程度存在差異，方案3的直立效果最佳，與地面夾角范圍約為80°～ 90°；方案1與方案2中大蒜與地面夾角范圍約為60°～ 85°。

4 結論

1)為實現大蒜芽端方向篩選，提出了一種基于顏色傳感器識別原理的篩選方案。通過取種器中的取種鉤實現單粒取蒜，利用彈簧管的伸縮特性保證蒜瓣輸送通暢；再結合單粒排種器的作用，三者相互配合，保證了蒜瓣輸送數量和速度，有效地減小了蒜瓣因數量過大而發生擁堵現象。本方案相比于純機械結構，篩選效率高，準確度高，且符合機械化的發展趨勢。

2)為實現大蒜直立種植，提出了3種種植方案：方案1采用壓穴轉盤壓出錐形穴，利用錐形穴內壁特點扶正蒜瓣直立；方案2采用周期性開閉的播種爪進行種植，利用其結構特點保持蒜瓣的直立狀態；方案3采用的播種爪受到蒜瓣擠壓擴張后，土壤進入將蒜體覆蓋，從而實現撤離后蒜體仍處于直立狀態。

[1] 崔榮江,張華,徐文藝,等.我國大蒜機械化生產現狀及發展思路探討[J].農機化研究,2015,37(3):264-268.

[2] 林悅香,尚書旗,楊然兵.大蒜生產機械的現狀與發展[J].農機化研究,2012,34(3):242-245.

[3] 李立新, 李小忠, 錢志兵.大蒜播種機械現狀與發展方向[J].現代農業科技,2012 (21):220-221.

[4] 金誠謙,袁文勝,吳崇友,等.大蒜播種時鱗芽朝向對大蒜生長發育影響的試驗研究[J].農業工程學報,2008(4):155-158.

[5] 崔榮江,張華,徐文藝,等.大蒜種體入土后的直立栽種條件研究[J].農機化研究,2015,37(2):83-86.

[6] 鄒帥,魏玉珍,劉勇蘭,等.大蒜直立篩選方法探究及其裝置方案設計[J].農機化研究,2015,37(11):67-70.

[7] 王娟,史留勇,袁成宇,等.大蒜蒜瓣識別與轉向裝置設計[J].農機化研究,2013,35(6)：94-97.

Method Inquisition of Garlic Bud Screening and Upright Planting

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)

China is one of the major producing countries of garlic, but the domestic mechanization in garlic planting develops slowly for the artificial panting method. With the people-depth study of garlic planting technology, the pattern of upright planting with upward buds has become an essential requirement gradually. In order to ensure the quality of garlic and to improve the planting efficiency, the reproductive pattern, agronomic requirements and geometric characters has been analyzed in the present study. And then, one bud screening method and three upright planting methods were proposed to overcome how to screen accurately and seed uprightly. Moreover, devices design, advantages analysis and feasibility verification were conducted for the optimization of the garlic planting machines in China

garlic; upright screening; characteristics analysis

2016-08-25

國家自然科學基金項目(51476080);南通市市級科技計劃項目(MS12015088);南通市傳熱強化與過程節能重點實驗室項目(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)10-0113-06