大蒜播種機單粒取種及補種技術研究現狀

劉甲振，耿愛軍,，栗曉宇，侯加林，韓緒明

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院，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，大蒜還在保健醫療方面發揮著滅菌、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年大蒜單產約為2 164kg/hm2，總產量為1 701萬t(數據來源：2017年農業部市場與經濟信息司)。近年來，隨著國內外市場需求的不斷增加，大蒜的生產和銷售呈現直線上升態勢[3]。

機械播種進程中，蒜瓣單粒取種精確度和蒜瓣補種技術的提高是大蒜播種機研發的核心內容。只有為大蒜播種機設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現狀

國外大蒜播種機中，日韓兩國的專利占大多數，其他國家只有很少的專利。日本和韓國研發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、勺鏈式、轉勺式及振動式等。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，窩眼輪轉過種箱時種子憑自重落入窩眼內，當窩眼輪經過刮種器時，多余的種子被清落，以保證窩眼內只有1粒種子；然后，進入護種區后轉到下方位置，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、排數按照大蒜播種的農藝要求進行設計。由于窩眼輪式取種在護種過程中大蒜極易受損，因此該取種方式作業速度較低[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發明了勺帶式取種方式。棘輪機構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。當種子容納部分幾乎沒有種子時，再通過棘輪機構的操作將種子容納部分放還至原始狀態，以便人工續種。安裝取種勺的皮帶從底部移動到頂部(約60°)進行種子播種，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。當大蒜被帶至最高點時，從取種勺自由落下，并沿著導管向地面落下，實現播種[6]。這種勺帶式取種方式可以直觀確認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人工補種。因此，雖然該方式實現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

1.3 夾持式取種

我國江蘇省徐州市引進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，蒜種由蒜農預先按豎直方向放在夾持器內，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，設計栽植合格率在95%以上[7-8]。2006年，日本MITO HIROKI等人發明了一種夾持式取蒜技術，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計成了錐形，所以大蒜可以平穩地從發芽側被向下按下。當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狀構件上且被彈簧包圍，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，進而完成大蒜的夾持[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，因此應用不太廣泛。

1. 大蒜 2.彈簧 3. 夾持板狀體

1.4 轉勺式取種

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勺式取種方式[10-11]。該方式在轉盤上安裝多個取種勺，如圖4所示。當轉盤通過充種區時，取種勺取種，勺內舀入種子，隨著轉盤的轉動，多余的種子憑借自身重力滑落，實現清種；隨后，勺內的蒜種經過導種管時落入導種管，最后通過底座排出口落入種溝[12]。由于農用機器田間振動會對轉勺式取種方式的精度產生較大影響，導致出現空穴，因此該排種器不適宜高速作業。

1.5 勺鏈式取種

圖5為常見的勺鏈式取種。由韓國永東機械廠研發的YD-1550型大蒜播種機搭載了勺鏈式取種方式，配置動力為11kW的拖拉機，播幅70cm，行數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，當取種勺經過充種區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，同時對空勺進行人工補種。勺鏈式取種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，導致空勺較多，要占用人工進行補種。勺鏈式取種方式因其制造簡單、操作方便而被普遍引用[13-16]。

1. 取種勺 2. 轉盤

圖5 勺鏈式取種示意圖

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振動取種[17-18]。

圖6 振動式取種示意圖

2 國內大蒜播種機單粒取種及補種技術現狀

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70年代，經過40年多的發展，我國單粒取種技術從當初的仿制和跟隨已逐漸變為獨立創新，并擁有自主知識產權。通過Espacenet檢索，我國的大蒜播種機專利數量占總數的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、旋轉式、轉筒式及鏈勺式等，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)是由韓效孟設計的錐面型孔盤，中心為圓錐面，周圍為平面，平面上設長圓形型孔，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，在播種過程中，地輪滾動的同時通過傳動系統驅動取種器沿順時針方向轉動；蒜種箱內的大蒜在錐面型孔盤旋轉帶動下，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，隨錐面型孔盤一起轉動；當落入型孔內的蒜種經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、結構簡單，因沒有補種操作致使播種會出現空穴，播種質量不易保證。

2.2 旋轉式取種

旋轉式取種的取種盤結構形式如圖8所示。該設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蒜瓣的外形和尺寸設計，取種盤上的種穴經過充種區時，每次定向取得1粒蒜種；當取種盤轉動到下方時，蒜瓣鱗芽朝上直立入土，實現大蒜播種“尖上根下”的農藝要求[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計不同，所以單個取種器對多品種蒜種適應性差，且來考慮取種空穴問題，沒有進行補種[24]。

1. 錐面型孔盤 2. 型孔

圖8 旋轉式取種示意圖

2.3 轉筒式取種

由南通大學魏玉珍等人研制的一種大蒜取種方式和由山東五征集團研制的WZ-4型大蒜種植機所搭載的單粒取種方式都是轉筒式取種，如圖9所示。轉筒式取種采用扇形開合式結構，避免了取種過程中的漏種和傷種問題。其依據大蒜形狀和尺寸設計了半球面夾緊式取蒜勺，均布在轉筒上，取種后經毛刷清種、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。轉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

將單粒取種軸設計成中空、兩頭密閉的管狀形式，且內部被重合于中心軸線的隔板劃分成兩個不連通的內腔；單粒取種軸的表面對稱布置兩組通孔，通孔個數和間距依據播種要求布置；氣體換向裝置通過輸氣管分別與兩個內腔連接；單粒取種軸在風機和外部動力裝置驅動旋轉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，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性。由濟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。該機器取種的設計是把傳統的傳動鏈改成傳動鏈板，在每塊鏈板上根據播種要求安裝取種勺，避免了因機器振動而導致蒜種從兩傳動鏈之間掉落現象的發生，從而使大蒜取種率達到95%。由臨沂建領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行了改進，取種勺由3塊爪形板組成，兩側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，當大蒜漏種發生時，紅外傳感器將信號傳遞給控制器，控制器啟動驅動電機，電機運轉則抓種器抓取蒜種進行補種；當抓種器沒有成功抓取種子時，控制器再次啟動驅動電機重復操作，直至補種成功。這種補種方式雖然降低了人力，但其結構復雜、維修難度大。

1. 驅動電機 2. 抓種器

3 結論

1)大蒜播種機的單粒取種技術雖然已經基本成型且取種方式多樣，但限于蒜種的尺寸不一、形態各異，導致取種過程中漏種等現象頻生，尚無很好的解決方案。

2)大蒜播種機補種技術較單粒取種技術而言相對滯后，主要停留在人工補種階段。補種技術得不到突破，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的研究應趨向通用型，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應標準化、規范化，才能得到推廣和發展。隨著科技的進步，大蒜機械化種植中的單粒取種及補種也應朝自動化和智能化方向發展，以便更大程度地釋放人力，提高生產速度，降低成本。