大蒜播種機調向導種機構研究與試驗*

朱玉麗，張立娟，王國虎

(1.平頂山工業職業技術學院，河南 平頂山 467001 2.平頂山安盛機械有限公司，河南 平頂山 467001)

0 引 言

我國大蒜種植面積占到了世界的三分之一，種植地主要集中在河南、山東、陜西、新疆等地，機械化種植普遍很低，人工種植勞動強度大、效率低成本高[1]，嚴重制約了大蒜規模化產業發展。且現有大蒜種植機械存在蒜芽朝上不好保證、準確入土率不高的問題[2-3]。如專利技術產品2ZDS5型大蒜播種機在取蒜、蒜芽方向控制上雖有了突破，但缺乏實際的推廣應用缺乏條件[4-5]。山東慶華牌QH-18型大蒜播種機雖已經在推廣實施，但整體機型體積龐大，播種周期較短，市場推廣價值一般[6-7]。

蒜芽向上入土是大蒜種植的基本農藝要求，由于蒜種形狀的不規則，導致蒜芽方向很難定位。而非蒜芽向上的蒜種出芽率低、生長緩慢而且蒜瓣小，影響整體質量[8]。有關實驗數據表明，隨機種植的蒜瓣的經濟價值比直立種植降低50%[9]。為解決這個問題，在調研了現有設備和專利文件后提出了新型大蒜播種機的設計，重點對保證工藝的螺旋狀導種管和錐形漏斗接盤關鍵結構進行研究，得出了組合導種裝置的最優結構參數，驗證了調向導種裝置在解決蒜牙向上種植問題中的可行性。該設備能一次完成調整蒜芽方向、挖掘、下種、覆土的整體作業過程，同時也為機械化收割創造了條件。

1 整體結構組成和工作原理

1.1 設計思路

大蒜播種機關鍵技術在于蒜種的定向，設計采用獨特的螺旋狀導種管和漏斗接盤組合結構，在大蒜下落過程中，通過蒜瓣自重和摩擦力在管道中的作用對蒜牙朝向進行一級調整，再經過特殊角度漏斗接盤進行二級調整，最終達到蒜牙朝上的種植要求。通過合理的管路長度和接盤尺寸設計，能很好地解決大蒜播種時蒜芽向上入土的問題。

1.2 結構組成

大蒜播種機利用螺旋導種管機構可以調整蒜芽方向朝上；利用凸輪機構可以防止大蒜種植過程中堵塞問題；采用彈簧種植爪機構進行挖掘、下種、覆土，保證大蒜的直立入土種植。其結構如圖1所示。為適應戶外作業，采用農用拖拉機帶動大蒜播種機工作。

圖1 大蒜播種機結構簡圖

1.3 工作原理

拖拉機提供動力，通過減速器將動力傳遞給錐齒輪換向器，換向器通過V形皮帶輪帶動機器工作，集蒜箱中的蒜種通過排種器轉動將蒜種帶入螺旋導種管，在蒜瓣自重和摩擦力的作用下能夠保證蒜瓣鱗芽朝上根部朝下。經過碗形漏斗的進一步調整后落入篩種板孔內。凸輪機構偏心輪轉動帶動篩種板實現間歇式往復運動，當篩種板孔、篩種板支架孔、漏斗接盤三孔同心時，直立的大蒜通過篩種板進入導種管，凸輪下壓彈簧支架，彈簧壓縮，導種管伸入開溝器開好的土溝，同時固定在導種管上的片狀彈簧爪擺脫外管的約束，張開并釋放蒜瓣。隨著凸輪機構轉動，導種管上升，土壤由覆土器推動完全蓋住大蒜，同時彈簧爪受外管約束閉合，封住導種管。如此反復實現大蒜機械化種植，穩定高效提高大蒜的播種效率和蒜種的出芽率。工作過程如圖2所示。

圖2 大蒜播種機工作圖

2 主要技術原理分析

2.1 排種裝置

排種裝置如圖3所示，由集蒜箱、遮板、排種軸、排種盒、帶輪組成[10]。集蒜箱呈長方形斗狀，下部用螺釘固定有遮板，遮板呈弧線下彎狀，防止蒜種擠壓破損；排種裝置由排種軸、10個排種勺、10個排種盒組成，排種勺呈圓柱狀，上開4個蒜瓣月牙形凹槽，通過排種軸串聯裝于排種盒中，蒜種落入其中，隨帶輪轉動落入螺旋導種管中。排種盒頂部用螺釘安裝在集蒜箱底部。

圖3 排種裝置

2.2 導種裝置

導種裝置的作用是為了調整大蒜的入土朝向，從而達到鱗芽朝上根向下的目的。圖4所示為導種裝置圖，其裝置包括螺旋導種管、漏斗接盤、凸輪機構、導種管，螺旋導種管負責蒜種的方向調整，凸輪機構控制每次下落一個蒜種，導種管負責蒜種的種植，凸輪機構由帶輪轉動。螺旋導種管包括支架、螺旋導種管、漏斗接盤、漏斗支架，螺旋導種管通過支架固定在排種盒上，開口與排種盒相同，帶一定斜度的螺旋導種管能在蒜種下落過程中通過摩擦力和蒜瓣的重力調整大蒜方向，在一定的距離內實現方向調整，使落入漏斗接盤的蒜種鱗芽向上根向下，漏斗接盤和漏斗支架承接落下的蒜種并與篩種板孔配合。篩種板開有10個蒜種孔，4個凸輪凹槽在機架上隨凸輪運動。

圖4 導種裝置1.排種軸 2.排種盒 3.支架 4.螺旋導種管 5.漏斗 6.漏斗支架 7.篩種板

通過日常觀察和實驗發現，由于蒜瓣形狀特殊，讓蒜瓣經過碗狀形狀，能很大概率的實現鱗芽朝上，為了補充螺旋導種管調向率不高的問題，本設計根據這一特點設計了錐形漏斗接盤，蒜瓣經過螺旋導種管調向，再落入漏斗接盤，下落期間經過漏斗斜面，能起到很好的定向作用，導種裝置結構如圖5所示。但是漏斗斜面斜度的大小，需要實驗取到精確的角度，才能保證95%以上蒜芽向上。凸輪機構偏心輪轉動帶動篩種板實現間歇式往復運動，當篩種板孔、篩種板支架孔、漏斗接盤三孔同心時，直立的大蒜通過篩種板進入導種管。

圖5 導種裝置結構圖

3 導種裝置調向實驗

3.1 實驗對象

蒜種導向裝置是解決蒜牙向上技術的核心部件，其結構尺寸決定了種植過程中蒜牙向上入土的合格率。通過與安盛機械有限公司展開合作，選擇山東大蒜品種作為試驗對象，所選蒜種長度尺寸為31±3.6 mm，寬度為21.3±3.9 mm，高度19.5±4.4 mm，利用導種實驗臺開展實驗，如圖6所示。

圖6 試驗臺

蒜種在下落過程中，受重力和螺旋管壁的摩擦力影響，在一定距離內能實現蒜瓣方向的調整，其上下螺旋管口水平距離L、螺旋管高度H影響蒜瓣調向的效果，漏斗面傾斜角a對下落蒜瓣的調正起到很大的作用。實驗的目的是明確這三個結構尺寸對蒜瓣調向的影響規律，并取得最優結構數據組合，達到最佳的蒜瓣調正效果。

3.2 實驗方法

選擇蒜瓣向上合格率K為試驗測試指標，上下螺旋管口水平距離L、螺旋管高度H、漏斗面傾斜角a為試驗因素，利用Design-Expert軟件采用Box-Behnken二次回歸正交組合試驗，水平參數見表1、實驗結果統計見表2。

表1 試驗因素和水平表

表2 實驗數據

3.3 試驗結果分析

(1) 方差分析：根據實驗數據，利用Design-Expert進行二次多元回歸擬合，其方差分析的結果見表3。主效應實驗因素對播種合格率的影響顯著性依次為：螺旋管高度H>上下螺旋管口水平距離L>漏斗面傾斜角a。交互因素影響顯著性為Ha。

表3 方差分析結果

(2) 響應面分析：利用Design-Expert軟件的分析功能進行交互響應曲面分析，固定某一個因子為0水平，得到其交互響應曲面如圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)。

圖7 交互響應曲面

從圖7(a)中我們得出漏斗面傾斜角a=30°時，隨著上下螺旋管口水平距離L和螺旋管高度H增大，合格率K先增大后減小，螺旋管高度H對合格率K的影響顯著；從圖7(b)中我們得出當上下螺旋管口水平距離L=125時，隨著螺旋管高度H和漏斗面傾斜角a增大，合格率K先增大后減小，螺旋管高度H對合格率K的影響顯著；從圖7(c)中我們得出當螺旋管高度H=300時，隨著上下螺旋管口水平距離L和漏斗面傾斜角a增大，合格率K先增大后減小，螺旋管口水平距離L對合格率K的影響顯著。

(3) 結構參數優化：利用參數優化模塊設置合格率最佳為100%，得到優化后的數據為：上下螺旋管口水平距離L=150.9 mm，螺旋管高度H=418.6 mm，漏斗面傾斜角a=20°，合格率為98.02%。

4 田間試驗

本設計通過了國家發明專利授權，與安盛機械有限公司合作樣機試制與試驗，并對機構不斷改善優化。通過軟件三維建模和虛擬裝配，對關鍵零部件圖紙進行完善并制作樣機后，進行了樣機田間試驗。隨機從市場上購買同一品種蒜種作為田間試驗樣本，經過人工形狀篩選后選定1 000個蒜種，分10批次進行試驗。根據《大蒜生產技術規范》技術要求，試驗場地為沙土，土壤的含水量在10%，硬度在0.55 MPa，上下螺旋管口水平距離L=150.9 mm，螺旋管高度H=418.6 mm；漏斗面傾斜角a=20°，重點分析檢驗大蒜播種機選種、導向、播種入土后的直立狀態。

場地試驗分10組，每次100粒蒜種，播種完成后采取平均值計算統計大蒜蒜牙向上的合格率。播種實驗過程中將蒜種略微傾斜的樣本納入合格范圍，最終的統計結果為97.21%，與試驗數據基本符合，能保證大蒜直立種植農藝要求。

5 結 語

通過理論研究，利用大蒜自重下落調正的原理，采用螺旋導種管和漏斗接盤二次導種裝置，能有效調整大蒜鱗牙向上。

導種過程中上下螺旋管口水平距離L、螺旋管高度H、漏斗面傾斜角a對導種合格率影響較大，通過Design-Expert軟件進行多因素正交實驗，進行了結構參數優化，確定最佳參數組合為：上下螺旋管口水平距離L=150.9 mm，螺旋管高度H=418.6 mm；漏斗面傾斜角a=20°，得到理論播種合格率為98.02%。通過場地實驗，結果與理論結果基本一致，符合大蒜播種機農藝要求。