大蒜播种机单粒取种及补种技术研究现状

刘甲振，耿爱军,，栗晓宇，侯加林，韩绪明

(1.山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018；2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安 271018)

0 引言

大蒜风味独特，是生活中不可或缺的食用佐料。除其食用价值外，大蒜还在保健医疗方面发挥着灭菌、消毒等多种作用[1-2]。我国2015-2016年度大蒜种植面积为78万hm2。2016年大蒜单产约为2 164kg/hm2，总产量为1 701万t(数据来源：2017年农业部市场与经济信息司)。近年来，随着国内外市场需求的不断增加，大蒜的生产和销售呈现直线上升态势[3]。

机械播种进程中，蒜瓣单粒取种精确度和蒜瓣补种技术的提高是大蒜播种机研发的核心内容。只有为大蒜播种机设计一种合适的蒜瓣单粒取种、补种方式，才能在有效降低大蒜空穴率、蒜瓣重粒率的同时提高大蒜的出苗率。

1 国外大蒜播种机单粒取种及补种技术现状

国外大蒜播种机中，日韩两国的专利占大多数，其他国家只有很少的专利。日本和韩国研发的大蒜播种机适合亚洲多山地、丘陵、高原地形，欧美国家研制的大蒜播种机适合欧美多平原地形。国外大蒜播种机的单粒取种方式主要为机械式取种，分为窝眼轮式、勺带式、夹持式、勺链式、转勺式及振动式等。大蒜的补种还主要停留在人工补种或者依靠机械的自身取种而不进行补种。

1.1 窝眼轮式取种

美国研制的12行大蒜播种机和德国研制的BeeherCG-6型播种机搭载的取种方式均为窝眼轮式取种，如图1所示。

图1 窝眼轮式取种示意图

工作原理：在圆柱型滚轮上垂直配置窝眼，窝眼轮转过种箱时种子凭自重落入窝眼内，当窝眼轮经过刮种器时，多余的种子被清落，以保证窝眼内只有1粒种子；然后，进入护种区后转到下方位置，种子凭自身重力或其他方式脱离窝眼，落入种沟。窝眼轮上窝眼的形状、尺寸、个数、排数按照大蒜播种的农艺要求进行设计。由于窝眼轮式取种在护种过程中大蒜极易受损，因此该取种方式作业速度较低[4-5]。

1.2 勺带式取种

勺带式取种方式是在皮带上以行和列矩阵的形式排列取种勺，如图2所示。2006年，韩国YANG WI SEOK发明了勺带式取种方式。棘轮机构的操作将种子容纳部分逐渐收缩，大蒜种子上升将种子聚集在输送带的下端附近，使得待播大蒜可以容易地被取种勺取起。当种子容纳部分几乎没有种子时，再通过棘轮机构的操作将种子容纳部分放还至原始状态，以便人工续种。安装取种勺的皮带从底部移动到顶部(约60°)进行种子播种，与沿垂直方向移动的情况相比，大蒜种子更容易取起。即使多个大蒜种子被取起，但当皮带振动时，取种勺只剩下单粒蒜种，多余的大蒜落回种子容纳部分。当大蒜被带至最高点时，从取种勺自由落下，并沿着导管向地面落下，实现播种[6]。这种勺带式取种方式可以直观确认大蒜种子是否落在取种勺中，从而能够在种子落下之前实现人工补种。因此，虽然该方式实现了快速的播种操作也在一定程度上降低了大蒜的重种率，但大蒜的空穴率问题没有很好地解决。

1. 传送带 2. 取种勺 3. 种子容纳部分 4. 棘轮机构

1.3 夹持式取种

我国江苏省徐州市引进的由日本洋马公司研制的PH4R型乘坐式大蒜播种机采用的就是夹持式取种方式。工作时，蒜种由蒜农预先按竖直方向放在夹持器内，随着夹持器由链板带动至位置最低处，开孔器将薄膜开口，然后由推蒜杆完成蒜种的栽植，设计栽植合格率在95%以上[7-8]。2006年，日本MITO HIROKI等人发明了一种夹持式取蒜技术，如图3所示。操作者将1个大蒜装载到夹持器中，由于组成夹持器的4个夹持版状体的前端都设计成了锥形，所以大蒜可以平稳地从发芽侧被向下按下。当1个蒜瓣全部按入夹持器中时，蒜瓣的全部或一部分夹在夹持板状体中间凹曲面处。此时，凹曲面夹持部沿向外方向按压，但是4个板状体的基部都安装在环状构件上且被弹簧包围，所以在凹曲面夹持部沿向外方向按压时通过弹簧的作用力将其推向中心侧，进而完成大蒜的夹持[9]。由于夹持式取种方式存在大蒜补种耗费人工、装夹易损伤大蒜的缺陷，因此应用不太广泛。

1. 大蒜 2.弹簧 3. 夹持板状体

1.4 转勺式取种

法国Erme公司研制的5行牵引式大蒜播种机和西班牙Borch公司研制的BUL-5型大蒜播种机均搭载了转勺式取种方式[10-11]。该方式在转盘上安装多个取种勺，如图4所示。当转盘通过充种区时，取种勺取种，勺内舀入种子，随着转盘的转动，多余的种子凭借自身重力滑落，实现清种；随后，勺内的蒜种经过导种管时落入导种管，最后通过底座排出口落入种沟[12]。由于农用机器田间振动会对转勺式取种方式的精度产生较大影响，导致出现空穴，因此该排种器不适宜高速作业。

1.5 勺链式取种

图5为常见的勺链式取种。由韩国永东机械厂研发的YD-1550型大蒜播种机搭载了勺链式取种方式，配置动力为11kW的拖拉机，播幅70cm，行数5行，株距14cm，每小时可播种大蒜0.1hm2左右。这种取种方式和勺带式取种类似，即在运动链上安装多个取种勺，当取种勺经过充种区时蒜种被取起随运动链上升，在上升过程中由运动链的振动去掉取种勺中多余的种子，同时对空勺进行人工补种。勺链式取种在取种过程中因其运动链为直立上升，所以蒜种不易被取起，导致空勺较多，要占用人工进行补种。勺链式取种方式因其制造简单、操作方便而被普遍引用[13-16]。

1. 取种勺 2. 转盘

图5 勺链式取种示意图

1.6 振动式取种

振动式取种通过振动装置使装有蒜瓣的容器振动，进而使蒜瓣单粒顺次通过排种管，完成单粒取种，如图6所示。目前，此方式已被韩国LEE、KIL MI改成机械式凸轮机构振动取种[17-18]。

图6 振动式取种示意图

2 国内大蒜播种机单粒取种及补种技术现状

大蒜播种类属于精量播种范畴，我国精密取种的研究始于20世纪70年代，经过40年多的发展，我国单粒取种技术从当初的仿制和跟随已逐渐变为独立创新，并拥有自主知识产权。通过Espacenet检索，我国的大蒜播种机专利数量占总数的74%。我国大蒜播种机单粒取种主要分为机械式和气力式。机械式取种除上述国外的取种方式外，还有锥盘式、旋转式、转筒式及链勺式等，气力式取种主要为气吸式。我国大蒜取种过程中的补种为人工式和机械式。

2.1 锥盘式取种

锥盘式取种(见图7)是由韩效孟设计的锥面型孔盘，中心为圆锥面，周围为平面，平面上设长圆形型孔，且沿圆周线方向均匀排列，型孔由大蒜尺寸决定。把精选的蒜种加入种箱内，在播种过程中，地轮滚动的同时通过传动系统驱动取种器沿顺时针方向转动；蒜种箱内的大蒜在锥面型孔盘旋转带动下，做相同方向的圆周运动，圆锥斜面上的种子分流下滑到四周平面上，滑至平面上的蒜种落入型孔内，随锥面型孔盘一起转动；当落入型孔内的蒜种经过取种器底座上的投种孔上空时，蒜种下坠，掉入输种管，完成播种过程[19]。这种取种方式操作方便、结构简单，因没有补种操作致使播种会出现空穴，播种质量不易保证。

2.2 旋转式取种

旋转式取种的取种盘结构形式如图8所示。该设计是考虑了大蒜单粒精密取种和鳞芽朝上入土的要求。取种盘蒜瓣种穴的形状和尺寸根据蒜瓣的外形和尺寸设计，取种盘上的种穴经过充种区时，每次定向取得1粒蒜种；当取种盘转动到下方时，蒜瓣鳞芽朝上直立入土，实现大蒜播种“尖上根下”的农艺要求[20-23]。单个种穴长度要能容纳1粒不同长度的蒜种，种勺长度为蒜种平均长度的1.6倍，种勺高度约等于蒜种平均高度的1.3倍。种勺宽度约等于蒜种平均宽度的1.3倍。将所测量蒜种曲率描绘并扫描绘制蒜瓣立体图，从而获得种勺曲率。旋转式取种单粒取种的成功率超过90%，但是大蒜品种不同种穴设计不同，所以单个取种器对多品种蒜种适应性差，且来考虑取种空穴问题，没有进行补种[24]。

1. 锥面型孔盘 2. 型孔

图8 旋转式取种示意图

2.3 转筒式取种

由南通大学魏玉珍等人研制的一种大蒜取种方式和由山东五征集团研制的WZ-4型大蒜种植机所搭载的单粒取种方式都是转筒式取种，如图9所示。转筒式取种采用扇形开合式结构，避免了取种过程中的漏种和伤种问题。其依据大蒜形状和尺寸设计了半球面夹紧式取蒜勺，均布在转筒上，取种后经毛刷清种、刮种板清种及离心力清种三级清种清除多余蒜种，并使其落入清种斗，以保证单粒取种的实现。转筒式取种一定程度上解决了蒜种的漏取、重取、多取及损伤问题，但也没有涉及取种过程中空勺补种问题[25-26]。

图9 转筒式取种示意图

2.4 气力式取种

气力式取种是通过气流实现蒜种的吸附和吹送，因其刚性小对蒜种损伤低而越来越受研究人员和使用者的青睐[27-29]。2016年，梁开星等人研制的一种气力式大蒜单粒取种装置，如图10所示。

1. 通孔 2. 单粒取种轴 3. 输气管 4. 气体换向装置

将单粒取种轴设计成中空、两头密闭的管状形式，且内部被重合于中心轴线的隔板划分成两个不连通的内腔；单粒取种轴的表面对称布置两组通孔，通孔个数和间距依据播种要求布置；气体换向装置通过输气管分别与两个内腔连接；单粒取种轴在风机和外部动力装置驱动旋转1周的过程中，两组通孔顺次完成吸气(取种)和喷气(送种)两个动作[30]。气力式单粒取种精确度超过98%几乎不用补种，且取种效率也得到大幅度提高，适合快速作业，对蒜种的损伤低于其他取种方式，但存在不易维修的缺点。

2.5 链勺式取种

我国链勺式取种与国外同类型取种方式相比有其独创性。由济南华庆铸造有限公司研制的一种大蒜播种机如图11(a)所示。该机器取种的设计是把传统的传动链改成传动链板，在每块链板上根据播种要求安装取种勺，避免了因机器振动而导致蒜种从两传动链之间掉落现象的发生，从而使大蒜取种率达到95%。由临沂建领模具机械有限公司研制的一种全自动大蒜播种机所搭载的取种方式如图11(b)所示。该取种方式是对取种勺进行了改进，取种勺由3块爪形板组成，两侧板长度和弧形凹槽深度均比中间板的小，从而使取种精确度和工作效率大幅提高。

图11 链勺式取种示意图

2.6 大蒜补种方式

现有大蒜补种方式类似于图12(a)所示的人工补种方式，即在取种过程中对取种装置的空勺进行人工放种，以降低大蒜播种的空穴率。这种补种方式不仅耗费人力，且补种人的手部易受伤。2014年，刘新田等人发明了一种如图12(b)所示的机械式补种方式。在播种机工作过程中，当大蒜漏种发生时，红外传感器将信号传递给控制器，控制器启动驱动电机，电机运转则抓种器抓取蒜种进行补种；当抓种器没有成功抓取种子时，控制器再次启动驱动电机重复操作，直至补种成功。这种补种方式虽然降低了人力，但其结构复杂、维修难度大。

1. 驱动电机 2. 抓种器

3 结论

1)大蒜播种机的单粒取种技术虽然已经基本成型且取种方式多样，但限于蒜种的尺寸不一、形态各异，导致取种过程中漏种等现象频生，尚无很好的解决方案。

2)大蒜播种机补种技术较单粒取种技术而言相对滞后，主要停留在人工补种阶段。补种技术得不到突破，大蒜机械化播种的空穴率问题就很难解决。

3)单一化技术研究既浪费人力又浪费物力，所以大蒜机械化播种过程中大蒜单粒取种及补种技术的研究应趋向通用型，即能适合平原、山地等多种地形的播种需求。

4)大蒜单粒取种及补种技术应标准化、规范化，才能得到推广和发展。随着科技的进步，大蒜机械化种植中的单粒取种及补种也应朝自动化和智能化方向发展，以便更大程度地释放人力，提高生产速度，降低成本。