弧形鸭嘴式大蒜正芽播种机设计与试验
2023-01-05崔荣江王小瑜信嘉程武传宇
崔荣江 王小瑜 信嘉程 孙 良 武传宇
(1.杭州职业技术学院，杭州 310018；2.山东省农业机械科学研究院，济南 250100；3.浙江理工大学机械与自动控制学院，杭州 310018)
0 引言
目前中国大蒜种植主要依靠人手工进行，原因在于国内大蒜种植要求鳞芽向上(正芽)，劳动强度大、生产成本高。欧美国家大蒜种植多以平放为主，其播种方式目前还不能被国内广泛接受[1-2]。因此，设计一款具有正芽功能的大蒜播种机对中国大蒜产业发展具有重要意义，特别是国内种植面积最广的杂交蒜品种。
正芽播种机一般由单粒取种装置、鳞芽方向控制装置和直立下栽装置组成[3-4]。单粒取种装置控制播种机的单粒率，主要有链勺式、转勺式、振动式，其中链勺式国内应用最为广泛，但还无法实现多级取种[5]。大蒜鳞芽方向控制装置是正芽播种机设计的难点，也是目前研究热点，如：李华峰[6]发明了一种利用水进行大蒜鳞芽方向控制的方法，但湿的鳞芽会造成下栽鸭嘴粘土；荐世春等[7]设计了一种锥形螺旋导种管定向装置，依靠大蒜鳞芽在螺旋弹簧中碰撞进行鳞芽方向调整，整机工作效率和稳定性较低；韩国KSF株式会社提出利用大蒜鳞芽芽尖细长特征进行大蒜鳞芽方向控制的方法[8]。崇俊等[9]发明了多层锥碗进行大蒜鳞芽方向控制，针对商河当地外形规范的薹蒜品种适应性较好；耿爱军等[10]提出种盒式大蒜播种方式，但自动化程度低。除机械式，杨清明等[11]、LEI 等[12]、郭英芳[13]、高迟[14]、王娟等[15]、GENG 等[16]、LI等[17]先后提出利用图像处理技术、模式识别技术、光电识别技术和红外线技术进行大蒜鳞芽方向控制，目前光电式鳞芽方向控制方式仍处于实验室阶段。直立下栽装置决定着大蒜鳞芽入土后的姿态，平行四边形机构[18]、曲柄滑块机构[19]、五杆机构[20]和行星轮机构[21]被用于大蒜鳞芽的直立下栽。
本文以实现大蒜正芽播种为目标，设计弧形鸭嘴式大蒜正芽播种机，对播种机的单粒取种装置、鳞芽方向控制装置、直立下栽装置进行设计，解决现有正芽大蒜播种机对杂交蒜正芽播种效果不理想和播种效率低的问题。
1 大蒜鳞芽外形尺寸参数测定
苍山四六瓣蒜和金乡杂交蒜是中国有代表性的大蒜品种，如图1所示。苍山四六瓣大蒜鳞芽芽尖直长、种体形态规则；金乡杂交大蒜鳞芽芽尖短且弯，种体形态相对复杂。本文以两类大蒜品种为研究对象，进行大蒜鳞芽的外形尺寸参数测定，为播种机部件设计提供参数依据。
图1 两种大蒜鳞芽
适于播种的大蒜鳞芽质量一般为3～6 g，以1 g为单位，将每个等级蒜种随机取样100颗作为测量样本，统计其长度L、宽度B、厚度H、根部直径D1(根部形状为非圆时，取较窄位置宽度)和芽尖纵向长度t1、芽尖横向长度t2，鳞芽外形尺寸参数如图2所示。根据统计结果对两种大蒜鳞芽的长度L、宽度B、厚度H进行概率分布，将不同的频数除以总频数得到频率。
图2 鳞芽外形尺寸示意图
由鳞芽外形尺寸均值可知，金乡杂交蒜的长、宽、厚随鳞芽质量增加而均匀增加，而鳞芽芽尖长度增加却不明显，芽尖纵向长度t1和芽尖横向长度t2差距不大，两者均值处于5.1～6.6 mm之间，根部最小直径D1的均值大于6 mm；苍山四六瓣3～5 g鳞芽外形尺寸变化不明显，与金乡杂交蒜3～4 g鳞芽相近，芽尖纵向长度t1均值达到14 mm以上，比芽尖横向长度t2长很多，根部最小直径D1>5 mm。由大蒜鳞芽尺寸频率分布直方图可知，两种品种大蒜鳞芽的外形尺寸在等级内均呈正态分布，尺寸比较集中；不同等级间的蒜种外形尺寸变化比较明显，呈阶梯式增长。本文按鳞芽直径(宽和厚的较大者)将鳞芽分为小、中、大3个等级，即15～18 mm、18～23 mm、23～28 mm。
2 整机结构与技术参数
2.1 整机结构
2BUX-11型大蒜正芽播种机整体结构如图3所示，主要由单粒取种装置(排种器)、鳞芽方向控制装置(换向器)、直立下栽装置、传动系统、旋耕装置、镇压轮、地轮和机架等组成，可一次完成取种、换向、直立栽种和镇压作业。播种机传动系统如图4所示，地轮轴Ⅰ到地轮轴Ⅱ为一级传动i1，对应链轮齿数分别为Z1、Z2；地轮轴Ⅱ到下栽装置主动轴为二级传动i2，对应链轮齿数分别为Z3、Z4；下栽机构主动轴到单粒取种装置主轴为三级传动i3，对应链轮齿数分别为Z5、Z6。
图3 2BUX-11型大蒜正芽播种机
图4 播种机传动系统原理图
2.2 工作原理
播种机通过三点悬挂架与拖拉机后悬挂系统挂接，拖拉机牵引机具作业。拖拉机后动力输出连接旋耕装置，将拖拉机轮胎压痕重新旋起，由镇压轮将种植面压平，保证种植深度一致。在拖拉机牵引下，地轮转动，地轮通过传动系统将动力按一定传动比同时传递给直立下栽装置和单粒取种装置。单粒取种装置在动力作用下将鳞芽从种箱逐颗取出，逐颗落入换向器(鳞芽芽尖向上或向下)，进行鳞芽方向调整(换向原理见3.2节)，直立下栽装置同步转动，下栽鸭嘴与换向器活动半件碰撞，大蒜鳞芽直立落入下栽鸭嘴，由直立下栽装置实现鳞芽入土后的直立栽种，最后地轮完成镇压。
2.3 技术参数
2BUX-11型大蒜正芽播种机主要技术参数为：11行、行距180 mm、株距100～150 mm可调整、播深10～20 mm可调整。
3 关键部件设计
3.1 单粒取种装置
3.1.1单粒取种装置结构
播种机单粒取种装置结构如图5所示，由种箱、排种链条、取种勺、防漏槽、护种槽、主动链轮、清种链轮、张紧链轮、从动链轮和其它辅助零部件组成。种箱底部设有防漏槽，其高度等于两取种勺间的距离，避免排种时蒜种外漏；取种勺体采用方型、修圆角设计，配合防漏槽结构，避免卡伤蒜种。种箱前端设有高度可调挡板，根据蒜种的大小、湿度，调整挡板高度控制充种区蒜种数量；滑种板与防漏槽配合，实现种箱蒜种排尽；张紧链轮和清种链轮处设有护种盒，避免蒜瓣卡入链轮和链条之间；护种槽下方设有弹簧，避免装配间隙过小，取种勺与护种槽刚性接触。
图5 链勺式单粒取种装置结构简图
3.1.2单粒取种装置工作原理
作业时，蒜种在取种勺搅动作用下进行分种，形成速度不等的种层，在蒜种自身重力、蒜种间碰撞摩擦力作用下进行充种作业。当取种勺携带蒜种运移到清种链轮时，在离心力作用下，取种勺内位置差的多余蒜种被甩出，落在滑种板回到充种区，完成清种。取种勺带着蒜种越过排种链轮最高点，蒜种在取种勺离心力及自身重力作用下从取种勺掉落至前一取种勺背部，相邻种勺与护种槽间形成封闭空间，进行平稳导种，被运移至投种点时，蒜种离开与护种槽形成的封闭空间，在离心力和重力作用下落入换向器。
3.1.3单粒取种装置清种角优化
以一级清种角γ为例，清种过程中蒜种受力如图6所示，鳞芽在取种勺中受重力mg、孔壁反力N1及N2和离心力F1作用。
图6 大蒜种子受力分析
离心力为
(1)
式中v——链条运动速度，m/s
r1——蒜种重心与链轮圆心距离，mm
m——蒜种质量，g
清种过程中鳞芽受力平衡，即
(2)
由式(2)可知，当γ=0°时，取种勺对蒜种的支撑力和离心力达到平衡，如果清种角增加，勺体内蒜种在离心力作用下极易被甩出。根据前期研究[5]，二级清种角β为0°时，清种效果较好，但长期应用后，取种链条会因塑性变形而变长，清种角β变大，造成一定漏播。为减少漏播，二级清种角β增设预变形角度5°(预变形角度是排种链条运行1个播种季节后得到的经验数据)，后续应用试验表明预变形角度可保证排种器清种效果长期稳定。
3.1.4取种勺结构优化
图7 取种勺
充种腔作用是方便鳞芽进入取种勺，清种腔作用是将位置不好的多余大蒜鳞芽清除取种勺。设充种腔体长度为ks、宽度为bs、高度为hs，充种角为φ；清种腔体长度为ks1、宽度为bs1、高度为hs1，清种角为φ1，取种勺结构参数如图8所示。
图8 取种勺结构参数示意图
为提高取种勺适用范围，将取种勺分级设计。在原有中级取种勺[9]基础上，根据三级大蒜鳞芽长、宽、厚均值阶梯型增加规律，将大和小两级取种勺充种腔和清种腔的长、宽、高增减2 mm(大勺为增)，充种角和清种角增减2°(大勺为增)，为配合防漏槽，各级取种勺外形长Ls和宽度Bs一致。小、中、大3级取种勺如图9所示，适用大蒜鳞芽外形尺寸为15～18 mm、18～23 mm、23～28 mm。
图9 3级取种勺
3.2 鳞芽方向控制装置
3.2.1鳞芽方向控制装置结构
播种机鳞芽方向控制过程由换向器和下栽鸭嘴配合完成，换向器主要由固定半件、活动半件、弹簧和接种口组成，如图10所示。固定半件通过螺栓固连在机架上，活动半件通过销轴和弹簧与固定半件连接，接种口安装在固定半件上方。
图10 方向控制装置结构简图
3.2.2鳞芽方向控制装置工作原理
正常作业时，换向器在弹簧作用下闭合，单粒取种装置排出种子通过接种口落入换向器，种子与换向器壁碰撞后静止，鳞芽方向调整受力如图11所示，鳞芽在换向器内静态受力方程为
图11 鳞芽方向调整受力分析
(3)
式中Fn1——固定半件对鳞芽的支撑力，N
伊德里斯的地图中雅朱者和马朱者出现在中国北方(见图3)，在“亚历山大边墙”后面有一块铭文，写着“属于包围雅朱者和马朱者的库法亚(Kufaya)山脉”。边墙有门，大门处标识了亚历山大的阿拉伯名字杜尔-卡奈因(Dul-Karnai)。
Fn2——活动半件对鳞芽的支撑力，N
θ1——支撑力Fn1与竖直方向夹角，(°)
θ2——支撑力Fn2与竖直方向夹角，(°)
G——大蒜鳞芽重力，N
鳞芽落入换向器，如芽尖向上，鳞芽根部尺寸大于换向器闭合口，不会露出换向器，如图11a所示，随着换向器活动半件的快速打开，鳞芽会在重力作用下直立落入下栽鸭嘴，如图11b、11c所示。如芽尖向下，鳞芽芽尖通过中间闭合口露出换向器，栽植鸭嘴与换向器碰撞板接触，将露出换向器的芽尖夹紧，产生夹紧力F。因为芽尖有一定塑性，当活动半件打开时，鳞芽整体会绕点P产生转动，如图11e所示，忽略鳞芽与换向器内壁摩擦力，鳞芽整体绕点P转动力矩为
M=GLOPsinα-Fn1LOPcos(180-θ1-α)
(4)
式中LOP——鳞芽重心到夹持点距离，mm
α——鳞芽重心和夹持点连线OP与水平方向夹角，(°)
随着活动半件打开，在力矩M作用下，大蒜鳞芽翻转180°落入栽鸭嘴中，最后换向器在弹簧作用下复位，实现鳞芽方向调整。
3.2.3换向器结构参数设计
换向器设计要满足以下条件：鳞芽落入换向器芽尖向上或者芽尖向下；芽尖向下时，鳞芽芽尖要尽可能露出换向器；芽尖向上时，鳞芽根部不能露出换向器；换向器适应大、中、小3种尺寸鳞芽；芽尖向上时，鳞芽掉出换向器时不能与固定半件发生碰撞。为满足以上要求，换向器型腔采用放样生成方式，形状和结构参数如图12所示，分为接种区、仿形区和碰撞接触区。
图12 鳞芽方向控制器结构图
接种区要保证鳞芽落入换向器型腔，且不能横躺，接种区以大号鳞芽尺寸为设计基准。有
(5)
式中D——接种区开口直径，mm
H1——接种区末端横向宽度，mm
B1——接种区末端纵向宽度，mm
L2——接种区长度，mm
Lmax——大号鳞芽最大长度，mm
Hmax——大号鳞芽最大厚度，mm
Bmax——大号鳞芽最大有效宽度，mm
金乡杂交蒜鳞芽形态多样、大小差异较大、鳞芽芽尖短且弯，是目前正芽播种机研究重点和难点。仿形区依据金乡杂交蒜设计，换向器仿形区要适应各尺寸鳞芽，如以大号鳞芽尺寸为设计基准，中号和小号鳞芽会有一定角度的横卧，如果仿形区开口设计为直线形，一些芽尖短且弯的鳞芽可能无法覆盖到。为使芽尖向下的大蒜鳞芽芽尖尽可能露出仿形区，将仿形区开口部分设计为弧形，如图13所示。仿形区以中号鳞芽尺寸为设计基准，即
图13 鳞芽在换向器内状态
L1≥Lm
(6)
式中L1——仿形区长度，mm
Lm——中号鳞芽最大长度，mm
碰撞接触区长度L3由活动半件打开长度LBF和下栽机构运动决定，即
L3=W=LDE+LFC
(7)
其中
式中LPT——下栽机构运动过程中，下栽鸭嘴竖直方向运行距离，mm
r——以转动点为起点，换向器活动半件长度，mm
R——驱动圆盘半径，mm
换向器打开示意图如图14所示，换向器活动半件在下栽鸭嘴的作用下打开一定角度，换向器活动半件与下栽鸭嘴碰撞片实时接触，即△BED与△QTP相似。
图14 方向控制器调转蒜种方向过程示意图
根据根部直径统计结果，为使鳞芽根部不露出换向器，设换向器开口间距S=5 mm。
3.3 直立栽种装置
3.3.1直立下栽装置结构
播种机直立下栽装置如图15所示，主要由下栽鸭嘴总成、栽种轴、栽种圆盘总成、偏心总成架、鸭嘴打开盘、驱动轴、定位轴承、驱动链轮、偏心圆盘总成、偏心板等组成。栽种圆盘总成安装在驱动轴法兰上，偏心圆盘总成安装在偏心总成架上，两者通过偏心板连接，形成偏心直立栽种机构(平行四边形机构)。栽种轴均匀安装在栽种圆盘总成上，下栽鸭嘴总成安装在栽种轴上。鸭嘴打开盘固定在驱动轴上，随驱动轴一起转动。
图15 大蒜直立栽种器结构示意图
3.3.2直立下栽装置工作原理
直立下栽装置动力通过驱动链轮传入，栽种圆盘和偏心圆盘在偏心板作用下带动栽种轴转动，下栽鸭嘴始终垂直地面。下栽鸭嘴插入土中合适位置时，鸭嘴打开盘与鸭嘴打开轴承接触，控制下栽鸭嘴活动半件打开一定角度，鳞芽落入土中，鸭嘴周围土瞬时将鳞芽定位。下栽鸭嘴出土后，鸭嘴打开盘与打开轴承分离，在弹簧作用下，鸭嘴活动半件复位，完成一次栽种，依此循环。
3.3.3直立下栽装置机构运动方程
下栽鸭嘴的绝对运动由机组的前进运动与栽种机构旋转运动复合而成，如图16所示，以点D为参考点，其运动方程为
图16 栽种机构运动轨迹
(8)
式中v1——机组前进速度，m/s
ω——栽植器转动角速度(逆时针为正)，(°)/s
l4——下栽鸭嘴栽种轴以下长度，mm
t——时间，s
设主轴半径为r1，为避免运行过程中图16中的点A与点B发生干涉，l4
(9)
式中l5——栽种轴以上下栽鸭嘴高度，mm
b2——下栽鸭嘴上部宽度，mm
大蒜鳞芽栽种要满足种体“零速”投种，轨迹特征参数λ≥1[20]，栽植轨迹如图16所示。大蒜鳞芽形态不具有直立栽种的支撑面，要依靠下栽鸭嘴来实现，当下栽鸭嘴沿栽植轨迹入土至点Q(零速点)，下栽鸭嘴活动半件快速打开，鳞芽贴着下栽鸭嘴固定半件落入种穴，鸭嘴打开时土流瞬时将鳞芽定位。根据大蒜栽植系统工作参数与成穴参数的关系[21]，驱动圆盘半径设定为R= 165 mm。
3.3.4下栽鸭嘴
下栽鸭嘴总成如图17所示，主要由碰撞板、鸭嘴左右固定半件、拉伸弹簧、滚动轴承、打开轴、鸭嘴活动半件等组成。鸭嘴左右固定半件固定在栽种轴上，与鸭嘴活动半件通过销轴和拉伸弹簧连接。打开轴连接左右鸭嘴活动半件，滚动轴承安装在打开轴中间，与鸭嘴打开盘配合控制下栽鸭嘴总成的开合。
图17 下栽鸭嘴总成
下栽鸭嘴设计要满足以下条件：鳞芽落入下栽鸭嘴要保持直立；下栽鸭嘴适应大、中、小3种尺寸鳞芽；鳞芽滑出下栽鸭嘴时不能与固定半件发生碰撞；下栽鸭嘴入土时，鸭嘴保持闭合，且易于入土。下栽鸭嘴形状和尺寸参数如图18所示，分为碰撞接触区、接种区、定位区和入土区。
图18 下栽鸭嘴结构示意图
换向器接触碰撞区与鸭嘴接触碰撞区理论上二者尺寸一致，正芽效果达到最优，但实际制造、装配误差以及下栽机构的受力变形会影响二者配合间隙。通过强度试验，换向器接触碰撞区与鸭嘴接触碰撞区间的配合间隙S2设定为2～3 mm，如图19所示。
图19 碰撞区配合间隙示意图
下栽鸭嘴接种区要保证鳞芽落入下栽鸭嘴型腔，且不横躺，接种区以大号鳞芽外形尺寸为设计基准，即
(10)
式中d——鸭嘴接种区开口直径，mm
h1——鸭嘴接种区末端横向宽度，mm
b1——鸭嘴接种区末端纵向宽度，mm
l2——鸭嘴接种区长度，mm
下栽鸭嘴定位区要适应各尺寸鳞芽，如果以大号鳞芽尺寸为设计依据，中号和小号鳞芽会有一定角度横躺，影响栽种效果，定位区以中号鳞芽外形尺寸为设计基准，即
l1≥Lm
(11)
式中l1——鸭嘴定位区长度，mm
下栽鸭嘴入土区高度依据大蒜鳞芽栽植深度来设定，一般为Lmax加上10～20 mm。入土角为α4，由鸭嘴接种口直径和鸭嘴长度确定，即
(12)
3.3.5下栽鸭嘴打开盘
下栽鸭嘴打开盘是直立下栽装置的核心部件，控制着下栽鸭嘴的开合时间、地点和速度。下栽鸭嘴打开盘的设计涉及驱动圆盘的转动、机组的前进运动、打开盘自身转动和下栽鸭嘴的打开运动等，通过解析法计算打开盘外形尺寸非常复杂，本文提出一种基于ADAMS逆向设计打开盘的方法。
(1)建立下栽装置的简易三维模型，导入ADAMS添加结构和运动约束，设v1=120 mm/s，ω=60(°)/s。仿真后，生成下栽鸭嘴相对地面的运动轨迹曲线，如图20中曲线a所示。
图20 直立栽种机构仿真结果
(2)当下栽鸭嘴运行到点Q，给下栽鸭嘴活动半件添加STEP函数，控制下栽鸭嘴的打开速度和角度。运动仿真后，生成下栽鸭嘴打开轴相对地面的运动轨迹曲线，如图20中曲线b所示。
(3)提取下栽鸭嘴打开轴运动轨迹曲线数据，导入三维建模软件，生成打开盘三维模型，并导入ADAMS仿真模型中。鸭嘴打开盘与驱动轴添加锁定约束，鸭嘴打开盘与下栽鸭嘴打开轴添加碰撞约束，删除下栽鸭嘴活动半件的STEP函数，仿真结果如图20所示，与设计预期一致。
4 台架试验
4.1 单粒取种装置台架试验
为确定单粒取种装置的适用速度范围，以分级金乡杂交蒜和苍山四六瓣为供试品种，设计大蒜播种机试验台，进行3级取种勺对应级别蒜种的取种试验。试验台由单粒取种装置、换向器、直立下栽装置、电机、变频器和试验架等组成，如图21所示。
图21 播种机试验台
为方便测试，定义排种器每秒排种的颗数为排种速度，通过变频器将排种速度划为5个水平，即1.2、1.4、1.6、1.8、2.0颗/s，速度误差±2%。试验台稳定运行条件下，每组取种200次，记录取种勺进入护种槽时排出的蒜种数，每组试验重复3次，取平均值为试验结果，计算单粒取种装置单粒率q1、重播率q2和漏播率q3，试验结果如表1所示。
由表1可以看出，对于金乡杂交蒜，除1.2 颗/s排种速度下小勺的取种单粒率低于90%外，其余情况单粒率均达到90%以上。因此，对于金乡杂交蒜，小勺的适用排种速度为1.4～2.0颗/s，中勺和大勺的排种速度为1.2～2.0颗/s。对于苍山四六瓣大蒜，中勺和大勺在所有排种速度下单粒率均达到了90%以上，而小勺在所有排种速度下的单粒率都没有超过90%，小勺不适合苍山小蒜种的取种，原因在于苍山四六瓣大蒜3～5 g鳞芽外形尺寸变化不明显。改用中勺进行苍山四六瓣小蒜种的取种试验，排种速度为1.4～2.0颗/s时，单粒率达到90%以上。综上，对于苍山四六瓣大蒜，小蒜种的适用排种速度为1.4～2.0颗/s，中蒜种的适用排种速度为1.2～2.0颗/s，大勺的适用排种速度为1.2～2.0颗/s。
表1 试验结果
4.2 换向器台架试验
影响换向器作业性能的因素主要为鳞芽芽尖纵向长度，对鳞芽芽尖长度进行人工修剪处理，分为4个水平，即4、5、6、≥7 mm；换向器的作业效率由接到种子直至反弹后稳定时间、下载鸭嘴运行到活动半件的时间和活动半件打开直至种子完全落出换向器型腔时间组成，考虑排种效率，将排种速度分为4个水平，即1.2、1.4、1.6、1.8个/s。为明确二者对换向器性能的影响，以正芽率为试验指标，进行二因素四水平正交试验。
供试品种为金乡杂交蒜中号鳞芽(芽尖长度 4～5 mm)和苍山四六瓣中号鳞芽(芽尖长度大于等于6 mm)，试验台如图21所示，试验方案如表2所示。试验台稳定运行条件下，每组试验取种200次，记录从换向器直立进入下栽鸭嘴的大蒜鳞芽数目，每组试验重复3次，取平均值为试验结果。
表2 正交试验方案与结果
由表2可知，芽尖长度对正芽率的影响较大，芽尖长度小于6 mm时正芽率最高达到77.5%，排种速度对正芽率的影响不明显，正芽效果不理想，不能满足大蒜正芽播种农艺要求。芽尖长度大于等于 6 mm 时正芽率有明显上升，均值达到了85%左右，与芽尖长度小于6 mm的鳞芽对比有阶梯性增长，能够满足正芽播种农艺要求；芽尖长度大于等于 6 mm 时，排种速度对正芽效果影响明显，正芽率随着排种速度的增加而减小。综上，本文研究设计的大蒜播种机适用的鳞芽芽尖长度大于等于6 mm，适合的排种速度为1.2～1.6颗/s。
5 田间试验
5.1 试验条件与材料
2020年9月20日，在山东省玛丽亚农业机械有限公司种植试验基地进行了2BUX-11型大蒜正芽播种机的田间作业性能试验，如图22所示。试验用地为壤土，土地松弛规整，符合大蒜种植农艺要求，试验大蒜品种为人工破瓣的中号金乡杂交蒜(随机统计100颗鳞芽，鳞芽尖长度大于等于6 mm的比例为61%)和中号苍山四六瓣大蒜(随机统计100颗鳞芽，鳞芽尖长度大于等于6 mm的比例为95%)，配套动力为带爬行挡的东方红1004型拖拉机。
图22 田间作业性能试验
5.2 试验方法及指标
试验参照DB 37/T 3705—2019《大蒜播种机通用技术规范》进行。为降低试验误差，作业区分为启动区、测试区和停止区，启动区和停止区5 m，测试区25 m，每组试验重复3次，取平均值为试验结果，每组试验连续记录200个标准株距，计算单粒率p1、重播率p2、漏率率p3、正芽率p4、株距合格指数p5、播深合格指数p6。
5.3 试验设计及结果分析
5.3.1行走速度对播种机性能的影响
影响播种机作业性能的主要因素为播种机的行走速度。在株距S=120 mm条件下，以单粒率、重播率、漏播率和正芽率为试验指标，对播种机性能进行试验。根据换向试验，播种机针对金乡杂交蒜行走速度设定3个水平，与1.2、1.4、1.6颗/s排种速度对应，即0.14、0.17、0.19 m/s，速度误差±3%，试验结果如表3所示。
表3 不同行走速度时试验结果
由表3可知，3个速度水平下，机具对金乡杂交蒜和苍山四六瓣蒜的单粒率均达到了93%以上，单粒率总体好于台架试验，分析其原因在于播种机的作业振动尤其是旋耕装置的振动降低了排种器的重播率。正芽率方面，金乡杂交蒜达到85%左右，基本满足大蒜播种农艺要求；苍山四六瓣蒜的正芽率达到90%左右，满足农民的种植农艺需求。综上，2BUX-11型大蒜正芽播种机的单粒率和正芽率整体满足种植农艺要求。
5.3.2株距合格指数
在作业速度为1.4 m/s、理论株距为120 mm条件下，连续测量稳定工作状态下200穴种子的株距，计算株距合格指数。对于金乡杂交蒜平均株距为121.3 mm，株距合格指数为99.3%，标准差为 1.2 mm，变异系数为2.1%；对于苍山四六瓣大蒜，平均株距为120.8 mm，株距合格指数为98.7%，标准差为1.3 mm，变异系数为2.0%。综上，对于两种大蒜，播种机的株距差异较小，表明播种机株距均匀性和稳定性较好。
5.3.3播深合格指数
在作业速度为1.4 m/s、理论株距为120 mm条件下，连续测量稳定工作状态下200穴种子的播种深度，计算播深合格指数。对于金乡杂交蒜，平均播种深度为17.3 mm，播深合格指数为91.5%，标准差为3.8 mm，变异系数为7.6%；对于苍山四六瓣蒜，平均播种深度为18.5 mm，播深合格指数为93.1%，标准差为3.3 mm，变异系数为7.2%。综合可知，两个品种的播深合格指数差异较小，表明播种机的播种深度一致性较好。
6 结论
(1)设计了2BUX-11型大蒜正芽播种机，主要由单粒取种装置、鳞芽方向控制装置、直立下栽装置、传动系统以及机架、地轮等部分组成，可一次完成取种、换向、直立栽种和镇压作业，显著提高了大蒜播种效率。
(2)优化了播种机单粒取种装置，设计了符合大蒜鳞芽外形尺寸分布的大、中、小3级取种勺；设计了弧形开口换向器，使芽尖弯曲大蒜鳞芽芽尖尽可能露出换向器；设计了中间轴随驱动圆盘同时旋转的直立下栽机构，实现11行下栽鸭嘴稳定作业，与弧形换向器配合实现芽尖不小于6 mm大蒜鳞芽的正芽，初步解决了杂交蒜正芽播种难题。
(3)田间试验结果表明，行走速度在0.14～0.19 m/s范围内，机具对金乡杂交蒜正芽率达到85%左右，对苍山四六瓣蒜的正芽率达到90%左右，整体满足大蒜播种农艺要求。
(4)形态规则芽尖较长的苍山四六瓣蒜更适合播种机正芽播种，影响该类大蒜正芽率的关键是减少排种器的漏播率和重播率。对于形态多样、鳞芽大小差异较大、鳞芽芽尖短且弯杂的金乡杂交蒜，正芽率受鳞芽芽尖长度影响较大。
