大蒜种植机中直立筛选装置的研制

魏玉珍+邹栋林+刘勇兰+喜冠南

摘要：基于对大蒜特征分析和相关试验的结果，提出了1种夹紧大蒜末梢翻转的直立筛选方案并进行装置设计。该方案针对大蒜直立筛选装置进行设计，主要由倾斜分隔槽、防堵排种器、翻转筛选装置、换向装置及输送管道等组成。利用倾斜分隔槽将蒜瓣进行单列纵向排列，由翻转筛选装置完成方向筛选，再通过换向装置统一芽端方向并由输送管道输送到播种装置，而防堵排种器用于控制蒜瓣输送速度，防止蒜瓣粒多导致堵塞。该方案既有效实现了大蒜直立筛选、提高了生产效率，也为我国大蒜种植机的优化设计提供了参考。

关键词：大蒜；直立筛选；翻转；装置设计；试验验证

中图分类号： S223.94文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）17-0219-03

收稿日期：2016-05-03

基金项目：国家自然科学基金 （编号：51476080）；江苏省南通市市级科技计划 （编号：MS12015088）；南通市传热强化与过程节能重点实验室项目（编号：CP12012004）。

作者简介：魏玉珍（1990—），女，山东日照人，硕士研究生，研究方向为新能源与节能技术。E-mail：2587394994@qq.com。

通信作者：喜冠南，博士，教授，研究领域为新能源与节能技术。E-mail：guannanxi@ntu.edu.cn。大蒜既是饮食料理中的一种必备佐料，又在医疗和保健方面功效强大[1]。研究表明，当芽端非朝上时，大蒜发芽时间较长、出土缓慢、蒜苗较为娇弱且同时间段的大蒜植株较矮，成熟后外观品相不佳[2]。我国是世界上主要的大蒜生产国，也是大蒜外贸出口大国，由于大蒜品相质量是影响其经济价值的重要因素，所以我国主要以人工插种模式完成大蒜的种植，即人工将大蒜芽端朝上插入土壤中。该生产模式不仅生产效率低、劳动强度大，而且无法适用于大规模大蒜生产基地的种植要求。因此，推动我国大蒜种植的机械化发展迫在眉睫，而如何实现大蒜直立筛选与直立种植一直是大蒜种植机的研究重点。

目前，国外专家学者针对大蒜种植机的研制已展开了大量研究（表1） [3-4]，而国内大蒜种植机的研制尚未成熟，主要采用随机投种方式，芽端方向不确定；此外，目前对于大蒜芽端方向的筛选方法也取得了一定的研究成果，其中主要的筛选方法可概括如下：方法一，通过蒜瓣在水中漂浮状态确定芽端方向，利用了蒜瓣重心的分布特点，典型机型为水力浮种大蒜播种机[5]。方法二，通过人工操作确定芽端方向，再配合播种装置，实现了人工辅助的机械化生产，典型机型为弹簧夹持式直立播种机[6]。方法三，通过图像处理技术识别大蒜芽端方向[7]。方法四，通过单片机处理红外信号，采集蒜瓣的外观信息并控制电机进行方向筛选[8]。方法一利用水的浮力能使芽端方向得到较好控制，但从水中取种较为困难且须全部剥掉蒜皮，工作量大且易导致虫害侵蚀蒜体；方法二利用人的视觉辨别方向，准确率虽高但工作效率低、人工勞动强度大；方法三与方法四运用了传感器与单片机等计算机处理技术，大蒜种植成本极大增加，且其控制系统的可靠性较难保证。

因此，本试验针对如何实现大蒜直立筛选的问题展开研究，基于大蒜的特征分析结果，提出了1种夹紧大蒜末梢翻转的直立筛选方案，并通过相关试验验证方案中各个装置设计的合理性，有效实现了大蒜直立筛选的目的，为我国大蒜种植机的进一步研制提供了新的设计思路。

1总体结构与工作原理

1.1总体结构

根据夹紧大蒜末梢翻转的直立筛选方案设计的大蒜种植机可较为直观地反映该方案中各个装置的配合关系及大蒜芽端筛选的工作过程，而大蒜种植机中的直立筛选装置主要由倾斜分隔槽、防堵排种器、翻转筛选装置、换向装置与输送管道等组成（图1）。

1.2理论依据

大蒜的形状特征是提出直立筛选方案的思路来源，而尺寸特征是展开装置设计的参考依据。每个蒜瓣均有2个宽平面和1个弧形曲面且根部均有细长末梢；通过对200粒白皮蒜瓣的尺寸测量得到，平均长度26.50 mm，平均宽度16.90 mm，平均高度19.10 mm，且平均高度略大于平均宽度。

1.3工作原理

工作时，以拖拉机为动力，牵动大蒜种植机运动，2个地

轮带动主轴转动，直立筛选装置开始运转。将挑选好的大小均匀、健壮饱满的蒜瓣作为蒜种，放入斗形种箱，在斗形种箱底部设计有开口，蒜瓣沿着开口进入到倾斜分隔槽装置中。由于蒜瓣粒多易堵塞是大蒜种植机械设计的关键难题，为了解决该难题，在斗形种箱与倾斜分隔槽装置之间设计有防堵排种器，有效保证蒜瓣呈单列纵向队列状态进入到翻转筛选装置中。而翻转筛选装置的设计思路是根据每粒蒜瓣芽端均有细长末梢的特征展开的，通过弹性套控制具有穗状壁面的接种杯收缩或扩张，夹紧蒜瓣芽端末梢并进行翻转，根据翻转过程中是否掉落进而将蒜瓣分为芽端朝上与芽端朝下2类，然后再通过换向装置将二者方向统一，最后输送到播种装置，完成大蒜的直立筛选与种植。主要技术参数如下：外形尺寸1 075 mm×1 040 mm×1 420 mm；株距160～180 mm； 行距160～200 mm；种植深度30～50 mm；筛选准确率78%。

2关键部件设计

2.1倾斜分隔槽

测试试验：取200粒白皮蒜瓣由高处自由落下，重复进行5次试验，统计着地接触面情况：若试验地面为水平面，则约78.5%的蒜瓣是以宽平面着地，而约21.5%的蒜瓣是以弧形曲面着地；若试验地面为倾斜面，蒜瓣最终全部呈现以宽平面为着地面的静止状态。根据大蒜掉落的着地面特点，设计了倾斜分隔槽，其由若干隔板构成且相邻隔板具有一定高度差。防止蒜瓣掉落过程中卡在相邻隔板上，每个分隔槽的宽度大于蒜瓣的平均高度小于蒜瓣的平均长度，以便蒜瓣全部纵向落入槽中；此外，分隔槽的底部，在槽宽方向和槽长方向均倾斜一定角度，使得蒜瓣掉落之后全部以宽平面着地，且能够在重力作用下沿着槽长方向往下滑落，进入到下一阶段的方向筛选中。为减小摩擦阻力的影响，倾斜分隔槽的内壁均为光滑面。经过选种的蒜种由斗形种箱底部掉落，经过倾斜分隔槽后最终成单粒纵向队列，为下一步的方向筛选做好准备（图2）。endprint

2.2防堵排种器

大蒜粒多易堵塞的问题一直存在于输送过程中，所以防堵排种器根据所在位置的不同分为单列排种器与单粒排种器2种。

2.2.1单列排种器单列排种器位于斗形种箱与倾斜分隔槽之间，防止斗形种箱中蒜瓣数量过多而使倾斜分隔槽中发生严重堵塞。该装置由若干个带有凹槽的圆柱纵向排列组成，圆柱可绕着转轴进行转动（图3）。由于凹槽宽度的设计尺寸大于蒜瓣平均高度且小于平均长度，故每条凹槽中仅能容纳单列蒜瓣。随着圆柱的转动，每条凹槽将周期性地把单列蒜瓣输送到倾斜分隔槽中。由于相邻圆柱之间具有去冗刷，所以凹槽中多余的蒜瓣会被去冗刷刷掉，进一步保证凹槽中仅能容纳单列蒜瓣，有效解决了蒜瓣堵塞问题。此外，可通过改变圆柱上凹槽的数量，控制蒜瓣的排种速度。

2.2.2单粒排种器单粒排种器位于倾斜分隔槽底部的出口处，防止蒜瓣在重力作用下滑落速度过大，导致蒜瓣大量堆积在翻转筛选装置中而发生堵塞（图4）。该装置位于每个分隔槽出口的底部，且其凹槽尺寸设计仅能容纳1粒蒜瓣；同理，去冗刷的作用进一步保证了单粒蒜瓣的排种；随着转轴转动，凹槽会周期性地将单粒蒜瓣输送到翻转筛选装置中，且可改变凹槽的数量来控制蒜瓣的排种速度。

2.3翻转筛选装置

翻转筛选原理为蒜瓣进入翻转筛选装置的接种杯，当接种杯转至最高位置时，其正上方的压板下压，使蒜瓣挤压接种杯的穗子状壁面，穗子结构扩张。若蒜瓣芽端朝下，则芽端细长末梢将从穗子间隙中伸出，此时弹性套从下方套入接种杯，穗子状壁面收缩，于是伸出的芽端末梢将被夹在穗子间隙中；若蒜瓣根部朝下，则不会出现该情况（图5）。

该装置继续转动90°，此处有输送管道Ⅰ的开口与接种杯口对接，若接种杯中蒜瓣掉落其中，说明之前蒜瓣芽端朝上，即没有末梢被穗子间隙夹紧，当弹性套套入使接种杯恢复原状后，蒜瓣因重力下落，故输送管道Ⅰ中的蒜瓣芽端朝下。若接种杯中蒜瓣不掉落，则继续再转90°，此处接种杯口与输送管道Ⅱ对接，弹性套竖直上移从而撤销对末梢的夹紧力，蒜瓣下落，故输送管道Ⅱ中的蒜瓣芽端朝上。因此，根据装置翻转后蒜瓣是否掉落，可对蒜瓣芽端方向进行筛选。

翻转筛选装置包括旋转轴、以其轴线为中心阵列分布的接种杯和弹性套（图6）。接种杯呈扁圆锥状，使得蒜瓣掉落后呈竖直方向的“站立”状态；接种杯的壁面采用弹性材料，保证穗状壁面可扩张和收缩；弹性套内壁与接种杯外壁大小一致，同轴线且配合紧密，保证接种杯恢复自然原状即可，防止弹性套过度挤压接种杯，导致变形过度且卡住根部朝下的蒜瓣；此外，弹性套下端长度大于接种杯下端，防止出现过盈配合。

2.4换向装置

换向装置位于输送管道Ⅰ出口处，绕着转轴转动的圆柱上有若干凹槽，凹槽深度大于蒜瓣平均长度，凹槽宽度大于蒜瓣平均高度小于平均长度，保证蒜瓣落入换向装置凹槽后呈直立状态且仅能容纳1粒蒜瓣。此时，换向装置转动90°，此处有输送管道Ⅲ的开口与换向装置的凹槽对接，则蒜瓣落入且芽端方向改为朝上，实现了芽端方向的筛选与统一（图7）。

3模拟试验

利用硬纸板做出簡易的倾斜分隔槽装置，利用橡胶材料

做出穗状壁面的接种杯与弹性套，取100粒白皮蒜瓣进行模拟试验，试验结果发现：蒜瓣由高处掉落到分隔槽后，74%的蒜瓣能实现单粒蒜瓣以某一平面着地的“侧躺”状态；通过手动对接种杯中蒜瓣施加压力发现，接种杯的穗状壁面扩张，芽端末梢从间隙伸出，再配合弹性套夹紧，筛选准确度达78%。因此，本研究提出的直立筛选法具有一定的合理性与可行性。

4结论

本研究以大蒜的特征分析结果为理论依据，提出了1种夹紧末梢翻转筛选法并进行装置设计。

（1）基于蒜瓣自由落地的接触面特点，倾斜分隔槽实现了蒜瓣单粒纵向排列，且有效减少了芽端朝向类型；基于蒜瓣粒多易堵塞的特点，防堵排种器则通过单列和单粒排种方式控制了蒜瓣的传送速度，避免蒜瓣冗堵；基于蒜瓣芽端具有细长末梢等特点，翻转筛选装置利用穗状结构的扩张与收缩夹紧末梢，并根据翻转后蒜瓣是否掉落，将芽端朝向进行了分类筛选；再结合换向装置与输送管道组，完成蒜瓣芽端方向的统一；各个装置互相配合工作，有效实现了大蒜直立筛选的目的。

（2）该方法不仅具有较好的创新性，而且装置制作成本低，生产效率也得以提高，为后续大蒜直立筛选的深入研究提供了新的设计思路，更为大蒜种植机的优化设计提供了参考。

参考文献：

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