大蒜直立筛选方法探究及其装置设计

魏玉珍，邹栋林，刘勇兰，喜冠南

(1.南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019; 2. 南通科技职业学院 机电工程系， 江苏 南通 226007)



大蒜直立筛选方法探究及其装置设计

魏玉珍1，邹栋林2，刘勇兰2，喜冠南1

(1.南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019; 2. 南通科技职业学院 机电工程系， 江苏 南通 226007)

大蒜形状不规则、粒大易磨损、粒多易堵塞是阻碍大蒜直立筛选与种植的关键问题。为此，通过对大蒜的品种特征、形状特征与尺寸特征等方面进行分析，寻找出大蒜芽端与根部的差异，从而为直立筛选方法的设计提供理论依据。为满足大蒜直立种植的特殊农艺要求，保证大蒜的品相质量并提高种植效率，本文提出了倾斜分隔槽排种法、触碰开关筛选法和平衡碗筛选法，并进行装置设计与各方案优劣分析，为我国大蒜播种机的优化提供参考。

大蒜；直立筛选；特征分析；方法探究；装置设计

0 引言

根据大蒜销售的相关调查得知，大蒜外观的品相质量对其经济价值影响非常大[1-2]，所以大蒜在种植过程中具有特殊的农艺要求：要求满足芽端朝上、根部朝下的直立种植条件，保证其生长姿态端正，从而收获高品相质量的大蒜[3-4]。此外，根据有关专家的实验研究得知，大蒜芽端朝上的直立种植方式可缩短大蒜生长周期，获得的产量是随机播种产量的5倍左右[5]。因此，如何保证大蒜直立筛选准确度和种植直立度是设计大蒜种植机需要解决的核心问题。

目前，国外已出现各种类型的大蒜种植机。其中，典型的有日本的压穴式大蒜播种机[6]，利用半球穴的球面控制大蒜的直立度，但采用的是随机排种方式，因而芽端方向是随机的。法国的爱玛大蒜播种机利用特定的扶正机构实现蒜种在输送过程中的直立状态，但芽方向筛选的准确度较低[7-8]。我国是大蒜生产大国，但国内的种植仍主要采用手工插植的方式完成，通过人工分辨蒜瓣的芽端与根部，手动插到土壤中。该方式虽然保证了筛选百分之百的准确度，其工作量大、劳动强度大，而且种植效率很低，因此更为可靠有效的大蒜种植机械亟待进一步研制。

本研究针对如何实现大蒜直立筛选问题展开，通过对大蒜的品种特征、形状特征和尺寸特征的分析与相关试验结果，分别找出大蒜的芽端和根部的差异与共性，以此为理论依据展开大蒜直立筛选方法的设计思路；通过各方法的优劣分析，为大蒜种植机的优化设计提供参考，推动我国大蒜种植的机械化发展。

1 大蒜特征分析

1.1 大蒜品种特征

大蒜可根据蒜头颜色、蒜瓣大小及播种季节等分类，有白皮蒜、紫皮蒜、早熟蒜等品种，虽然品种多样，但外形特征大致相同，体积差异稍大。

1.2 大蒜形状特征

大蒜形状特征分析如下：

1)每个蒜瓣主要由两个较宽且成一定夹角的平面以及一个弧形曲面组成。

2)每个蒜瓣的芽端呈尖端状，而根部呈小平面状。

3)利用物理中悬挂式重心寻找方法可知，每个蒜瓣的重心位置均是更靠近其根部的。

1.3 大蒜尺寸特征

为寻求蒜瓣在尺寸方面的共性，取200粒白皮大蒜瓣进行测量实验，测量结果如表1所示，实验中尺寸参数如图1所示。因大蒜在种植之前通常会进行选种，取大小相近、饱满肥硕的蒜瓣作种，所以本研究对其各个尺寸的平均值进行研究，取平均长26.50mm、平均宽16.90mm、平均高19.10mm作为直立筛选装置设计的参考参数。

表1 大蒜尺寸参数测量结果

图1 大蒜尺寸参数

2 大蒜直立筛选方法探究

2.1 倾斜分隔槽排种法

通过对蒜瓣尺寸的测量发现，其平均宽度与平均高度差值较小，因此当蒜瓣从高处掉落着地时，其接触面为宽平面或弧形曲面。若以弧形曲面着地，由于重心分布特点导致稳定性不高，当地面倾斜一定角度，其必然将以宽平面着地，重新达到静止状态。

试验验证：取200粒常见的白皮蒜瓣从高处自由落下进行试验，统计接触面情况知，大约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。当地面倾斜一定角度时，蒜瓣全部呈现宽平面着地状态。结合该特点，本文提出了一种倾斜分隔槽排种法如下：蒜种由斗形种箱底部掉落到下方的倾斜分隔槽，其底部在槽宽方向和槽长方向均倾斜一定角度，使蒜瓣掉落之后全部呈现以宽平面着地状态，且在重力作用下沿着槽长方向往下划落，进入方向筛选装置中，如图2所示。

图2 排种方案原理示意图

为减小摩擦的影响，倾斜分隔槽的内壁均为光滑面。为防止蒜瓣卡在分隔槽的上方，故相邻隔板之间存在高度差。每个槽的宽度大于蒜瓣宽度且小于蒜瓣长度，从而保证分隔槽内蒜瓣是单个纵向排列。此外，为防止掉落的蒜瓣数量过多发生拥堵，故在分隔槽上方设计了单列圆柱排种器，其凹槽尺寸设计仅能容纳一个蒜瓣，且在去冗刷的作用下，进一步保证了蒜瓣单粒排种，结构如图3所示。于是，分隔槽内的蒜瓣最终呈现宽平面着地的单粒纵向队列，为下一步的方向筛选工作做好准备。

图3 单列圆柱排种器

2.2 触碰开关筛选法

根据上述大蒜特征分析可得，蒜瓣芽端均又细又尖，故可抽象为一个点；而蒜根部位均有木质化的茎盘且被剪切得较为平整，故可将其抽象为一个小块的圆形平面。因此，可根据点与面的差异展开大蒜芽朝向的筛选设计思路，以下筛选方法均基于倾斜分隔槽排种法展开。

如图4所示：蒜瓣以单粒纵向队列形式沿着倾斜分隔槽下滑，进入接种器的锥形杯中；锥形杯随着传送带的运动而被输送到夹紧套正下方，同时上方的夹紧套在连杆的带动下开始垂直下压，其内部的弹性橡胶套扩张，从而将蒜瓣夹紧；此时，连杆带动夹紧套水平运动进入方向筛选装置的平行对心轨道，蒜瓣沿着平行板间隙运动，根据是否触碰到开关被分别输送到芽端朝上的收集区和芽端朝下的收集区，从而实现大蒜芽端方向筛选。

图5为接种器结构简图。其中，锥形杯被固定在传送带上呈阵列紧密分布，且在锥形杯两侧设一个三角形开口，三角形开口方向一致且共线；夹紧套固定在连杆上可随其运动而运动，每个夹紧套与锥形杯共轴线；锥形套底部设有带开口的弹性橡胶套，当夹紧套下压蒜瓣时将发生形变，从而可利用弹性形变夹紧蒜瓣。

图6为筛选原理示意图。其平行对心轨道的中心线与锥形杯三角形开口共线，防止蒜瓣偏离轨道导致触碰开关失效。平行对心轨道的两块平板之间的间隙要求小于蒜瓣根部小平面的宽度，充分利用蒜瓣芽端与根部的点与面的差异进行分类。

图4 触碰开关方向筛选原理示意图

图5 接种器结构示意图

图6 筛选原理示意图

图7为分类装置示意图。其导向板通过连杆机构与触碰开关相连接。若是蒜瓣芽端朝下，呈尖端的芽端通过平行板间隙必然触碰到开关，开关通过连杆机构带动分类装置中的导向板摆动，于是此类蒜瓣由主管道被分到芽端朝下的收集区；若是蒜瓣根部朝下，则不会触到开关，则分类装置中的导向板不会被启动，此类蒜瓣将进入另一个收集区；通过换向装置可将蒜瓣的芽端方向进行统一，再结合直立种植装置进行播种。

图7 分类装置示意图

2.3 平衡碗筛选法

基于上述对大蒜特征分析的结果发现：由于每个蒜瓣近似呈犬牙状且重心分布靠近蒜根部位，所以当蒜瓣以弧形曲面与地面接触时，根据杠杆原理可知：当蒜瓣达到稳定状态时，蒜瓣芽端高度会高于蒜根部位。因此，利用根部与芽端高度差异可展开大蒜芽朝向的筛选设计思路，提出了一种平衡碗筛选法。为了进一步便于大蒜芽端方向筛选，该筛选方法也是基于倾斜分隔槽排种法展开的。

图8为平衡碗分布图。平衡碗筛选法的具体实施过程如下：蒜瓣经过倾斜分隔槽后，呈现单粒纵向队列形式，在重力作用下沿着槽依此划入平衡碗中，而平衡碗在传送带上呈阵列紧密排列，防止蒜瓣卡在相邻的平衡碗之间，从而顺利进入方向筛选阶段。图9为平衡碗示意图。其底部水平、内壁光滑呈碗状，从而保证蒜瓣掉落到平衡碗后会沿着的弧形内壁“倒下”，以弧形曲面着地达到静止的平衡状态。随着传送带运动，每排平衡碗的碗口分别与倾斜分隔槽的槽口一一对应，保证蒜瓣准确掉落其中。固定在连杆上夹紧套呈圆锥状，内部包括两个周期性闭合的装夹片，完成准确夹紧蒜瓣任务。

图8 平衡碗分布图

图9 平衡碗装置示意图

2.4 方案优劣分析

倾斜槽排种法利用大蒜从高处掉落后的着地面特点，采用特殊结构的倾斜分隔槽，有效减少了大蒜的形态种类，实现了蒜瓣单粒纵向排列；触碰开关筛选法利用蒜瓣芽端与根部的“点”与“面”的差异特点，根据能否触碰到平行对心轨道中间的开关进行方向筛选，再结合分类装置将蒜瓣分到芽端朝下与根部朝下两个收集区；平衡碗筛选法则利用蒜瓣的犬牙形状和重心分布特点展开，蒜瓣以弧形曲面着地时芽端与根部存在高度差，利用光滑碗状结构进行方向筛选。

倾斜分隔槽排种法仅是一种排种方法，而触碰开关筛选法与平衡碗筛选法均是以此为基础的筛选方法，二者分别利用不同原理，达到了大蒜直立筛选的目的。为了验证方法的可行性，故制作简易的设计装置并进行试验验证。

利用硬纸板做出简易的倾斜分隔槽，用纸板卷成圆锥状，在对称位置剪开两个三角形开口，制作出4个同样大小的锥形杯，同时直立地粘在一块纸板上；同样方法，制作4个底部水平且壁面呈弧形的平衡碗，直立地粘在另一块纸板上。此外，利用弹性橡胶材料制作夹紧套和触碰开关，用两块有机玻璃板模拟平行对心轨道等。

取100粒白皮蒜瓣进行简单模拟试验，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平面着地状态；通过手动下压夹紧套，其弹性橡胶套扩张并将蒜瓣从锥形杯中夹起， 沿着三角形开口进入平行对心轨道，通过统计是否触碰到开关发现，筛选准确度达67%；而采用平衡碗装置时，筛选准确度达71%。

由于本文主要针对大蒜直立筛选方法展开探究，仅对原理进行简易试验验证，且受有限的试验条件限制，所以各个装置的设计有待于进一步完善。但是，通过试验结果发现，本文提出的倾斜槽排种方法和两种大蒜直立筛选方法具有一定的合理性与可行性。

4 结论

1) 倾斜槽排种法有效实现蒜瓣单粒纵向排列，极大地减少了芽端方向种类，为两种筛选方法的开展做好准备工作；触碰开关筛选法根据触碰开关是否启动来判断蒜瓣芽端的朝向，而平衡碗筛选法则根据重心分布特点，利用光滑碗装状结构实现芽端的朝向筛选。

2) 各方案的设计原理均是基于大蒜的特征分析，均有一定的独创性，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。

[1] Lei P, Shijian D, Ronghua L. Research on the Identification of the Roots of Garlic Base on Pattern Recognition[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(5): 26-31.

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[8] 林悦香,尚书旗,杨然兵.大蒜生产机械的现状与发展[J].农机化研究,2012,34(3):242-245.Abstract ID:1003-188X(2017)05-0122-EA

Method Inquisition and Device Design of Garlic Upright Screening

Wei Yuzhen1, Zou Donglin2, Liu Yonglan2, Xi Guannan1

(1.School of Mechanical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China; 2.Department of Mechanical and Electronics, Nantong Technology Vocational College, Nantong 226007, China)

Irregular shape, large size, easy to wear and easy to block are the key problems to prevent garlic from upright screening and planting. For these problems, the characteristics of variety, shape and size of garlic were analyzed in the present study. And the differences between the bud and the root of garlic can be found to offer theoretical basis for the design of garlic upright screening. In order to meet the special agronomic requirements of the garlic upright planting, to ensure the quality of garlic and to improve the planting efficiency, the seed metering method of the inclined separation groove, the screening method of touch switch and the screening method of balancing bowls were proposed in the this study. Devices were designed and the advantages and disadvantages of these methods were analyzed to provide some

for the optimization of the garlic planting machines in China.

garlic; upright screening; characteristics analysis; method inquisition; device design

2016-04-19

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

魏玉珍(1990-)，女，山东日照人，硕士研究生，(E-mail)2587394994@qq.com。

喜冠南(1956-)，男，江苏南通人，教授，博士， (E-mail)guannanxi@ntu.edu.cn。

S223.94

A

1003-188X(2017)05-0122-04