大蒜种子分级机研究现状及展望*

李超，冯芮，徐洪岑，孙倩，宋井玲，金诚谦， 2

(1. 山东理工大学,山东淄博,255000; 2. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

0 引言

大蒜属鳞茎植物，是我国主要经济作物。近年来，我国大蒜种植和加工产业发展迅速，主要生产区有山东、江苏、河南、四川、陕西等。目前我国大蒜生产机械化处于起步阶段，仍以手工为主，作业效率低，强度大[1-4]。随着大蒜种植业的发展，对大蒜生产机械化的要求日益增强，大蒜种植机械化是大蒜生产机械化的重要环节，由于大蒜种子形状复杂、大小差异较大给大蒜种植机的开发设计带来了困难。大蒜种子分级不但可使大蒜出苗整齐，便于播种和管理，也是提升大蒜种植机性能和效率的有效途径，但目前专用的大蒜种子分级机较少，对其分级技术的研究也不够深入。因此，本文从分析农业物料分级技术入手，对大蒜种子的机械化分级技术现状进行分析，旨在能够推动我国大蒜产业机械化的发展，特别是大蒜种子分级机的研发和应用。

1 国内外现有农业物料分级技术

农业物料主要是依据物料的特性进行分级,包括物料的基本物理特征(如尺寸、颜色、形状等)、物理特性(如硬度、密度等)、振动特性(低频振动、声波振动、超声波等)、光学特性等。

1) 机械式分级技术。机械式分级技术是根据物料的基本物理特征进行分级的，如形状、尺寸等，特点是分级效率高，对作业环境要求低，但容易对物料造成损伤。

2) 计算机视觉检测技术。计算机视觉检测分级技术是将计算机图像检测技术与分级装置相结合，通过摄像头提取图像信息，采集卡将提取到的图像信息转化成为数字信息，计算机利用模糊技术和人工神经网络对反馈的数字信息进行识别判断，建立相应的指标关系，实现检测和分级[5-6]。

3) 重量检测分级技术[7]。重量检测分级技术是将物料在线称重进行检测分级，传送装置上设置有重量检测系统，将检测到的信息转化为数字信息，传输终端进行判断，再结合分级装置完成分级。

4) 光电技术。综合利用现代光学、电子学和生物学等新技术对物料外观形态、内部品质等方面进行检测，并进行自动分级剔除。如近红外光谱技术、高光谱技术、X-射线、γ-射线、介电分选技术、光电色选等。

5) 核磁共振技术。核磁共振技术是一种具有极高分辨率的分析技术，能产生生物体内的清晰图像及结构分布，可用于检测果蔬损伤、局部干枯、虫蛀、内部腐烂、成熟度分级以及种子内核空隙等[8]。

2 大蒜种子分级机的类型及其特点

大蒜种子的机械化分级除了和一般物料的分级一样要求分级率外，分级后的蒜种主要用于种植，还应满足大蒜种植农艺要求，外皮完整，无损伤[9]。大蒜种子分级机械化技术的研究起步较晚，蒜种的品种繁杂，不同地区种植技术和标准不统一，增加了大蒜种子分级机械的研发、推广难度，目前很多地区仍以手工筛选蒜种为主。随着大蒜生产规模化、劳动力的短缺与分级技术的不断发展，推动了大蒜种子分级机化进程。

目前国内外已研发的大蒜种子分级机，分为机械式和非机械式，机械式以按蒜种大小机械式筛分技术应用较多，分级筛上有筛孔，种子尺寸小于筛孔尺寸会通过筛孔成为筛下物，从而将蒜种分为筛上和筛下两级。机械筛式大蒜种子分级机主要有滚筒筛式和平面筛式两种。滚筒式分级机易于多级分级、占用空间小、工作平稳对大蒜种子的损伤较小。平面筛式分级机筛选量大、生产率高、维修成本低，但平面筛一般做往复振动，容易损伤蒜种，因此，目前市场上主要以滚筒筛式大蒜种子分级机为主。滚筒筛主要有冲孔式、编织网式和栅条式。栅条式分级率较高，但加工成本较高。冲孔式与编织网式分级精度较高，但筛孔容易堵塞和损伤蒜皮。非机械式主要以计算机视觉检测技术为主。

2.1 筛孔形状与蒜种的分级依据

机械式筛分技术是依据大蒜种子的外形尺寸进行分级的。大蒜种子的外形尺寸分为长、宽、厚，大蒜种子的长度尺寸多集中在27.5～31.5 mm，宽度尺寸多集中在19.5～23 mm，厚度尺寸多集中在16～19 mm，且长、宽、厚是正线性相关的，因此在对大蒜种子按大小进行分级时，可选择长、宽、厚中的任一尺寸作为分级标准进行分级[10]。长孔筛的筛孔长度远大于宽度，是依据大蒜种子的厚度进行分级的，当大蒜种子的厚度小于筛孔宽度就可通过分级筛成为筛下物，从而将蒜种的厚度依据筛孔宽度尺寸分为两级，如图1(a)所示。圆孔筛和方孔筛基本是按蒜种的宽度分级的，将蒜种宽度按圆筛孔直径或方筛孔边长尺寸分为两级，大蒜种子需要立起来才能通过筛孔，如图1(b)所示。

(a) 种子通过长筛孔

2.2 滚筒式大蒜种子分级机

由于筛孔的加工工艺不同，冲孔式大蒜种子分级机的筛孔为圆孔或长孔，编织网式大蒜种子分级机的筛孔为方孔或长孔，栅条式大蒜种子分级机的筛孔均为长孔。

2.2.1 冲孔式

黑龙江省农业科学院植物脱毒苗木研究所研发的大蒜蒜种分级机[11]，如图2所示。该机的分级滚筒为六棱形，筛孔为长孔。主要由分级滚筒、喂料斗、下料管、接料斗、机架、安装在机架上的驱动电机、安装在喂料斗上的振动电机等零部件构成。分级滚筒倾斜支承安装在机架上，下轴端通过三角带与驱动电机联接，上端面设置轴向开口，喂料斗上的下料管伸入该轴向开口。沿分级滚筒轴向设计成3个功能段，依次由小、中、大3种不同尺寸长孔的筛片构成，3个功能段下方依次对应设置小料接斗、中料接斗、大料接斗。

图2 六棱形滚筒式大蒜蒜种分级机

工作时，需要进行分级处理的蒜种在振动电机的作用下沿下料管喂入分级滚筒中，蒜种随滚筒转动和沿轴向移动，在依次通过小、中、大3个功能段时，3种不同尺寸的蒜种被筛选出来分别落入小料接斗、中料接斗、大料接斗，留在滚筒内未被筛选出来的蒜种尺寸最大由筛筒下端排除，从而将蒜种分为4个尺寸等级。

韩国某公司生产的大蒜种子分级机也是筛孔为长孔的六棱形单滚筒多级式分级机[12]，如图3所示，筛筒各分段长度是根据大蒜种子尺寸分布合理设计的，功率：0.2 kW/220 V，工作效率：800 kg/h。西安科技大学研发的滚筒筛式大蒜蒜种分级机[13]，如图4所示，与上述的大蒜种子分级机的工作原理类似，分级滚筒为圆筒形，筛孔形状为圆形。

图3 韩国六棱形单滚筒多级式分级机

图4 圆筒筛式大蒜蒜种分级机

以上三种装置均为冲孔滚筒筛可完成按多个尺寸分多级。六棱形滚筒截面为六边形，匀速转动时边线上各点线速度不同，工作面上沿圆周各点的线速度不同，导致蒜种跟随滚筒的运动状态不稳定。筛筒规格(滚筒的长度、圆筒形滚筒的直径、六棱形滚筒外接圆直径)相同时，六棱形滚筒的工作面要小于圆筒形滚筒，蒜种与筛面接触面积不如圆筒筛大，分级率相对较低，但六棱形滚筒，加工工艺性好。

2.2.2 编织网式

法国某公司制造的编织网式滚筒大蒜种子分级机[14]，如图5所示。该机主要由圆形分级滚筒、喂料斗、接料斗、机架、驱动电机等构成，电机功率：0.55 kW/380 V，工作效率：150～200 kg/h。工作时，电机通过三角带传动带动滚筒转动，蒜种随着滚筒转动，尺寸小于筛孔尺寸的蒜种通过筛面下落，尺寸大的蒜种继续跟随滚筒前行至出料口排出。分级机筛筒上的筛孔尺寸一致，只能按一种尺寸将蒜种分两级,要通过更换不同规格滚筒来进行不同等级的蒜种的分级。

图5 法国滚筒式大蒜种子分级机

此外济南某公司研发的蒜种分瓣分级机[15]，如图6所示，其分级机构工作原理与爱玛公司制造的编织网式滚筒大蒜种子分级机类似。区别在于具有分瓣功能，滚筒沿轴线方向分为三个功能段，能够一次完成多种尺寸等级的蒜种分级。与法国ERME筛筒上筛孔尺寸一致的大蒜种子分级相比，存在保证了第一级分级效率无法同时充分发挥其他等级分级能力的问题[16]。

图6 蒜种分瓣分级机

编织网筛由带有弯扣的金属丝编织而成，筛面摩擦系数较大，蒜种与工作面接触时间长，筛选效果好，窜级现象较轻。孔型一般为方形，蒜种以竖直姿态通过工作面，蒜种的芽尖或者凸起的蒜皮可能会挂到金属丝或弯扣处，造成筛孔堵塞或者蒜种损伤。冲孔筛表面光滑，对蒜种损伤小，但在工作时容易发生窜级[17]，且孔间需要留有一定间隔，单位面积内孔数少，蒜种与孔的接触机会少，筛面无法得到最大程度的利用，分级效率低。

2.2.3 栅条式

沛县某机械厂生产制造的栅条式蒜种分级机如图7所示，主要由栅条式分级滚筒、喂料机构、接料斗、机架、驱动电机等零部件构成，栅条形状为圆柱形[18]，功率：0.75 kW/220 V，工作效率：200 kg/h。工作时，蒜种由料斗进入栅条式分级滚筒，厚度小于栅条间隙的蒜种通过筛面下落，依据栅条之间的间隙不同进行分级[19-20]，能将蒜种分成5个尺寸等级。

图7 栅条式蒜瓣分拣机

与编织网的金属丝相比，圆柱形栅条的直径大对蒜种损伤小。栅条式滚筒的筛孔一般为长孔型，以蒜种的厚度为分级依据。当蒜种处于圆柱形栅条之间时，可近似看为蒜种位于两端向下的圆弧之间，可以引导蒜种沿弧面下滑，厚度小于栅条间隙l的蒜种容易被分离出来，分级率较高，蒜种通过筛面的情形如图8所示。

图8 蒜种通过栅条筛面示意图

2.3 平面筛式大蒜种子分级机

山东省某公司制造的平面筛式大蒜种子分级机如图9所示，主要由两级筛板、曲柄连杆机构、喂料斗、出料口、电机、机架等组成，功率：4.8 kW/380 V，工作效率：450 kg/h，两层冲孔筛板分别与地面呈一定倾角安装在机架上，筛孔形状为圆形，第一层筛孔孔径大于第二层筛孔孔径[21]。工作时，曲柄连杆机构带动筛板进行往复运动，蒜种沿筛面下滑同时相对筛板进行往复运动,下滑过程中小于筛孔尺寸的蒜种下落，大于筛孔尺寸的蒜种会滑到筛尾，一层筛面将蒜种分成两级，共分三级。

图9 平面筛式大蒜种子分级机

该装置工作时，主要依靠蒜种重力通过筛孔[22]。蒜种相对于筛面进行往复运动，工作不平稳，上层蒜种与筛面接触机会少，但种子与筛面接触面积大分级机生产率高。

2.4 图像识别的大蒜种子分级方法

河北工业大学电气学院与天津工业大学计算机科学与软件学院联合研发大蒜分级装置，该采用基于图像处理的大蒜种子品质无损分级方法[23]，具体流程如图10所示。

图10 蒜种无损分级图像处理流程

该装置主要由摄像头、上位机、下位机、步进电机、传送带、光电检测装置等零部件构成。工作时，通过电机带动传送带运动，蒜种随着传送带通过摄像区域，光电检测器检测到有蒜种通过时触发信号，下位机输送信号到上位机，上位机控制打开摄像头，进行原始图像采集，通过一系列图像处理得到外轮廓拟合矩图像，提取蒜种长、宽，与系统已经设定的标准蒜种长、宽以及长宽比进行特征值比对。上位机将分析得出的分类结果传给下位机，下位机控制设备将不符合标准的蒜种剔除。

该装置可以实现按蒜种多个特征尺寸无损伤筛选分级，分级质量高，但不能同时进行多个等级的蒜瓣分级且筛选量小，分级效率低，制造成本高。

2.5 现有大蒜种子分级机的比较分析

除了基于图像处理的大蒜种子品质无损分级方法外，现有的大蒜种子分级机普遍采用纯机械式分级方式。冲孔六棱形和栅条式圆形滚筒大蒜种子分级机筛孔均是长孔型，按蒜种厚度进行分级，蒜种以平躺的稳定状态即可通过筛孔，通过性好，筛孔堵塞较轻。栅条式大蒜种子分级机栅条之间间隙逐渐减小具有导向作用，对蒜种通过筛孔有利，窜级现象较轻，冲孔筛式大蒜种子分级机筛面光滑对蒜种损伤小。圆形或方形型孔筛式大蒜种子分级机，按蒜种宽度进行分级，蒜种要以长度方向直立状态通过型孔，所需时间较长，容易堵塞筛孔而损伤蒜种。编织网式大蒜种子分级机容易出现挂蒜现象，摩擦系数也较高，易损伤蒜种。平面筛式大蒜种子分级机依靠振动使蒜种与筛孔接触通过筛孔，在这个过程中容易对蒜造成损伤；冲孔筛式大蒜种子分级机筛面光滑，同一筛筒多级分级时容易发生窜级现象。现有机型主要性能比较见表1。

表1 大蒜种子分级机主要性能Tab. 1 Main types of garlic seed classifier

3 存在问题

为适应大蒜生产机械化的不断发展，国内已经研发出了几种机型，大蒜种子机械化分级技术仍存在诸多问题。

1) 由于蒜种形状复杂且不统一，沿长度方向种子宽度和厚度都是由小—大—小变化的，机械式分级蒜种容易卡在筛孔中堵塞筛孔，尤其是方孔和圆孔筛，大蒜种子是直立起来通过筛孔的，不但影响分级效率还容易对蒜种造成损伤。另外，机械式分级的过程中，蒜种之间以及和蒜种和运动部件不断摩擦甚至撞击，不可避免的有蒜皮产生，蒜皮质地较轻会四处飞落，对周边环境造成污染。

2) 现有机型在筛选方式、孔型、制作材料以及各功能段长度等方面各有利弊，相关结构设计时往往凭借经验，并未对大蒜种子的物理特性、尺寸分布规律等进行深入研究，缺乏理论数据支持未达到最优组合。

3) 大蒜种植前，需要在较短时间内对大蒜种子进行破瓣分选分级，现有机型大多无法完成破瓣分选分级复合式作业，作业效率难于充分发挥。

4) 我国大蒜种植面积广，各地大蒜种植模式、大蒜品种和农艺要求各异，缺少形成系统化、规范化的标准，蒜种分级技术难于适应。

5) 现有机型大多采用纯机械的方式分级，智能化程度不高，并导致部分蒜种有一定的破损，在土培种植时，容易受到微生物感染。

4 建议与展望

1) 筛孔堵塞问题，建议筛分式的大蒜种子分级机增设清筛机构；针对蒜皮飞落问题，建议增设蒜皮和灰尘的收集装置以避免污染环境。

2) 大蒜种子的长、宽、厚正相关，且蒜种厚度均齐性最差[11]，建议机械式大蒜种子分级机按蒜种厚度进行分级。

3) 筛筒分段多级分级时，可采用选用摩擦系数较大的材料或增设筛面导向凸棱等方法合理设计筛面以减少窜级现象，并根据大蒜种子尺寸分布合理设计筛面长度，充分发挥各级筛选能力；开发大蒜破瓣、分选、分级复式作业机械是提高作业效率的有效途径，以适应大蒜规模化生产的需求。

4) 应充分考虑各种植区域的大蒜种植模式、品种特点以及农艺要求，结合我国大蒜具体种植情况，设计符合我国大蒜品种的大蒜种子分级机，推动大蒜生产机械化进程。

5) 大蒜种子分级机械的发展处于起步阶段，很少设置有分级质量检测和控制系统，提升自动化、智能化水平是提高大蒜种子分级机械化发展的方向。