一种基于数字化设计的大蒜智能播种作业机械

中国矿业大学徐海学院 侯信 何福铖 沈龙 王水林 魏超

1 研究背景

党的十九大报告中明确提出实施“乡村振兴”战略，科技兴农是乡村振兴中的重要一环。通过对江苏省邳州市大蒜种植进行实地调研，笔者发现人工种植——成本高、人口老龄化严重、播种不均匀；机械化种植——空穴率高、蒜种无法直立生长、需多人协同作业等。此外，研究该产品的技术人员数量相对较少，这些都阻碍着新型大蒜播种机的发展与更迭换代。对江苏邳州实地调研的结果显示，农民越来越注重机械化的高效与高质量，市场上的机器已不能满足生产需要，现有机器技术存在短板，在大蒜的取种运输方面容易造成破坏，影响了机器在市场上的销售与普及。根据农民的需求，使用现有机器会出现漏播问题，需要人工补插蒜种，极其耗费人力。为解决上述问题，本研究小组通过对江苏邳州大蒜实地调研、网上查阅资料等渠道，收集了解到土地流转难、种蒜成本高、机械化种植程度低、人口老龄化、劳动力不足、青年人才缺失等问题，研究出了半自动化大蒜播种机，在播种方面做出了新的方案。机器的半自动化以及自走式使播种工作更加方便、灵活。松土、开沟、种植、覆土由同一机器作业，高效率完成种植工作，减轻农民的负担，提高了种植效率。

2 设计方案

整体机器分为以下部分：（1）新制托盘装置（2）预处理装置（3）同步运输装置（4）滚筒压蒜装置（5）鸭嘴种植装置。

2.1 整体工作原理

托盘式大蒜播种一体机是集旋耕、开沟、种植于一体的多功能播种机，工作时旋耕刀和开沟器由操作台通过齿轮链条传动调整到适合土地高度的位置，进行预先处理工作。然后将分好的蒜种放置在新制托盘中，并将新制托盘安放在机器上，通过同步运输装置将托盘运输到滚筒压蒜装置下方。由滚筒压蒜装置将蒜压至鸭嘴种植装置中。到达最末端时，鸭嘴一侧的连杆由凸轮机构打开，将蒜种种入土地中，当通过凸轮远休止程时，凸轮产生的推力消失，鸭嘴因为弹簧作用回弹关闭，大蒜完成播种。

2.2 新制托盘装置

（1）结构组成

新制托盘装置由蒜穴、托盘和托盘固定架组成，托盘主要材质是聚乙烯，蒜穴采用硅胶材质，托盘可以循环使用。每个托盘可以放81颗蒜，固定架上可放置50层托盘，每亩地机器需要工作14分钟，大大缩短了人工的播种时间。

（2）工作原理

工作时需要人工将蒜种放置在新制托盘的蒜穴中，在托盘左右两侧上端有沟槽，下端有滑柱支撑，可以实现多个托盘堆叠，同时可以完成两托盘之间的相对滑动。当滚筒压蒜装置中的橡胶压杆下压时，蒜穴的左右两半穴同时打开，保证蒜种鳞芽朝上落下。使用托盘种植可以保证鳞芽朝上，如图1所示。

图1 蒜穴

2.3 预处理装置

（1）结构组成

预处理装置由旋耕刀、开沟器、齿轮、轴系零件组成。旋耕刀安装在机器最前端，由齿轮带动，用于调节高低。开沟器由链传动带动工作，进行高低的调节，适用于不同的播种深度，如图2所示。

图2 开沟器和旋耕刀

（2）工作原理

在播种阶段，旋耕刀通过相应的齿轮旋转来调节旋耕深度，以应对各种高低不平的种植环境，该部分主要是利用旋转原理带动旋耕机构上的旋耕刀进行旋转，从而使地面的土壤分布均匀。开沟器主要是起对土壤进行开沟的作用，开沟器工作时通过大蒜播种机上的齿轮和链条来调节开沟的深度，从而达到适合大蒜种植的土壤条件。

2.4 同步运输装置

（1）结构组成

同步运输装置由带轮、特制皮带、丝杆轴、齿轮组成。同步带传动装置放在托盘两侧，将同步带的传动轴改成丝杆轴，与齿轮进行配合运动，如图3所示。

图3 同步运输装置

（2）工作原理

同步带装置带动托盘向前运动，两托盘之间可以进行滑动，同步带的动力由丝杆运动提供，此运动方式，减少了传动源。

2.5 滚筒压蒜装置

（1）结构组成

滚筒压蒜装置结构由五部分构成，分为橡胶压杆、凸轮轴、齿轮、压缩弹簧和滚筒外壁。凸轮轴通过滚筒外壁固定在机架上，滚筒外壁两端连接齿轮进行运转。在滚筒外壁上开有9组压杆孔，弹簧、橡胶压杆固定在滚筒内壁里，每1组又有4组压杆和8个弹簧构成。

（2）工作原理

当托盘和压杆同时到达指定位置，压杆处于托盘蒜穴正上方，齿轮带动滚筒外壁进行运转，此时滚筒外壁带动内部压杆和弹簧一起转动，而齿轮轴保持不动。当压杆转动到凸轮的顶端，由于两者之间的间隙变小，压杆冲出外壁孔，压出蒜穴内的大蒜。压完蒜后由于压缩弹簧的弹性作用使压杆复位，重复以上工作进行种蒜。同时在压杆复位过程中，滚筒外仍继续转动，转动的切向方向与托盘运动方向相同，未收回去的压杆可以带动托盘向前运动。如图4所示。

图4 滚筒式压蒜装置

2.6 鸭嘴种植装置

（1）结构组成

鸭嘴种植装置由播蒜组件、插管、压杆芯、接地轮、斗形器、鸭嘴形开合器组成。鸭嘴种植装置分为凸轮结构、行星轮、鸭嘴和连杆四部分，一排共有7组连杆，每组连杆上存在9个鸭嘴进行同步作用。斗形器安装在鸭嘴上方，能够增大蒜种落入鸭嘴的面积。如图5所示。

图5 鸭嘴种植装置

（2）工作原理

橡胶压杆是通过凸轮和弹性件来实现上下的往复压蒜运动。安装座上安装的插蒜组件的套管无法移动，组件下口与安装座存在凸出的相对距离，机械与土壤的间隙配合是通过接地轮来实现的，使得机器向前运动过程中连续种蒜，减小与土壤接触产生的阻力。使用铁制压嘴进行开合，方便开穴，将蒜种下。

3 装置基本数据

表1 机器各部分基本数据

4 经济效益分析

大蒜生产主要靠人力完成，成本高，平均每人每天仅能播种0.02 hm2，而大蒜适宜播种期为10～15天，错过播种时间会影响大蒜的生长和出售。据测算，机械播种效率是人工的50倍以上，节省成本达到5980元/hm2，占大蒜总产出的20%。同时大蒜播种可以提早3～5天完成。2021年暑期笔者团队对江苏省邳州市下辖的宿羊山镇、赵墩镇进行了社会实践调研，并以此为例进行经济效益分析。以邳州市大蒜播种面积60.9万亩为基准，需要机器3000台。国内大蒜播种面积1264.5万亩，需要机器53000台。

托盘式大蒜播种一体机：每台机器造价8450元，托盘成本控制在10元以内，属于小型农业机械，使用寿命为8年。托盘式大蒜播种一体机质包1年，主要部件质包2年。通过对江苏省邳州市宿羊山镇调研，若普及使用托盘式大蒜播种一体机，邳州市人工播种和机械播种对比，如表2所示。

表2 邳州市（60.9万亩）人工播种和机械播种对比

通过数据对比可以得出，机械种植的项目投资回报较人工播种花费有大幅度降低，在提高农民基本收入，减少播种成本的同时，解决了劳动力不足的问题；机器的制造和维修，为大部分人提供了更多的工作岗位，为缓解人口老龄化问题提供帮助。

5 创新点

（1）使用托盘种植可以保证鳞芽朝上，解决了取蒜易堵塞问题，提升营养价值，增加农民收益，大大降低了空穴率，提高了种植效率，解决了人工种植的恶劣环境，每个托盘可以放81颗蒜，每亩地机器需要工作14分钟，大大降低了人工种植时间。

（2）旋耕刀和开沟器这两个机构与大蒜播种机的其他机构组装配合使用后，可以实现种植一体化，提高了大蒜的种植效率。同时旋耕刀和开沟器这两个工作机构还节省了许多资源，利用旋耕刀和开沟器对种植地面进行旋耕、开沟和松土等工作比使用农具进行开沟松土节约了人力物力，还大大提高了大蒜种植效率。

（3）滚筒压蒜装置的使用，该装置结构简单、成本低、传动由齿轮带动，精度高、能够保证9组同时下压、误差小，同时压杆复位过程中，滚筒外壁继续转动，转动的切向方向与托盘向前的方向相同，未收回去的压杆可以带动托盘向前运动。降低了同步装置的工作效率。

6 结语

通过对江苏省邳州市社会实践调研及对当地进行经济效益分析，得知目前市场上的大蒜播种机价格高、空穴率高、正芽率低等问题。我们研发团队发明了托盘种植装置，可以降低空穴率，提高正芽率，成本低。同时据调查2019年全国大蒜种植面积598.2万亩，2020年全国大蒜种植面积在745万亩左右，由于大蒜种植面积增加，迫切需要机械化代替人工种植，提高种植效率，保证种植质量。目前常用的播种机械的点播技术，在实际应用的过程中，播种速度慢、垂直偏向幅度大，种植结果不理想。种植高效、高质量，是每个农民日日渴望的，因此本产品具有很好的市场前景。