復式大蒜種子方向控制裝置設計與試驗

張鵬飛 劉冬梅 崔榮江 徐亞丹

摘要：為提高大蒜播種機對雜交蒜的播種正芽率，提出串聯使用大蒜種子重心靠下和大蒜種子芽尖細長特征進行種子方向控制的方法，即在排種器運種階段設計分段式護種槽，利用大蒜種子重心靠下特征提高種子直立進入定向器的概率，在換向階段設計弧形開口定向器，使大蒜種子芽尖盡可能露出定向器，提高短芽尖大蒜鱗芽的正芽率。以定向速度和種子芽尖長度為試驗因素，正芽率為試驗指標，進行臺架試驗，結果表明，蒜瓣芽尖長度對播種機正芽率影響較為明顯，正芽率隨定向速度的增加而降低。以金鄉雜交蒜為試驗對象，對定向系統進行田間播種性能試驗，試驗結果表明：行走速度為0.14～0.19 m/s時，金鄉雜交蒜的正芽率達85%，整體滿足大蒜播種農藝要求。串聯使用大蒜種子兩種物理特征從作業原理上可提高大蒜種子定向穩定性，為大蒜播種機械化發展提供參考。

關鍵詞：大蒜播種機；復式定向；弧形開口定向器；分段式護種槽

中圖分類號：S223.2+3? 文獻標識碼：A? 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0008-06

Design and experiment of directional control device for compound garlic seeds

Zhang Pengfei， Liu Dongmei， Cui Rongjiang， Xu Yadan

（Hangzhou Vocational & Technical College， Hangzhou， 310018， China）

Abstract：

In order to improve the seeding bud rate of hybrid garlic by planting garlic seeder， a method was put forward to control the direction of garlic seeds by using the lower center of gravity of garlic seeds and the elongated sprout tips of garlic seeds in series， namely，the sectional kind of groove was designed in the metering device stage， using garlic seed characteristics under focus on improving seed straight into the orientation of probability. In the commutation stage， the arc opening directional device was designed， the germination tips of garlic seeds were exposed as much as possible to improve the positive germination rate of garlic scaly buds with short bud tips. With orientation speed and seed tip length as test factors and positive bud rate as test index， bench test was conducted. The results showed that the effect of garlic bud tip length on the positive bud rate was obvious， and the positive bud rate decreased with the increase of orientation speed. Taking Jinxiang hybrid garlic as the experimental object， the field sowing performance of the directional system was tested. The experimental results showed that the positive budding rate of Jinxiang hybrid garlic reached about 85% when the walking speed was in the range of 0.14-0.19 m/s， which generally met the agronomic requirements of garlic sowing. Using the two physical characteristics of garlic seeds in series can improve the directional stability of garlic seeds from the operating principle. This study will provide a reference for the development of garlic seeding mechanization.

Keywords：garlic seed drill; compound orientation; arc open directional device; segmental seed protection groove

0 引言

中國是世界上最大的大蒜生產國和出口國，大蒜為農民增收、國家創匯做出重要貢獻，作為天然抗生素，大蒜產業極具潛力［1， 2］。大蒜優質高產栽培最適宜的播種方式為精量定向播種（單粒正芽播種），在自動破膜率、出苗時間、苔莖長、鱗莖橫徑和鱗莖重方面都有一定優勢［3， 4］。雜交蒜是國內重要頭蒜品種（收獲蒜頭為主），種植面積約占全國的70%，但其種子芽尖彎短、種子形態復雜重心不穩定、種體體積差異近2.5倍、機械破瓣還會造成20%左右種子脫皮，種子物理特征過于復雜給雜交蒜機械化精量定向播種帶來極大困難。

大蒜種子定向是大蒜播種關鍵技術之一，現有典型機械定向法主要有水浮種法［5］、螺旋彈簧方法［6］、種子芽尖法［7］和多層錐碗法［8］。利用水定向，濕的蒜瓣累積會造成下栽鴨嘴粘土；利用螺旋彈簧定向，大蒜種子在螺旋彈簧中碰撞，工作效率和穩定性較差；利用大蒜種子芽尖定向，適用于大蒜種子芽尖直長的大蒜品種，如蒼山四六瓣大蒜；利用多層錐碗方式定向，適用于種體形態規則的苔蒜品種。還有學者采用人工干預的方式進行種芽調整，如耿愛軍［9］、栗曉宇［10］等利用蒜種盒人工提前放種實現種芽朝上播種。機械種子定向方式一般利用大蒜重心靠近尾部或種子芽尖細長特征，對于形狀規則、種子芽尖細長大蒜品種具有良好效果，但對于形狀復雜、種子芽尖較短的大蒜品種適應性較差。除機械定向，學者還會采用光電法對大蒜種子朝向識別，如Kim［11］、Liu［12］、Lei［13］、Du［14］、方春［15］、Geng［16］、Li［17］、侯加林［18］等先后提出利用數字圖像、模式識別、深度學習、光電識別和紅外線等技術進行大蒜種子定向控制。光電法仍處于實驗室階段，可靠性、穩定性、適應性和經濟性距離實際推廣應用仍有很大距離。

雜交蒜種子物理特征復雜，僅靠一種物理特征難以保證穩定直立播種。為此，提出串聯使用大蒜種子重心靠下和大蒜種子芽尖細長特征進行種子方向控制的方法，分析大蒜種子在護種槽和定向器環節的受力及種子調整方式，開發分段式護種槽結構和弧形開口定向器。

1 大蒜種子物理特征參數測定

以金鄉雜交蒜為研究對象，人工進行破瓣分級。適于播種蒜瓣一般為3～6 g，以1 g為單位分級，每個等級蒜瓣隨機取樣50顆測量，蒜瓣外形尺寸參數如圖1所示，統計其長度L、寬度B、厚度H、芽尖長度l1、芽尖長度l2和根部直徑D，統計結果如表1所示。

由表1可知，金鄉雜交蒜的長、寬、厚隨重量的增加而均勻增加，蒜瓣芽尖長度隨重量增加不明顯，芽尖長度l1和芽尖長度l2差距不大，根部直徑D的均值大于6 mm。

2 整機結構與種子控制過程分析

2.1 整機結構

2BUX型大蒜播種機整體結構如圖2所示，由單粒取種裝置、定向器、直立下栽裝置、傳動系統、平整地裝置、地輪等組成，核心零部件為取種勺、定向器和直立下栽器。播種機通過懸掛系統掛接在拖拉機上，拖拉機牽引播種機作業。整地器由旋耕機和鎮壓輪組成，旋耕機將種植面先旋松再由鎮壓輪壓平，保證種植深度一致。后地輪轉動為機具總動力來源，地輪通過傳動系統將動力按比例傳遞給下栽裝置和取種裝置。取種裝置將蒜瓣從種箱逐顆取出，經過護種槽逐顆落入定向器，進行種子方向調整，最后由下栽裝置實現種子的入土直立栽種。

2.2 復式轉動定向機構工作過程

復式轉動定向機構由護種槽和定向器串聯組成，如圖2（b）所示。大蒜種子由排種器逐一進入護種槽，依靠護種槽特殊曲面結構，結合大蒜種子重心靠下特性，使大部分大蒜種子直立落入種子方向控制器內。當種子芽尖朝上時，定向器活動部件與栽種器接觸打開，蒜瓣直立進入栽種器；當種子芽尖朝下時，栽種器壓到漏出定向器的芽尖，隨著定向器活動半件打開一定角度，在重力作用下，種子芽尖發生變形，大蒜種子翻轉180°，芽尖朝上進入栽種器。從理論上，大蒜種子通過護種槽直立進入定向器的比例越高，機器直立栽種效果越好，即大蒜種子方向控制由護種槽和定向器共同控制，串聯使用大蒜種子兩種物理特征，可從作業原理上提高大蒜種子定向穩定性，且不會影響整機作業效率。

3 關鍵部件設計

3.1 分段式護種槽

護種槽結構如圖3所示，分為種子姿態梳理段A和種子調整段B。梳理段A由種子姿態梳理筋條和弧形滑種槽構成，將橫向種子調整為豎直狀態；調整段B由種子調整凹槽和弧形滑種槽構成，將芽尖向下種子調整為芽尖向上，使種子直立進入定向器。為了運移過程中大蒜種子不卡在護種槽，以大號種子尺寸為設計基準，即B1≥LmaxH1≥Hmax（1）

式中：B1——護種槽寬度，mm；H1——護種槽高度，mm；Lmax——大號蒜種最大長度，mm；Hmax——大號蒜種最大厚度，mm。

為更有利于大蒜種子沿護種槽滑動，即5≤R1≤Bmax25≤D1≤Bmax（2）

式中：R1——弧形滑種槽圓弧半徑，mm；D1——種子姿態梳理筋條直徑，mm；Bmax——大號蒜種最大寬度，mm。

為更有利于大蒜種子在調整階段B進行鱗芽方向調整，即3≤l1≤D3≤b1≤D（3）

式中：l1——種子調整凹槽長度，mm；b1——種子調整凹槽寬度，mm；D——大蒜種子根部直徑，mm。

1.種子姿態梳理筋條 2.種子調整凹槽 3.弧形滑種槽

大蒜種子由取種勺落入護種槽與前一個取種勺背部形成的空間內，隨取種勺向下運移。移動過程中，大蒜種子受重力G、摩擦力Fμ、勺子支撐力F1和護種槽支撐力Fn作用，作業過程如圖4所示。大蒜種子背部呈月牙型，在梳理段A，種子姿態梳理筋條和弧形滑種槽作用下，將橫躺種子調整為豎直狀態。調整段B，如果芽尖方向和移動方向相反，種子背部將沿著弧形滑種槽向下移動，如果芽尖方向和移動方向相同，大蒜種子重心靠下，通過與種子調整凹槽碰撞，實現種子方向調整。最后調整后的大蒜種子沿弧形滑種槽進入定向器。

3.2 弧形開口定向器

利用大蒜種子芽尖進行種子方向控制，主要通過定向器和下栽鴨嘴配合完成，如圖5所示。定向器主要由落種口、固定鴨嘴半件、活動鴨嘴半件和拉伸彈簧構成。固定鴨嘴半件固接在機架上，活動鴨嘴半件通過銷軸和拉伸彈簧與固定鴨嘴半件連接，落種口安裝在固定鴨嘴半件上方。

正常作業時，定向器在拉伸彈簧作用下閉合，蒜種經護種槽落入定向器，種子與定向器壁碰撞后靜止，種子在定向器內受力方程

Fn1cosθ1+Fn2cosθ2=GFn1sinθ1=Fn2sinθ2（4）

式中：Fn1——固定鴨嘴半件對蒜種的支撐力，N；Fn2——活動鴨嘴半件對蒜種的支撐力，N；θ1——Fn1與垂直方向夾角，（°）；θ2——Fn2與垂直方向夾角，（°）。

當落入定向器的蒜種芽尖向下時，芽尖部分會通過中間閉合口露出定向器，隨著下栽機構的運動，栽植鴨嘴與定向器碰撞板接觸，將露出定向器的芽尖夾緊產生夾緊力，因為芽尖有一定塑性，隨著活動半件打開，在力距的作用下，大蒜種子翻轉180°落入下栽鴨嘴中，最后定向器在彈簧作用下復位，實現種子方向調整。

雜交蒜種子芽尖彎短，為蒜種芽尖盡可能地露出定向器，定向器開口采用圓弧形設計，如圖6所示。

蒜種在定向器型腔內不能橫躺，以大號鱗芽尺寸為設計基準，即D2＞LmaxH2＞HmaxB2＞BmaxL1＞Lmax（5）

式中：D2——定向器接口直徑，mm；H2——定向器作用區橫向寬度，mm。

4 試驗與分析

4.1 臺架試驗

大蒜播種機試驗臺如圖7所示，該試驗臺由取種裝置、換向器、下栽裝置、電機、變頻器和臺架等部件組成。

根據第3部分關鍵部件的設計分析，影響播種效果的主要因素為大蒜鱗芽芽尖長度、作業速度以及大蒜種子的形狀是否規則，由于大蒜種子的形狀很難具體化，并且不同品種類型種子形狀差距較大，無法具體表示，故本文將大蒜鱗芽芽尖長度和作業速度其設定為試驗因素，供試品種為中號金鄉雜交蒜種子，種子芽尖長度和定向速度各分為4個水平，如表2所示。

為明確二者對定向器性能的影響，以正芽率為試驗指標，進行2因素4水平正交試驗，正芽率q1的計算如式（6）所示，試驗方案如表3所示。每組試驗取種100次，記錄直立進入下栽鴨嘴的大蒜種子數目，每組試驗重復3次，取平均值。

q1=n1N×100%（6）

式中：N——排種數，個；n1——種子直立進入下栽鴨嘴數即正芽穴數，個。

由表3可知，蒜瓣芽尖長度對播種機正芽率影響較為明顯，芽尖長度小于6 mm時，正芽率最高為76.8%，正芽效果不理想，不能滿足大蒜正芽播種農藝要求；芽尖長度大于等于6 mm時，正芽率得到明顯上升，均值達到87.3%，能夠滿足大蒜播種農藝要求；對于芽尖長度大于等于6 mm時，定向速度對正芽效果影響明顯，正芽率隨著定向速度的增加而降低。綜上，本文研究設計的復式轉動定向機構適用于大蒜種子芽尖長度大于等于6 mm，排種速度為1.2～1.6顆/s。

4.2 田間試驗

4.2.1 試驗材料

2021年10月5日，在山東省某農業機械有限公司種植試驗基地進行田間試驗。試驗用地為壤土，土地松弛規整，符合大蒜種植農藝要求，試驗品種為中號金鄉雜交蒜，種子芽尖長度大于6 mm的比例為58%，配套拖拉機為東方紅1004，如圖8所示。

4.2.2 試驗方法

試驗參照DB 37/T 3705—2019《大蒜播種機通用技術規范》進行。為降低試驗誤差，每組試驗重復3次，取平均值為試驗結果，每組試驗連續記錄100個標準株距，計算單粒率p1、重播率p2、漏播率p3和正芽率q1，各試驗指標的計算如式（6）～式（9）所示。

p1=m1N×100%（7）

p2=m2N×100%（8）

p3=m0N×100%（9）

式中：m0——空穴數，個；m1——單粒穴數，個；m2——重播穴數，個。

4.2.3 試驗結果

當株距S=120 mm時，以單粒率、重播率、漏播率和正芽率為試驗指標，對播種機性能進行試驗。根據換向試驗，播種機針對金鄉雜交蒜行走速度設定3個水平，與1.2、1.4、1.6顆/s定向速度對應，即0.14、0.17和0.19 m/s，速度誤差±3%，試驗結果如表4所示。

分析表4試驗結果，在所有速度范圍內，機具對金鄉雜交蒜的單粒率均值為93.1%，正芽率均值為85.7%。依據DB 37/T 3705—2019《大蒜播種機通用技術規范》要求，整體能夠滿足種植農藝要求。

在作業速度為1.4m/s、理論株距為120 mm條件下，連續測量穩定工作狀態下250穴大蒜種子的播種深度，計算播深合格指數。試驗結果為：平均播種深度為17.3mm，播深合格指數為91.5%，標準差為3.8mm，變異系數為7.6%，播種深度合格指數差異較小，表明播種機的播種深度一致性較好。

5 結論

1）? 提出串聯使用大蒜種子重心靠下和芽尖細長特征進行種子方向控制的方法，設計開發了分段式護種槽結構和弧形開口定向器，分段式護種槽結構由種子姿態梳理段A和種子調整段B組成提高大蒜種子直立進入定向器的概率，弧形開口定向器可實現芽尖長度大于6 mm種子的正芽，一套串聯結構使用兩種大蒜種子物理特征。

2）? 田間試驗結果表明，行走速度在0.14～0.19 m/s范圍內，機具對金鄉雜交蒜正芽率達到85%左右，整體滿足大蒜播種農藝要求，初步解決了雜交蒜正芽播種難題。播種機排種裝置的單粒率為93%左右，對正芽率影響顯著，需進一步提高；另外，播種機整機正芽率較高時的作業速度為0.14 m/s，有待進一步提高。

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基金項目：國家自然科學基金資助項目（51805306）；杭州市農業和社會發展一般項目（202203B08）

第一作者：張鵬飛，男，1990年生，浙江杭州人，碩士，講師；研究方向為機械設計。E-mail： 527677162@qq.com

通訊作者：崔榮江，男，1983年生，山東菏澤人，博士，高級工程師；研究方向為農業裝備。E-mail： cuirongjiang2009@163.com