大蒜種植機(jī)中直立篩選裝置的研制

魏玉珍+鄒棟林+劉勇蘭+喜冠南

摘要：基于對(duì)大蒜特征分析和相關(guān)試驗(yàn)的結(jié)果，提出了1種夾緊大蒜末梢翻轉(zhuǎn)的直立篩選方案并進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)。該方案針對(duì)大蒜直立篩選裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由傾斜分隔槽、防堵排種器、翻轉(zhuǎn)篩選裝置、換向裝置及輸送管道等組成。利用傾斜分隔槽將蒜瓣進(jìn)行單列縱向排列，由翻轉(zhuǎn)篩選裝置完成方向篩選，再通過換向裝置統(tǒng)一芽端方向并由輸送管道輸送到播種裝置，而防堵排種器用于控制蒜瓣輸送速度，防止蒜瓣粒多導(dǎo)致堵塞。該方案既有效實(shí)現(xiàn)了大蒜直立篩選、提高了生產(chǎn)效率，也為我國(guó)大蒜種植機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：大蒜；直立篩選；翻轉(zhuǎn)；裝置設(shè)計(jì)；試驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： S223.94文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）17-0219-03

收稿日期：2016-05-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金 （編號(hào)：51476080）；江蘇省南通市市級(jí)科技計(jì)劃 （編號(hào)：MS12015088）；南通市傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（編號(hào)：CP12012004）。

作者簡(jiǎn)介：魏玉珍（1990—），女，山東日照人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉磁c節(jié)能技術(shù)。E-mail：2587394994@qq.com。

通信作者：喜冠南，博士，教授，研究領(lǐng)域?yàn)樾履茉磁c節(jié)能技術(shù)。E-mail：guannanxi@ntu.edu.cn。大蒜既是飲食料理中的一種必備佐料，又在醫(yī)療和保健方面功效強(qiáng)大[1]。研究表明，當(dāng)芽端非朝上時(shí)，大蒜發(fā)芽時(shí)間較長(zhǎng)、出土緩慢、蒜苗較為嬌弱且同時(shí)間段的大蒜植株較矮，成熟后外觀品相不佳[2]。我國(guó)是世界上主要的大蒜生產(chǎn)國(guó)，也是大蒜外貿(mào)出口大國(guó)，由于大蒜品相質(zhì)量是影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要因素，所以我國(guó)主要以人工插種模式完成大蒜的種植，即人工將大蒜芽端朝上插入土壤中。該生產(chǎn)模式不僅生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且無法適用于大規(guī)模大蒜生產(chǎn)基地的種植要求。因此，推動(dòng)我國(guó)大蒜種植的機(jī)械化發(fā)展迫在眉睫，而如何實(shí)現(xiàn)大蒜直立篩選與直立種植一直是大蒜種植機(jī)的研究重點(diǎn)。

目前，國(guó)外專家學(xué)者針對(duì)大蒜種植機(jī)的研制已展開了大量研究（表1） [3-4]，而國(guó)內(nèi)大蒜種植機(jī)的研制尚未成熟，主要采用隨機(jī)投種方式，芽端方向不確定；此外，目前對(duì)于大蒜芽端方向的篩選方法也取得了一定的研究成果，其中主要的篩選方法可概括如下：方法一，通過蒜瓣在水中漂浮狀態(tài)確定芽端方向，利用了蒜瓣重心的分布特點(diǎn)，典型機(jī)型為水力浮種大蒜播種機(jī)[5]。方法二，通過人工操作確定芽端方向，再配合播種裝置，實(shí)現(xiàn)了人工輔助的機(jī)械化生產(chǎn)，典型機(jī)型為彈簧夾持式直立播種機(jī)[6]。方法三，通過圖像處理技術(shù)識(shí)別大蒜芽端方向[7]。方法四，通過單片機(jī)處理紅外信號(hào)，采集蒜瓣的外觀信息并控制電機(jī)進(jìn)行方向篩選[8]。方法一利用水的浮力能使芽端方向得到較好控制，但從水中取種較為困難且須全部剝掉蒜皮，工作量大且易導(dǎo)致蟲害侵蝕蒜體；方法二利用人的視覺辨別方向，準(zhǔn)確率雖高但工作效率低、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大；方法三與方法四運(yùn)用了傳感器與單片機(jī)等計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，大蒜種植成本極大增加，且其控制系統(tǒng)的可靠性較難保證。

因此，本試驗(yàn)針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)大蒜直立篩選的問題展開研究，基于大蒜的特征分析結(jié)果，提出了1種夾緊大蒜末梢翻轉(zhuǎn)的直立篩選方案，并通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證方案中各個(gè)裝置設(shè)計(jì)的合理性，有效實(shí)現(xiàn)了大蒜直立篩選的目的，為我國(guó)大蒜種植機(jī)的進(jìn)一步研制提供了新的設(shè)計(jì)思路。

1總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)夾緊大蒜末梢翻轉(zhuǎn)的直立篩選方案設(shè)計(jì)的大蒜種植機(jī)可較為直觀地反映該方案中各個(gè)裝置的配合關(guān)系及大蒜芽端篩選的工作過程，而大蒜種植機(jī)中的直立篩選裝置主要由傾斜分隔槽、防堵排種器、翻轉(zhuǎn)篩選裝置、換向裝置與輸送管道等組成（圖1）。

1.2理論依據(jù)

大蒜的形狀特征是提出直立篩選方案的思路來源，而尺寸特征是展開裝置設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。每個(gè)蒜瓣均有2個(gè)寬平面和1個(gè)弧形曲面且根部均有細(xì)長(zhǎng)末梢；通過對(duì)200粒白皮蒜瓣的尺寸測(cè)量得到，平均長(zhǎng)度26.50 mm，平均寬度16.90 mm，平均高度19.10 mm，且平均高度略大于平均寬度。

1.3工作原理

工作時(shí)，以拖拉機(jī)為動(dòng)力，牽動(dòng)大蒜種植機(jī)運(yùn)動(dòng)，2個(gè)地

輪帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，直立篩選裝置開始運(yùn)轉(zhuǎn)。將挑選好的大小均勻、健壯飽滿的蒜瓣作為蒜種，放入斗形種箱，在斗形種箱底部設(shè)計(jì)有開口，蒜瓣沿著開口進(jìn)入到傾斜分隔槽裝置中。由于蒜瓣粒多易堵塞是大蒜種植機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵難題，為了解決該難題，在斗形種箱與傾斜分隔槽裝置之間設(shè)計(jì)有防堵排種器，有效保證蒜瓣呈單列縱向隊(duì)列狀態(tài)進(jìn)入到翻轉(zhuǎn)篩選裝置中。而翻轉(zhuǎn)篩選裝置的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)每粒蒜瓣芽端均有細(xì)長(zhǎng)末梢的特征展開的，通過彈性套控制具有穗狀壁面的接種杯收縮或擴(kuò)張，夾緊蒜瓣芽端末梢并進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，根據(jù)翻轉(zhuǎn)過程中是否掉落進(jìn)而將蒜瓣分為芽端朝上與芽端朝下2類，然后再通過換向裝置將二者方向統(tǒng)一，最后輸送到播種裝置，完成大蒜的直立篩選與種植。主要技術(shù)參數(shù)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；種植深度30～50 mm；篩選準(zhǔn)確率78%。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1傾斜分隔槽

測(cè)試試驗(yàn)：取200粒白皮蒜瓣由高處自由落下，重復(fù)進(jìn)行5次試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)著地接觸面情況：若試驗(yàn)地面為水平面，則約78.5%的蒜瓣是以寬平面著地，而約21.5%的蒜瓣是以弧形曲面著地；若試驗(yàn)地面為傾斜面，蒜瓣最終全部呈現(xiàn)以寬平面為著地面的靜止?fàn)顟B(tài)。根據(jù)大蒜掉落的著地面特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了傾斜分隔槽，其由若干隔板構(gòu)成且相鄰隔板具有一定高度差。防止蒜瓣掉落過程中卡在相鄰隔板上，每個(gè)分隔槽的寬度大于蒜瓣的平均高度小于蒜瓣的平均長(zhǎng)度，以便蒜瓣全部縱向落入槽中；此外，分隔槽的底部，在槽寬方向和槽長(zhǎng)方向均傾斜一定角度，使得蒜瓣掉落之后全部以寬平面著地，且能夠在重力作用下沿著槽長(zhǎng)方向往下滑落，進(jìn)入到下一階段的方向篩選中。為減小摩擦阻力的影響，傾斜分隔槽的內(nèi)壁均為光滑面。經(jīng)過選種的蒜種由斗形種箱底部掉落，經(jīng)過傾斜分隔槽后最終成單?？v向隊(duì)列，為下一步的方向篩選做好準(zhǔn)備（圖2）。endprint

2.2防堵排種器

大蒜粒多易堵塞的問題一直存在于輸送過程中，所以防堵排種器根據(jù)所在位置的不同分為單列排種器與單粒排種器2種。

2.2.1單列排種器單列排種器位于斗形種箱與傾斜分隔槽之間，防止斗形種箱中蒜瓣數(shù)量過多而使傾斜分隔槽中發(fā)生嚴(yán)重堵塞。該裝置由若干個(gè)帶有凹槽的圓柱縱向排列組成，圓柱可繞著轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)（圖3）。由于凹槽寬度的設(shè)計(jì)尺寸大于蒜瓣平均高度且小于平均長(zhǎng)度，故每條凹槽中僅能容納單列蒜瓣。隨著圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)，每條凹槽將周期性地把單列蒜瓣輸送到傾斜分隔槽中。由于相鄰圓柱之間具有去冗刷，所以凹槽中多余的蒜瓣會(huì)被去冗刷刷掉，進(jìn)一步保證凹槽中僅能容納單列蒜瓣，有效解決了蒜瓣堵塞問題。此外，可通過改變圓柱上凹槽的數(shù)量，控制蒜瓣的排種速度。

2.2.2單粒排種器單粒排種器位于傾斜分隔槽底部的出口處，防止蒜瓣在重力作用下滑落速度過大，導(dǎo)致蒜瓣大量堆積在翻轉(zhuǎn)篩選裝置中而發(fā)生堵塞（圖4）。該裝置位于每個(gè)分隔槽出口的底部，且其凹槽尺寸設(shè)計(jì)僅能容納1粒蒜瓣；同理，去冗刷的作用進(jìn)一步保證了單粒蒜瓣的排種；隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，凹槽會(huì)周期性地將單粒蒜瓣輸送到翻轉(zhuǎn)篩選裝置中，且可改變凹槽的數(shù)量來控制蒜瓣的排種速度。

2.3翻轉(zhuǎn)篩選裝置

翻轉(zhuǎn)篩選原理為蒜瓣進(jìn)入翻轉(zhuǎn)篩選裝置的接種杯，當(dāng)接種杯轉(zhuǎn)至最高位置時(shí)，其正上方的壓板下壓，使蒜瓣擠壓接種杯的穗子狀壁面，穗子結(jié)構(gòu)擴(kuò)張。若蒜瓣芽端朝下，則芽端細(xì)長(zhǎng)末梢將從穗子間隙中伸出，此時(shí)彈性套從下方套入接種杯，穗子狀壁面收縮，于是伸出的芽端末梢將被夾在穗子間隙中；若蒜瓣根部朝下，則不會(huì)出現(xiàn)該情況（圖5）。

該裝置繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，此處有輸送管道Ⅰ的開口與接種杯口對(duì)接，若接種杯中蒜瓣掉落其中，說明之前蒜瓣芽端朝上，即沒有末梢被穗子間隙夾緊，當(dāng)彈性套套入使接種杯恢復(fù)原狀后，蒜瓣因重力下落，故輸送管道Ⅰ中的蒜瓣芽端朝下。若接種杯中蒜瓣不掉落，則繼續(xù)再轉(zhuǎn)90°，此處接種杯口與輸送管道Ⅱ?qū)樱瑥椥蕴棕Q直上移從而撤銷對(duì)末梢的夾緊力，蒜瓣下落，故輸送管道Ⅱ中的蒜瓣芽端朝上。因此，根據(jù)裝置翻轉(zhuǎn)后蒜瓣是否掉落，可對(duì)蒜瓣芽端方向進(jìn)行篩選。

翻轉(zhuǎn)篩選裝置包括旋轉(zhuǎn)軸、以其軸線為中心陣列分布的接種杯和彈性套（圖6）。接種杯呈扁圓錐狀，使得蒜瓣掉落后呈豎直方向的“站立”狀態(tài)；接種杯的壁面采用彈性材料，保證穗狀壁面可擴(kuò)張和收縮；彈性套內(nèi)壁與接種杯外壁大小一致，同軸線且配合緊密，保證接種杯恢復(fù)自然原狀即可，防止彈性套過度擠壓接種杯，導(dǎo)致變形過度且卡住根部朝下的蒜瓣；此外，彈性套下端長(zhǎng)度大于接種杯下端，防止出現(xiàn)過盈配合。

2.4換向裝置

換向裝置位于輸送管道Ⅰ出口處，繞著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱上有若干凹槽，凹槽深度大于蒜瓣平均長(zhǎng)度，凹槽寬度大于蒜瓣平均高度小于平均長(zhǎng)度，保證蒜瓣落入換向裝置凹槽后呈直立狀態(tài)且僅能容納1粒蒜瓣。此時(shí)，換向裝置轉(zhuǎn)動(dòng)90°，此處有輸送管道Ⅲ的開口與換向裝置的凹槽對(duì)接，則蒜瓣落入且芽端方向改為朝上，實(shí)現(xiàn)了芽端方向的篩選與統(tǒng)一（圖7）。

3模擬試驗(yàn)

利用硬紙板做出簡(jiǎn)易的傾斜分隔槽裝置，利用橡膠材料

做出穗狀壁面的接種杯與彈性套，取100粒白皮蒜瓣進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：蒜瓣由高處掉落到分隔槽后，74%的蒜瓣能實(shí)現(xiàn)單粒蒜瓣以某一平面著地的“側(cè)躺”狀態(tài)；通過手動(dòng)對(duì)接種杯中蒜瓣施加壓力發(fā)現(xiàn)，接種杯的穗狀壁面擴(kuò)張，芽端末梢從間隙伸出，再配合彈性套夾緊，篩選準(zhǔn)確度達(dá)78%。因此，本研究提出的直立篩選法具有一定的合理性與可行性。

4結(jié)論

本研究以大蒜的特征分析結(jié)果為理論依據(jù)，提出了1種夾緊末梢翻轉(zhuǎn)篩選法并進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)。

（1）基于蒜瓣自由落地的接觸面特點(diǎn)，傾斜分隔槽實(shí)現(xiàn)了蒜瓣單粒縱向排列，且有效減少了芽端朝向類型；基于蒜瓣粒多易堵塞的特點(diǎn)，防堵排種器則通過單列和單粒排種方式控制了蒜瓣的傳送速度，避免蒜瓣冗堵；基于蒜瓣芽端具有細(xì)長(zhǎng)末梢等特點(diǎn)，翻轉(zhuǎn)篩選裝置利用穗狀結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張與收縮夾緊末梢，并根據(jù)翻轉(zhuǎn)后蒜瓣是否掉落，將芽端朝向進(jìn)行了分類篩選；再結(jié)合換向裝置與輸送管道組，完成蒜瓣芽端方向的統(tǒng)一；各個(gè)裝置互相配合工作，有效實(shí)現(xiàn)了大蒜直立篩選的目的。

（2）該方法不僅具有較好的創(chuàng)新性，而且裝置制作成本低，生產(chǎn)效率也得以提高，為后續(xù)大蒜直立篩選的深入研究提供了新的設(shè)計(jì)思路，更為大蒜種植機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

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