大蒜種子分級機(jī)研究現(xiàn)狀及展望*

李超，馮芮，徐洪岑，孫倩，宋井玲，金誠謙， 2

(1. 山東理工大學(xué),山東淄博,255000; 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

大蒜屬鱗莖植物，是我國主要經(jīng)濟(jì)作物。近年來，我國大蒜種植和加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，主要生產(chǎn)區(qū)有山東、江蘇、河南、四川、陜西等。目前我國大蒜生產(chǎn)機(jī)械化處于起步階段，仍以手工為主，作業(yè)效率低，強(qiáng)度大[1-4]。隨著大蒜種植業(yè)的發(fā)展，對大蒜生產(chǎn)機(jī)械化的要求日益增強(qiáng)，大蒜種植機(jī)械化是大蒜生產(chǎn)機(jī)械化的重要環(huán)節(jié)，由于大蒜種子形狀復(fù)雜、大小差異較大給大蒜種植機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)帶來了困難。大蒜種子分級不但可使大蒜出苗整齊，便于播種和管理，也是提升大蒜種植機(jī)性能和效率的有效途徑，但目前專用的大蒜種子分級機(jī)較少，對其分級技術(shù)的研究也不夠深入。因此，本文從分析農(nóng)業(yè)物料分級技術(shù)入手，對大蒜種子的機(jī)械化分級技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，旨在能夠推動(dòng)我國大蒜產(chǎn)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，特別是大蒜種子分級機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用。

1 國內(nèi)外現(xiàn)有農(nóng)業(yè)物料分級技術(shù)

農(nóng)業(yè)物料主要是依據(jù)物料的特性進(jìn)行分級,包括物料的基本物理特征(如尺寸、顏色、形狀等)、物理特性(如硬度、密度等)、振動(dòng)特性(低頻振動(dòng)、聲波振動(dòng)、超聲波等)、光學(xué)特性等。

1) 機(jī)械式分級技術(shù)。機(jī)械式分級技術(shù)是根據(jù)物料的基本物理特征進(jìn)行分級的，如形狀、尺寸等，特點(diǎn)是分級效率高，對作業(yè)環(huán)境要求低，但容易對物料造成損傷。

2) 計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)。計(jì)算機(jī)視覺檢測分級技術(shù)是將計(jì)算機(jī)圖像檢測技術(shù)與分級裝置相結(jié)合，通過攝像頭提取圖像信息，采集卡將提取到的圖像信息轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信息，計(jì)算機(jī)利用模糊技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對反饋的數(shù)字信息進(jìn)行識別判斷，建立相應(yīng)的指標(biāo)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)檢測和分級[5-6]。

3) 重量檢測分級技術(shù)[7]。重量檢測分級技術(shù)是將物料在線稱重進(jìn)行檢測分級，傳送裝置上設(shè)置有重量檢測系統(tǒng)，將檢測到的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，傳輸終端進(jìn)行判斷，再結(jié)合分級裝置完成分級。

4) 光電技術(shù)。綜合利用現(xiàn)代光學(xué)、電子學(xué)和生物學(xué)等新技術(shù)對物料外觀形態(tài)、內(nèi)部品質(zhì)等方面進(jìn)行檢測，并進(jìn)行自動(dòng)分級剔除。如近紅外光譜技術(shù)、高光譜技術(shù)、X-射線、γ-射線、介電分選技術(shù)、光電色選等。

5) 核磁共振技術(shù)。核磁共振技術(shù)是一種具有極高分辨率的分析技術(shù)，能產(chǎn)生生物體內(nèi)的清晰圖像及結(jié)構(gòu)分布，可用于檢測果蔬損傷、局部干枯、蟲蛀、內(nèi)部腐爛、成熟度分級以及種子內(nèi)核空隙等[8]。

2 大蒜種子分級機(jī)的類型及其特點(diǎn)

大蒜種子的機(jī)械化分級除了和一般物料的分級一樣要求分級率外，分級后的蒜種主要用于種植，還應(yīng)滿足大蒜種植農(nóng)藝要求，外皮完整，無損傷[9]。大蒜種子分級機(jī)械化技術(shù)的研究起步較晚，蒜種的品種繁雜，不同地區(qū)種植技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，增加了大蒜種子分級機(jī)械的研發(fā)、推廣難度，目前很多地區(qū)仍以手工篩選蒜種為主。隨著大蒜生產(chǎn)規(guī)模化、勞動(dòng)力的短缺與分級技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了大蒜種子分級機(jī)化進(jìn)程。

目前國內(nèi)外已研發(fā)的大蒜種子分級機(jī)，分為機(jī)械式和非機(jī)械式，機(jī)械式以按蒜種大小機(jī)械式篩分技術(shù)應(yīng)用較多，分級篩上有篩孔，種子尺寸小于篩孔尺寸會(huì)通過篩孔成為篩下物，從而將蒜種分為篩上和篩下兩級。機(jī)械篩式大蒜種子分級機(jī)主要有滾筒篩式和平面篩式兩種。滾筒式分級機(jī)易于多級分級、占用空間小、工作平穩(wěn)對大蒜種子的損傷較小。平面篩式分級機(jī)篩選量大、生產(chǎn)率高、維修成本低，但平面篩一般做往復(fù)振動(dòng)，容易損傷蒜種，因此，目前市場上主要以滾筒篩式大蒜種子分級機(jī)為主。滾筒篩主要有沖孔式、編織網(wǎng)式和柵條式。柵條式分級率較高，但加工成本較高。沖孔式與編織網(wǎng)式分級精度較高，但篩孔容易堵塞和損傷蒜皮。非機(jī)械式主要以計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)為主。

2.1 篩孔形狀與蒜種的分級依據(jù)

機(jī)械式篩分技術(shù)是依據(jù)大蒜種子的外形尺寸進(jìn)行分級的。大蒜種子的外形尺寸分為長、寬、厚，大蒜種子的長度尺寸多集中在27.5～31.5 mm，寬度尺寸多集中在19.5～23 mm，厚度尺寸多集中在16～19 mm，且長、寬、厚是正線性相關(guān)的，因此在對大蒜種子按大小進(jìn)行分級時(shí)，可選擇長、寬、厚中的任一尺寸作為分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級[10]。長孔篩的篩孔長度遠(yuǎn)大于寬度，是依據(jù)大蒜種子的厚度進(jìn)行分級的，當(dāng)大蒜種子的厚度小于篩孔寬度就可通過分級篩成為篩下物，從而將蒜種的厚度依據(jù)篩孔寬度尺寸分為兩級，如圖1(a)所示。圓孔篩和方孔篩基本是按蒜種的寬度分級的，將蒜種寬度按圓篩孔直徑或方篩孔邊長尺寸分為兩級，大蒜種子需要立起來才能通過篩孔，如圖1(b)所示。

(a) 種子通過長篩孔

2.2 滾筒式大蒜種子分級機(jī)

由于篩孔的加工工藝不同，沖孔式大蒜種子分級機(jī)的篩孔為圓孔或長孔，編織網(wǎng)式大蒜種子分級機(jī)的篩孔為方孔或長孔，柵條式大蒜種子分級機(jī)的篩孔均為長孔。

2.2.1 沖孔式

黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物脫毒苗木研究所研發(fā)的大蒜蒜種分級機(jī)[11]，如圖2所示。該機(jī)的分級滾筒為六棱形，篩孔為長孔。主要由分級滾筒、喂料斗、下料管、接料斗、機(jī)架、安裝在機(jī)架上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、安裝在喂料斗上的振動(dòng)電機(jī)等零部件構(gòu)成。分級滾筒傾斜支承安裝在機(jī)架上，下軸端通過三角帶與驅(qū)動(dòng)電機(jī)聯(lián)接，上端面設(shè)置軸向開口，喂料斗上的下料管伸入該軸向開口。沿分級滾筒軸向設(shè)計(jì)成3個(gè)功能段，依次由小、中、大3種不同尺寸長孔的篩片構(gòu)成，3個(gè)功能段下方依次對應(yīng)設(shè)置小料接斗、中料接斗、大料接斗。

圖2 六棱形滾筒式大蒜蒜種分級機(jī)

工作時(shí)，需要進(jìn)行分級處理的蒜種在振動(dòng)電機(jī)的作用下沿下料管喂入分級滾筒中，蒜種隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)和沿軸向移動(dòng)，在依次通過小、中、大3個(gè)功能段時(shí)，3種不同尺寸的蒜種被篩選出來分別落入小料接斗、中料接斗、大料接斗，留在滾筒內(nèi)未被篩選出來的蒜種尺寸最大由篩筒下端排除，從而將蒜種分為4個(gè)尺寸等級。

韓國某公司生產(chǎn)的大蒜種子分級機(jī)也是篩孔為長孔的六棱形單滾筒多級式分級機(jī)[12]，如圖3所示，篩筒各分段長度是根據(jù)大蒜種子尺寸分布合理設(shè)計(jì)的，功率：0.2 kW/220 V，工作效率：800 kg/h。西安科技大學(xué)研發(fā)的滾筒篩式大蒜蒜種分級機(jī)[13]，如圖4所示，與上述的大蒜種子分級機(jī)的工作原理類似，分級滾筒為圓筒形，篩孔形狀為圓形。

圖3 韓國六棱形單滾筒多級式分級機(jī)

圖4 圓筒篩式大蒜蒜種分級機(jī)

以上三種裝置均為沖孔滾筒篩可完成按多個(gè)尺寸分多級。六棱形滾筒截面為六邊形，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)邊線上各點(diǎn)線速度不同，工作面上沿圓周各點(diǎn)的線速度不同，導(dǎo)致蒜種跟隨滾筒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定。篩筒規(guī)格(滾筒的長度、圓筒形滾筒的直徑、六棱形滾筒外接圓直徑)相同時(shí)，六棱形滾筒的工作面要小于圓筒形滾筒，蒜種與篩面接觸面積不如圓筒篩大，分級率相對較低，但六棱形滾筒，加工工藝性好。

2.2.2 編織網(wǎng)式

法國某公司制造的編織網(wǎng)式滾筒大蒜種子分級機(jī)[14]，如圖5所示。該機(jī)主要由圓形分級滾筒、喂料斗、接料斗、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等構(gòu)成，電機(jī)功率：0.55 kW/380 V，工作效率：150～200 kg/h。工作時(shí)，電機(jī)通過三角帶傳動(dòng)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，蒜種隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，尺寸小于篩孔尺寸的蒜種通過篩面下落，尺寸大的蒜種繼續(xù)跟隨滾筒前行至出料口排出。分級機(jī)篩筒上的篩孔尺寸一致，只能按一種尺寸將蒜種分兩級,要通過更換不同規(guī)格滾筒來進(jìn)行不同等級的蒜種的分級。

圖5 法國滾筒式大蒜種子分級機(jī)

此外濟(jì)南某公司研發(fā)的蒜種分瓣分級機(jī)[15]，如圖6所示，其分級機(jī)構(gòu)工作原理與愛瑪公司制造的編織網(wǎng)式滾筒大蒜種子分級機(jī)類似。區(qū)別在于具有分瓣功能，滾筒沿軸線方向分為三個(gè)功能段，能夠一次完成多種尺寸等級的蒜種分級。與法國ERME篩筒上篩孔尺寸一致的大蒜種子分級相比，存在保證了第一級分級效率無法同時(shí)充分發(fā)揮其他等級分級能力的問題[16]。

圖6 蒜種分瓣分級機(jī)

編織網(wǎng)篩由帶有彎扣的金屬絲編織而成，篩面摩擦系數(shù)較大，蒜種與工作面接觸時(shí)間長，篩選效果好，竄級現(xiàn)象較輕?？仔鸵话銥榉叫?，蒜種以豎直姿態(tài)通過工作面，蒜種的芽尖或者凸起的蒜皮可能會(huì)掛到金屬絲或彎扣處，造成篩孔堵塞或者蒜種損傷。沖孔篩表面光滑，對蒜種損傷小，但在工作時(shí)容易發(fā)生竄級[17]，且孔間需要留有一定間隔，單位面積內(nèi)孔數(shù)少，蒜種與孔的接觸機(jī)會(huì)少，篩面無法得到最大程度的利用，分級效率低。

2.2.3 柵條式

沛縣某機(jī)械廠生產(chǎn)制造的柵條式蒜種分級機(jī)如圖7所示，主要由柵條式分級滾筒、喂料機(jī)構(gòu)、接料斗、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等零部件構(gòu)成，柵條形狀為圓柱形[18]，功率：0.75 kW/220 V，工作效率：200 kg/h。工作時(shí)，蒜種由料斗進(jìn)入柵條式分級滾筒，厚度小于柵條間隙的蒜種通過篩面下落，依據(jù)柵條之間的間隙不同進(jìn)行分級[19-20]，能將蒜種分成5個(gè)尺寸等級。

圖7 柵條式蒜瓣分揀機(jī)

與編織網(wǎng)的金屬絲相比，圓柱形柵條的直徑大對蒜種損傷小。柵條式滾筒的篩孔一般為長孔型，以蒜種的厚度為分級依據(jù)。當(dāng)蒜種處于圓柱形柵條之間時(shí)，可近似看為蒜種位于兩端向下的圓弧之間，可以引導(dǎo)蒜種沿弧面下滑，厚度小于柵條間隙l的蒜種容易被分離出來，分級率較高，蒜種通過篩面的情形如圖8所示。

圖8 蒜種通過柵條篩面示意圖

2.3 平面篩式大蒜種子分級機(jī)

山東省某公司制造的平面篩式大蒜種子分級機(jī)如圖9所示，主要由兩級篩板、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、喂料斗、出料口、電機(jī)、機(jī)架等組成，功率：4.8 kW/380 V，工作效率：450 kg/h，兩層沖孔篩板分別與地面呈一定傾角安裝在機(jī)架上，篩孔形狀為圓形，第一層篩孔孔徑大于第二層篩孔孔徑[21]。工作時(shí)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)篩板進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，蒜種沿篩面下滑同時(shí)相對篩板進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),下滑過程中小于篩孔尺寸的蒜種下落，大于篩孔尺寸的蒜種會(huì)滑到篩尾，一層篩面將蒜種分成兩級，共分三級。

圖9 平面篩式大蒜種子分級機(jī)

該裝置工作時(shí)，主要依靠蒜種重力通過篩孔[22]。蒜種相對于篩面進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作不平穩(wěn)，上層蒜種與篩面接觸機(jī)會(huì)少，但種子與篩面接觸面積大分級機(jī)生產(chǎn)率高。

2.4 圖像識別的大蒜種子分級方法

河北工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院與天津工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院聯(lián)合研發(fā)大蒜分級裝置，該采用基于圖像處理的大蒜種子品質(zhì)無損分級方法[23]，具體流程如圖10所示。

圖10 蒜種無損分級圖像處理流程

該裝置主要由攝像頭、上位機(jī)、下位機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、傳送帶、光電檢測裝置等零部件構(gòu)成。工作時(shí)，通過電機(jī)帶動(dòng)傳送帶運(yùn)動(dòng)，蒜種隨著傳送帶通過攝像區(qū)域，光電檢測器檢測到有蒜種通過時(shí)觸發(fā)信號，下位機(jī)輸送信號到上位機(jī)，上位機(jī)控制打開攝像頭，進(jìn)行原始圖像采集，通過一系列圖像處理得到外輪廓擬合矩圖像，提取蒜種長、寬，與系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)蒜種長、寬以及長寬比進(jìn)行特征值比對。上位機(jī)將分析得出的分類結(jié)果傳給下位機(jī)，下位機(jī)控制設(shè)備將不符合標(biāo)準(zhǔn)的蒜種剔除。

該裝置可以實(shí)現(xiàn)按蒜種多個(gè)特征尺寸無損傷篩選分級，分級質(zhì)量高，但不能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)等級的蒜瓣分級且篩選量小，分級效率低，制造成本高。

2.5 現(xiàn)有大蒜種子分級機(jī)的比較分析

除了基于圖像處理的大蒜種子品質(zhì)無損分級方法外，現(xiàn)有的大蒜種子分級機(jī)普遍采用純機(jī)械式分級方式。沖孔六棱形和柵條式圓形滾筒大蒜種子分級機(jī)篩孔均是長孔型，按蒜種厚度進(jìn)行分級，蒜種以平躺的穩(wěn)定狀態(tài)即可通過篩孔，通過性好，篩孔堵塞較輕。柵條式大蒜種子分級機(jī)柵條之間間隙逐漸減小具有導(dǎo)向作用，對蒜種通過篩孔有利，竄級現(xiàn)象較輕，沖孔篩式大蒜種子分級機(jī)篩面光滑對蒜種損傷小。圓形或方形型孔篩式大蒜種子分級機(jī)，按蒜種寬度進(jìn)行分級，蒜種要以長度方向直立狀態(tài)通過型孔，所需時(shí)間較長，容易堵塞篩孔而損傷蒜種。編織網(wǎng)式大蒜種子分級機(jī)容易出現(xiàn)掛蒜現(xiàn)象，摩擦系數(shù)也較高，易損傷蒜種。平面篩式大蒜種子分級機(jī)依靠振動(dòng)使蒜種與篩孔接觸通過篩孔，在這個(gè)過程中容易對蒜造成損傷；沖孔篩式大蒜種子分級機(jī)篩面光滑，同一篩筒多級分級時(shí)容易發(fā)生竄級現(xiàn)象。現(xiàn)有機(jī)型主要性能比較見表1。

表1 大蒜種子分級機(jī)主要性能Tab. 1 Main types of garlic seed classifier

3 存在問題

為適應(yīng)大蒜生產(chǎn)機(jī)械化的不斷發(fā)展，國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出了幾種機(jī)型，大蒜種子機(jī)械化分級技術(shù)仍存在諸多問題。

1) 由于蒜種形狀復(fù)雜且不統(tǒng)一，沿長度方向種子寬度和厚度都是由小—大—小變化的，機(jī)械式分級蒜種容易卡在篩孔中堵塞篩孔，尤其是方孔和圓孔篩，大蒜種子是直立起來通過篩孔的，不但影響分級效率還容易對蒜種造成損傷。另外，機(jī)械式分級的過程中，蒜種之間以及和蒜種和運(yùn)動(dòng)部件不斷摩擦甚至撞擊，不可避免的有蒜皮產(chǎn)生，蒜皮質(zhì)地較輕會(huì)四處飛落，對周邊環(huán)境造成污染。

2) 現(xiàn)有機(jī)型在篩選方式、孔型、制作材料以及各功能段長度等方面各有利弊，相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往憑借經(jīng)驗(yàn)，并未對大蒜種子的物理特性、尺寸分布規(guī)律等進(jìn)行深入研究，缺乏理論數(shù)據(jù)支持未達(dá)到最優(yōu)組合。

3) 大蒜種植前，需要在較短時(shí)間內(nèi)對大蒜種子進(jìn)行破瓣分選分級，現(xiàn)有機(jī)型大多無法完成破瓣分選分級復(fù)合式作業(yè)，作業(yè)效率難于充分發(fā)揮。

4) 我國大蒜種植面積廣，各地大蒜種植模式、大蒜品種和農(nóng)藝要求各異，缺少形成系統(tǒng)化、規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)，蒜種分級技術(shù)難于適應(yīng)。

5) 現(xiàn)有機(jī)型大多采用純機(jī)械的方式分級，智能化程度不高，并導(dǎo)致部分蒜種有一定的破損，在土培種植時(shí)，容易受到微生物感染。

4 建議與展望

1) 篩孔堵塞問題，建議篩分式的大蒜種子分級機(jī)增設(shè)清篩機(jī)構(gòu)；針對蒜皮飛落問題，建議增設(shè)蒜皮和灰塵的收集裝置以避免污染環(huán)境。

2) 大蒜種子的長、寬、厚正相關(guān)，且蒜種厚度均齊性最差[11]，建議機(jī)械式大蒜種子分級機(jī)按蒜種厚度進(jìn)行分級。

3) 篩筒分段多級分級時(shí)，可采用選用摩擦系數(shù)較大的材料或增設(shè)篩面導(dǎo)向凸棱等方法合理設(shè)計(jì)篩面以減少竄級現(xiàn)象，并根據(jù)大蒜種子尺寸分布合理設(shè)計(jì)篩面長度，充分發(fā)揮各級篩選能力；開發(fā)大蒜破瓣、分選、分級復(fù)式作業(yè)機(jī)械是提高作業(yè)效率的有效途徑，以適應(yīng)大蒜規(guī)?；a(chǎn)的需求。

4) 應(yīng)充分考慮各種植區(qū)域的大蒜種植模式、品種特點(diǎn)以及農(nóng)藝要求，結(jié)合我國大蒜具體種植情況，設(shè)計(jì)符合我國大蒜品種的大蒜種子分級機(jī)，推動(dòng)大蒜生產(chǎn)機(jī)械化進(jìn)程。

5) 大蒜種子分級機(jī)械的發(fā)展處于起步階段，很少設(shè)置有分級質(zhì)量檢測和控制系統(tǒng)，提升自動(dòng)化、智能化水平是提高大蒜種子分級機(jī)械化發(fā)展的方向。