中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 侯信 何福鋮 沈龍 王水林 魏超

1 研究背景

黨的十九大報告中明確提出實施“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略，科技興農(nóng)是鄉(xiāng)村振興中的重要一環(huán)。通過對江蘇省邳州市大蒜種植進行實地調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)人工種植——成本高、人口老齡化嚴(yán)重、播種不均勻；機械化種植——空穴率高、蒜種無法直立生長、需多人協(xié)同作業(yè)等。此外，研究該產(chǎn)品的技術(shù)人員數(shù)量相對較少，這些都阻礙著新型大蒜播種機的發(fā)展與更迭換代。對江蘇邳州實地調(diào)研的結(jié)果顯示，農(nóng)民越來越注重機械化的高效與高質(zhì)量，市場上的機器已不能滿足生產(chǎn)需要，現(xiàn)有機器技術(shù)存在短板，在大蒜的取種運輸方面容易造成破壞，影響了機器在市場上的銷售與普及。根據(jù)農(nóng)民的需求，使用現(xiàn)有機器會出現(xiàn)漏播問題，需要人工補插蒜種，極其耗費人力。為解決上述問題，本研究小組通過對江蘇邳州大蒜實地調(diào)研、網(wǎng)上查閱資料等渠道，收集了解到土地流轉(zhuǎn)難、種蒜成本高、機械化種植程度低、人口老齡化、勞動力不足、青年人才缺失等問題，研究出了半自動化大蒜播種機，在播種方面做出了新的方案。機器的半自動化以及自走式使播種工作更加方便、靈活。松土、開溝、種植、覆土由同一機器作業(yè)，高效率完成種植工作，減輕農(nóng)民的負擔(dān)，提高了種植效率。

2 設(shè)計方案

整體機器分為以下部分：（1）新制托盤裝置（2）預(yù)處理裝置（3）同步運輸裝置（4）滾筒壓蒜裝置（5）鴨嘴種植裝置。

2.1 整體工作原理

托盤式大蒜播種一體機是集旋耕、開溝、種植于一體的多功能播種機，工作時旋耕刀和開溝器由操作臺通過齒輪鏈條傳動調(diào)整到適合土地高度的位置，進行預(yù)先處理工作。然后將分好的蒜種放置在新制托盤中，并將新制托盤安放在機器上，通過同步運輸裝置將托盤運輸?shù)綕L筒壓蒜裝置下方。由滾筒壓蒜裝置將蒜壓至鴨嘴種植裝置中。到達最末端時，鴨嘴一側(cè)的連桿由凸輪機構(gòu)打開，將蒜種種入土地中，當(dāng)通過凸輪遠休止程時，凸輪產(chǎn)生的推力消失，鴨嘴因為彈簧作用回彈關(guān)閉，大蒜完成播種。

2.2 新制托盤裝置

（1）結(jié)構(gòu)組成

新制托盤裝置由蒜穴、托盤和托盤固定架組成，托盤主要材質(zhì)是聚乙烯，蒜穴采用硅膠材質(zhì)，托盤可以循環(huán)使用。每個托盤可以放81顆蒜，固定架上可放置50層托盤，每畝地機器需要工作14分鐘，大大縮短了人工的播種時間。

（2）工作原理

工作時需要人工將蒜種放置在新制托盤的蒜穴中，在托盤左右兩側(cè)上端有溝槽，下端有滑柱支撐，可以實現(xiàn)多個托盤堆疊，同時可以完成兩托盤之間的相對滑動。當(dāng)滾筒壓蒜裝置中的橡膠壓桿下壓時，蒜穴的左右兩半穴同時打開，保證蒜種鱗芽朝上落下。使用托盤種植可以保證鱗芽朝上，如圖1所示。

圖1 蒜穴

2.3 預(yù)處理裝置

（1）結(jié)構(gòu)組成

預(yù)處理裝置由旋耕刀、開溝器、齒輪、軸系零件組成。旋耕刀安裝在機器最前端，由齒輪帶動，用于調(diào)節(jié)高低。開溝器由鏈傳動帶動工作，進行高低的調(diào)節(jié)，適用于不同的播種深度，如圖2所示。

圖2 開溝器和旋耕刀

（2）工作原理

在播種階段，旋耕刀通過相應(yīng)的齒輪旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)旋耕深度，以應(yīng)對各種高低不平的種植環(huán)境，該部分主要是利用旋轉(zhuǎn)原理帶動旋耕機構(gòu)上的旋耕刀進行旋轉(zhuǎn)，從而使地面的土壤分布均勻。開溝器主要是起對土壤進行開溝的作用，開溝器工作時通過大蒜播種機上的齒輪和鏈條來調(diào)節(jié)開溝的深度，從而達到適合大蒜種植的土壤條件。

2.4 同步運輸裝置

（1）結(jié)構(gòu)組成

同步運輸裝置由帶輪、特制皮帶、絲桿軸、齒輪組成。同步帶傳動裝置放在托盤兩側(cè)，將同步帶的傳動軸改成絲桿軸，與齒輪進行配合運動，如圖3所示。

圖3 同步運輸裝置

（2）工作原理

同步帶裝置帶動托盤向前運動，兩托盤之間可以進行滑動，同步帶的動力由絲桿運動提供，此運動方式，減少了傳動源。

2.5 滾筒壓蒜裝置

（1）結(jié)構(gòu)組成

滾筒壓蒜裝置結(jié)構(gòu)由五部分構(gòu)成，分為橡膠壓桿、凸輪軸、齒輪、壓縮彈簧和滾筒外壁。凸輪軸通過滾筒外壁固定在機架上，滾筒外壁兩端連接齒輪進行運轉(zhuǎn)。在滾筒外壁上開有9組壓桿孔，彈簧、橡膠壓桿固定在滾筒內(nèi)壁里，每1組又有4組壓桿和8個彈簧構(gòu)成。

（2）工作原理

當(dāng)托盤和壓桿同時到達指定位置，壓桿處于托盤蒜穴正上方，齒輪帶動滾筒外壁進行運轉(zhuǎn)，此時滾筒外壁帶動內(nèi)部壓桿和彈簧一起轉(zhuǎn)動，而齒輪軸保持不動。當(dāng)壓桿轉(zhuǎn)動到凸輪的頂端，由于兩者之間的間隙變小，壓桿沖出外壁孔，壓出蒜穴內(nèi)的大蒜。壓完蒜后由于壓縮彈簧的彈性作用使壓桿復(fù)位，重復(fù)以上工作進行種蒜。同時在壓桿復(fù)位過程中，滾筒外仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的切向方向與托盤運動方向相同，未收回去的壓桿可以帶動托盤向前運動。如圖4所示。

圖4 滾筒式壓蒜裝置

2.6 鴨嘴種植裝置

（1）結(jié)構(gòu)組成

鴨嘴種植裝置由播蒜組件、插管、壓桿芯、接地輪、斗形器、鴨嘴形開合器組成。鴨嘴種植裝置分為凸輪結(jié)構(gòu)、行星輪、鴨嘴和連桿四部分，一排共有7組連桿，每組連桿上存在9個鴨嘴進行同步作用。斗形器安裝在鴨嘴上方，能夠增大蒜種落入鴨嘴的面積。如圖5所示。

圖5 鴨嘴種植裝置

（2）工作原理

橡膠壓桿是通過凸輪和彈性件來實現(xiàn)上下的往復(fù)壓蒜運動。安裝座上安裝的插蒜組件的套管無法移動，組件下口與安裝座存在凸出的相對距離，機械與土壤的間隙配合是通過接地輪來實現(xiàn)的，使得機器向前運動過程中連續(xù)種蒜，減小與土壤接觸產(chǎn)生的阻力。使用鐵制壓嘴進行開合，方便開穴，將蒜種下。

3 裝置基本數(shù)據(jù)

表1 機器各部分基本數(shù)據(jù)

4 經(jīng)濟效益分析

大蒜生產(chǎn)主要靠人力完成，成本高，平均每人每天僅能播種0.02 hm2，而大蒜適宜播種期為10～15天，錯過播種時間會影響大蒜的生長和出售。據(jù)測算，機械播種效率是人工的50倍以上，節(jié)省成本達到5980元/hm2，占大蒜總產(chǎn)出的20%。同時大蒜播種可以提早3～5天完成。2021年暑期筆者團隊對江蘇省邳州市下轄的宿羊山鎮(zhèn)、趙墩鎮(zhèn)進行了社會實踐調(diào)研，并以此為例進行經(jīng)濟效益分析。以邳州市大蒜播種面積60.9萬畝為基準(zhǔn)，需要機器3000臺。國內(nèi)大蒜播種面積1264.5萬畝，需要機器53000臺。

托盤式大蒜播種一體機：每臺機器造價8450元，托盤成本控制在10元以內(nèi)，屬于小型農(nóng)業(yè)機械，使用壽命為8年。托盤式大蒜播種一體機質(zhì)包1年，主要部件質(zhì)包2年。通過對江蘇省邳州市宿羊山鎮(zhèn)調(diào)研，若普及使用托盤式大蒜播種一體機，邳州市人工播種和機械播種對比，如表2所示。

表2 邳州市（60.9萬畝）人工播種和機械播種對比

通過數(shù)據(jù)對比可以得出，機械種植的項目投資回報較人工播種花費有大幅度降低，在提高農(nóng)民基本收入，減少播種成本的同時，解決了勞動力不足的問題；機器的制造和維修，為大部分人提供了更多的工作崗位，為緩解人口老齡化問題提供幫助。

5 創(chuàng)新點

（1）使用托盤種植可以保證鱗芽朝上，解決了取蒜易堵塞問題，提升營養(yǎng)價值，增加農(nóng)民收益，大大降低了空穴率，提高了種植效率，解決了人工種植的惡劣環(huán)境，每個托盤可以放81顆蒜，每畝地機器需要工作14分鐘，大大降低了人工種植時間。

（2）旋耕刀和開溝器這兩個機構(gòu)與大蒜播種機的其他機構(gòu)組裝配合使用后，可以實現(xiàn)種植一體化，提高了大蒜的種植效率。同時旋耕刀和開溝器這兩個工作機構(gòu)還節(jié)省了許多資源，利用旋耕刀和開溝器對種植地面進行旋耕、開溝和松土等工作比使用農(nóng)具進行開溝松土節(jié)約了人力物力，還大大提高了大蒜種植效率。

（3）滾筒壓蒜裝置的使用，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳動由齒輪帶動，精度高、能夠保證9組同時下壓、誤差小，同時壓桿復(fù)位過程中，滾筒外壁繼續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的切向方向與托盤向前的方向相同，未收回去的壓桿可以帶動托盤向前運動。降低了同步裝置的工作效率。

6 結(jié)語

通過對江蘇省邳州市社會實踐調(diào)研及對當(dāng)?shù)剡M行經(jīng)濟效益分析，得知目前市場上的大蒜播種機價格高、空穴率高、正芽率低等問題。我們研發(fā)團隊發(fā)明了托盤種植裝置，可以降低空穴率，提高正芽率，成本低。同時據(jù)調(diào)查2019年全國大蒜種植面積598.2萬畝，2020年全國大蒜種植面積在745萬畝左右，由于大蒜種植面積增加，迫切需要機械化代替人工種植，提高種植效率，保證種植質(zhì)量。目前常用的播種機械的點播技術(shù)，在實際應(yīng)用的過程中，播種速度慢、垂直偏向幅度大，種植結(jié)果不理想。種植高效、高質(zhì)量，是每個農(nóng)民日日渴望的，因此本產(chǎn)品具有很好的市場前景。