引言
大蒜在我国非常普遍，目前其种植方面存在诸多问题，使得以大蒜种植为生的农民很辛苦。农民通过手工方式开沟、插蒜、覆土，效率非常低，如金乡的大蒜驰名中外，但数千公顷的大蒜都是通过人工种植，劳动强度可想而知[1].农民迫切需要一种可以代替手工的机电一体化产品来解决“种蒜难”这一历史性难题。设计大蒜种植机首先要解决的问题就是大蒜的直立筛选，突破不规则农作物种植的瓶颈。振动筛和排种器都是比较成熟的设备，如果将两部分有机结合，再针对大蒜的不规则外形进行改进，将缩短研发时间，提高研发效率，取得事半功倍的效果。
1 振动筛的选择
1. 1 振动筛原理
振动筛在工厂中非常普遍，种类也多种多样，主要用于工厂中标准件的筛选，而针对非标准件的振动筛非常罕见。对于蒜瓣这种有别于标准件甚至形状极不规则的个体，振动筛的设计是难点之一。图 1 ~图 6 所示为振动筛的几种筛选方式，均是利用零件的形状特性来进行筛选； 零件特征较为明显。图 1 所示的圆台性零件大端和小端的差异较大，利用图中设置的缺口便可将符合条件的零件筛选出来； 在旋涡盆轨道设 V 型缺口，大面朝下时，在 V 形缺口架桥而通过，卧倒或倒立的工件不能架桥，继而落下、排除。
设缺口的半角为 θ、轨道宽度为 D、圆锥上部为 d、sinθ< d /2D 时，全部工件通过。底部质量较大且长度比直径大的圆筒型工件（ 见图 2） ,在轨道终端的伸出长度因底在前或后而异，有底端与无底端的质量悬殊愈大时，振列速度和精度愈高。若工件数量过多时，落下滑槽工件满，失去振列机能，对策是用热电晶体等控制供给，通过上端膨大、下端内径与工件外径相同的通管承接工件。工件排成一列时（ 见图 3） ,在轨道开形状近似工件的孔，同方向的工件落下，反方向者通过。此种工件的振列不大受外部阻力作用，振列的工件在滑槽内仍然连结成一列，所以不能用重力式滑槽，此时的滑槽需要直进式进料器。针对双圆柱连接工件而言，工件在倾斜台以小端端部为圆心，沿倾斜台滚动，最后落入半圆形槽，如图4 所示。图 5 为螺栓与螺钉的工件振列，游尺测定部的开度稍宽于螺栓头直径及游尺测定部重力采取吊头姿势时，容易以此方式振列，但不适于头径大而脚径小、长度短的场合。设 D - d/2 = x 时，若设计成 x≥0. 2,则振列或滑槽的制作都可得到好结果。螺钉类铆钉类振动筛，设置限制板和缺口两道机关来完成对此类工件的筛选。重心分布不均的长柱体，一端膨大，当柱体振动转移到推出板前方时，通过空气缸推动偏心柱体至前方支点处。由于重心存在偏置继而在支点处发生倾斜，柱体进入承接箱，承接箱具有一定的尺寸特性，使得落入的柱体不易发生翻转，如图 6 所示。
1. 2 大蒜筛选振动筛设计
受到振动筛不同外形及工作原理的启发，大蒜在外型上更接近保龄球式零件振动筛所对应的物件。
因此，在振动轨道上设置蒜型的筛孔，将不符合要求的蒜瓣通过筛孔漏下去重新筛选，便得到了如图 7 所示的筛选机构。通过试验研究，将阵列的轨道设置成宽度小于大蒜平均高度且大于大蒜平均宽度的尺寸，大蒜在振动过程中仅能呈现芽部向前或根部向前两种状态，其他状态的大蒜会由于重心外伸发生倾倒而落入振动筛底端重新筛选。当大蒜芽部向前时，半身到达筛孔，大蒜芽部较尖，首先接触到的空间恰巧为大蒜根部所在的空间大小； 所以当芽部向下倾斜时，有了引导作用，蒜身进入筛孔，落入盆内，进入下一筛选环节。当大蒜根部向前时，由于根部较膨大，进入筛孔位置时，会形成支撑，从而不易落入； 行程越长，落孔收缩程度越高，架桥空间越小，越不易落入筛孔，继而顺利通过。通过此装置，可以高效将大蒜的方向进行精密筛选，装置简单高效、操作方便； 不足之处在于需要将大蒜事先进行初步筛选，大蒜必须在特定的形状尺寸范围内才可进行筛选。将大蒜分为 3 级，不同级的大蒜可采用不同规格的振动筛。
2 排种器的选择
2. 1 现有排种器原理
排种器在农机界也是非常普遍的栽植工具，主要针对体积较小且形状规则的诸如玉米、大豆这类在种植过程中对种子朝向没有特定要求的农作物。排种器的种类多种多样： 一是舀出式排种器（ 见图 8） ,该排种器将种轮深入种箱中进行舀取，由于重力作用，被舀出的种子会贴在种轮的凹槽中随滚轮转动，转到极限位置时，种子会随种轮抛射出去。二是窝眼式排种器（ 见图 9） ,该排种器与舀出式排种器类似，只是舀出式排种器的种箱位于种轮的一侧，而窝眼式排种器的种箱将种轮包裹，但不足是种子转到种箱和种轮的接口处容易受到剪切而破坏[1,4].三是气吸式排种器（ 见图 10） ,该排种器是在种箱的一侧设置负压区，通过压差来控制种子进入吸孔中，在种盘的下方压差解除从而种子被释放。这种装置设计非常巧妙，对于玉米、大豆这类体积小、形状规则的种子来说非常实用，对于蒜瓣筛选很难在其基础上进行突破性的改进。
2. 2 大蒜排种器设计
综合上述几类排种器，很难从中选出可以针对大蒜这类形状不规则的种子进行改进的方案。由于大豆、玉米、花生等农作物种子在播种过程中没有方向要求，投种到土壤中方向完全是随机的，并且此类种子的形状多为球粒状，在排种器槽点的设置过程中不需要考虑棱角的影响，因此设计起来较为容易。大蒜的形状极不规则，且要求大蒜在种植的过程中根部向下、芽部向上，所以排种器的优化设计还是要寻找适用性更强的、可以和振动筛改进方案相衔接的方案。
经过深入探究，最终摒弃了在排种器内部取种的方式，以避免不适应大蒜形状不规则特性导致的卡机现象。直接在滚轮半径方向均匀分布鸭嘴型口（ 见图11） ,通过振动筛将大蒜传送到鸭嘴型口处，滚轮带动鸭嘴型口旋转； 当载有大蒜的鸭嘴口旋转至竖直向下位置插入土壤中时，鸭嘴口张开，将内部大蒜投入； 随着滚轮的向前滚动，鸭嘴口收起，大蒜直立种植过程结束。鸭嘴型口的开关连接中轴位置推杆，可以在需要鸭嘴型口张开的位置设置凸起从而拨动鸭嘴型口的活动端，达到接种的目的。在最底端，也同样有相同的凸起配合。
3 大蒜播种机设计
图 12 为改进后的大蒜筛选和栽植装置。将上述两种改进后的装置进行组合和优化，将垂直接种转化为水平接种，将振动筛在滑轨方向上开“芽前根后”形状筛孔。工作时，将大蒜倒入振动筛，通过振动筛选机构，“根前芽后”大蒜架桥通过，在振动筛尾端由排种器承接； 承接口张开，大蒜进入，鸭嘴型口闭合，此时振动筛尾端设置有卡口，保证一个接种环节仅有单粒蒜瓣通过； 排种器旋转到下一承接口，重复上述动作； 待大蒜旋转至排种器底端，插入土壤，鸭嘴型口由于推杆凸起杠杆原理张开，将大蒜释放； 当鸭嘴型口离开土壤，由于其形状前尖后钝，使得离开土壤后，土壤自行收敛，将大蒜包埋； 同时，与覆土镇压机构配合使用。图 13 是将振动筛与排种器以及市面上成熟的播种机进行有机组装的播种机。其采用可调输种管，使得输种管能够根据播种的农作物不同而设置不同管径。此装置既可播种非固定取向要求农作物，诸如大豆、玉米、马铃薯等农作物，又可定向播种大蒜这类有固定取向要求的农作物。当播种非定向农作物时，通过种箱与输种管配合，输种管嵌在开沟器之中，在拖拉机的牵引下，先开沟后投种，再通过覆土器进行覆土； 当播种大蒜时，在振动筛中倒入大蒜，通过振动筛与排种器以及覆土器的配合，完成大蒜的直立种植。
4 结论
大蒜种植机械一直是国内外农机界较为重视的研究方向，但是大蒜如何实现在栽植过程中的直立一直没有成熟的解决方案。本文通过对市场上常见的两种机械设备和农机配件进行有机结合，针对大蒜的特点进行改良和创新，从而设计出大蒜筛选和栽植装置样机，为大蒜种植机的研发及新产品的开发提供了一种较为高效的创新思路。本研究从成熟的、现有的农机产品出发，结合所要设计的对象特点，进行改进和创造，不仅能够大大缩短设计人员的研发时间，而且能够提高方案的可行性； 在已研发的产品的基础上进行二次创造，将成为设计农机产品的一条重要思路，具有一定的参考价值。田间试验表明： 大蒜能够保证较高的直立率，并且能够通过鸭嘴型口进行插播和敛土，达到直立栽植的目的，但是该装置很难调整大蒜的行距。一旦排种器设计完成，就对应固定的行距，此问题需要在后续的设计中进行调整和改进。
参考文献：
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