引言
大蒜在我國非常普遍，目前其種植方面存在諸多問題，使得以大蒜種植為生的農民很辛苦。農民通過手工方式開溝、插蒜、覆土，效率非常低，如金鄉的大蒜馳名中外，但數千公頃的大蒜都是通過人工種植，勞動強度可想而知[1].農民迫切需要一種可以代替手工的機電一體化產品來解決“種蒜難”這一歷史性難題。設計大蒜種植機首先要解決的問題就是大蒜的直立篩選，突破不規則農作物種植的瓶頸。振動篩和排種器都是比較成熟的設備，如果將兩部分有機結合，再針對大蒜的不規則外形進行改進，將縮短研發時間，提高研發效率，取得事半功倍的效果。
1 振動篩的選擇
1. 1 振動篩原理
振動篩在工廠中非常普遍，種類也多種多樣，主要用于工廠中標準件的篩選，而針對非標準件的振動篩非常罕見。對于蒜瓣這種有別于標準件甚至形狀極不規則的個體，振動篩的設計是難點之一。圖 1 ~圖 6 所示為振動篩的幾種篩選方式，均是利用零件的形狀特性來進行篩選； 零件特征較為明顯。圖 1 所示的圓臺性零件大端和小端的差異較大，利用圖中設置的缺口便可將符合條件的零件篩選出來； 在旋渦盆軌道設 V 型缺口，大面朝下時，在 V 形缺口架橋而通過，臥倒或倒立的工件不能架橋，繼而落下、排除。
設缺口的半角為 θ、軌道寬度為 D、圓錐上部為 d、sinθ< d /2D 時，全部工件通過。底部質量較大且長度比直徑大的圓筒型工件（ 見圖 2） ,在軌道終端的伸出長度因底在前或后而異，有底端與無底端的質量懸殊愈大時，振列速度和精度愈高。若工件數量過多時，落下滑槽工件滿，失去振列機能，對策是用熱電晶體等控制供給，通過上端膨大、下端內徑與工件外徑相同的通管承接工件。工件排成一列時（ 見圖 3） ,在軌道開形狀近似工件的孔，同方向的工件落下，反方向者通過。此種工件的振列不大受外部阻力作用，振列的工件在滑槽內仍然連結成一列，所以不能用重力式滑槽，此時的滑槽需要直進式進料器。針對雙圓柱連接工件而言，工件在傾斜臺以小端端部為圓心，沿傾斜臺滾動，最后落入半圓形槽，如圖4 所示。圖 5 為螺栓與螺釘的工件振列，游尺測定部的開度稍寬于螺栓頭直徑及游尺測定部重力采取吊頭姿勢時，容易以此方式振列，但不適于頭徑大而腳徑小、長度短的場合。設 D - d/2 = x 時，若設計成 x≥0. 2,則振列或滑槽的制作都可得到好結果。螺釘類鉚釘類振動篩，設置限制板和缺口兩道機關來完成對此類工件的篩選。重心分布不均的長柱體，一端膨大，當柱體振動轉移到推出板前方時，通過空氣缸推動偏心柱體至前方支點處。由于重心存在偏置繼而在支點處發生傾斜，柱體進入承接箱，承接箱具有一定的尺寸特性，使得落入的柱體不易發生翻轉，如圖 6 所示。
1. 2 大蒜篩選振動篩設計
受到振動篩不同外形及工作原理的啟發，大蒜在外型上更接近保齡球式零件振動篩所對應的物件。
因此，在振動軌道上設置蒜型的篩孔，將不符合要求的蒜瓣通過篩孔漏下去重新篩選，便得到了如圖 7 所示的篩選機構。通過試驗研究，將陣列的軌道設置成寬度小于大蒜平均高度且大于大蒜平均寬度的尺寸，大蒜在振動過程中僅能呈現芽部向前或根部向前兩種狀態，其他狀態的大蒜會由于重心外伸發生傾倒而落入振動篩底端重新篩選。當大蒜芽部向前時，半身到達篩孔，大蒜芽部較尖，首先接觸到的空間恰巧為大蒜根部所在的空間大??； 所以當芽部向下傾斜時，有了引導作用，蒜身進入篩孔，落入盆內，進入下一篩選環節。當大蒜根部向前時，由于根部較膨大，進入篩孔位置時，會形成支撐，從而不易落入； 行程越長，落孔收縮程度越高，架橋空間越小，越不易落入篩孔，繼而順利通過。通過此裝置，可以高效將大蒜的方向進行精密篩選，裝置簡單高效、操作方便； 不足之處在于需要將大蒜事先進行初步篩選，大蒜必須在特定的形狀尺寸范圍內才可進行篩選。將大蒜分為 3 級，不同級的大蒜可采用不同規格的振動篩。
2 排種器的選擇
2. 1 現有排種器原理
排種器在農機界也是非常普遍的栽植工具，主要針對體積較小且形狀規則的諸如玉米、大豆這類在種植過程中對種子朝向沒有特定要求的農作物。排種器的種類多種多樣： 一是舀出式排種器（ 見圖 8） ,該排種器將種輪深入種箱中進行舀取，由于重力作用，被舀出的種子會貼在種輪的凹槽中隨滾輪轉動，轉到極限位置時，種子會隨種輪拋射出去。二是窩眼式排種器（ 見圖 9） ,該排種器與舀出式排種器類似，只是舀出式排種器的種箱位于種輪的一側，而窩眼式排種器的種箱將種輪包裹，但不足是種子轉到種箱和種輪的接口處容易受到剪切而破壞[1,4].三是氣吸式排種器（ 見圖 10） ,該排種器是在種箱的一側設置負壓區，通過壓差來控制種子進入吸孔中，在種盤的下方壓差解除從而種子被釋放。這種裝置設計非常巧妙，對于玉米、大豆這類體積小、形狀規則的種子來說非常實用，對于蒜瓣篩選很難在其基礎上進行突破性的改進。
2. 2 大蒜排種器設計
綜合上述幾類排種器，很難從中選出可以針對大蒜這類形狀不規則的種子進行改進的方案。由于大豆、玉米、花生等農作物種子在播種過程中沒有方向要求，投種到土壤中方向完全是隨機的，并且此類種子的形狀多為球粒狀，在排種器槽點的設置過程中不需要考慮棱角的影響，因此設計起來較為容易。大蒜的形狀極不規則，且要求大蒜在種植的過程中根部向下、芽部向上，所以排種器的優化設計還是要尋找適用性更強的、可以和振動篩改進方案相銜接的方案。
經過深入探究，最終摒棄了在排種器內部取種的方式，以避免不適應大蒜形狀不規則特性導致的卡機現象。直接在滾輪半徑方向均勻分布鴨嘴型口（ 見圖11） ,通過振動篩將大蒜傳送到鴨嘴型口處，滾輪帶動鴨嘴型口旋轉； 當載有大蒜的鴨嘴口旋轉至豎直向下位置插入土壤中時，鴨嘴口張開，將內部大蒜投入； 隨著滾輪的向前滾動，鴨嘴口收起，大蒜直立種植過程結束。鴨嘴型口的開關連接中軸位置推桿，可以在需要鴨嘴型口張開的位置設置凸起從而撥動鴨嘴型口的活動端，達到接種的目的。在最底端，也同樣有相同的凸起配合。
3 大蒜播種機設計
圖 12 為改進后的大蒜篩選和栽植裝置。將上述兩種改進后的裝置進行組合和優化，將垂直接種轉化為水平接種，將振動篩在滑軌方向上開“芽前根后”形狀篩孔。工作時，將大蒜倒入振動篩，通過振動篩選機構，“根前芽后”大蒜架橋通過，在振動篩尾端由排種器承接； 承接口張開，大蒜進入，鴨嘴型口閉合，此時振動篩尾端設置有卡口，保證一個接種環節僅有單粒蒜瓣通過； 排種器旋轉到下一承接口，重復上述動作； 待大蒜旋轉至排種器底端，插入土壤，鴨嘴型口由于推桿凸起杠桿原理張開，將大蒜釋放； 當鴨嘴型口離開土壤，由于其形狀前尖后鈍，使得離開土壤后，土壤自行收斂，將大蒜包埋； 同時，與覆土鎮壓機構配合使用。圖 13 是將振動篩與排種器以及市面上成熟的播種機進行有機組裝的播種機。其采用可調輸種管，使得輸種管能夠根據播種的農作物不同而設置不同管徑。此裝置既可播種非固定取向要求農作物，諸如大豆、玉米、馬鈴薯等農作物，又可定向播種大蒜這類有固定取向要求的農作物。當播種非定向農作物時，通過種箱與輸種管配合，輸種管嵌在開溝器之中，在拖拉機的牽引下，先開溝后投種，再通過覆土器進行覆土； 當播種大蒜時，在振動篩中倒入大蒜，通過振動篩與排種器以及覆土器的配合，完成大蒜的直立種植。
4 結論
大蒜種植機械一直是國內外農機界較為重視的研究方向，但是大蒜如何實現在栽植過程中的直立一直沒有成熟的解決方案。本文通過對市場上常見的兩種機械設備和農機配件進行有機結合，針對大蒜的特點進行改良和創新，從而設計出大蒜篩選和栽植裝置樣機，為大蒜種植機的研發及新產品的開發提供了一種較為高效的創新思路。本研究從成熟的、現有的農機產品出發，結合所要設計的對象特點，進行改進和創造，不僅能夠大大縮短設計人員的研發時間，而且能夠提高方案的可行性； 在已研發的產品的基礎上進行二次創造，將成為設計農機產品的一條重要思路，具有一定的參考價值。田間試驗表明： 大蒜能夠保證較高的直立率，并且能夠通過鴨嘴型口進行插播和斂土，達到直立栽植的目的，但是該裝置很難調整大蒜的行距。一旦排種器設計完成，就對應固定的行距，此問題需要在后續的設計中進行調整和改進。
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