0 引言

大蒜种体形态具有不规则性，并且国内农艺要求单粒、直立、等距、精确播种。目前，仍是用人手点播的方式进行大蒜播种，劳动强度较大、效率低。直立栽种是我国传统种植模式，是大蒜种植的最好选择，可以使蒜头质量大、横径大。

大蒜种体入土后的直立度控制技术是影响大蒜栽种机栽植质量的关键技术之一。根据种子进入土壤穴孔与成穴器在土壤上成穴是否同时进行，将打穴播种机分为同步播种机和异步播种机两类。韩国现在常用压穴式大蒜播种机，先压出半球面形蒜穴，然后投种，利用蒜穴内球面来控制蒜鳞芽方向。法国和捷克斯洛伐克生产的大蒜播种机采用蒜头播种，用特定扶正机构、振动定向器来解决蒜头在输送过程中的定向问题，基本上解决了鳞芽朝向问题，但鳞芽直立度没有保证。另外，国外大蒜种植主要采取规模化和专业化栽种，其栽种机械并不适合我国的国情。

2004 年，中国农业机械化科学研究院研制开发的2ZDS 系列自走式大蒜栽植机械，采用仿生成穴技术、仿生投种技术来解决直立栽种问题，实际栽植过程中直立率不高，尚未被农民接受而大量推广使用。

2007 年，金磊系统地研究了同步垂直插入直立投种机构，为大蒜直立栽种提供了较好的研究基础。2011 年，何岳平将水稻插秧机分插机构工作原理作为大蒜栽植机栽植系统的优化设计基础进行了研究，证明优化后的分插机构工作参数符合大蒜栽植农艺需求。

针对大蒜种植农艺要求，本文将吊篮式移栽机原理作为大蒜栽种机栽植系统设计基础，对栽植器结构特征参数和成穴参数进行研究，为新型吊篮式大蒜直立栽种机的设计奠定理论基础。

1 栽植系统运动特征参数

1． 1 栽植器运动方程

种体的绝对运动是由机组的前进运动与栽植机构运动复合而成，如图1 所示。

以 Z 点为参考点(栽植器入土部分的最低点)，其运动方程为

式中 V —机组前进速度;

ω —栽植器转动角速度(逆时针为正);

X0、Y0—Z 点相对于原点的坐标;

r —栽种轮转动半径;

Δx — Δx = r － X0;

t —时间。

1． 2 栽植器运动轨迹特征参数

要使种体稳定地栽入土中，在栽种过程中要满足种体“零速”投种，即满足轨迹特征参数 λ ≥1，如图 2所示。

栽种过程也是栽植器与种体的分离过程。为了减小栽植器运动对种体姿态的干扰，应尽量缩短分离时间。种体脱离栽植器时的运动除了受栽植器影响外，还存在垂直向下的自由落体运动。与栽植器下降段投种相比，上升阶段投种时，种体和栽植器在竖直方向的相对速度更大，分离时间更短，更有利于投苗;如果栽植器下降阶段投种，打开时土流会顺势进入其内部，将种体支起，不利于脱种。所以，栽植器最佳投种时间应该是图2 中所示轨迹 OB 段。

1． 3 栽植系统工作参数关系

1)机组前进速度 V 、传动比 i 、驱动轮转动半径Ｒ 、栽种盘转动半径 r 、驱动轮转动角速度 ω1、栽种盘转动角速度 ω2、打滑率 μ 与轨迹特征参数 λ 的关系为

将式(2)和式(3)代入式(4)得

2)栽种盘转动半径 r 、栽植器数量 n 与栽植株距 S的关系为

从以上公式可以得以下结论:

1)轨迹特征参数 λ 与 i 、μ 、Ｒ 、r 有关，与机组前进速度 V 无关;

2)栽植株距要大于两个吊篮之间的弧线;

3)最佳投种时间为栽植器上升阶段;

4)大蒜直立栽种条件 1:λ ＞ 1，且机组前进速度不影响 λ 的大小。

2 成穴参数

大蒜种体形态不同于其它移栽体，本身形态不具有保证直立的支撑面，要依靠栽植系统形成的土穴来定位。土穴参数是确定大蒜直立栽种机构工作参数的主要依据，其穴深、穴宽、穴长、穴距等参数都是影响设计的主要因素。根据大蒜栽植农艺要求和大蒜种体外形尺寸确定土穴参数(见图 3):穴深 H、穴宽B、穴长 L。

设大蒜种体长为l 、宽为b 、厚为s≈1．2b ，直立度在大于 α 、小于180° －2 α 范围内视为直立栽种，如图3 所示。大蒜直立栽种对种穴参数的要求:

穴深 H : H ≈ l + (20 ～ 30)

穴宽 B : b ＜ B ≤ l × cosα + b × sinα

穴长 L : s ＜ L ≤ l × cosα + s × sinα

大蒜直立栽种条件2:大蒜栽植系统形成的种穴满足大蒜直立栽种对种穴参数的要求。

3 工作参数与成穴参数的关联

栽植器入土部分的最低点，入土时间最长，其最大水平位移大于或等于其余所有点的最大水平位移，因此仍然取此点为参考点。图4 为栽植器的运动轨迹。

3． 1 穴深

穴深直接决定栽种深度。由图 4 可以看出，当栽植器尺寸确定时，影响穴深的关键因素为驱动地轮中心轴线与栽种盘中心轴线之间的高度差 H1，一般通过调节地轮高度来调整种穴深度。

3． 2 穴宽

穴宽过大，蒜瓣难以直立;穴宽过小，蒜瓣易出土或漏播。图 4 中，种植斗端点处于 E 点接触地面，F点挖掘土壤达到最大深度，G 点离开土壤。

当种植斗位置为 E 点时，y = Ｒ ，代入式(1)得到此时转角为

3． 3 穴长

穴长过大时，蒜瓣难以直立;穴长过小时，蒜瓣易出土或漏播。穴长主要由栽植器形状和打开凸轮参数决定。

3． 4 穴距

试验表明，大蒜产量在一定范围内随种植密度的增大而增大，但蒜头尺寸随之减小，而蒜头大小是衡量大蒜品质的重要标准之一。根据蒜头出口标准要求(直径5 cm 以上)的种植密度，穴距可取120 ～150mm。

移栽机使用过程中调整参数时，在满足式(14)的前提下可以通过改变传动比小范围调整株距;但是如果株距调整使值超出了式(5)表示的范围，此时应考虑改变栽植器个数来调整株距。

由以上分析可以得出结论:

1)穴深 H 与 H1及栽植器尺寸有关，与 V 无关;

2)穴宽 B 与 i 、μ 、Ｒ 、r 有关，与 V 无关;

3)穴距 S 与 i 、μ 、Ｒ 、n 有关，与 V 无关;

4)大蒜直立栽种条件 3:机组前进速度不影响种穴的形成。

4 栽植系统模拟与运动特性分析

吊篮移栽机运动本质为 n 个平行四边形机构(ABCD)圆周运动和机组水平移动的复合运动。运动简图如图5 所示。

基于栽植系统运动简图和样机参数(见表 1)，在ADAMS 交互式图形环境中建立栽植系统参数化几何体，添加相应的约束副和驱动副，完成虚拟样机模型，如图6 所示。

在虚拟样机中，根据成穴参数方程及大蒜栽植的种植模式，确定机组前进速度为120mm/s 和300mm/s。根据公式(3)，栽种盘转动角速度分别为 －55． 5°/s 和138． 75° /s。在这两种情况下，λ ＞ 1 ，仿真时间为 5s，步长1 000 步。仿真结果如图7 所示。

栽植器的运动轨迹是决定栽植机工作性能和栽植质量的主要因素之一。由图 7 可以看出，运动轨迹成余摆线，穴底部曲线成弧线，保证了栽植器在上升阶段顺利脱种。同时，栽植器向后推土，可以减小拖拉机的牵引阻力。另外，从图7(a)、(b)可以看出，在栽植系统参数确定的时候，运动轨迹与机组前进速度无关，即机组前进速度不影响种穴的形成。

5 结论

1) 得到大蒜种体入土后的直立栽种条件:λ ＞ 1，且机组前进速度不影响 λ 大小;大蒜栽植系统形成的种穴满足大蒜直立栽种对种穴参数的要求;机组前进速度不影响种穴形成。

2) 小范围株距调整可以通过改变传动比实现;但是如果传动比改变值超出式(5)表示的范围，应考虑改变栽植器个数 n 来调整株距。

参考文献（略）