大蒜播种机

1大蒜播种过程特点及机械化播种迫切性1.1播种过程特点1.1.1农艺影响大蒜鳞牙朝向，脊背朝向是大蒜播种时的两项重要农艺要求。这两项农艺条件对大蒜生产的产量，质量和收益产生比较大影响。甚至影响到种植是否成立的程度，如果大蒜播种时，鳞牙朝下比例比较大的话，这季大蒜种植基本上亏损。大蒜播种时的其他农艺要求，如行距，株距，播种深度，播种时间等条件虽然对大蒜的产出效益影响也比较大，但这些条件很方便采用机械化方式去实现和控制。因而在机械化大蒜播种中，这不是主要影响因素。鳞牙的朝向对大蒜的影响，主要是对蒜头重量和横径产生影响。依据普遍农户大蒜生产得到的经验及南京农业机械化研究所的研究表明(参考文章：金诚谦等大蒜播种时鳞芽朝向对大蒜生长发育影响的试验研究，农业工程学报，2008-04)：播种时鳞芽朝下时，收获蒜头重量轻，横径小。单体与鳞牙朝上比，重量只到60%，横径只到80%（横径与大蒜价格关系是非线性关系，基本上倒立栽培产出蒜果均处于严重低价区域），倒立播种在相同条件下的产出价值仅为朝上播种产出价值的49%(相关分析见附录)。大蒜种植时脊背朝向主要影响大蒜生长时的叶片朝向，进而影响叶片光合作用和产量。其影响的显著度不及鳞径朝向的影响，目前有这方面研究、试验及论文，但暂时没有找到。1.1.2劳动强度大为保证大蒜播种时的鳞牙朝上和行株距的一致性，国内主要采用人工播种。播种时为保证鳞牙朝上，播种人员一般从蹲到跪，或者半蹲半跪的方式播种，其劳动强度可想而言。即使和其他人工作业的农作物播种比起来，其劳动强度也基本上是最大的。1.1.3用工集中依据联合国统计，世界大蒜播种面积在1000万亩左右，其中中国是大蒜的主要产地，播种面积为600万亩左右。中国主要产区在山东金乡为中心，500公里范围内；大蒜播种时间主要集中在9月下旬到10月上旬；播种时由于劳动强度比较大，播种效率比较低，熟练大蒜播种人员一天仅能完成0.02hm2（0.3亩）的播种面积，一个大蒜播种季度需要几千万人天的工时。由于播种地域，时间，效率的限制，大蒜播种用工非常集中，大蒜主产区要获得播种劳力困难。1.2机械化播种需求迫切中国成为大蒜的主产区，除中国部分地区大蒜个头大，质量好外，劳动力充足及成本低是一个主要因素。大蒜从播种，薄膜开口到收蒜薹、蒜苗、蒜果，每一株大蒜需要手工完成工序数5到7次，其中每一道工序，都是非常繁重的体力劳动。过去，由于中国劳动力充足，劳动力成本低，所以大蒜种植面积很大，出口量也很大。每年出口量达到200万吨以上,是中国主要的经济作物出口品种。随着国内经济的发展，中国的劳动力正在变得不再充足，劳动力成本也正在变得越来越高，相关资料表明，从2008年到2015年，中国农业单体从业人员成本提高了3倍，新的农村体力劳动力基本上没有得到补充。这一现象逐渐使中国大蒜的生产成本快速增长。增长到一定程度，当劳动力成本到达某个临界值时，在未来十年内，大蒜将很难再在国内进行规模化生产。受到可耕种面积制约，国外不考虑农艺要求的机械化播种方式也难适应国内环境。国内一些过去的大蒜主产区，如陕西的兴平和武功，最近一些年大蒜播种面积已经大大减少，未来几年规模种植将可能会完全从该地区消失。依据笔者山东，河南，湖北，陕西，四川等各地的调研结果，大蒜从种植到收获，单亩人工成本已经达到1200-2500元左右，而且这一成本在未来还将不断攀升；更可怕的是，在大蒜生产季节，有时候有些地区几乎找不到用工。实现大蒜播种、收割、提薹机械化是解决这一问题关键，也是中国经济发展的必然。今天，中国粮食作物生产基本上已经完全实现了机械化，下一步在经济作物上实现机械化，是一种大势所趋。2国内外大蒜播种机械化情况国外发达国家，如美国，法国，日本，西班牙等国家，在大蒜生产上基本上都实现了播种机械化。但这种机械化是受到限制的机械化，没有考虑农艺要求，无法保证鳞牙朝上。在这些国家不保证鳞牙朝上的种植是行得通的，这些国家要么可耕地面积相对宽裕，要么蒜农可以通过大蒜分级，用比较高的价格在其国内来销售这些产品，其经济效益基本上不太受到影响。包括中国农科院在内的多家研究所，企业，农户，都在大蒜播种机械上有过尝试，开发十几种大蒜播种机产品，但受到各种技术和适应性限制，没有一种产品得到市场认可，也没有一种形成商品化广泛推广。国外的大蒜播种机也在国内进行过市场行为，如西班牙的宝奇和法国的艾门及韩国的大蒜播种机企业等，都在国内进行试验销售，但基本上都是无果而终。新疆昭苏引进过艾门的大蒜播种机、山东莱芜引进过韩国的大蒜播种机，都没有获得农户的认可。综合这些情况，国内基本上还没有成功的可商业化的大蒜播种机。目前以各种方式出现的大蒜播种机大致都存在着下列问题：1无法满足农艺要求，特别是无法满足中国特点的农艺要求。主要就是无法保证大蒜鳞牙朝上并且直立。2效率限制。大蒜播种机除满足农艺要求外，还要求具有一定的效率。大蒜播种机机具复杂，成本比较高，农户采购播种自己的种植过程因为价格高而不合算；农机手购买后为大量农户服务又因为种植效率底下而不具有经济性。3播种机适应性差。大蒜播种机有很多适应条件，这些条件包括地域条件(影响行株距，间作等)，土壤条件（土壤湿度，颗粒大小，土壤土质是粘土还是沙土），种子(种植尺度大且分布宽，选种)，种植目的（苗蒜、果蒜、薹蒜或者混合目标），田亩条件(面积和形状)等。3商业化大蒜播种机实现技术3.1大蒜播种机技术要求多项研究表明，适应国内大蒜种植方式，同时能进行商业推广的大蒜播种机，主要要解决下列技术问题：1为保证大蒜种植后鳞牙朝上，需要大蒜播种机解决以下三个关键技术问题1精密排种技术2大蒜鳞牙识别技术3直立播种技术2生产效率问题必须在每个技术环节，解决其效率问题，使大蒜播种机在其运行的各个阶段均具有一致或者设计的效率。3适应性问题必须在功能，性能上充分考虑中国大蒜播种的适应性，这些适应性包括地域条件，土壤条件，种植目标，种子状态，田亩条件等的限制。3.2现存大蒜播种机技术思路问题国内外现存的大蒜播种机都存在技术思路问题，期望采用传统的农机技术，解决大蒜播种问题。在技术实现上几乎是不成立的。这些播种机也许能解决其中的一部分问题，但是实现商业化的大蒜播种机的技术问题是相互联系，因而只要有一个问题没有解决，这样的大蒜播种机就不具备市场价值。所谓传统农机技术，就是通过一个连续的，系列化的方式和过程，对处理的目标无差异的处理。表现在大蒜播种机上，就是对每一瓣蒜瓣都通过相无差异的排种、鳞牙识别、倒向及植入。这一方法对于其他种子尺度小，分布有限，种植要求简单的播种，在实践上证明是行得通的，但对于大蒜播种这一直立度要求严格，种子形状复杂且尺寸大且差异大，分布广的种植，要想采用传统大蒜播种技术来实现，是很困难的，这点已经得到了客观的验证。采用这种思想开发的大蒜播种机，要么无法保证播种质量（漏播和倒立数量大），效率低下，不具有实用价值；要么机构复杂、成本大、不稳定，也不具备市场推广的价值。3.3新型大蒜播种机的基本技术思路现代技术的发展，为实现大蒜播种机商业化产品的提供了技术支撑。特别在播种机中运用视觉技术，工业自动控制思想，使开发具有市场价值的大蒜播种机成为可能。1智能思想智能思想就是采用智能的方式，实现对大蒜的蒜种的鳞牙的方向的识别和大蒜蒜种尺度，缺陷的确定，以便后续依据这些识别的结果，决定对单粒蒜种采取的处理方式这一思想是主要是通过视觉技术和软件技术来实现的这一思想，可以准确确定大蒜的尺度和质量，对不符合尺度和表面质量的大蒜进行剔除，并依据大蒜鳞牙方向决定后续处理方式。2自动控制思想传统的农机，在处理对象过程中是连续的，无差异化的。采用这一思想处理复杂的过程，设备必然非常复杂。自动控制思想，是将连续的过程分解成一个个独立过程，通过控制系统来保证这些过程的时序一致性。这一思想将大大降低大蒜播种机的复杂程度，提高大蒜播种机的效率，功能完整性和机械的适应性。为商业化大蒜播种机设计提供理论支持。实际上，实现这些思想的技术中的一部分，国内相关的高校，研究所（如青岛农业大学，南京农业机械化研究所，西北农林科技大学，山东五征集团，中国矿业大学，南京农业大学等等），基本上都进行过一些研究。进行了一些方向性的尝试。但这些单位无法在一台设备中全面解决这些技术问题。更重要的是，这些单位的尝试，在技术可实现方面欠缺比较大。所以这些单位尚未设计一个完整的，具有商业价值的大蒜播种机。至于那些注册专利和在大蒜播种机上有过实践的农户，其目标只是希望通过一些技术灵感来降低劳动强度而已，离可推广的，具有商业价值的产品，还离得太远，毕竟他们受到得限制也太大了。3.4新型大蒜播种机采用的技术1视觉技术：采用视觉技术，可以实现鳞牙朝向的识别和解决选种问题2机器人智能技术：采用机器人技术，可以实现排种的精确化和播种的准确化3材料技术：在局部上，为保证设备性能，我们采用了一些自行研制的特殊材料。4自动控制技术：通过自动控制技术，保证了整个大蒜播种机的协调工作。5软件技术：软件技术是实现自动控制的一个重要部分6机械技术：所有的技术，最后都通过机械技术来实现。7气动技术：在某些局部行为上，采用气动技术，实现排种精确化。这些技术应用在大蒜播种机上，不仅会使我们的大蒜播种机完全实现商业价值，同时在大蒜播种机上采用这些技术，不仅在国内是领先的，在从查询相关技术专利和发表文章来看，在国际上也是领先的。在我们的产品中，有8项实现的技术可以申请国内外专利，其中的2项，技术难度很高，属于完全创新技术。4开发产品主要技术指标和适应技术限制4.1适应的技术限制范围1大蒜尺寸：适应所有的大蒜尺寸，能通过选种将不符合农艺要求和设备要求的尺寸的大蒜过滤2行距适应性：100-200mm,适应除苗蒜播种以外的所有大蒜播种3株距适应性：80-200mm,适应所有目标大蒜生产的大蒜播种4适应间作播种5土壤干燥，松软，颗粒度小且大颗粒泥土分布均匀6适应粘土和沙土7适应薹蒜和果蒜及薹果兼收型种植的播种8播种地块必须已完成耕地9播种地块限制，对那种利用小块地面自产自消耗的种植方式的地块，无法适应。10不伤害播种的大蒜蒜瓣(大蒜蒜瓣很容易受到伤害)，采用自动化技术进行高速蒜瓣传递，很容易伤害大蒜，影响大蒜的后期出牙和生长。4.2主要技术指标1速度指标：86000瓣/小时，按亩20000颗计算，达到4.3亩/小时，在实际播种时可以超出这一速度2朝向及直立度，大蒜直立且直立锥角小于10度3单次播种行数包括4，8，12行4完成包括土地整理，开沟，播种，覆土，压实等播种过程5能完成自动选种过程，可由农户设置选择大蒜尺寸范围6种箱容积可一次完成播种3-5亩7动力：需要45马力以上动力8一人操作，不需要辅助人员5开发企业的经营优势5.1方法论的创新思想和手段按国外的创新思想，灵感对一个发明固然重要，但创新本质上是以指标为驱动的一个连续推理过程。从指标推导出一系列的功能和替代功能，然后从理论上找出实现这些功能的理论方法，最后依据这些功能的环境进行本地化设计，通过局部实验证明这些设计的结果达到指定环境要求的指标，即可认为这一设计是成功的。当一个系统被正确地连续分解成若干个功能序列组成，每一个功能在成立边界上被证明是可行的，那么整个系统就被认为是可行的。在这一思想方法下，指标提取，边界确定和合并，分解方法是实现发明创造的关键技术。现在广泛流行的产品开发和创新主要是依赖在某些专业的长期经验积累和对产品的长时间的改进来实现的，这一方法的弊病是，开发产品准入高，要求长时间的积累和大量的资金。并且开发产品的周期长，在产品开发时，留有大量的空白，需要在后续的改进过程中实现。新的创新思想方法颠覆了传统的产品开发方法思想，大大降低了新的产品开发的准入门槛，缩短了产品开发周期和降低了产品开发成本，提高了新产品开发成功几率。我们将这一思想应用于我们开发的很多的产品过程中，被证明是一种非常行之有效的方法。我们采用了一些辅助工具协助我们以更好质量地利用这一思想，像我们使用的GoldFire这样的软件工具，大大缩短了我们解决困难技术功能点的周期和突破个体的