宋江，王明，劉麗華，劉天祥，韓霞，鄭桂萍，歷銳

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

平貝母（Fritillaria ussuriensis Maxim）為百合科（Liliaceae）貝母屬FririllariaL.植物的鱗莖，味苦、甘，性微寒，具有清熱潤肺，化痰止咳功能[1]。平貝母是我國較為名貴的傳統(tǒng)大宗藥材，更是我國出口創(chuàng)匯的重要商品，在國內(nèi)外中藥材市場上頗受青睞。傳統(tǒng)平貝母藥材以野生為主，近幾十年來國內(nèi)出現(xiàn)人工栽培方式[2-4]。主產(chǎn)于黑龍江、吉林及遼寧等省的東部山區(qū)，與我國川貝母、浙貝母“三分天下”。統(tǒng)計(jì)資料表明，2006年，全國平貝母種植面積為1.6 萬hm2，產(chǎn)量為2 萬t，2010年達(dá)到1.8 萬hm2，產(chǎn)量為2.4 萬t，分別比2006年增長12.5%和20%。然而，平貝母生產(chǎn)機(jī)械裝備，尤其是收獲機(jī)械，卻極為匱乏，根本無法滿足其規(guī)模化生產(chǎn)之需求。

平貝母等級分級是平貝母收獲的重要環(huán)節(jié)。等級分級的目的:一是對其藥材商品進(jìn)行分級以便于銷售，二是對繁殖材料進(jìn)行分級以便于規(guī)范生產(chǎn)[5]。目前，貝母等級篩分主要集中在采收分級標(biāo)準(zhǔn)的確定和分級方案的選擇上，鄭軍以1～3年生人工栽培川貝母鱗莖的高、直徑和單粒質(zhì)量為指標(biāo)進(jìn)行分級，并制定采收分級標(biāo)準(zhǔn)，為后期鱗莖繁殖的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化做指導(dǎo)，程立杰采用鋼絲網(wǎng)制作的滾動圓篩對平貝母進(jìn)行等級篩分[6]。這些研究成果雖然可以為平貝母等級篩分機(jī)械系統(tǒng)的研發(fā)提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)參考，但對于平貝母篩分過程中分離能力、破損等方面問題及針對上述問題提出的機(jī)械系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)尚無報(bào)道。因此，針對上述缺陷設(shè)計(jì)了一種適合東北東部山區(qū)種植的振動式平貝母等級篩分機(jī)，同時(shí)也為平貝母收獲機(jī)械設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，振動式平貝母等級篩分機(jī)[7]配套動力為6 kW 的柴油發(fā)動機(jī)，整機(jī)由上層篩面、中層篩面、下層篩面、排雜裝置、機(jī)架和傳動系統(tǒng)等部分組成。

1.2 工作原理

作業(yè)前，調(diào)整手柄將4 個(gè)支腿收起，通過行走輪把平貝母等級篩分機(jī)運(yùn)至工作地點(diǎn)，通過調(diào)整可調(diào)后擺桿有效工作長度，確定篩面傾角。

作業(yè)時(shí)，調(diào)整手柄將4 個(gè)支腿放下，行走輪離地，將平貝母壟掘起，平貝母根莖和土塊一起裝入振動式平貝母等級篩分機(jī)上層篩面，在柴油機(jī)和傳動系統(tǒng)的帶動下，平貝母根莖和土塊垂直篩面向上跳動和沿篩面前后滑移，直徑小于篩孔直徑的土塊和馬鈴薯分別從上、中、下層篩網(wǎng)中漏下，直徑大于篩孔的平貝母直接收集，完成了三次分離，分出了四個(gè)等級的平貝母，分出的平貝母采用水洗法清理干凈土壤、碎石等雜質(zhì)，便于后續(xù)烘干室干燥。

圖1 振動式平貝母等級篩分機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖Fig.1 Simplified mechanism of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 篩面組件

篩孔幾何參數(shù)是篩孔設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，是決定平貝母等級分級的準(zhǔn)確性、堵塞情況和破損重要依據(jù)。

選取1～3年生人工栽培川貝母鱗莖的三維尺寸（長、寬、高）為指標(biāo)，通過測定與統(tǒng)計(jì)分析確定，上層篩孔最小尺寸為13×20 mm；中層篩孔尺寸為9×18 mm；下層篩孔尺寸為7×10 mm，在保證準(zhǔn)確分出土層中所有平貝母和保證篩分率的前提下，通過改變傳統(tǒng)篩孔形狀，達(dá)到降低篩孔堵塞和平貝母破損的目的。

如圖2 所示，試驗(yàn)表明：平貝母在鋼絲網(wǎng)篩面篩分時(shí)，其運(yùn)動是平貝母根莖和土塊垂直篩面向上跳動和沿篩面前后滑動，平貝母根莖和土塊垂直篩面向上跳動增加平貝母的透篩機(jī)率，而前后滑動過程中增大了平貝母刮傷的機(jī)率，尤其是垂直于運(yùn)動方向的鋼絲，在篩面運(yùn)動速度較快的情況下，平貝母刮傷的情況極其明顯，同時(shí)篩網(wǎng)線直徑過小使得平貝母根須頑固地纏繞在篩孔上，篩孔變小，堵塞嚴(yán)重，為解決上述問題，創(chuàng)造性的將篩面制作成由篩面和長條形篩孔組成的篩面，如圖3 所示，其上、中、下層長條形篩孔的尺寸分別為13×40 mm；中層篩孔尺寸為9×30 mm；下層篩孔尺寸為7×20 mm。這些篩孔在保證分離的準(zhǔn)確性和很好的透篩性的同時(shí)，該篩面可以起到降低篩孔堵塞和平貝母破損的目的：①平貝母根須長度為40～60 mm[9]，為保證平貝母根須不纏繞篩孔，由L=2x 得篩孔的最小間距x=30 mm；②篩孔在垂直運(yùn)動方向開圓角可以大大緩解平貝母在篩面上滑動時(shí)破損情況。

圖2 鋼絲篩Fig.2 Wire sieve

圖3 篩面圖Fig.3 Screen surface

2.2 傳動系統(tǒng)

2.2.1 傳動系統(tǒng)運(yùn)動分析

傳動系統(tǒng)配置如圖4 所示，曲柄輪d 與連桿連接，連桿與篩面連接，同時(shí)篩面還與前、后擺桿連接。動力由柴油機(jī)帶輪傳入安裝在機(jī)架上的皮帶輪，再由皮帶輪傳動至曲柄輪，曲柄輪上動力帶動連桿使篩面作往復(fù)振動，完成對平貝母的等級篩分，振動篩體通過機(jī)架兩側(cè)的前擺桿、后擺桿懸掛在機(jī)架下部。作業(yè)時(shí)，后連桿可調(diào)，使振動篩按不同角度作往復(fù)振動，以實(shí)現(xiàn)平貝母篩分。

初步選定振動篩篩面初始安裝傾角為23.5 度（小于平貝母在篩面上的自然休止角），四連桿機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)為曲柄長度26 mm；連桿長度330 m；前擺桿長度230 m，后擺桿長度（可調(diào)）630 m；曲柄旋轉(zhuǎn)中心與擺桿旋轉(zhuǎn)中心距離420 m，篩面長度1 200 mm。

圖4 振動式篩分機(jī)傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 The Simplified structure of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel transmission system

2.2.2 傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

2.2.2.1 設(shè)計(jì)變量：選取空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的曲柄l1（即偏心距）、連桿l2、前擺桿l3，共3 個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)變量。

2.2.2.2 約束條件：根據(jù)平貝母等級篩分機(jī)的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)和使用的實(shí)際情況，以及過去的試驗(yàn)結(jié)果，可得到以下的約束條件:

（1）曲柄l1。即偏心傳動輪的偏心距。受偏心傳動輪結(jié)構(gòu)尺寸及實(shí)際應(yīng)用的影響，0≤l1≤40 mm。

（2）連桿l2，擺桿l3。根據(jù)偏心傳動輪和前擺桿固定點(diǎn)之間的距離及連桿的運(yùn)動情況，確定連桿l2的范圍：

l2+l3≥460 mm

（3）機(jī)架間距l(xiāng)4。擺桿l4尺寸受等級篩分機(jī)尺寸的影響，不宜調(diào)整，可由實(shí)際需要，令其為常量l4= 420 mm。

（4）傳動角γ1。根據(jù)曲柄機(jī)構(gòu)傳動力的形式，確定角的范圍為γ1≤45°[8-9]。即

其中，0≤x1≤l1，l2-l1≤x3≤l1+l2。

2.2.2.3 目標(biāo)函數(shù)：為了使平貝母等級篩分機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，降低成本，提高篩分機(jī)的性能，以空間曲柄擺桿傳動機(jī)構(gòu)的桿件尺寸最小為目標(biāo)函數(shù)：F=min（l1+l2+l3）

2.2.2.4 優(yōu)化計(jì)算：調(diào)用Matlab 優(yōu)化工具箱中的Fmincon 函數(shù)求。

解非線性約束優(yōu)化問題[12-13]。運(yùn)行程序，得優(yōu)化結(jié)果見表1。

表1 振動式平貝母等級篩分機(jī)優(yōu)化前后的參數(shù)對比（單位：mm）Table 1 Parameter comparison of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel optimization

3 田間試驗(yàn)及結(jié)果分析

田間試驗(yàn)在黑龍江省伊春市紅星區(qū)平貝母種植基地進(jìn)行。試驗(yàn)地塊土壤為黑鈣土，土壤含水率為11.2%，堅(jiān)實(shí)度為242 kPa，收獲前一周植株經(jīng)殺秧處理。試驗(yàn)樣機(jī)配套功率6 kW 柴油機(jī)，如圖5 所示。

試驗(yàn)區(qū)段為剛起收的平貝母，且平貝母直徑最小為1 mm，最大為20 mm。性能測定在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行。

試驗(yàn)中機(jī)具的工作參數(shù)為: 初始篩面傾角為23.5°，曲柄盤轉(zhuǎn)速為6.5 r·s-1。

圖5 振動式平貝母等級篩分機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)Fig.5 Experimental prototype of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel

表2 平貝母等級篩分機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of the performance test on vibration type Fritillaria ussuriensis grade screen vessel

4 結(jié)論與討論

在保證準(zhǔn)確分出土層中所有平貝母和保證篩分率，又降低篩孔堵塞和平貝母破損的前提條件下，通過對平貝母等級篩分機(jī)的理論分析，提出平貝母等級篩分機(jī)長圓孔篩面結(jié)構(gòu)；并對傳動系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了傳動機(jī)構(gòu)的性能與工作可靠性。田間試驗(yàn)表明: 該平貝母等級篩分機(jī)透篩率、平貝母破損率和篩分準(zhǔn)確率指標(biāo)均達(dá)到了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

提出的平貝母破損率包括表皮擦傷、裂紋、斷裂等，破損程度各不相同，下一步需要通過平貝母不同破損程度對干燥后平貝母成分和留種繁殖影響的模擬試驗(yàn)，分析平貝母篩分允許的破損程度，確定允許破損率。

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