宋江，徐龍

（1.黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 163319；2.黑龍江省紅星農場）

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，近幾十年來國內出現人工栽培方式[2-3]。主產于黑龍江、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)計資料表明[4-5]，2006年，全國平貝母種植面積為1.6 萬hm2，產量為2 萬t，2010年達到1.8 萬hm2，產量為2.4 萬t，分別比2006年增長12.5%和20%。然而，平貝母生產機械裝備，尤其是收獲機械，卻極為匱乏，根本無法滿足其規(guī)?；a之需求。

平貝母挖掘是平貝母收獲的重要環(huán)節(jié)，目前其機械化收獲水平非常低，大部分地區(qū)還主要依靠人工收獲，少數地區(qū)所使用的平貝母挖掘機僅僅實現了挖掘功能的半機械化作業(yè)，不能進行有效的推廣[6]，平貝母專用挖掘機在國內還處于空白。國外發(fā)達國家由于沒有或種植面積小，尚無平貝母收獲機械方面的報道。

結合東北丘陵地帶的地形地貌和平貝母的種植模式，在考慮破損率和收凈率等因素的前提下，研制了手扶拖拉機懸掛的平貝母挖掘機，并在田間進行了樣機收獲性能試驗，確定樣機性能參數。

1 種植模式和結構方案

1.1 種植模式

平貝母種植選用針闊混交林下發(fā)育的地帶性森林土壤，屬暗棕壤或砂壤，土壤有機質含量高，質地疏松，透氣性、透水性好，pH 值為6.4～6.8[7]。平貝母采用種子繁殖的種栽，秋季翻耕深度在25～30 cm；春季進行旋耕，旋耕深度在25～30 cm。平貝母作畦的規(guī)格為畦面寬約1.2 m，作業(yè)道寬度約40 cm，畦長因地塊而定，一般以15 m 左右為準，畦高約20 cm。先丈量出畦床的位置，用米尺量好畦寬、作業(yè)道寬和畦長，在畦面的四角處釘上木樁，然后用尼龍繩按四角木樁系好。在作畦床時，當畦床做好后，整平畦面，均勻施上一層3～4 cm 厚的已腐熟好的農家肥料，然后撒上一層約3 cm 的細土，整平后輕壓，然后直播種子從鄰近畦床取用復土，覆蓋厚度4～6 cm 左右，最后在上面蓋上一層蓋頭糞2～3 cm，如圖1 所示。

圖1 平貝母種植模式Fig.1 Fritillaria Ussuriensis planting pattern

1.2 整機結構及工作過程

針對平貝母種植模式，考慮到東北山區(qū)地形地貌及工作效率等因素，設計成手扶式平貝母挖掘機，平貝母挖掘機的鏈接框和手扶拖拉機尾端相連，動力由手扶拖拉機離合器皮帶輪傳遞到挖掘機主動皮帶輪，總體設計結構如圖2 所示。

圖2 平貝母挖掘機結構簡圖Fig.2 Structural drawings of Fritillaria Ussuriensis digger

整機主要由手扶拖拉機、傳動系統(tǒng)、分土機構、起貝土機構、貝土輸送機構、貝土集收裝置和機體等部分組成[8]。該設備一次完成1 行平貝母的起收工作，具體功能及工作過程為：機具行進過程中，由分土機構刮去表層土壤，并將表層土分到兩邊的壟溝，起貝土機構松土并起收貝土，貝土輸送機構將貝土輸送到集收裝置，并將收起的貝土成堆置于畦上，完成起收過程。

表1 技術參數Table 1 Technical parameters of Fritillaria Ussuriensis digger

2 關鍵工作部件結構及工作原理

2.1 分土機構

分土機構的主要作用是將平貝母上層的蓋頭糞和覆土層分到作業(yè)道上。根據上述平貝母種植模式和生產實際，該層厚度在5～8 cm，對于一般15 m 畦長，起土量在1 m3左右，可見起土量較大，這些土不將其分出來勢必增大機械化收獲等級篩分環(huán)節(jié)的壓力，影響篩分效率，因此有必要設計分土機構。

該機構主要由螺旋軸、反向螺旋葉片和螺旋殼體組成。

圖3 分土機構Fig.3 Riffle splitter

2.1.1 挖掘鏟參數的確定

根據圖1，平貝母形狀尺寸和平貝母挖掘機結構特點，分土機構挖掘鏟設計為條形平面單鏟，鏟面呈條狀，可有效降低刮掉多余的貝土，影響收凈率。由于平貝母畦寬為1.2 m 和蓋頭糞、覆土層向兩側作業(yè)道分的特點，因此挖掘鏟的寬度為1.2 m。

挖掘鏟的工作參數主要包括挖掘深度和入土角α。挖掘深度取決于蓋頭糞和覆土層厚度，為避免鏟到和鏟傷平貝母鱗莖，挖掘深度需要小于蓋頭糞和覆土層厚度。分土深度在5～8 cm 范圍內，挖掘鏟深度由尾輪高度來調整，分土調節(jié)深度可實現挖掘深度在0～8 cm 范圍內調節(jié)。由于分土深度較淺，只要保證分出的土連續(xù)向兩側運動即可，根據平貝母貝土物理力學特性，入土角小于貝土休止角，理論分析及實踐表明[9-10]，入土角通常設置為 20 °～25 °。

2.1.2 螺旋機構參數的確定

螺旋是平貝母分貝土部分的基本構件，它是由軸和螺旋葉片組成的，螺旋葉片多由鋼板沖壓而成，然后將它們相互焊接起來，其厚度為4 mm。

按照貝母收獲機的行走速度為0～2 m ·s-1，按每天8 h 工作，每天工作量約為1 334 m2，則螺旋最大輸送量Q=13.44 m3。

由螺旋直徑計算公式[13]

式中：AZ——物料綜合特性系數；

Ψ——充填系數；

C——傾斜工作時輸送量校正系數；

ρ0——物料堆密度，t ·m-3；

Q——輸送能力，t ·h-1。

經查表，式中 AZ=0.2，Ψ=0.2，物料堆密 ρ0=1.34，C=1。

取整得到：D=150mm

由螺旋輸量計算送公式[13]

式中：A——物料特性系數；

D——螺旋直徑。

得到螺旋的極限速度n≤101 轉·min-1，取整得，n=100 轉·min-1。

2.2 起貝土挖掘鏟

起貝土挖掘鏟和分土機構均采用條形挖掘鏟，挖掘鏟的工作參數主要包括挖掘深度h 和入土角α。挖掘深度取決于畦床農家肥料厚度和肥上細土厚度，為避免鏟到和鏟傷平貝母鱗莖，挖掘深度需要大于肥料厚度和肥上細土厚度。起貝土深度在4～6 cm范圍內，挖掘鏟深度由尾輪高度來調整，分土調節(jié)深度可實現挖掘深度在0～6 cm 范圍內調節(jié)。由于起貝土深度較淺，只要保證分出的土連續(xù)向輸送裝置上運動即可，根據平貝母貝土物理力學特性，入土角小于貝土休止角，理論分析及實踐表明[14-15]，入土角通常設置為 20 °～25 °。

圖4 挖掘鏟的結構參數Fig.4 Structural parameters of digger spade

2.3 貝土輸送機構

貝土輸送機構主要由傳動滾筒和傳送帶組成。其工作參數主要包括傳送帶傾角、帶寬和傳送速度[16]。

試驗表明：貝土輸送機構帶寬為1.2 m，輸送帶傾角為15°，輸送速度略大于行走速度。

2.4 限深機構

該機械限深主要采用限深輪來實現，并采用隴上限深的方式[17]進行，限深輪直徑為100 mm，與機械的鏈接框連接。

3 挖掘機性能試驗及分析

3.1 試驗條件及方法

試驗地點：伊春市紅星區(qū)平貝母生產基地。

試驗基地環(huán)境條件：基地海拔279 m，地形為平地，灌排水條件良好。收獲期氣溫25 °C，土壤平均含水量39%，土壤類型為屬暗棕壤或砂壤。

試驗方法：每次試驗收獲距離為15 m，重復3次。分別記錄試驗所用時間，測出平貝母收獲重量、損傷重量和漏收重量等數據。

3.2 試驗結果及分析

根據試驗數據經計算獲得挖掘機的性能參數如表2 所示。

表2 平貝母挖掘機的性能參數Table 2 Performance parameters of Fritillaria Ussuriensis harvester

田間試驗表明，平貝母挖掘樣機收獲流暢，能夠滿足平貝母收獲的各項作業(yè)功能。經觀察分析，損傷率主要來自于挖掘鏟對平貝母的鏟斷。同時該樣機在試驗過程中還發(fā)現存在以下問題：

（1）由于平貝母畦床在種植時蓋頭糞、覆土層、墊土層和底肥層厚度不均，致使分土鏟和起貝土鏟不能在分土和起貝土時存在分土厚度不均和漏起平貝母的問題，這也是造成平貝母損傷的重要原因之一。在后續(xù)的研究中，需要設計分土鏟和挖掘鏟自動調節(jié)裝置，保證挖掘質量，進一步降低平貝母破損。

（2）由于土壤水分較大，分土機構中的螺旋葉片出現黏土現象，嚴重影響該機器的分土能力。解決的措施是在分土機構中增加刮土機構，降低黏土量。

4 結論

（1）結合平貝母種植模式，設計手扶式平貝母挖掘機，通過樣機試驗，該機械能夠完成平貝母的分土、起收、輸送等環(huán)節(jié)，收凈率為98%，損傷率為2%，總損失率為6%（損傷率和漏收率），生產率為0.14 hm2·h-1。

（2）分土機構采用螺旋分土方式，可有效降低分土機構占用整臺設備的空間；同時設置了分土機構和起貝土機構的挖掘鏟入土角和分土機構螺旋旋轉速度、螺距等工作參數。

［1］ 常維春.平貝母栽培［M］.北京：科學普及出版社，1984.

［2］ 劉興權.平貝母細辛無公害高效栽培與加工［M］.北京：金盾出版社，2003.

［3］ 潘宣.百合川貝母平貝母伊貝母［M］.北京：科學技術文獻出版社，2004.

［4］ 丁鄉(xiāng).東北三省平貝母產銷調查［J］.中藥研究與信息，2004，6（12）：34-35.

［5］ 丁鄉(xiāng).平貝母走出低谷［J］.特種經濟動植物，2011（1）：20-21.

［6］ 程立杰，宋寶昌，蔡秀華，等.SBC－1 型平貝收獲機的研制［J］.林業(yè)機械與木工設備，2005，33（1）：24-25.

［7］ 胡兆平.平貝規(guī)范化生產技術規(guī)程［M］.北京：中國標準出版社，2009.

［8］ 宋江，盧松卓，盧圍紅.小型平貝母收獲機械起貝土機構設計［J］.機電工程技術，2009，38（4）：101-102.

［9］ 王家勝，尚書旗.自走式雙行胡蘿卜聯合收獲機的研制及試驗［J］.農業(yè)工程學報，2012，28（12）：38-39.

［10］ 牛海華.強適應性小型振動式馬鈴薯挖掘機的設計［D］.蘭州：甘肅農業(yè)大學，2011.

［11］ 趙學篤，陳元生，張守勤.農業(yè)物料學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1987.

［12］ 周祖鍔.農業(yè)物料學［M］.北京：農業(yè)出版社，1994.

［13］ 劉家仁，陶性華，徐國昌，等.機械設計師手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1989.

［14］ 楊然兵，李國瑩，尚書旗，等.機械化挖掘收獲部件發(fā)展現狀與展望［J］.農機化研究，2008，9（9）：5-8.

［15］ 賈晶霞，張東興，桑永英.馬鈴薯挖掘鏟計算機輔助分析與模擬試驗研究［J］.農業(yè)工程學報，2006，22（8）：106-110.

［16］ 王耀斌.物流裝卸機械［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［17］ 萬霖，汪春，車剛，等.蔬菜移栽機的覆土鎮(zhèn)壓器設計［J］.2013，24（3）：16-18.