宋 江，劉麗華，王 密，張 佳

（1.黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 163319；2.黑龍江八一農墾大學農學院，大慶 163319）

4B-1200型平貝母藥材收獲機的改進設計與試驗

宋 江1，劉麗華2※，王 密1，張 佳1

（1.黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 163319；2.黑龍江八一農墾大學農學院，大慶 163319）

針對4B-1200型平貝母藥材收獲機田間收獲試驗中存在的篩下貝土輸送螺旋和尾輪轉彎過程中需抬起這一轉彎不夠靈活問題；收獲期多雨季，土壤含水分率高，分土鏟表面土壤滯留堆積問題；尺寸大于8 mm以上的平貝母分離，尺寸在2.6～8 mm之間的平貝母尚未分離這一分級不夠徹底問題；裝袋位置過低；平貝母產區(qū)動力來源以四輪拖拉機為主，手扶拖拉機來源不足的問題，改進設計平貝母藥材收獲機分土機構和振動篩，增加了提升機構設計，對改進前后的平貝母收獲機進行損失率和損傷率對比試驗；利用正交試驗設計分析振動篩曲柄轉速、篩面傾角和篩面長度對分凈率的聯(lián)合影響。試驗表明：改進機型在清理表層覆蓋土、貝土輸送、貝土分離、分級裝袋等各部分工作更協(xié)調、平穩(wěn)、可靠，收獲的質量、適應性好，損失率、損傷率分別低于3.8%和2.9%，較改進前分別降低了1.1和1.2個百分比，滿足行業(yè)標準規(guī)定；正交試驗設計最優(yōu)組合為：振動篩曲柄轉速為550 r/min、篩面傾角為3°和篩面長度為1.6 m，分凈率達到95%，滿足行業(yè)標準規(guī)定和平貝母機械化收獲的生產率要求。該研究為平貝母藥材收獲機的推廣應用提供技術參考。

收獲機；機械化；設計；改進；平貝母；分土機構；提升機構；雙層振動篩

0 引 言

平貝母人工種植已經有40幾年的歷史[1-2]，人工種植地區(qū)主要分布于黑龍江大、小興安嶺和東北長白山，其中黑龍江海林和伊春鐵力農場種植面積最大，已成為平貝母的主產區(qū)，是當?shù)刂赂坏闹饕侄蝃3]。平貝母機械化收獲近些年才剛剛起步，其收獲方式主要采用半機械收獲和聯(lián)合機械收獲 2種。半機械收獲是指等級分級階段采用機械分離，其余環(huán)節(jié)采用人工收獲；聯(lián)合收獲采用拖拉機牽引平貝母聯(lián)合收獲機作業(yè)。目前，平貝母收獲機的研究主要集中在前者,主要包括振動式平貝母等級篩分機[4-6]和螺旋式平貝母等級篩分機[7-9]，聯(lián)合收獲機鮮見報道[10-11]。課題組自從事平貝母機械化收獲技術研究以來，研制開發(fā)了與手扶拖拉機配套的4B-1200型平貝母收獲機[12]，該機可一次完成刮表土、挖掘和分離平貝母和土壤混合物、清理篩下平貝母與土壤混合物至壟面兩側和篩上平貝母裝袋等作業(yè)，大幅度減輕了勞動強度，減少了人工耗費，提高了生產效率。但存在篩下貝土輸送螺旋和尾輪轉彎過程中需抬起這一轉彎不夠靈活問題；收獲期多雨季，土壤含水分率高[13]，分土鏟表面土壤滯留堆積問題；尺寸大于8 mm以上的平貝母分離，尺寸在2.6～8 mm之間的平貝母尚未分離這一分級不夠徹底問題；裝袋位置過低；平貝母產區(qū)動力來源以四輪拖拉機為主，手扶拖拉機來源不足的問題，故推廣效果不佳。為此，通過改進刮土機構、振動篩系統(tǒng)，增加了提升系統(tǒng)設計和田間收獲試驗研究，完善了平貝母藥材收獲機，以期達到推廣應用之效。

1 整機結構及主要技術參數(shù)

1.1 整機結構及工作原理

該型平貝母藥材收獲機型號命名為4B-1200A，主要由分土機構、主傳動箱、提升機構、傳動系統(tǒng)、雙層振動篩、振動篩物料出口、機架、挖掘鏟和限深地輪等組成，其結構如圖1所示。

該機與拖拉機配套方式由固定連接改為懸掛式，動力由四輪拖拉機提供。工作時，分土機構刮掉表層土并將其推至作業(yè)道，之后經挖掘鏟將貝土混合物挖起，經提升機構傳送到雙層振動篩上，通過曲柄帶動雙層振動篩面做往復運動，篩掉尺寸小于0.26 cm以下的大部分土壤，收集大于0.6 cm以上和0.26～0.6 cm的平貝母于袋中。分土機構、輸送機構和雙層振動篩的動力由拖拉機動力輸出軸通過萬向節(jié)傳遞到平貝母收獲機主傳動錐齒箱上，錐齒箱輸出軸帶動分土機構，實現(xiàn)刮表層土。主動軸帶動升運器轉動和雙層振動篩往復運動，輸送和分離平貝母混合物。整機前段設有調節(jié)絲杠，用以調節(jié)挖掘鏟挖掘深度；挖掘鏟與機架鉸接可調，實現(xiàn)挖掘鏟角度調整；機架尾部設有調節(jié)螺栓，用以調節(jié)搖臂與機架的鉸接點位置，實現(xiàn)振動篩面角度的調整；機架尾段和地輪連接臂之間通過調整螺栓，實現(xiàn)地輪高度的調整。轉彎時，由于四輪拖拉機與平貝母藥材收獲機聯(lián)結方式為后懸掛式，利用四輪拖拉機液壓將平貝母收獲機升起，拖拉機自行轉彎。

圖1 4B-1200A型平貝母藥材收獲機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of 4B-1200A type Bulbus Fritillariae Ussuriensis medicinal material harvester

1.2 主要技術參數(shù)

4B-1200A型平貝母收獲機主要技術參數(shù)如表1。

表1 4B-1200A型平貝母藥材收獲機主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of 4B-1200A type Bulbus Fritillariae Ussuriensis medicinal materials harvester

2 主要機構及部件改進設計

2.1 分土機構

該分土機構是在4B-1200型[14]平貝母藥材收獲機篩下貝土輸送螺旋基礎上改進而成的。改進前，該螺旋由一根軸上焊接兩段反向螺旋，動力靠螺旋軸與傳動軸端之間的鏈傳動，該機構存在螺旋端鏈輪和鏈條經常與土壤接觸，磨損加劇，鏈傳動使用壽命低且傳動不夠平穩(wěn)等問題。針對上述問題，改進后，該分土機構如圖2a所示，主要由螺旋軸、反向螺旋葉片、變速箱、螺旋外罩、軸承、軸承座等組成。螺旋與變速箱、軸承座連接方式如圖2b、2c所示，螺旋的一端與中間變速箱輸出軸鍵連接，另一端通過軸承、軸承座與機架連接，該機構避免了鏈傳動與土壤接觸帶來的使用壽命降低問題，又可高速旋轉，使平貝母表層覆蓋土隨螺旋葉片拋起并沿螺旋軸方向向兩段移動，運動更加平穩(wěn)，清理平貝母的表層覆蓋土效果更好。改進的分土機構主要參數(shù)有螺旋外徑、內徑、螺距、螺旋傾角、單側螺旋長度和螺旋轉速。

圖2 分土機構Fig.2 Soil separation mechanism

初選幾何參數(shù)[15]：螺旋外徑190 mm，內徑60 mm，螺距60 mm，螺旋傾角30o，單側螺旋長度為500 mm。

螺旋轉速[16]的確定

式中ω1為表層土在螺旋葉片上的角速度，rad/s；r為螺旋葉片上表層土到旋轉中心距離，m；m為螺旋葉片上表層土質量，kg；μ為螺旋葉片與表層土的摩擦系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；α1為螺旋傾角，（o）。帶入初選幾何參數(shù)得：ω1≥10 rad/s，即螺旋最小轉速為191 r/min，分土機構與拖拉機動力輸出軸的最小降速比為27:100。

2.2 提升機構

提升機構是將挖掘鏟挖掘起的平貝母混合物提升到一定的高度進入平貝母雙層振動篩進行貝土分離，這有效地提高了雙層振動篩的高度，解決了平貝母裝袋位置過低問題，提升機構種類較多，一般地下作物機械化收獲多采用鏈式提升裝置[17-19]，鑒于平貝母尺寸大小不一，選用輸送帶方式進行提升，普通輸送帶傾角?。ㄐ∮?8°)，提升到一定高度占用整機空間較大，因此，采用大傾角皮帶輸送（傾角大于25°)。該提升機構主要由主動輥、從動輥和輸送帶組成，其主要參數(shù)包括主動輥直徑D、輸送帶輪中心距L、橫隔板高h、橫隔板間隔l、輸送帶傾角δ、輸送帶寬度B和主動輥轉速n，如圖3所示。

圖3 提升機構結構簡圖Fig.3 Lifting mechanism diagram

提升機構在提升平貝母混合物時，每個橫隔板最大輸送量如圖3所示，其傾角θ為平貝母混合物的休止角，該輸送帶輸送量的計算公式如下

式中Q為輸送帶單位時間內的輸送量，m3/h；h為橫隔板高，m；n為主動輥轉速，r/min；B為輸送帶寬度，m；D為主動輥直徑，m；l為橫隔板間距，m；δ為輸送帶傾角，（°）；θ為平貝母混合物休止角，（°）。

按照平貝母收獲機生產率最高值計算，提升機構參數(shù)取輸送帶寬為1.2 m，主動輥直徑為0.11 m，輸送帶傾角取45°，平貝母混合物休止角取30°[20]，橫隔板高為0.02 m，橫隔板間距為0.15 m。

將上述已知量代入公式（2），得到n=100.9 r/min，取整得n=100 r/min，提升機構與拖拉機動力輸出軸轉速（720 r/min[21]）的最小降速比為5:36。

2.3 雙層振動篩

按照農藝要求，需收起全部尺寸的平貝母并進行等級分級，故將4B-1200型平貝母收獲機的單層篩和篩下貝土輸送螺旋改為雙層振動篩來滿足上述需要。統(tǒng)計表明，當雙層振動篩的下層篩篩孔直徑不小于2.6 mm時，可收起全部尺寸的平貝母。改進后的雙層振動篩由上篩面、下篩面和曲柄、擺桿機構組成。工作參數(shù)主要有篩孔尺寸、篩面傾角、篩面長度、篩面寬度、振動篩振幅和頻率。

2.3.1 篩面幾何參數(shù)的確定

根據(jù)藥材收購的要求，成品平貝母按形狀分主要有“桃形貝”和“平頭貝”[22]，對應的尺寸為2.6～6 mm和大于6 mm 2個等級。如圖4a、4b所示，篩面采用鐵皮沖孔篩面，其上、下層篩面的篩孔尺寸分別為6 mm×40 mm和2.6 mm×40 mm 2種篩孔，該篩面優(yōu)點是：減輕根須纏繞，減少平貝母機械破損率，同時，為了提高篩面的分凈率，盡可能加長篩面長度，提高篩面的有效篩分面積，經調查，平貝母主產區(qū)使用的振動篩下層篩（篩面尺寸2.6 mm×40 mm）長1.2～1.6 m，上層篩（篩面尺寸6 mm×40 mm）長0.8～1.2 m。上下篩面傾角為3°～9°，篩面寬度1.3 m。

圖4 篩面幾何參數(shù)Fig.4 Geometrical parameters of screen surface

2.3.2 振動篩振幅的確定

為滿足平貝母和土壤混合物既能透篩面又能順利通過篩面，振動篩曲柄轉速范圍：240＜nAB＜535 r/min[23]，同時，為降低平貝母的破損率，要求平貝母混合物沿篩面上滑，且不跳離篩面，其條件[24-27]如圖5所示。

圖5 篩面平貝母混合物受力分析Fig.5 Force analysis of Fritillariae mixture on screen surface

1）沿篩面上滑的臨界條件

式中Q1為平貝母混合物篩面往復振動的慣性力，N；F1為平貝母混合物與篩面之間的摩檫力，N；G為平貝母混合物的重力，N；α2為篩面傾角，（°）。

式中m1為平貝母混合物篩面質量，kg；r2為振動篩振幅，m；ω2振動篩曲柄角速度，rad/s;t為時間，s。

式中N為平貝母混合物篩面正壓力，kg；φ為摩擦角，（°）；n1為沿篩面上滑振動篩曲柄轉速，r/min。

求得臨界轉速

2）平貝母混合物不跳離篩面的臨界條件：N≥0

求得臨界轉速

式中n2為不跳離篩面振動篩曲柄轉速，r/min。

對于雙層振動篩，曲柄轉速范圍

式（3）～（11）聯(lián)立得：振動篩振幅為20 mm＜r2＜36 mm。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2016年6月在黑龍江省伊春市紅星林業(yè)局進行樣機田間收獲試驗。平貝母收獲期田間狀況調查情況如下：紅星林業(yè)局平貝母種植主要有1、1.2和1.6 m 3種形式的壟寬，其中，壟寬1 200 mm（占70%），溝寬400 mm，壟高50 mm，覆土層平均厚度40 mm，平貝母和土壤混合層平均厚度40 mm，平貝母直徑為3～20 mm，土壤含水率為18%，容重為1.26 g/cm3，土壤松散，無黏性，土粒黏結力適中。平貝母收獲機配套動力為甬野324型拖拉機，功率為23.5 kW，作業(yè)速度為慢一檔，1.6 km/h，如圖6所示。

圖6 改進樣機及其田間試驗Fig.6 Improved prototype and field experiment

3.2 試驗方法

平貝母收獲機的性能指標主要有損失率、損傷率、生產率和含雜率?？紤]損失率、損傷率和生產率對平貝母經濟效益影響十分明顯，而含雜率影響不大，且收獲后需用水清洗，因此，重點研究前3個性能指標。試驗參照國家標準《農業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》（GB/T5262-2008）、《農業(yè)機械生產試驗方法》（GB5667-2008）和其他地下經濟作物收獲機械的試驗方法[28]，對比改進前后平貝母收獲機損失率和損傷率 2 個指標，考核平貝母收獲機分土、升運、貝土分離、分級裝袋、傳動等各部分及整機的性能；設計正交試驗分析分凈率的影響因素。

3.2.1 試驗條件

試驗條件：平貝母藥材收獲機的試驗區(qū)分為2塊，一塊是平貝母藥材收獲機改進前試驗區(qū)，另一塊是改后試驗區(qū)，2塊試驗區(qū)壟寬、溝寬、壟高、覆土層平均厚度和土壤條件均相同。每塊試驗區(qū)由穩(wěn)定區(qū)、測定區(qū)、停車區(qū)組成。穩(wěn)定區(qū)長度為10 m，測定區(qū)長度為20 m，測定區(qū)后有停車區(qū)，損失率、損傷率性能測定和分凈率正交試驗在測定區(qū)內進行，試驗區(qū)內測定次數(shù)為一個往返，收獲機在試驗區(qū)內不改變工作狀況。

3.2.2 指標測定方法

針對改進后的平貝母藥材收獲機，平貝母收集后，人工找出收獲機沒有挖掘出來的殘留平貝母（對損傷平貝母，要分放），并稱質量。人工找出所有損傷的平貝母，并稱質量。人工找出透過篩面平貝母的質量。則損失率、損傷率和分凈率計算如下：

式中W為平貝母總質量（W=W1+W2），kg；W1為挖掘出的平貝母質量，kg；W2為未挖掘出的平貝母質量，kg；W3為損傷的平貝母質量，kg；W4為透過篩面平貝母的質量，kg；W5為未透過篩面的平貝母質量，kg；T1為損失率，%；T2為損傷率，%；T3為分凈率，%。

由于改進后的平貝母藥材收獲機增加了2.6 mm×40 mm的篩孔（下層篩），篩分變得困難，生產率有所降低，為完成既定的生產率和分凈率（T3）要求，通過分析主要參數(shù)對分凈率性能指標聯(lián)合影響的規(guī)律，優(yōu)選參數(shù)組合，確定雙層振動篩的最佳結構和運動參數(shù)。本試驗選取雙層振動篩曲柄轉速、篩面傾角和篩面長度3個因素，依據(jù)因素選正交試驗設計[29-30]安排試驗。每個試驗因素選取3個水平分別為：振動篩曲柄轉速250、400、550 r/min，篩面傾角3°、6°、9°和篩面長度為1.2、1.4、1.6 m，見表2。

表2 試驗因素與水平Table 2 Experimental factors and levels

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 4B-1200A型平貝母藥材收獲機改進前后損失率和損傷率試驗結果對比分析

試驗結果表明：該機對平貝母收獲的質量和適應性好。經黑龍江省農業(yè)機械鑒定站現(xiàn)場檢測，其主要性能指標達到行業(yè)標準規(guī)定和要求，損失率（T1）、損傷率（T2）分別低于3.8%和2.9%，較改進前分別降低了1.1和1.2個百分點，主要原因是將三角形推土鏟改為反向螺旋的方式，清理表層覆蓋土并增加限深輪，使清理表層覆蓋土更加平整、深度更加可控，同時，改進后的收獲機去掉篩下分土機構，減小了篩下平貝母的損傷，降低了平貝母的損傷率。

平貝母藥材收獲機改進前后主要性能指標如表3所示。

表3 平貝母藥材收獲機改進前后主要性能指標Table 3 Main performance indexes of Bulbus Fritillariae Ussuriensis medicinal materials harvester before and after improvement

該機也存在一些問題：雙層振動篩有待進一步完善，尤其是高速運動時，振動篩振動加劇，曲柄和擺桿與機架連接處和曲柄強度有待加強，其改進方法是采用加強筋得以固定，單曲柄改為雙曲柄提高曲柄的強度。挖掘鏟剛度低。上層篩振動過程中容易從篩面框架上脫離，需進一步加強，以提高工作的可靠性。

3.3.2 4B-1200A型平貝母藥材收獲機分凈率試驗方案與結果分析

平貝母藥材收獲機雙層振動篩正交參數(shù)優(yōu)選試驗方案與結果見表4。

表4 試驗方案與結果Table 4 Test scheme and results

分凈率方差分析見表5可知，在95%置信度下A''、C''具有顯著性，影響平貝母分凈率指標的各因素主次排列順序為A''＞C''＞B''，最優(yōu)組合為A''3B''1C''3。

綜上所述，影響平貝母分凈率指標的各因素主次排列順序為A''＞C''＞B''，最優(yōu)組合為A''3B''1C''3，即振動篩曲柄轉速為550 r/min、篩面傾角為3°和篩面長度為1.6 m。由表4可知，在最優(yōu)組分凈率達到95%，滿足行業(yè)標準規(guī)定。

表5 分凈率方差分析Table 5 Analysis of variance of screening rate

4 結 論

改進的4B-1200型平貝母藥材收獲機可一次完成清理表層覆蓋土、貝土輸送、貝土分離、分級裝袋等作業(yè)，且工作平穩(wěn)、可靠，收獲的質量、適應性好。

該機分土機構由三角形推土鏟改為反向螺旋機構，可有效的解決表層土滯留堆積的問題；提升機構和雙層振動篩的應用解決了等級分級不夠徹底和裝袋位置過低的問題；四輪拖拉機的使用解決了轉彎和手扶拖拉機動力不足的問題。對比試驗表明，損失率、損傷率分別低于3.8%和2.9%，較改進前分別降低了1.1和1.2個百分點。下層振動篩最優(yōu)組合為曲柄轉速550 r/min、篩面傾角3°和篩面長度1.6 m，分凈率達到95%，滿足行業(yè)標準規(guī)定。該研究可為平貝母藥材收獲機的推廣應用提供技術參考。

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Improved design and test of 4B-1200 type Bulbus Fritillariae Ussuriensis medicinal materials harvester

Song Jiang1,Liu Lihua2※,Wang Mi1,Zhang Jia1
(1.College of Engineering,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China;2. College of Agronomy,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China)

Bulbus Fritillariae Ussuriensis is herbaceous perennial of fritillaria,and its underground bulb has high medical value. Bulbus Fritillariae Ussuriensis is a valuable traditional medicine in China and it is favoured in Chinese herbal medicine market at home and abroad. The artificial cultivation of Bulbus Fritillariae Ussuirensis has a history of over 40 years. At present,Fritillariae harvest is an exceedingly laborious and time-consuming hand operation. Fritillaria harvest timeliness is very strong,and Fritillariae harvest is almost concentrated between June and July,and a lot of labors are hired. Under the current condition of high labor costs and labor shortage,the effective way of solving the above problem is to realize mechanization of Fritillaria harvest. However,the level of Fritillariae harvest mechanization is very low. The mechanized harvest method for Bulbus Fritillariae Ussuirensis mainly adopts semi-mechanization and combine-mechanization. Semi-mechanization refers to mechanical harvesting of the vibrating screen,and the remaining portion is artificially harvested. Combine-mechanization adopts tractors to pull Bulbus Fritillariae Ussuriensis. At present,the research is mainly focused on the former. The 4B-1200 bype Bulbus Fritillariae Ussuriensis harvester matched with a walking tractor is developed in this study. The machine can complete the tasks of surface soil scraping,mining and separation of Fritillariae Ussuriensis and soil mixture,cleaning undersize Bulbus Fritillariae Ussuriensis and soil mixture onto the ridge on both sides,and sieving Fritillariae bagging. These greatly reduce the labor intensity,reduce the labor cost,and improve the production efficiency. But there are some problems such as not flexible steering,surface soil accumulation,incomplete grade classification,low bagging location and walking tractor power shortage. Aimed at above problems,soil separation mechanism and vibration screen of Fritillariae medicinal materials harvester were improved,the lifting mechanism was added. Contrasting experiments of loss rate and damage rate were carried out before and after the improvement of Fritillariae medicinal materials harvester. The orthogonal experimental design analyzed the combined effect of vibration screen’s crank rotating speed,screen surface inclination and screen face length on the screening rate. Experiment showed that the improved machine was more coordinated,stable and reliable about cleaning surface soil covered,conveying and separating Fritillariae and soil,grading and bagging fritillaria. Harvest quality and adaptability were good. The loss rate and the damage rate were less than 3.8% and 2.9% respectively,and by 1.1% and 1.2% respectively compared with the harvester before the improvement. The indices were in accord with the industry standard regulations. Through the orthogonal contrast design,the optimum combination scheme was obtained:when the vibration screen’s crank rotating speed was 550 r/min,the inclination of screen surface is was 3°and the screen surface length was 1.6 m,the screening rate reached up to 95%. All the data were in accord with the industry standard regulations. The test results met the mechanized harvesting productivity requirements,too. The study provides the technical reference for the popularization and application of Fritillariae medicinal materials harvester.

harvesters;mechanization;design;improvement;Bulbus Fritillariae Ussuriensis;soil separation mechanism;lifting mechanism;double-layer vibration screen

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.006

S225.7+9

A

1002-6819(2017)-01-0045-07

宋 江，劉麗華，王 密，張 佳. 4B-1200型平貝母藥材收獲機的改進設計與試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(1)：45－51.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.006 http://www.tcsae.org

Song Jiang,Liu Lihua,Wang Mi,Zhang Jia. Improved design and test of 4B-1200 type Bulbus Fritillariae Ussuriensis medicinal materials harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):45－51.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.006 http://www.tcsae.org

2016-07-29

2016-11-25

黑龍江省教育廳面上項目（12541577）；黑龍江八一農墾大學校內培育課題資助計劃項目（XZR2014-03）；黑龍江省教育廳重點實驗室開放課題（Hljbyndgc2013005）；大慶市創(chuàng)新能力提升計劃項目（scx2010-06-06）

宋 江，男，漢族，講師，主要從事經濟作物機械收獲與加工研究。大慶 黑龍江八一農墾大學工程學院，163319。Email：songjiang_770313@163.com.

※通信作者：劉麗華，女，漢族，副教授，主要從事經濟作物栽培研究。大慶黑龍江八一農墾大學農學院，163319。Email：llh1979_2001@163.com.