袁 剛，楊永發(fā)，楊朝明，張國鵬，劉海蘋

(西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與制造工程學(xué)院，昆明 650224)

0 引言

三七屬五加科多年生草本植物，三七花、根、根須均可作為中藥材使用。三七根橫向生長，生長期為3～7年，主根呈類圓錐形或圓柱形，長3～10cm，直徑1～4cm，性溫、味甘微苦，莖葉花均可入藥?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)表明：三七富含谷甾醇、胡蘿卜酐、油脂等營養(yǎng)成分，生用有止血強(qiáng)心、散淤生津[1-3]及消腫定痛等顯著功效，熟用有活血、補(bǔ)血、強(qiáng)壯補(bǔ)虛之功效，是一種名貴中藥材。云南三七種植主要以文山為主，常年種植面積2.0hm2，年產(chǎn)量1 000t，占全國產(chǎn)量和種植面積的90%以上[4]。但由于三七輪作時間為10年，使得三七在文山的種植面積逐漸減少，為滿足市場需求，紅河、石林、昆明等地現(xiàn)已開始種植。隨著三七種植模式的不斷擴(kuò)大，市場上對三七收獲機(jī)械化需求將進(jìn)一步增加。目前，國內(nèi)所設(shè)計三七收獲機(jī)主要以后掛式為主，且體積較大，對三七的損傷率較高，特別是三七根須的損傷。國外在根莖類作物挖掘的研究情況如下：1935年，美國使用簡單的挖掘機(jī)進(jìn)行馬鈴薯收獲；1967年，美國馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)投產(chǎn)并使用。20世紀(jì)40年代，德國馬鈴薯的采用拋擲式收獲機(jī)，50年代升運(yùn)鏈?zhǔn)绞斋@機(jī)投入使用，70年代研制出聯(lián)合收獲機(jī)。1965年，日本生產(chǎn)了懸掛式的拋擲式與升運(yùn)鏈?zhǔn)绞斋@機(jī)，20世紀(jì)70年代研制出聯(lián)合收獲機(jī)[5-8]。隨著三七種植面積的不斷增加，三七收獲機(jī)械化的需求也應(yīng)運(yùn)而生。本文的遙控自走式三七收獲機(jī)挖掘裝置采用前喂入式，輸送裝置放置于整機(jī)側(cè)面，集挖掘、夾持、拍土及根莖分離等功能為一體。三七收獲季節(jié)集中在9月份，收獲季節(jié)較集中，傳統(tǒng)的人工收貨方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代社會對三七的需求，只有機(jī)械化收獲才能促進(jìn)三七種植方式改革和進(jìn)步。三七種植全程機(jī)械化是必然趨勢，實現(xiàn)機(jī)械化操作可以降低勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，便于形成規(guī)范化、規(guī)?；a(chǎn)管理[9]。

1 農(nóng)藝要求

國內(nèi)現(xiàn)有的三七收獲機(jī)多采用后喂入式收獲的方式，整機(jī)體積較大，以拖拉機(jī)為動力輸出，不能進(jìn)行棚內(nèi)作業(yè)；且傳統(tǒng)的三七收獲機(jī)只能收獲三七根，三七根須大多被破壞，對農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)價值有所損傷。圖1所示為3年生三七大棚生長實物圖，壟寬1 700mm，中間用頂柱支撐，兩邊留有墑溝，大棚頂高1 500mm，棚內(nèi)作業(yè)空間有限。

為適應(yīng)現(xiàn)代三七大棚種植的要求，設(shè)計了一種遙控自走式三七收獲機(jī)，為微型自走式作業(yè)機(jī)。其體積較小，方便在棚內(nèi)作業(yè)，收獲幅寬為900mm，采用半壟-半壟收獲方式，前喂入式挖掘裝置能夠很好地保護(hù)三七根須的完整性。根據(jù)云南三七種植農(nóng)藝要求，結(jié)合現(xiàn)在三七大棚種植的實際需求，在文山田間測量得到的農(nóng)藝參數(shù)如表1所示。

圖1 三年生大棚三七植株

表1 三七種植農(nóng)藝參數(shù)

2 整體結(jié)構(gòu)及原理

2.1 遙控自走式三七收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)

遙控自走式三七收獲機(jī)是根據(jù)云南文山等地區(qū)三七大棚種植的特殊農(nóng)藝要求，為發(fā)展現(xiàn)代化種植的要求而設(shè)計的機(jī)械，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要由挖掘部分、夾持運(yùn)輸部分、拍土部分、根莖分離部分及收集等功能部件組成。主要特點(diǎn)是挖掘裝置為前喂入式，夾持運(yùn)輸裝置為側(cè)向輸送，在不損傷三七根須的情況下，一次性完成挖掘、夾持、拍土、根莖分離及收集等作業(yè)。該機(jī)具結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，操作簡單，可在500m范圍內(nèi)搖控操作。前刀架采用液壓裝置，可進(jìn)行升降操作；采用半壟-半壟式收獲方式，當(dāng)機(jī)械前面行走時，前面人工把大棚頂柱撥向一邊，調(diào)頭收獲另一邊時，人工把頂桿撥向反側(cè)，可以實現(xiàn)三七在棚內(nèi)完整作業(yè)，既保證三七的完整性，同時也保證了大棚的完整性。

1.鏟刀 2.刀拖 3.刀桿 4.刀架 5.夾持機(jī)架 6.拍土裝置 7.夾持鏈輪 8.張緊輪 9.根莖分離裝置 10.夾持鏈 11.傳動鏈輪 12.傳動系統(tǒng) 13.齒輪 14.軸1固定架 15.底座

圖3 三七收獲機(jī)主視圖

2.2 工作原理

機(jī)具作業(yè)時，與自走式遙控履帶式微型作業(yè)機(jī)配套使用，鏟刀為內(nèi)八字型刀片[10]，入土深度150～200mm(可調(diào))；刀架與底座支架有限位塊裝置，可控制刀架抬升角度，最大抬升角為90°，完全工作狀態(tài)為水平放置；前刀架由雙向液壓裝置控制，夾持鏈夾機(jī)架，夾持高度150mm，通過鏈輪傳動將三七植株夾持向上輸送。夾持鏈選用機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，兩條閉合回路鏈條，夾持輸送過程有張緊輪限制鏈條擺動。由拍土裝置為曲柄搖桿裝置，連桿平面拍打三七莖稈部位，達(dá)到去土目的。傳動裝置由動力輸出軸、鏈輪組及齒輪組等組成，由遙控履帶式微型作業(yè)機(jī)機(jī)尾輸出齒輪，經(jīng)動力輸出軸至星形變速器降速，傳至鏈輪組，通過錐齒輪組轉(zhuǎn)向。錐齒輪組為左右對稱放置，通過中間鏈輪軸連接，同步轉(zhuǎn)動。根莖分離裝置為兩個反向旋轉(zhuǎn)的圓盤刀，圓盤刀下面有收納箱為收集三七。底座為遙控履帶式微型作業(yè)機(jī)底盤。

3 主要部件設(shè)計

3.1 傳動系統(tǒng)

遙控自走式三七收獲機(jī)的動力來源為遙控履帶式微型作業(yè)機(jī)變速箱的齒輪動力輸出齒輪嚙合傳遞[11]，輸出轉(zhuǎn)速為275r/min，鏈輪傳動比1:1，錐齒輪為換向輪傳動比1:1。拍土裝置鏈輪傳動比為1:2，作業(yè)機(jī)的行走速度為0.25m/s，夾持鏈速度為0.99m/s，通過星型變速器，輸出動力。所述傳動裝置為一組鏈輪傳動，傳動到鏈輪軸，鏈輪軸為左右對稱分布的錐齒輪組，實現(xiàn)換向；把動力傳送到兩條夾持鏈主輪，實現(xiàn)整機(jī)的動力傳動；前刀架用雙向液壓缸實現(xiàn)刀架抬升，采用前喂入式收獲方式，可大大降低三七損傷率；刀片內(nèi)八字形可使土壤往中間靠攏，有利于夾持鏈將三七植株夾起；拍土裝置拍桿對三七粘連土壤進(jìn)一步清理，至根莖分離裝置三七過掉入下面收集筐，莖稈向后方拋出[12]。遙控式三七收獲機(jī)傳動系統(tǒng)圖如圖4所示。

1.動力輸出齒輪 2.動力從動齒輪 3.傳動鏈輪 4.夾持鏈輪 5.錐齒輪 6.拍土從動輪 7.拍土傳動輪

3.2 挖掘裝置設(shè)計

結(jié)合西南片區(qū)紅土地的土壤要求，根據(jù)三七種植的農(nóng)藝要求，該刀片采用內(nèi)八字形行設(shè)計。挖掘過程中能控制挖掘深度，同時又不會損傷三七果，達(dá)到作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效果的要求[13]。挖掘裝置由刀架、刀桿、刀拖及刀片組成，如圖5所示。其中，刀架上有梯形限位塊、限深孔、液壓連接位置，刀拖焊接在刀架上，刀托和刀片通過4個螺栓螺母連接。前刀架采用雙向液壓裝置，工作時刀架成水平狀態(tài)，非工作狀態(tài)可抬起，最大抬升角為45°。由于內(nèi)八字形刀片刀架可自走入土刀，刀片與地面接觸時入土角度為8°，滿足土壤力學(xué)要求；完全工作狀態(tài)下，刀片與刀架水平成15°角，內(nèi)側(cè)傾斜15°角，刀架幅寬大于夾持鏈幅寬，保證抬起過程不會干涉；完全工作狀態(tài)時，刀架成水平面狀態(tài)，刀架整體可拆卸，刀片4點(diǎn)固定于刀拖上，且刀片可拆卸更換。

圖5 挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 刀片和刀桿的受力分析

由于三七種植對土壤的濕度和土質(zhì)要求比較嚴(yán)格，使得三七在收獲過程中刀片表面會附帶一些土壤。三七根與土壤分離過程中主要受到沿刀片方向運(yùn)動和刀片與土壤之間的摩擦力所形成的合力。在不考慮其他因素的情況下，三七收獲機(jī)刀片的受力為

R=F+F1=mgtan(θ+φ)+KA

式中φ—土壤對鋼的摩擦角；

K—挖掘的阻尼比系數(shù)，輕質(zhì)土壤K=16 000～20 000N/m2，中等輕質(zhì)土壤K=20 000～24 000N/m2，中等堅實土壤K=24 000～30 000N/m2；

A—壟的橫截面積(m2)。

影響三七收獲機(jī)的關(guān)鍵影響因素是刀桿的穩(wěn)定性。在挖掘過程中，刀片與土壤的阻力最終都會集中在刀桿彎曲位置處，所以刀桿的長度也影響刀架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。根據(jù)三七種植的農(nóng)藝要求可知，三七的挖掘深度要求160mm左右。刀桿的總長度根據(jù)挖掘深度h與安裝角度θ求得，即

根據(jù)三年生三七種植的要求，在不損傷三七根和根須的情況下，刀桿的長度在330～380mm范圍內(nèi)。為減小刀片和土壤的摩擦阻力，考慮前刀架的輕量化，在保障滿足挖掘條件的情況下刀桿長度取最小值，刀桿的理論計算長度要大于實際的刀桿長度。綜上所述，遙控自走式三七收獲機(jī)的刀桿長度最終為350mm。

3.4 夾持輸送裝置

由傳動系統(tǒng)和微型機(jī)作業(yè)機(jī)的行走速度計算可知，該夾持輪為非標(biāo)準(zhǔn)件。結(jié)合夾持鏈條和行走速比進(jìn)行設(shè)計，該夾持輸送裝置所選夾持鏈為農(nóng)業(yè)機(jī)械夾持輸送鏈，采用行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所選夾持鏈型號為S3058，節(jié)距30[14]。該夾持鏈由內(nèi)鏈板、外鏈板、連接鏈板、彎鏈板、銷軸及滾子等部分組成。大夾持鏈?zhǔn)疽鈭D如圖6所示，小夾持鏈輪如圖7所示。該夾持輪由軸承、套筒、螺栓、螺母彈性墊圈組成，采用兩條形成閉合回路的鏈條，通過鏈輪帶動鏈條轉(zhuǎn)動，夾持鏈走線途徑有相應(yīng)張緊輪防止鏈條松弛。

圖7 小夾持輪示意圖

4 田間試驗結(jié)果分析

遙控自走式三七收獲機(jī)研制完成后，在云南文山進(jìn)行了作業(yè)試驗。土壤類型為粘質(zhì)壤土，當(dāng)?shù)貧鉁貫?0℃，三七田內(nèi)的平均土壤實壓度為160kPa，土壤平均濕度為28%。樣機(jī)工作距離為30m，重復(fù)3次，分別記錄每次試驗所用時間、三七頭個數(shù)和損傷頭個數(shù)等數(shù)據(jù)[15]。田間樣機(jī)實驗表明：該機(jī)收獲性能比較好，基本實現(xiàn)了三七挖掘收獲的各項作業(yè)指標(biāo)。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：三七漏收率為2%，主要為部分莖稈斷倒于地面，未被夾持而漏收；三七損傷率為2.7%，主要為挖掘鏟下深過程的損傷。在三七棚內(nèi)收獲機(jī)調(diào)頭空間充足，實現(xiàn)了三七棚內(nèi)機(jī)械化收獲[16]。該樣機(jī)在試驗過程中還存在以下問題：

1)由于刀片采用內(nèi)八字形，入土阻力較大，入土過程會導(dǎo)致一部分三七根損傷，需進(jìn)一步研究入土分析，提高入土效率，降低阻力。

2)由于三七收獲是帶莖收獲，其根莖分離裝置在分離過程莖稈有30mm～60mm預(yù)留，仍然需人工后續(xù)修剪。

5 結(jié)論

1)該機(jī)具一次可完成挖掘、夾持、拍土、根莖分離、收集等功能，為前喂入式自走三七收獲機(jī)，效率高、能耗小，降低了三七收獲成本，適用于丘陵地區(qū)山地作業(yè)。

2)整套機(jī)具結(jié)構(gòu)合理，同自走式遙控履帶式微型作業(yè)機(jī)配套使用，可遙控作業(yè)范圍為500m。整體機(jī)身小，可以在大棚內(nèi)靈活操作，符合三七的大棚種植要求。

3)設(shè)計的挖掘裝置入土深度為150～200mm(可調(diào))，收獲幅寬為900mm，每次收獲0.5hm2，刀片設(shè)計為內(nèi)八字形，可以自行入土，阻力小，凈收率95%，損傷率5%。