崔振猛，張兆國(guó)，王法安，張 丹，楊?；?

(1.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500；2.云南省高校中藥材機(jī)械化工程研究中心，昆明 650500)

0 引言

三七Panaxnotoginseng(Burk.)又名田七，為五加科人參類(lèi)中藥材，是云南特有的中草藥[1-2]。三七可以入藥，有散瘀止血、消腫定痛的療效，在國(guó)內(nèi)外受到多家藥業(yè)公司的青睞[3]。三七主要產(chǎn)于云南、廣西、四川等山區(qū)丘陵地帶[4-5]，收獲方式采用傳統(tǒng)的手工收獲，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，往往無(wú)法在三七最佳收獲時(shí)期完成收獲任務(wù)，嚴(yán)重制約了三七產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，研究一種適合三七收獲的機(jī)械對(duì)三七產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義[6]。

關(guān)于三七收獲機(jī)械方面的研究國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道，可以參考的有塊根、塊莖類(lèi)的馬鈴薯、胡蘿卜、花生、大蒜、甜菜、元胡、生姜及木薯等類(lèi)型的收獲機(jī)[7-10]，但此類(lèi)根莖作物收獲與三七的收獲有很大區(qū)別。三七生在云南地區(qū)特有的粘性土壤中，其塊根包括主根、須根，整體根部分布范圍寬，須根入土較深，導(dǎo)致三七塊根和土壤的粘附力、摩擦力增大，提高了三七塊根挖掘及根土分離難度，使現(xiàn)有的根莖類(lèi)作物收獲機(jī)械無(wú)法滿(mǎn)足收獲需求[11-13]。因此，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的三七收獲機(jī)是促進(jìn)三七產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的必然趨勢(shì)，可為深根莖中藥材收獲機(jī)的研究提供技術(shù)參考[14]。

課題組自從事三七收獲機(jī)的研究以來(lái)主要圍繞三七機(jī)械化挖掘和根土分離進(jìn)行系統(tǒng)研究，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘與根土分離一體的4SD-1700型三七收獲機(jī)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 三七種植農(nóng)藝要求與樣機(jī)設(shè)計(jì)要求

三七要種植在富含有機(jī)質(zhì)腐殖質(zhì)土或砂壤土中，種植壟寬1 200～1 700mm，溝寬400mm，壟高150mm，要求最大挖掘深度200mm。做壟時(shí)，將壟上土壤深挖50～80mm，翻壟溝上，將壟面修成凹槽型，自然晾曬3天；在壟上均勻蓋上一層30～60mm厚有機(jī)肥，再撒上20mm厚細(xì)土，用排種模板在壟面打上均勻的孔，將一年生三七幼苗放入各孔中，再蓋上30～50mm厚土肥混合物。其種植模式如圖1所示。

圖1 三七種植示意圖

三七收獲時(shí)，挖掘鏟將三七根土混合物掘起輸送到升運(yùn)篩上，通過(guò)升運(yùn)篩的抖動(dòng)升運(yùn)實(shí)現(xiàn)三七根土混合物的根土分離，去土后的三七塊根條鋪在機(jī)器后方。作業(yè)時(shí)，要求該收獲機(jī)械操作方便、穩(wěn)定性好、收凈率高、損傷率低、成本低、適宜丘陵山區(qū)推廣，且收獲過(guò)程中避免壅、堵、卡等現(xiàn)象。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

三七收獲機(jī)由36.75kW東方紅拖拉機(jī)連接帶動(dòng)，如圖2所示。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與三七收獲機(jī)動(dòng)力輸入軸相連接，再由拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛裝置與三七收獲機(jī)相連接，主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)具懸掛臂與拖拉機(jī)懸掛臂連接 2.拖拉機(jī) 3.機(jī)具輸入軸與拖拉機(jī)輸出軸連接 4.三七藥材收獲機(jī)

項(xiàng)目單位參數(shù)外觀尺寸(長(zhǎng)×寬×高)mm2272×1700×640連接方式三點(diǎn)懸掛生產(chǎn)率hm2/d0.6～0.9工作幅寬mm1700挖掘深度mm50～200(可調(diào))整機(jī)質(zhì)量kg325

1.3 工作原理

圖3為4SD-1700型三七收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。工作時(shí)，由拖拉機(jī)牽引輸出動(dòng)力，先由挖掘鏟將三七根土混合物挖起，傳送到升運(yùn)鏈上，升運(yùn)鏈在抖動(dòng)輪的作用下完成振動(dòng)輸送，實(shí)現(xiàn)三七根土混合物的根土分離與輸送，去土后的三七塊根條鋪在機(jī)器后方。

圖3 4SD-1700型三七藥材收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 挖掘鏟設(shè)計(jì)

考慮到三七種植密度較大(一般為每平方米120株)，挖掘部件采用整體式平面鏟與雙翼形深松鏟交互放置，能有效防止三七塊根夾在兩個(gè)挖掘鏟中間出現(xiàn)損傷，同時(shí)更有利于破碎土壤，結(jié)構(gòu)如圖4所示。平面鏟與雙翼形深松鏟參數(shù)為鏟工作幅寬b、挖掘鏟鏟刃夾角θ、鏟面水平傾角α2及挖掘鏟鏟長(zhǎng)L。

1.柵條 2.平面鏟 3.雙翼形深松鏟

2.1.1 挖掘鏟工作幅寬確定

挖掘鏟作為三七藥材收獲機(jī)的主要工作部件，其作業(yè)幅寬b要符合三七種植農(nóng)藝要求，其挖掘作業(yè)幅寬應(yīng)該大于或等于種植三七壟寬。因此，根據(jù)三七種植農(nóng)藝要求，設(shè)定挖掘鏟作業(yè)幅寬為b=1 700mm。

2.1.2 挖掘鏟鏟刃夾角確定

選擇平面鏟鏟刃夾角θ時(shí)，應(yīng)考慮三七塊根可以順利通過(guò)平面鏟鏟面。如果平面鏟鏟刃夾角θ過(guò)大，會(huì)增加挖掘鏟的總體阻力，造成鏟前壅土現(xiàn)象；如果挖掘鏟鏟刃夾角θ過(guò)小，則會(huì)破壞三七塊根，造成三七損傷率高等問(wèn)題。田間預(yù)試驗(yàn)表明，平面鏟鏟刃夾角θ在80°～120°范圍內(nèi)比較合適。因此，平面鏟的鏟刃夾角θ選90°。

2.1.3 鏟面水平傾角確定

平面鏟傾角由一級(jí)傾角α1與二級(jí)傾角α2組成，二級(jí)傾角α2可以使挖起三七根土混合物順著挖掘鏟移動(dòng)到一定高度，并輸送到抖動(dòng)升運(yùn)裝置上。挖掘傾角越小，其挖掘的阻力也越小，三七與土壤混合物的流動(dòng)性相對(duì)越好，但三七與土壤分離效果越差；相反，挖掘阻力相對(duì)較大時(shí)，三七與土壤混合物流動(dòng)性較差，三七與土壤分離效果較好。

根據(jù)圖4可建立關(guān)系式，即

Pcosα2=F+Gsinα2

(1)

F′=Gcosα2+Psinα2

(2)

式中F=μF′；

P—移動(dòng)阻力(N)；

α2—二級(jí)鏟傾角(°)；

G—面上掘起物的重力(N)；

F—土壤對(duì)鏟的摩擦力(N)；

F′—挖掘鏟對(duì)土壤的反作用力(N)；

μ—土壤對(duì)挖掘鏟的摩擦系數(shù)，土壤對(duì)鋼的摩擦系為0.577～0.721，μ=tanφ，摩擦角φ=30～60°。

計(jì)算可得出挖掘鏟傾角為

(3)

為了使挖掘鏟將土壤切開(kāi)，一級(jí)傾角范圍為10°≤α1°≤20°之間，二級(jí)傾角范圍為15°≤α2≤25°。

2.1.4 鏟長(zhǎng)確定

為了保證挖掘鏟在摩擦阻力小時(shí)將壟上土切開(kāi)，掘起物在提升高度前提下長(zhǎng)度L盡可能短，使三七更容易傳遞送到分離裝置上，應(yīng)滿(mǎn)足下式，即

(4)

其中，L為挖掘鏟的長(zhǎng)度；L1為一級(jí)鏟長(zhǎng)(mm)；L2為二級(jí)鏟長(zhǎng)(mm)；h1為一級(jí)鏟高(mm)h2為二級(jí)鏟高(mm)。

根據(jù)公式(4)及參考同類(lèi)挖掘鏟的長(zhǎng)度，取L=350mm[15-16]。

2.1.5 雙翼形深松鏟的確定

雙翼形深松鏟固定在兩平面鏟中間，選擇翼張角為2σ=76°、鏟寬d=104mm、傾角與平面鏟傾角一致為15°≤α2≤25°的挖掘鏟與平面鏟進(jìn)行交互式連接，當(dāng)平面鏟將三七與土壤混合物挖起向后輸送時(shí)，經(jīng)過(guò)雙翼形深松鏟將其進(jìn)一步滑切深松，使三七與土壤混合物又一次分離。

2.1.6 挖掘鏟末端柵條間距和柵條長(zhǎng)度確定

考慮三七不從篩面漏下，盡可能增加?xùn)艞l之間間距，為了增加三七與土壤混合物破碎率，設(shè)柵條之間間距為20mm。為降低三七從挖掘鏟到抖動(dòng)篩高度而減少損傷三七，其長(zhǎng)度由抖動(dòng)升運(yùn)裝置來(lái)確定。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，柵條長(zhǎng)度設(shè)為35mm，鏟前不會(huì)出現(xiàn)壅土現(xiàn)象。挖掘鏟參數(shù)如表2所示。

表2 挖掘鏟的參數(shù)

2.2 切土盤(pán)

為了切碎土壤及減少鏟前壅土，防止由于三七莖葉纏繞給收獲三七帶來(lái)影響，有效避免三七根土混合物從鏟體兩側(cè)漏出發(fā)生擠壓破損或二次掩埋，保證收獲效率，設(shè)計(jì)了兩側(cè)對(duì)稱(chēng)固定式切土盤(pán)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 切土盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Soil cutting plate structure diagram

根莖類(lèi)收獲機(jī)常安裝切土圓盤(pán)，它可以切斷長(zhǎng)莖葉及田間雜草，達(dá)到容易碎土的目的。4SD-1700型三七收獲樣機(jī)采用的是固定割刀式切土盤(pán)，作業(yè)時(shí)直接深入三七的塊根。由于三七種植環(huán)境經(jīng)過(guò)人工清理，由沙壤紅土組成。其中，采用直接切割式切土盤(pán)更適用于三七的田間收獲作業(yè)。

2.3 桿條式升運(yùn)篩設(shè)計(jì)

2.3.1 桿條式升運(yùn)篩結(jié)構(gòu)

桿條式升運(yùn)篩由導(dǎo)向支撐鏈輪、升運(yùn)鏈、拖鏈輪、抖動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)輪等組成。其中，升鏈輪有效輸送距離為1 470mm，寬度與挖掘鏟總寬度相同為1 700mm，如圖6所示。

桿條升運(yùn)篩作用是實(shí)現(xiàn)三七根土混合物的根土分離與輸送，同時(shí)將去土后的三七塊根條鋪于壟上。

1.撐鏈輪 2.升運(yùn)篩 3.抖動(dòng)輪 4.驅(qū)動(dòng)輪 5.拖輪圖6 抖動(dòng)升運(yùn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

被動(dòng)式抖動(dòng)輪在工作時(shí)由升運(yùn)鏈條帶動(dòng)，抖動(dòng)輪為三爪星形結(jié)構(gòu)。抖動(dòng)輪在被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，相鄰爪頂部凹面每跨兩桿條與下一桿條觸碰并將其托起，以實(shí)現(xiàn)升運(yùn)鏈運(yùn)行時(shí)上下抖動(dòng)。

2.3.2 升運(yùn)篩抖動(dòng)頻率與振幅的確定

4SD-1700型三七收獲機(jī)的抖動(dòng)輪有兩個(gè)且對(duì)稱(chēng)安裝，被動(dòng)式抖動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速與升運(yùn)鏈速度和抖動(dòng)輪的周長(zhǎng)關(guān)系為

n=60v/l

(5)

l=πD

(6)

式中n—抖動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(m/s)；

v—升運(yùn)鏈線(xiàn)速度(m/s)；

l—抖動(dòng)輪周長(zhǎng)(mm)；

D—抖動(dòng)輪的直徑(mm)。

抖動(dòng)輪抖動(dòng)頻率f計(jì)算公式為

f=zn/60

(7)

式中f—升運(yùn)篩的抖動(dòng)頻率(Hz)；

Z—抖動(dòng)鏈的凸頂數(shù)。

根據(jù)設(shè)定升運(yùn)篩線(xiàn)速度為0.7～0.9m/s，抖動(dòng)輪有效直徑為180mm，則頻率f為1.9～2.4Hz。

拋起物體升運(yùn)鏈最低線(xiàn)速度vmin為

(8)

式中K=r/R；

g—地球重力加速度，9.8m/s2；

r—撐鏈輪的半徑(mm)；

R—驅(qū)動(dòng)輪的半徑(mm)。

田間試驗(yàn)表明：K的值取0.4～0.6時(shí)，可以獲得較好的根土分離效果。

振幅是由撐鏈輪、驅(qū)動(dòng)輪、拖輪張緊產(chǎn)生的，根據(jù)收獲三七要求，振幅過(guò)大將使三七的損傷率增加，振幅過(guò)小則達(dá)不到分離效果。因此，需要托輪位置可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)其安裝的上下高度來(lái)調(diào)節(jié)振幅，從而改變抖動(dòng)輪抖動(dòng)的強(qiáng)度，以達(dá)到最佳根土分離效果。

2.4 樣機(jī)虛擬制造

根據(jù)上述整體結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模。應(yīng)用ADAMS對(duì)裝配好的模型進(jìn)行運(yùn)行干涉情況的處理，結(jié)果表明：4SD-1700三七收獲機(jī)不存在干涉的情況，各個(gè)零件設(shè)計(jì)合理。收獲時(shí)，采用36.75kW東方紅拖拉機(jī)為動(dòng)力，整壟收獲，收獲幅寬1 700mm。三七收獲樣機(jī)田間試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 樣機(jī)田間試驗(yàn)

3 樣機(jī)田間試驗(yàn)與分析

樣機(jī)性能試驗(yàn)在云南省文山州七丹藥業(yè)GAP種植基地三七試驗(yàn)田進(jìn)行。三七收獲期間田間狀況如下：三七平均壟寬為1 560mm，平均溝寬為460mm，平均壟高180mm，三七直徑為5～40mm，土壤含水率為20.2%，容重為1.32g/cm3，土壤松散，無(wú)粘性，土粒黏結(jié)力適中。

試驗(yàn)設(shè)計(jì):以三七壟頂面為設(shè)計(jì)參考，以收獲時(shí)挖掘土壤深度和升運(yùn)鏈升運(yùn)速度為試驗(yàn)參數(shù)，計(jì)算三七收凈率；選擇合適的挖掘深度，再以升運(yùn)篩傾角和拖拉機(jī)前進(jìn)速度為參數(shù)，計(jì)算三七損傷率；每一次田間試驗(yàn)所選擇的每組參數(shù)在有效理論分析范圍內(nèi)取值；每進(jìn)行一次三七收獲樣機(jī)參數(shù)調(diào)整，就進(jìn)行12m三七收獲試驗(yàn)，每一次重復(fù)3次，并計(jì)算測(cè)量平均值。

收凈率計(jì)算方法為

(9)

式中T—收凈率(%)

W1—挖掘出的三七塊根總質(zhì)量(kg)；

W2—?dú)埩粼谕寥乐腥邏K根的總質(zhì)量(kg)。

損傷率計(jì)算方法為

(10)

式中W3—收獲損傷的三七總質(zhì)量(kg)。

3.1 三七藥材收獲樣機(jī)收凈率田間試驗(yàn)

挖掘鏟挖掘深度和抖動(dòng)升運(yùn)鏈升運(yùn)速度是影響三七收凈率的主要原因，分別取挖掘深度為112、124、136、148、160mm時(shí)對(duì)應(yīng)抖動(dòng)升運(yùn)鏈升運(yùn)速度分別為0.7、0.8、0.9m/s，人工記錄并觀察三七的收凈情況，如表3所示。田間試驗(yàn)表明：在抖動(dòng)升運(yùn)篩升運(yùn)速度一定的情況下，隨著挖掘鏟的挖掘深度不斷增加，三七的收凈率增大，動(dòng)力消耗增大。挖掘深度不變的情況下，抖動(dòng)升運(yùn)鏈升運(yùn)速度增大，收凈率先增大后減小，但整體變化不大。根據(jù)記錄，三七機(jī)械收獲最小收凈率大于88.5%，滿(mǎn)足三七藥材收獲機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

表3 三七收獲機(jī)收凈率試驗(yàn)

3.2 三七藥材收獲樣機(jī)損傷率田間試驗(yàn)

由表3可知：當(dāng)挖掘深度為148mm和160mm時(shí)，收凈率變化不大。為了減小整體阻力，選擇挖掘深度148mm時(shí)為最佳挖掘深度。當(dāng)挖掘深度選擇最佳時(shí)，抖動(dòng)升運(yùn)鏈篩面傾角與拖拉機(jī)的前進(jìn)速度是導(dǎo)致三七收獲時(shí)損傷的主要原因。分別取篩面傾角為11°、13°、15°、17°、19°時(shí)，對(duì)應(yīng)的拖拉機(jī)的前進(jìn)速度分別為0.5、0.7、0.9m/s，由人工觀察收獲情況并記錄三七在收獲后的損傷率，如表4所示。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)速度固定不變時(shí)，隨著篩面傾角不斷加大，三七損傷率先減小后增加；當(dāng)篩面傾角固定不變時(shí)，拖拉機(jī)前進(jìn)速度不斷加大，損傷率逐漸增大，但整體的變化不大。最佳工作參數(shù)組合為篩面傾角15°、前進(jìn)速度0.5m/s，此時(shí)三七損傷率為1.6%。

表4 三七收獲機(jī)損傷率試驗(yàn)

4 結(jié)論

1)4SD-1700型三七藥材收獲機(jī)一次可完成挖掘、輸送、三七根土混合物的根土分離等工作，適應(yīng)性強(qiáng)，轉(zhuǎn)彎半徑較小，成本低，適應(yīng)丘陵山區(qū)小塊面積地帶的三七收獲。

2)田間試驗(yàn)表明：該收獲樣機(jī)整體作業(yè)性能流暢，樣機(jī)由36.75kW拖拉機(jī)配套使用，三七損傷率不大于4.7%，收凈率大于92.5%，滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。該設(shè)計(jì)為產(chǎn)品級(jí)三七藥材收獲機(jī)的研制提供了相應(yīng)的技術(shù)參考。

3)試驗(yàn)表明：損傷率、收凈率、作業(yè)效率等性能滿(mǎn)足三七收獲機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，適合在含水率小于20%的紅壤沙土的環(huán)境下作業(yè)。

本文主要為三七收獲機(jī)作業(yè)出現(xiàn)鏟前壅土、收凈、傷根等問(wèn)題提供技術(shù)支持，為根莖類(lèi)收獲機(jī)械的研究提供參考。