丁建民

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030027）

0 引言

山西是根莖類中藥材資源大省，也是全國(guó)根莖類中藥材重要產(chǎn)區(qū)，中藥材的種類、種植面積和產(chǎn)量均處于全國(guó)前列，恒山黃芪、晉東南黃芩、黨參等品質(zhì)上乘，自古以來(lái)就是農(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源。2020 年2 月，山西省出臺(tái)了《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品精深加工十大產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展的意見》，明確提出大力推動(dòng)山西藥材產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。目前，收獲根莖類藥材的機(jī)械化程度低，且收獲機(jī)械并不成熟，收獲效率低、損失大，收獲機(jī)適用性不強(qiáng)、可靠性較差，因此研制新型快速根莖類藥材收獲機(jī)對(duì)提升中藥材收獲機(jī)械化水平，推動(dòng)藥材產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，切實(shí)助力農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、用戶增收、農(nóng)民脫貧，有很好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

1 目前根莖類中藥材收獲機(jī)現(xiàn)狀

1.1 目前根莖類中藥材收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前市場(chǎng)上常見的幾類根莖類藥材收獲機(jī)主要有單/ 雙鏈條式分離清選收獲機(jī)、單/ 雙振動(dòng)篩式收獲機(jī)、鏈條振動(dòng)篩組合式收獲機(jī)這3 類，都是由拖拉機(jī)提供動(dòng)力，挖掘鏟鏟起土壤后，通過(guò)鏈篩或者振動(dòng)篩分離土塊向機(jī)身后拋出藥材。

1.2 目前根莖類中藥材收獲機(jī)的技術(shù)缺陷

目前這幾種結(jié)構(gòu)的根莖類收獲機(jī)在使用中存在許多不足，給用戶帶來(lái)不便，影響機(jī)具的推廣應(yīng)用，主要缺陷體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.2.1 作業(yè)效率低

根莖類藥材收獲需深入地面以下將土壤和藥材鏟起，工作負(fù)荷大、速度慢，對(duì)配套動(dòng)力要求高、消耗大。特別是振動(dòng)篩式分離清選收獲機(jī)，在作業(yè)時(shí)通過(guò)振動(dòng)沖擊實(shí)現(xiàn)土壤的鏟起、抖松和拋送作業(yè)，收獲機(jī)振動(dòng)幅度大，速度無(wú)法提升，沖擊載荷對(duì)懸掛機(jī)架損傷較大。單行收獲雖然能很好地避免這些問(wèn)題，但是犧牲了作業(yè)效率，同時(shí)對(duì)兩行間的作物帶來(lái)一定的損傷，而藥材損傷、斷裂、破皮會(huì)直接影響藥材的藥效，進(jìn)而影響藥材品質(zhì)，影響藥材價(jià)格。

1.2.2 損失率高

根莖類藥材是對(duì)主要藥用部分根、根（塊） 莖這一類藥材統(tǒng)稱，其種類龐雜且藥用部位在土壤內(nèi)分布并不穩(wěn)定，有的藥材可深入地下500 mm 以下，能否將更深處的藥材挖掘出來(lái)是影響損失的主要因素，而藥材與土壤的分離不徹底、分離后藥材被土壤再次覆蓋也是收獲損失的重要部分，收1 遍覆土收獲后埋根情況嚴(yán)重，收2 遍后又以須根、斷根為主，耗油多、經(jīng)濟(jì)效益差。

1.2.3 可靠性、適用性差

根莖類藥材收獲時(shí)收獲機(jī)工作負(fù)荷大、強(qiáng)度高，對(duì)收獲機(jī)結(jié)構(gòu)的牢固性、整體裝配的合理性都有很高的要求，目前市面上藥材收獲機(jī)可靠性并不穩(wěn)定，故障率高影響作業(yè)效率；根莖類中藥材種類龐雜，藥材種植模式、收獲時(shí)間的差異及其在土壤內(nèi)分布情況不穩(wěn)定，都對(duì)機(jī)具的適用性提出了較高要求。

2 產(chǎn)品研制過(guò)程

為適應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的新要求，加快藥材收獲機(jī)械化進(jìn)程，突破收獲機(jī)作業(yè)效率低、損失率高、可靠性、適用性差等問(wèn)題結(jié)節(jié)，通過(guò)前期的技術(shù)調(diào)研，優(yōu)化材料選擇和工藝配套，研制出了4EYL- 170A/180A 兩款新型快速根莖類藥材收獲機(jī)，并順利通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 技術(shù)路線

新型快速根莖類藥材收獲機(jī)的設(shè)計(jì)圍繞提高工作效率、減少損失、提升可靠性和適用性4 個(gè)方面展開。以下將從技術(shù)指標(biāo)的預(yù)期及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)2 個(gè)方面介紹此次研發(fā)的技術(shù)路線。

2.1.1 預(yù)期性能指標(biāo)

為突出此次研制的先進(jìn)性，預(yù)估產(chǎn)品未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，將新型快速根莖藥材收獲機(jī)的作業(yè)性能技術(shù)指標(biāo)、可靠性、適用性較大綱規(guī)定有所提高[1]，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的損失率為≤8%，可靠性、適用性為連續(xù)作業(yè)滿一個(gè)作業(yè)季無(wú)嚴(yán)重、致命故障。

通過(guò)前期調(diào)研、查閱各類根莖類中藥材的生長(zhǎng)特性[2]，作物生長(zhǎng)深度可以達(dá)到450 mm 以上，作為藥用價(jià)值帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的部分往往在400～450 mm，從地面算起深度在300 mm 以內(nèi)占總質(zhì)量的80%～90%，在深度擴(kuò)展到450 mm 時(shí)占總質(zhì)量的90%～99%。同等幅寬下作業(yè)深度每增加10 mm 對(duì)機(jī)具的可靠性要求和油耗將會(huì)大幅增長(zhǎng)。目前，收獲機(jī)普遍可以達(dá)到350 mm 的作業(yè)深度。因此，從收獲經(jīng)濟(jì)性、機(jī)具可靠性、損失率等方面綜合考慮，將作業(yè)深度確定為400～500 mm。

統(tǒng)計(jì)各類根莖類中藥材種植模式，目前對(duì)收獲幅寬市場(chǎng)需求普遍都在1.5 m 以上，行距根據(jù)種植地氣候、灌溉、地形略有不同，基本維持在300～400 mm。考慮到在適用行距范圍內(nèi)能收全、減少不對(duì)行收割帶來(lái)的收獲損失及其對(duì)藥材的傷害，提高作業(yè)效率，因此確定1.7 m 和1.8 m 兩種幅寬。

2.1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

樣機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛機(jī)架與拖拉機(jī)懸掛點(diǎn)相連接，通過(guò)拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)切土角度的調(diào)節(jié)、作業(yè)深度的控制，其中最大入土深度可以達(dá)到400～500 mm。作業(yè)時(shí)由拖拉機(jī)萬(wàn)向軸傳遞動(dòng)力至收獲機(jī)中央變速箱，變速箱驅(qū)動(dòng)軸分配動(dòng)力至機(jī)身兩側(cè)，帶動(dòng)一級(jí)分離輸送鏈條篩、二級(jí)分離輸送鏈條，分段式切土平鏟（平鏟與兩側(cè)鋼制內(nèi)板共同組成切土區(qū)） 鏟起切土區(qū)內(nèi)作物和土壤送至一級(jí)分離輸送鏈條篩，在篩內(nèi)將土塊與作物松動(dòng)并將其輸送至二級(jí)分離輸送鏈條完成藥材的分離拋送作業(yè)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

研發(fā)創(chuàng)新性地采用分段式平鏟為挖掘鏟，采用兩級(jí)鏈條篩作為分離清選拋送裝置，同時(shí)優(yōu)化了挖掘鏟入土角度，保障了產(chǎn)品的作業(yè)性能，提高了產(chǎn)品的可靠性和適用性。

在分析了大部分收獲機(jī)的挖掘鏟結(jié)構(gòu)、以往故障情況后，決定采用加寬加厚式分段平鏟，鏟底部采用支撐鋼架，固定鏟的位置同時(shí)在作業(yè)時(shí)起到穩(wěn)定平鏟、分擔(dān)作業(yè)負(fù)荷的作用。作業(yè)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)以往整體式平鏟、翼鏟在鏟中間載荷大易變形現(xiàn)象。提高了鏟的整體穩(wěn)定性，同時(shí)保護(hù)收獲機(jī)鋼架結(jié)構(gòu)的可靠性。分段式平鏟采用將以往的平鏟分成4 段來(lái)分別下料加工、分別組裝，鏟在組裝前又經(jīng)過(guò)回火處理降低內(nèi)部剛性，提高韌度，表面經(jīng)過(guò)滲碳處理提高了鏟面、鏟尖的耐磨性。為保障裝配的方便性及減輕鏟的壓強(qiáng)，加寬了鏟面。維修時(shí)僅需更換損壞部分鏟板，將鏟放置在鏟固定座上通過(guò)焊接與支座連接，不影響其他位置鏟體，大大降低了維修的工時(shí)，提高了維修的可靠性。

市面上收獲機(jī)入土角度并沒(méi)有明確數(shù)值，而且同一生產(chǎn)企業(yè)的同一批 “鏟角” 也并不固定。而入土角度又直接影響收獲機(jī)作業(yè)時(shí)整機(jī)負(fù)荷、入土平穩(wěn)性等。經(jīng)過(guò)調(diào)研后，采用模擬試驗(yàn)方式最后確定合理入土角度。入土角度較以往有所降低，減少了入土阻力，提高了作業(yè)速度和工作平穩(wěn)性。而且采用平鏟支撐鏟座，保證了出廠時(shí)角度的統(tǒng)一。

根莖類藥材收獲機(jī)分離清選型式分為輸送鏈?zhǔn)椒蛛x清選篩和振動(dòng)篩分離清選篩。其中振動(dòng)篩式是通過(guò)對(duì)挖掘出來(lái)的泥土和藥材進(jìn)行往復(fù)式振動(dòng)來(lái)達(dá)到輸送、分離清選目的，對(duì)收獲機(jī)和配套動(dòng)力來(lái)說(shuō)沖擊負(fù)荷較大、對(duì)零部件（軸承、機(jī)架） 的要求高，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)收獲舒適性差、作業(yè)速度慢，此結(jié)構(gòu)常用于低作業(yè)幅寬的收獲機(jī)。而輸送鏈?zhǔn)酵ㄟ^(guò)鏈條在運(yùn)輸泥土和藥材時(shí)完成二者的分離清選，分離速度快，且可通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)調(diào)整分離清選速度，而且收獲后的藥材不容易被泥土、土塊覆蓋，明莖明根率較高。因此，此次設(shè)計(jì)選定鏈條篩式分離清選，同時(shí)為保障機(jī)具的可靠性、兼顧鏈篩前部磨損大負(fù)荷強(qiáng)的特點(diǎn)，選用分段式兩級(jí)鏈篩，前篩主要完成泥土和藥材的輸送、抖動(dòng)疏松，第二級(jí)完成分離與清選拋送。

2.2 產(chǎn)品試制生產(chǎn)

對(duì)比現(xiàn)有收獲機(jī)使用的鋼材，考慮到鋼材的強(qiáng)度、再加工性能，試驗(yàn)樣機(jī)鋼材選擇優(yōu)質(zhì)合金鋼，進(jìn)行整板激光下料切割，保障整機(jī)的組裝性能。挖掘鏟使用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼下料后進(jìn)行熱處理，既滿足挖掘鏟的剛度和強(qiáng)度要求，又保證了長(zhǎng)時(shí)間入土作業(yè)不易磨損。

4EYL- 170A 型首臺(tái)樣機(jī)完成后，考慮到產(chǎn)品的作業(yè)負(fù)荷較大，以往機(jī)型故障主要集中在機(jī)具強(qiáng)度上，因此進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。于2019 年7 月初在周邊土壤高硬度、土層條件較復(fù)雜的地理?xiàng)l件下進(jìn)行了數(shù)次強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試中未出現(xiàn)機(jī)架變形、鏟尖損壞和運(yùn)轉(zhuǎn)不流暢現(xiàn)象，整體測(cè)試結(jié)果優(yōu)于預(yù)期，經(jīng)評(píng)估后產(chǎn)品設(shè)計(jì)通過(guò)強(qiáng)度測(cè)試。

對(duì)4EYL- 170A 型樣機(jī)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果研究分析，總結(jié)產(chǎn)品生產(chǎn)流程，進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，形成產(chǎn)品加工工藝卡、出廠檢驗(yàn)要求。2019 年7 月底前每種型號(hào)研制了2 臺(tái)樣機(jī)，并通過(guò)技術(shù)認(rèn)證，項(xiàng)目進(jìn)入樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證階段。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程

為充分考核收獲機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量， 對(duì)4EYL-170A/180A 兩款新型快速根莖類收獲機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)考核、可靠性適用性考核。其中，性能試驗(yàn)按照DG/T 189—2019 《藥材挖掘機(jī)》 中規(guī)定的試驗(yàn)測(cè)試方法，重點(diǎn)考核了兩款產(chǎn)品的作業(yè)效率、挖掘深度、損失率。選擇的地塊能很好地代表收獲機(jī)適用地區(qū)的種植模式、土壤條件，選擇的作物能代表收獲機(jī)廣泛適用的品種。

可靠性適用性考核采用滿作業(yè)季考核，將產(chǎn)品分發(fā)給使用用戶進(jìn)行為期一個(gè)作業(yè)季的滿負(fù)荷考核。調(diào)查方式采用現(xiàn)場(chǎng)跟機(jī)考核和電話調(diào)查2 種方式相結(jié)合。

2.3.1 性能試驗(yàn)考核

2019 年11 月，分別在甘肅省臨夏州永靖縣王臺(tái)鎮(zhèn)進(jìn)行了4EYL- 170A 型收獲機(jī)黃芪的收獲試驗(yàn)，在山西省萬(wàn)榮縣皇甫鄉(xiāng)進(jìn)行了4EYL- 180A 型收獲機(jī)丹參的收獲試驗(yàn)，試驗(yàn)考核面積共26.67 hm2，收獲作物為黃芪和丹參各13.34 hm2，作物葉莖提前經(jīng)過(guò)滅茬處理。在試驗(yàn)地內(nèi)選擇10 個(gè)試驗(yàn)區(qū)按照大綱規(guī)定測(cè)試，采用4 個(gè)行程測(cè)試數(shù)據(jù)均值作為該測(cè)區(qū)的測(cè)試值。經(jīng)過(guò)對(duì)4EYL- 170A/180A 機(jī)型各2 臺(tái)樣機(jī)的考核，該產(chǎn)品在測(cè)試區(qū)域損失率分別為2.8%，3.4%，優(yōu)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)提出的技術(shù)要求。

各試驗(yàn)區(qū)損失率測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 各試驗(yàn)區(qū)損失率測(cè)試數(shù)據(jù)/ %

通過(guò)在各試驗(yàn)區(qū)按照大綱規(guī)定選點(diǎn)測(cè)得挖掘深度最大值為510 mm，最小數(shù)值為409 mm，其他測(cè)量值在最大最小值范圍內(nèi)離散分布，均值為439，445 mm 完全達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。挖掘深度數(shù)值的不同主要是各試驗(yàn)區(qū)土壤情況及作業(yè)時(shí)間段不同造成，在同一試驗(yàn)區(qū)內(nèi)挖掘深度數(shù)值偏差范圍10～20 mm，挖掘深度穩(wěn)定，真正實(shí)現(xiàn)了在明示深度范圍內(nèi)想挖多深就挖多深，在同一深度范圍內(nèi)挖掘深度穩(wěn)定，無(wú)明顯偏差。

各試驗(yàn)區(qū)挖掘深度測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 各試驗(yàn)區(qū)挖掘深度測(cè)試數(shù)據(jù)/ %

平均生產(chǎn)率為0.2 hm2/h，最大收獲效率可達(dá)到0.28 hm2/h，在高速收獲時(shí)前篩能很好地起到輸送分離效果，后篩分離干凈，無(wú)明顯覆土情況出現(xiàn)，試驗(yàn)完成后兩級(jí)鏈篩均未出現(xiàn)明顯的損傷、運(yùn)轉(zhuǎn)不暢現(xiàn)象，能很好地保證可靠性。同時(shí)，性能試驗(yàn)對(duì)比了在相同地塊同等幅寬未改進(jìn)機(jī)型的性能數(shù)據(jù)，新型快速根莖類收獲機(jī)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

收獲機(jī)產(chǎn)品考核性能對(duì)照表見表3。

2.3.2 可靠性、適用性試驗(yàn)考核情況

在2 次試驗(yàn)考核完成后分別分析了作業(yè)的情況，對(duì)機(jī)具進(jìn)行了局部調(diào)整。調(diào)整后將4EYL- 170A/180A 2 個(gè)機(jī)型共4 臺(tái)樣機(jī)投放萬(wàn)榮縣周邊藥材收獲機(jī)專業(yè)用戶進(jìn)行了為期2 個(gè)月一個(gè)作業(yè)季可靠性、適用性考核。考核期間考核人員分時(shí)段采取跟機(jī)收獲，電話調(diào)查回訪，對(duì)收獲機(jī)作業(yè)情況進(jìn)行匯總，總體評(píng)價(jià)良好，經(jīng)濟(jì)效益社會(huì)效益與同類機(jī)型相比進(jìn)步十分明顯。

表3 收獲機(jī)產(chǎn)品考核性能對(duì)照表

3 結(jié)論

此次研制的2 款機(jī)型較國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特。采用分段式平鏟結(jié)構(gòu)。組裝方便、維修便捷、較以往的整體切土刀更換時(shí)需整體拆除、整體換裝，維修的工時(shí)大大降低，配件的整體保障能力也有所提升。經(jīng)過(guò)用戶調(diào)查比較，分段式平鏟的使用時(shí)間較以往同類機(jī)型提高了26%，維修時(shí)間較以往降低了40%，同時(shí)維修費(fèi)用大幅降低。

鏈?zhǔn)捷斔头蛛x篩通過(guò)分段式兩級(jí)輸送，前篩主要完成泥土和藥材的輸送、抖動(dòng)疏松，第二級(jí)完成分離與清選拋送，收獲速度能有效保證，提高了作業(yè)效率。作業(yè)時(shí)分離效果更好，收獲后得藥材不容易被泥土、土塊覆蓋，明莖明根率較高，經(jīng)數(shù)據(jù)比較收獲損失降低了5%，且收獲后成品藥材品質(zhì)大幅提升，據(jù)試驗(yàn)地用戶反映使用該款收獲機(jī)后藥材好賣，而且藥材價(jià)格較高，大大提升了經(jīng)濟(jì)效益。

（2） 適用性好、可靠性高。新型快速根莖類藥材收獲機(jī)可對(duì)全國(guó)大部分地區(qū)不同作物、不同種植模式的根莖類藥材進(jìn)行收獲[2]，整機(jī)不容易出現(xiàn)鏈條堵篩情況，機(jī)組作業(yè)速度快，可適用于馬鈴薯、紅薯、花生、黃芹、遠(yuǎn)志、丹參、地黃、柴胡、板蘭根、黃峰等多種中藥材和薯類的挖掘，出凈率高、挖掘深度大、破損率低。

（3） 具有良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。該機(jī)型的研制可增加生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，可為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)立一個(gè)新的亮點(diǎn)。該產(chǎn)品的推廣將大大推進(jìn)山西省藥材收獲機(jī)械化水平的發(fā)展，提升山西省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化裝備水平，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。