王 鋒，張鋒偉，戴 飛，張陸海，趙 偉，楊小平，*

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站，甘肅 蘭州 730070； 3.定西市三牛農(nóng)機(jī)制造有限公司，甘肅 定西 743022)

半夏為天南星科植物，藥用歷史悠久，為大宗中藥材之一，具有消痞散結(jié)、燥濕化痰和降逆止嘔等功效，在健康養(yǎng)生和防治未病等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，市場需用量大，經(jīng)濟(jì)效益好。隨著半夏野生資源的急劇減少，栽培半夏已成為藥用的主要來源[1-3]。我國半夏主產(chǎn)于山東、貴州、甘肅和云南等地的丘陵山區(qū)地帶[4]。道地產(chǎn)區(qū)——甘肅的藥農(nóng)仍選用傳統(tǒng)的人工翻拋撿拾方式收獲[5]，勞動強(qiáng)度大，效率低，收獲期長，收獲損失率高，降低了半夏種植的經(jīng)濟(jì)效益[6-7]。

目前，關(guān)于半夏收獲機(jī)的研究相對較少。半夏為根莖類作物，收獲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為挖掘、升運(yùn)和篩分，可借鑒機(jī)型包括馬鈴薯、大蒜、菊芋、黃芪等收獲機(jī)[8-11]，但因挖掘深度、種植密度和分離尺寸與半夏不匹配，上述機(jī)型均不適用于半夏收獲[12]。鄭德聰?shù)萚13]針對半夏的種植特點(diǎn)和塊莖性狀設(shè)計了4SB-800型半夏收獲機(jī)；李海等[14]針對收獲效率和收獲精度進(jìn)行改進(jìn)，仿真設(shè)計了半夏收獲機(jī)。然而，上述設(shè)計出的半夏收獲機(jī)在實際應(yīng)用中仍存在著采收不徹底、分離效果不佳、二次除雜工作量大等問題。

近年來，離散元法被用來模擬物料篩分[15]，不少學(xué)者應(yīng)用離散元法對篩分效果進(jìn)行研究[16-17]，但在本研究檢索范圍內(nèi)，關(guān)于半夏篩分的研究鮮見報道。

為此，本研究結(jié)合半夏物性與種植農(nóng)藝，以及現(xiàn)有研究，設(shè)計一種雙層平篩式半夏收獲機(jī)。該收獲機(jī)采用“升運(yùn)裝置+篩分裝置”的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計，對升運(yùn)裝置和篩分裝置分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)選擇，對所選參數(shù)平篩的篩分效果進(jìn)行仿真分析，并用所設(shè)計的雙層平篩式半夏收獲樣機(jī)展開收獲試驗，以期為半夏等淺根莖類農(nóng)作物收獲機(jī)的設(shè)計和試驗提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 半夏種植農(nóng)藝與機(jī)械化收獲要求

甘肅省內(nèi)的半夏種植區(qū)主要分布在清水縣和西和縣，多小塊地、山坡地和水平梯田。當(dāng)?shù)氐陌胂纳a(chǎn)一般采用條播種植的方式，繁殖方法分為塊莖繁殖和株芽繁殖。塊莖繁殖，行距160～200 mm，株距60～100 mm，穴深50 mm，覆土厚度30～50 mm；株芽繁殖，行距100～160 mm，株距60～100 mm，覆土厚度10～20 mm。在田間管理階段，除施肥外，培土厚度10～20 mm[18]。人工種植條件下，半夏收獲期的深度為70～80 mm；機(jī)械種植條件下，半夏收獲期的深度為50～60 mm。

半夏收獲時，要求完整掘出半夏與土壤復(fù)合物，待提升至一定高度后，分離半夏與土壤，完成收集等作業(yè)。機(jī)械化收獲要求半夏收獲機(jī)具有成本低廉、適宜推廣、分離效果好、作業(yè)性能穩(wěn)定、功耗小、操作簡單、適用于丘陵山地的特點(diǎn)。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理和主要技術(shù)參數(shù)

雙層平篩式半夏收獲機(jī)主要由挖掘裝置、旋轉(zhuǎn)耙齒、升運(yùn)裝置、篩分裝置、支撐輪裝置、收集箱、傳動系統(tǒng)和機(jī)架組成(圖1)。其中，挖掘裝置由條形鏟[13]、鏟托、分石柵、固定板和固定螺栓組成，并由鏟托兩端與側(cè)面板開口焊接固定于機(jī)架上，固定螺栓連接條形鏟與固定板，固定板與鏟托焊接，分石柵等間距焊接于鏟托后側(cè)；篩分裝置主要由上下2層平篩、偏心裝置、彈簧等組成，工作過程中，由偏心裝置中偏心輪的撞擊與彈簧形變實現(xiàn)周期性篩分；支撐輪裝置由支撐輪桿、支撐輪、支撐輪調(diào)高手柄等組成，可根據(jù)工況需要，對支撐輪高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)整理于表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

樣機(jī)作業(yè)時，挖掘裝置切入土壤，被掘起的土壤與半夏復(fù)合物劃過鏟托、分石柵，與升運(yùn)裝置接觸，升運(yùn)裝置將復(fù)合物提升，旋轉(zhuǎn)耙齒將土垡切開，在升運(yùn)裝置運(yùn)動下，實現(xiàn)土壤與半夏塊莖的初次分離。提升后的復(fù)合物經(jīng)升運(yùn)裝置末端以一定速度落至篩分裝置的篩面，半夏與土壤復(fù)合物在篩面完成拋起、回落、前后滑移等過程[19]。隨著雙層平篩的周期性運(yùn)動，較大塊的土壤逐漸變小，粒徑小于上層篩孔尺寸的半夏與土壤透過上層篩網(wǎng)，進(jìn)入下層篩網(wǎng)完成進(jìn)一步篩分。之后，半夏塊莖與少量未透過篩網(wǎng)的土塊一起落入位于篩分裝置后方的收集裝置，完成收獲。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 升運(yùn)裝置設(shè)計與參數(shù)選擇

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

升運(yùn)裝置由輸送鏈、托鏈輪組和主動鏈輪組組成(圖2)。其中，輸送鏈由3條節(jié)距、長度相等的套筒滾子鏈和L形刮板組成，套筒滾子鏈由內(nèi)鏈板、外鏈板與銷軸組成，L形刮板由螺栓固定在套筒滾子鏈的外鏈板上；托鏈輪組由方鋼、硬質(zhì)塑料托鏈輪、螺栓和支撐輪固定板組成；主動鏈輪組由3組同型號的主動鏈輪等間距地分布在鏈輪軸上。升運(yùn)裝置位于挖掘裝置后方，工作過程中，位于軸端的傳動鏈輪將動力傳遞給主動鏈輪組，帶動輸送鏈轉(zhuǎn)動，在L形刮板作用下，將挖掘裝置掘起的半夏與土壤復(fù)合物提升至所需高度。

2.1.2 升運(yùn)裝置參數(shù)選擇

升運(yùn)裝置的傾角為55°，根據(jù)幅寬和樣機(jī)結(jié)構(gòu)布置方式，設(shè)定輸送寬度為980 mm，工作長度為1 160 mm，輸送高度為950 mm。輸送鏈由3條雙邊帶耳套筒滾子鏈與多個L形刮板組成。輸送鏈上的L形刮板寬度為980 mm，齒高為38 mm，厚度為2.5 mm。滾子鏈的節(jié)距增大，承載能力會增強(qiáng)，多邊形效應(yīng)更顯著，沖擊振動也隨之變大。為使機(jī)具結(jié)構(gòu)緊湊、鏈條壽命長，選擇節(jié)距較小的單排套筒滾子鏈[20]，型號為12A-1(GB/T 1243—2006)，節(jié)距為19.05 mm。主動鏈輪的分度圓直徑(d1，mm)為

(1)

式(1)中：p為鏈條節(jié)距，mm；z為齒數(shù)，由傳動關(guān)系選取主動鏈輪的齒數(shù)為12齒。經(jīng)計算，分度圓直徑為73.604 mm。

為將挖掘裝置掘起的復(fù)合物及時輸送給后續(xù)篩分裝置，并減少挖掘裝置末端土垡壅塞，輸送鏈的速度應(yīng)滿足如下關(guān)系[21]：

v2cosθ-v1≥0。

(2)

式(2)中：v1為半夏收獲機(jī)前進(jìn)速度，半夏收獲速度不宜過快，可取0.37～0.8 m·s-1，本機(jī)設(shè)計值為0.5 m·s-1；v2為輸送鏈的線速度，m·s-1；θ為升運(yùn)裝置與水平方向的夾角，為使機(jī)具結(jié)構(gòu)緊湊，取θ為55°。

忽略鏈輪的跳動，將鏈輪的運(yùn)動近似為圓周運(yùn)動，則有

(3)

式(3)中：n1為輸送鏈主動軸轉(zhuǎn)速，r·min-1。

輸送鏈主動軸的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足如下關(guān)系：

(4)

由式(4)計算可知，n1≥226.2 r·min-1。當(dāng)拖拉機(jī)動力輸出軸以標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速540 r·min-1輸出時，設(shè)計輸送鏈主動軸轉(zhuǎn)速為235 r·min-1。將其代入式(3)，得出v2=0.906 m·s-1。

升運(yùn)裝置的升運(yùn)量(Q，kg·s-1)[19]為

Q=B1hv2ζψk×10-6。

(5)

式(5)中：B1為刮板寬度，同輸送寬度，980 mm；h為L形刮板高度，設(shè)定為38 mm；ζ為輸送物料單位容積的質(zhì)量，取1 500 kg·m-3；ψ為充滿系數(shù)，當(dāng)v2=0.906 m·s-1時，ψ取0.93；k為傾斜系數(shù)，取0.15～0.85，根據(jù)升運(yùn)裝置傾角，用插值法確定k為0.33。

根據(jù)式(5)計算得出，升運(yùn)裝置的升運(yùn)量Q為15.5 kg·s-1。升運(yùn)裝置需用功率(P′，kW)為

P′=Qg(L3W+H1) ×10-6。

(6)

式(6)中：g為重力加速度，m·s-2；L3為升運(yùn)裝置水平投影長度，mm；H1為升運(yùn)裝置垂直高度，mm；W為運(yùn)動阻力系數(shù)，其中套筒滾子鏈為1.05～2.25，此處根據(jù)升運(yùn)量，選取W為1.05。

經(jīng)測算，升運(yùn)裝置需用功率P′為0.25 kW，則傳遞功率(P，kW)為

(7)

式(7)中：η為鏈傳動效率，取0.8。經(jīng)計算，傳遞功率P為0.312 5 kW，則計算功率(Pca)為

(8)

式(8)中：KA為工況系數(shù)，取1.3；Kz為主動鏈輪齒數(shù)系數(shù)，取2.25；Kp為多排鏈系數(shù)，取2.5。將其代入式(8)，得出計算功率Pca為0.366 kW。

2.2 篩分裝置設(shè)計與參數(shù)選擇

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

半夏塊莖與土壤復(fù)合物分離的核心部件是篩分裝置，采用偏心輪式雙層擺動平篩，用偏心輪與彈簧組合的方式為平篩傳遞動力。篩分裝置主要由偏心裝置、雙層平篩和彈簧等部分組成(圖3)。其中，偏心裝置由偏心輪軸、偏心輪、偏心輪外軸承和傳動鏈輪組成；雙層平篩由上層篩(粗篩)、下層篩(細(xì)篩)、篩架、前吊桿和后吊桿組成。

2.2.2 篩分裝置相關(guān)參數(shù)選擇

經(jīng)實測，甘肅省半夏塊莖的三軸尺寸分布區(qū)間為5～30 mm，結(jié)合半夏種植農(nóng)藝和樣機(jī)設(shè)計要求[16]，選擇平篩寬度為1 030 mm，長度為1 900 mm，上層篩網(wǎng)篩孔尺寸為24.5 mm×24.5 mm，下層篩網(wǎng)篩孔尺寸為24.5 mm×12.25 mm，前、后吊桿長度均為295 mm。

篩面復(fù)合物的運(yùn)動狀態(tài)直接影響篩分效率，因此篩面復(fù)合物應(yīng)有很好的通過性和透篩性，若通過性差，會造成復(fù)合物堆積，導(dǎo)致篩面負(fù)載過大，不利于篩分。為滿足篩面復(fù)合物的通過性和透篩性要求，需要篩面復(fù)合物以一定速度后滑、前移和拋起，從而實現(xiàn)篩分[19]。以下針對篩面上復(fù)合物的運(yùn)動特性進(jìn)行分析，以合理選擇雙層平篩的運(yùn)動參數(shù)，其中，決定運(yùn)動狀態(tài)的主要參數(shù)包括偏心輪轉(zhuǎn)速(n2，r·min-1)、偏心輪的偏心距(r，mm)、篩面傾角[α，(°)]、篩子擺動方向與水平面之間的夾角[γ，(°)]、篩子擺動方向與篩面夾角β[β=γ-α，(°)]。篩子的加速度決定篩面物料的運(yùn)動形式和方向，篩子加速度(a，m·s-2)應(yīng)滿足如下關(guān)系[19]：

a=ω2rcos(ωt1)×10-3。

(9)

式(9)中：ω為偏心輪角速度，rad·s-1；t1為偏心輪轉(zhuǎn)動時間，s。

復(fù)合物沿篩面向后滑移的條件為

(10)

式(10)中：f為滑動摩擦系數(shù)，可取0.43～0.80。

復(fù)合物沿篩面向前滑移的條件為

(11)

篩面復(fù)合物被拋起的條件為，篩子速度的法相分量和篩子加速度的法相分量的方向向下，篩子加速度的絕對值大于或等于重力加速度的法相分量，可得：

(12)

為保證良好的輸送能力，β可取15°～25°。

對設(shè)計中的平篩，選取篩面傾角α=0。篩分裝置在升運(yùn)裝置之后，位于機(jī)具中后部，選取β為25°、滑動摩擦系數(shù)f為0.6，則滿足復(fù)合物沿篩面向前、向后和拋起的平篩加速度不應(yīng)小于23.18 m·s-2。

偏心輪轉(zhuǎn)速(nr)為

(13)

式(13)中：K為保證拋起土垡和土塊飛越時間等于偏心輪轉(zhuǎn)動整圈所需時間的系數(shù)。偏心輪的偏心距即為振幅，適宜的振幅可取15～25 mm，K可取3.3～4.0[19]。

相應(yīng)計算出滿足復(fù)合物拋起的偏心輪轉(zhuǎn)速為530～753 r·min-1。當(dāng)拖拉機(jī)動力輸出軸以標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速540 r·min-1輸出時，設(shè)計偏心輪的轉(zhuǎn)速為540 r·min-1，偏心距為20 mm。

篩分裝置的布置位置對整機(jī)結(jié)構(gòu)和篩分效果均有影響。經(jīng)升運(yùn)裝置末端拋出的復(fù)合物會受到重力影響，為研究復(fù)合物由升運(yùn)裝置末端下落時的運(yùn)動特性和落至篩面的力學(xué)特性[22]，選單個半夏顆粒為研究對象(圖4)。半夏在升運(yùn)裝置末端以輸送鏈線速度v2拋出，忽略空氣阻力，在重力作用下做勻變速曲線運(yùn)動，建立坐標(biāo)系，以擺動篩上升至最高位置進(jìn)行分析：

vx=v2，vy=gt2；

(14)

(15)

(16)

(17)

式(14)～(17)中：v3為半夏塊莖與篩面初次接觸速度，m·s-1；vx為v3的水平分量，m·s-1；vy為v3的垂直分量，m·s-1；H2為篩面距升運(yùn)裝置末端垂直距離，mm；t2為半夏塊莖運(yùn)動H2高度所需時間，s；x為升運(yùn)裝置末端在水平方向投影與半夏落點(diǎn)距離，mm。

輸送鏈線速度不變時，H2增大，初次碰撞篩面的水平距離增大，整機(jī)長度尺寸變大，對篩面沖擊增大。考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)，選擇篩面距升運(yùn)裝置末端垂直距離H2為350 mm，升運(yùn)裝置末端在水平方向投影與半夏落點(diǎn)距離x為242 mm。

2.2.3 篩分過程模擬

運(yùn)用EDEM軟件模擬篩分過程，以驗證篩分裝置運(yùn)動參數(shù)選取的合理性。對頻率為9 Hz(偏心輪轉(zhuǎn)速為540 r·min-1)、幅值為20 mm(偏心輪的偏心距為20 mm)所對應(yīng)的被篩分復(fù)合物在篩面的分布情況、標(biāo)記顆粒豎直方向運(yùn)動情況和半夏與土壤顆粒豎直方向總速度變化情況進(jìn)行分析。

半夏塊莖與土塊為不同屬性的物體，與篩面作用復(fù)雜，考慮建模的復(fù)雜性與仿真的有效性，在不影響仿真結(jié)果的前提下，均用單個球型顆粒代替。設(shè)置顆粒尺寸服從高斯分布，采用系統(tǒng)默認(rèn)的Hertz-mindlin(no-slip)模型進(jìn)行分析。根據(jù)輸送鏈線速度，設(shè)置工廠生成顆粒初速度為0.906 m·s-1，方向為EDEM坐標(biāo)系中的Y軸方向，顆粒工廠距離篩面高度為350 mm，篩子運(yùn)動形式為正弦運(yùn)動。將主要仿真模型參數(shù)整理于表2[23-24]。

表2 仿真模型參數(shù)

利用軟件仿真雙層平篩篩分過程的顆粒速度(圖5)，篩面顆粒分布均勻，圖5中箭頭的方向和流向表明半夏與土壤復(fù)合物具備很好的流動性，篩面復(fù)合物可以完成后滑、前移和拋起運(yùn)動，所選幅值和頻率參數(shù)可避免復(fù)合物在篩面淤積導(dǎo)致的篩分不暢現(xiàn)象，所選參數(shù)合理。

頻率和振幅影響篩分效果，復(fù)合物顆粒與篩面的接觸次數(shù)影響透篩概率。頻率增大，復(fù)合物顆粒與篩面的接觸次數(shù)增加，透篩概率增加，這有利于篩分效率的提高。振幅增大，可以減少篩孔堵塞，有利于復(fù)合物分層，但復(fù)合物和篩網(wǎng)的接觸次數(shù)減少，篩分效率降低；振幅減小，篩面復(fù)合物運(yùn)動速率降低，復(fù)合物拋起運(yùn)動減弱，同樣影響篩分效率。選取豎直方向軌跡為研究對象(仿真系統(tǒng)Z軸方向)，標(biāo)記顆粒Z軸坐標(biāo)值隨時間的變化(圖6)。結(jié)果顯示，復(fù)合物顆粒與篩網(wǎng)平均接觸12次，篩面上復(fù)合物運(yùn)動速率適中，在Z軸方向有明顯的周期性跳動，說明所選參數(shù)合理。

半夏塊莖與土塊為不同屬性的物體，分析其在豎直方向上總速度隨時間的變化情況(圖7)。在所選頻率和幅值參數(shù)下，半夏與土壤總速度分布區(qū)間差別明顯，有利于復(fù)合物分層，說明按照所選頻率可以實現(xiàn)篩分。

3 田間試驗與分析

3.1 試驗條件

雙層平篩式半夏收獲樣機(jī)性能試驗于2020年8月下旬在甘肅省天水市清水縣楊灣村半夏試驗田進(jìn)行。試驗田為平坦梯田地，土壤為砂壤土，含水率13%，容重1.15 g·cm-3，土壤松散，土粒黏結(jié)力適中，此時半夏莖塊容易與土壤分離。

供試半夏品種為旱半夏。試驗田種植密度符合半夏種植農(nóng)藝技術(shù)相關(guān)要求，半夏莖塊深度為65～80 mm，配套動力為沃得奧龍854拖拉機(jī)，功率為56.3 kW。

3.2 試驗方法

按照NY/T 3481—2019《根莖類中藥材收獲機(jī) 質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》和NY/T 648—2002《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的方法開展田間試驗(圖8)，分別測定挖掘深度、挖凈率、傷損率和含雜率。

試驗過程中，樣機(jī)前進(jìn)速度控制在0.5 m·s-1，調(diào)試后挖掘深度平均值為83 mm。每組試驗選3個試驗小區(qū)，結(jié)果取測試小區(qū)平均值，并保證參數(shù)選取均在有效理論分析范圍之內(nèi)。

3.3 試驗結(jié)果

結(jié)合甘肅西和縣和清水縣半夏種植的特點(diǎn)，要求半夏的挖凈率≥95%，損傷率≤5%，含雜率≤5%。取雙層平篩式半夏收獲樣機(jī)進(jìn)行性能試驗，按照試驗所定的標(biāo)準(zhǔn)，人工測量并計算出各試驗數(shù)據(jù)(表3)，挖凈率、傷損率和含雜率均符合上述要求。

表3 雙層平篩式半夏收獲機(jī)收獲指標(biāo)

4 結(jié)論

針對丘陵山地人工收獲勞動強(qiáng)度大、效率低、收獲期長、收獲損失率高，現(xiàn)有半夏收獲機(jī)械采收不徹底、分離效果不佳等問題，結(jié)合半夏種植農(nóng)藝，設(shè)計雙層平篩式半夏收獲機(jī)。該樣機(jī)能實現(xiàn)半夏的挖掘、篩分和收集等作業(yè)功能。為實現(xiàn)半夏與土壤的有效篩分，結(jié)合半夏物理特性，確定雙層平篩的結(jié)構(gòu)參數(shù)；通過動力學(xué)理論，確定雙層平篩的運(yùn)動參數(shù)；應(yīng)用EDEM軟件模擬了理論計算參數(shù)內(nèi)雙層平篩的動態(tài)篩分過程，驗證了運(yùn)動參數(shù)選取的合理性。田間試驗表明，雙層平篩式半夏收獲機(jī)完成收獲作業(yè)后，半夏的挖凈率為97.3%，傷損率為3.51%，含雜率為4.97%，試驗指標(biāo)符合NY/T 3481—2019《根莖類中藥材收獲機(jī) 質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》要求，樣機(jī)作業(yè)過程平穩(wěn)，可進(jìn)行半夏收獲作業(yè)。研究結(jié)果可為半夏收獲機(jī)的設(shè)計與試驗提供參考。