山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心

□ 張丹

根莖類(lèi)中藥材是我國(guó)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，至今社會(huì)上普遍認(rèn)同根莖類(lèi)中藥材的藥用保健功效，關(guān)注度及需求越來(lái)越高。目前，我國(guó)中藥材生產(chǎn)耕種收綜合機(jī)械化水平不足40%，尤其是根莖類(lèi)藥材綜合機(jī)械化水平存在著區(qū)域不平衡問(wèn)題，河北、甘肅地區(qū)較高，山西、寧夏、陜西等地相對(duì)較低，有的地區(qū)全程仍為人工作業(yè)。就山西省來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段應(yīng)重點(diǎn)以中藥材機(jī)械化收獲為突破口，完善耕種收一體化農(nóng)機(jī)農(nóng)技協(xié)同技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的技術(shù)缺點(diǎn)，補(bǔ)齊短板、研發(fā)更具適用性的藥材聯(lián)合收獲機(jī)非常必要。

一、目前藥材收獲機(jī)產(chǎn)品存在的問(wèn)題

1.缺少聯(lián)合作業(yè)機(jī)械，生產(chǎn)效率低、綜合成本高

藥材收獲后往往平鋪于地面，在后續(xù)作物離田中，既增加了勞動(dòng)力投入，也帶來(lái)二次損失。以黃芪收獲為例，畝產(chǎn)保守估計(jì)2000kg以上，現(xiàn)有機(jī)具收獲后將藥材鋪放或裝箱集條于地面，人工用叉子將藥材叉起裝車(chē)，或撿拾裝袋后再裝車(chē)，這樣每臺(tái)收獲機(jī)作業(yè)時(shí)需要雇傭4—8名工人，在裝車(chē)時(shí)工人常常將好裝的物料裝車(chē)，不好裝的就然遺留在地頭，二次人為損失很大。

2.不同作業(yè)季適用性差，調(diào)節(jié)不便、操作性不強(qiáng)

近年來(lái)，藥材地頭交易量和占比逐步提高，由于供需銜接較差，為便于集中出貨農(nóng)戶往往提前收獲，但因?yàn)樽鳂I(yè)環(huán)境和收獲機(jī)作業(yè)參數(shù)不盡不同，既影響藥材畝產(chǎn)和品質(zhì)，藥材收獲難度也隨之增加，為應(yīng)對(duì)不同收獲季，現(xiàn)有機(jī)具的可調(diào)性差，調(diào)整難度也大。

3.產(chǎn)品針對(duì)性差，專(zhuān)用機(jī)型少

目前，市場(chǎng)上藥材收獲機(jī)仍以懸掛挖掘式為主，其工作路線為：拖拉機(jī)懸掛挖掘機(jī)前進(jìn)——藥材土壤收獲——鏈篩輸送分離——藥材灑落地面。該作業(yè)模式僅能簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)藥材挖掘和分離，各生產(chǎn)廠家為便于產(chǎn)品生產(chǎn)、零部件配套，產(chǎn)品均以適用大多數(shù)藥材來(lái)配套零部件，“一機(jī)打天下”情況較為普遍，看似適用性提高了、什么藥材都可以收，但最大的缺點(diǎn)是什么都收不好。

4.損失大，損傷多

藥材收獲后還需經(jīng)過(guò)晾曬、炮制、切（片）段、烘干等工序，收獲后藥材越完整，越有利于后續(xù)加工處理，藥效也更好。以黃芪、丹參為例，其根莖在土壤內(nèi)時(shí)成傘條狀分布，韌性差較脆。

機(jī)收作業(yè)時(shí)，挖掘裝置將作物和土一同鏟起，土藥未完全分離時(shí)能對(duì)根起到一定保護(hù)作用；進(jìn)入分離階段后，在輸送、清選環(huán)節(jié)，藥材會(huì)同土塊、機(jī)體碰撞發(fā)生折斷破損等情況，影響藥材的完整性、品質(zhì)及售價(jià)。尤其是，現(xiàn)有破土機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)費(fèi)事費(fèi)時(shí)，需要兩到三人配合，且控制間距大小要求高，需綜合考慮作業(yè)季節(jié)田間土壤的濕度、硬度、作物長(zhǎng)勢(shì)、速度控制等因素，在作業(yè)旺季，機(jī)手常常調(diào)高或卸掉破土機(jī)構(gòu)，造成土、藥分離不徹底，土雜夾帶損失大，成品含雜率高等情況。同時(shí)，根莖與藥材混雜，鏟起的藥材在回落時(shí)又重新被土壤或藥草莖稈覆蓋，結(jié)果就是現(xiàn)有根莖類(lèi)藥材收獲機(jī)根系與土壤分離效果差。

二、技術(shù)路線

1.機(jī)具結(jié)構(gòu)型式確定

經(jīng)調(diào)研，目前西北地區(qū)中藥材生產(chǎn)收獲環(huán)節(jié)均使用牽引式、懸掛式收獲機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)較為成熟，用戶認(rèn)可度較高。因此，進(jìn)一步研發(fā)思路將在現(xiàn)有收獲機(jī)基礎(chǔ)上向聯(lián)合收獲機(jī)型拓展。

2.機(jī)具類(lèi)別確定

根莖類(lèi)藥材品類(lèi)龐雜，生長(zhǎng)模式均有不同。從機(jī)收角度分析，在土壤中分布情況、作物特征、收獲農(nóng)藝要求等因素，對(duì)機(jī)收環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)度大，因此可大體將藥材劃分為以下幾類(lèi)：

一是深根條狀藥材。成品藥材為粗、長(zhǎng)條狀，以丹參、黃芪、牛膝為代表，生長(zhǎng)深度范圍一般在30—45cm左右，畝產(chǎn)1.5—2.5t左右，相較其它藥材畝產(chǎn)較大。其收獲難度大，撿拾費(fèi)時(shí)費(fèi)力，土藥分離難度大。

二是塊莖類(lèi)藥材。成品藥材類(lèi)似土豆或紅薯，以地黃、當(dāng)歸為代表，生長(zhǎng)范圍在15—20cm左右，收獲難度較小，現(xiàn)有馬鈴薯收獲機(jī)通過(guò)提高整機(jī)強(qiáng)度、調(diào)整挖掘裝置結(jié)構(gòu)，改變鏈篩間距、抖動(dòng)頻次，可以實(shí)現(xiàn)該類(lèi)藥材高效收獲。

三是小粒塊莖類(lèi)藥材。成品尺寸同紅棗、帶殼花生相似，在華北和中原種植范圍廣。以半夏貝母為代表，收獲時(shí)往往連同主根莖一同收獲，深度一般在20—30cm以內(nèi)。

目前，西北地區(qū)涉及機(jī)收面積最大的藥材為深根條狀藥材，其中以黃芪、丹參為代表，收獲難度較大。目前該類(lèi)藥材的機(jī)械化收獲仍存在著以上所述諸多技術(shù)缺陷。因此，本項(xiàng)目以深根類(lèi)條狀藥材聯(lián)合收獲為突破口，針對(duì)該類(lèi)機(jī)型現(xiàn)狀問(wèn)題提升關(guān)鍵性能指標(biāo)。項(xiàng)目組申請(qǐng)并完成了“快速藥材聯(lián)合收獲機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目課題，先后組織研發(fā)人員到甘肅、陜西、河北等地參觀學(xué)習(xí)，對(duì)比近年來(lái)引進(jìn)機(jī)具作業(yè)情況，提出修改方案，優(yōu)化材料選擇和工藝配套，研制出了4YWL-1800Z、4YWL-2000Z型快速藥材聯(lián)合收獲機(jī)，并順利通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。

三、產(chǎn)品核心結(jié)構(gòu)選定

（一）裝車(chē)機(jī)構(gòu)

1.裝車(chē)裝置。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證階段，項(xiàng)目組考慮了以下技術(shù)要求：（1）實(shí)現(xiàn)直接裝車(chē)，且最好有一定存儲(chǔ)作用，目前比較成熟的技術(shù)路線有箱式側(cè)（后）翻裝車(chē)、側(cè)向輸出裝車(chē)。（2）考慮到藥材土渣均由尾部進(jìn)入，藥材土渣含量較大，在裝車(chē)過(guò)程中最好能進(jìn)行一定的土渣分離，降低含雜率。（3）長(zhǎng)根類(lèi)藥材離地后較脆，應(yīng)當(dāng)考慮輸送過(guò)程的綜合損失率。（4）裝車(chē)過(guò)程也可能帶來(lái)一定損失。經(jīng)過(guò)綜合考慮，由于作業(yè)負(fù)荷較大，現(xiàn)有懸掛式、牽引式收獲機(jī)如果采用箱式裝車(chē)機(jī)構(gòu)會(huì)增加整機(jī)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，同時(shí)裝車(chē)容積較小也不能滿足連續(xù)作業(yè)要求，因此決定采用側(cè)向輸出裝置。

2.裝車(chē)高度。2022年5月開(kāi)始，項(xiàng)目組對(duì)甘肅、河北、陜西地區(qū)進(jìn)行了調(diào)查，目前以柴油機(jī)為動(dòng)力的農(nóng)用三輪車(chē)較多，大面積種植的合作社也有拖拉機(jī)牽引的農(nóng)用拖斗，為便于裝卸料農(nóng)戶均進(jìn)行了加高處理，各類(lèi)運(yùn)輸工具外邊框離地高度最大在2m以內(nèi)，最小在1.5m左右。在此高度范圍內(nèi)，運(yùn)輸工具能滿足田間作業(yè)基本運(yùn)輸要求。經(jīng)項(xiàng)目組研究決定，理論最大裝車(chē)高度設(shè)計(jì)為2m，最低位置處離地高度為1.5m。本次設(shè)計(jì)的機(jī)具工作幅寬為1.8m、2.0m兩種規(guī)格，動(dòng)力配置1204馬力以上，基本具有良好、穩(wěn)定、可靠的液壓輸出；實(shí)現(xiàn)了裝車(chē)機(jī)構(gòu)初加裝液壓支撐機(jī)構(gòu)高度液壓上下可調(diào)，可連續(xù)、快速、準(zhǔn)確調(diào)整高度。

3.輸送裝置。目前技術(shù)成熟的有兩大類(lèi)：一是膠制輸送帶，在馬鈴薯、甜菜聯(lián)合收獲機(jī)上有大范圍使用，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)作物損傷小，輸送過(guò)程損失低，收起或打開(kāi)柔性好；缺點(diǎn)是輸送鏈長(zhǎng)度較短，含雜高、土壤及其雜質(zhì)易附著于表面，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差。二是柵條式輸送鏈，常用于果蔬收獲輸送，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，可帶負(fù)荷啟動(dòng)，長(zhǎng)距離輸送；缺點(diǎn)是輸送過(guò)程會(huì)對(duì)作物造成一定損傷。結(jié)合兩種輸送裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到藥材的獨(dú)特性，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了兩種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原型，在藥材合作社對(duì)原型進(jìn)行了300h的性能驗(yàn)證。

結(jié)合成本、動(dòng)力傳動(dòng)、技術(shù)改造及維修操作等因素，項(xiàng)目組最終采用了輸送鏈篩結(jié)構(gòu)為輸送裝置。通過(guò)核心零部件性能測(cè)試，對(duì)鏈篩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新調(diào)整設(shè)計(jì)，采用了兩段式輸送機(jī)構(gòu)，第一級(jí)實(shí)現(xiàn)了藥材的暫存、水平輸送，第二級(jí)實(shí)現(xiàn)了高位裝車(chē)拋送。對(duì)輸送鏈篩間距進(jìn)行了縮調(diào)，同時(shí)增加了垂直方向的一組釘齒，用以減少藥材損失，增加土渣分離效果。

（二）作業(yè)幅寬及配套動(dòng)力功率的選定

結(jié)合種植情況、動(dòng)力配套、田間藥材運(yùn)送工具的等因素，在聯(lián)合收獲作業(yè)狀態(tài)下，直接裝車(chē)用戶集中采用1.8m以上挖掘式收獲機(jī)械進(jìn)行作業(yè)。一般來(lái)說(shuō)，整機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越大，工作幅寬必將對(duì)應(yīng)較大的輸送工作量及長(zhǎng)度；然而幅寬過(guò)大又會(huì)提高整機(jī)側(cè)向剪切力，帶來(lái)整機(jī)可靠性降低，同時(shí)提高了配套動(dòng)力、故障率及故障處理難度。目前，在種植量較大的根類(lèi)條狀藥材中，黃芪等已基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化條播，丹參在部分地區(qū)開(kāi)始穴播，大部分地區(qū)仍維持散播。因此，將收獲機(jī)作業(yè)幅寬確定在1.8m、2.0m兩個(gè)工作幅寬。配套動(dòng)力確定為132kW以上、最優(yōu)型號(hào)1804拖拉機(jī)。

（三）作業(yè)深度的選定

根類(lèi)條狀藥材地下根莖垂直長(zhǎng)度在30—40cm不等，較深的能夠長(zhǎng)到40cm以上。以黃芪為例，可作為藥用價(jià)值的部分往往在400mm以內(nèi)。從地面算起，深度在300mm以內(nèi)占比80%—95%左右，深度擴(kuò)展到400mm時(shí)占總重的95%—99%左右。而在同等幅寬下，作業(yè)深度每加大一厘米對(duì)機(jī)具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求和油耗將會(huì)成倍增長(zhǎng)。因此，從收獲經(jīng)濟(jì)性、機(jī)具可靠性、損失率等多因素考慮，將作業(yè)深度確定在300—400mm范圍內(nèi)。

（四）挖掘裝置型式選定

根類(lèi)條狀藥材在土壤中成傘狀分布，如采用梳齒鏟或振動(dòng)鏟，起土階段挖掘裝置容易對(duì)藥材造成損傷。結(jié)合現(xiàn)有成功案例，決定采用加寬加厚式分段平鏟，鏟底部采用支稱(chēng)鋼架，與整機(jī)側(cè)壁及懸掛形成剛性支撐；鏟體在組裝前回火處理降低內(nèi)部剛性，提高韌度；表面經(jīng)過(guò)滲碳處理提高耐磨性，前鏟耐磨性強(qiáng)，后鏟韌性好。這種組合式鏟體，大幅提高了工作時(shí)間，降低了維修成本。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，使用時(shí)間較同類(lèi)提高了26%，維修時(shí)間降低了40%，維修費(fèi)用大幅降低。

（五）碎土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選定

采用可調(diào)式雙碎土輥，快速拆卸更便捷，前后兩組荊條式壓土輥，提高了土、藥的分離速度，縮短了分離清選區(qū)域長(zhǎng)度，為輸送機(jī)構(gòu)留下了安裝空間。第一組位于一級(jí)傳動(dòng)分離鏈條篩的中后部，同鏈篩同向差速轉(zhuǎn)動(dòng)，起到破碎大土塊、纏繞雜草的作用；第二組位于一級(jí)傳動(dòng)清選鏈篩和二級(jí)傳動(dòng)鏈篩的結(jié)合部，同鏈篩反向轉(zhuǎn)動(dòng)，提高碎土（除雜）效果。

同時(shí)，考慮到尾部輸送機(jī)構(gòu)有部分分離清選功能，為提高整機(jī)結(jié)構(gòu)剛性，減少側(cè)壁徑向作用力，將兩級(jí)輸送鏈長(zhǎng)度均進(jìn)行了縮短，降低了在輸送過(guò)程中對(duì)藥材的損傷，為尾部側(cè)向輸送裝置的安裝預(yù)留了空間。