張永軍 ，柳 晨 ，李凌鵬 ，敖淑楠 ，郭海軍

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學，甘肅 蘭州 730000）

中藥材具有藥理作用溫和、成分健康等特征，在預(yù)防慢性疾病方面有明顯效果，甚至在整個醫(yī)藥學領(lǐng)域中占有至關(guān)重要的地位。隨著中藥材的藥品價值被專業(yè)人員所證實，國內(nèi)對中藥材產(chǎn)品的需求量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，2019年甘肅省中藥材種植面積465萬畝、產(chǎn)量130萬t，已經(jīng)成為我國北方中藥材主要集散地之一。但值得注意的是，隨著中藥材種植范圍的進一步拓展，對中藥材收割機械設(shè)備性能提出了更高的要求。由于很多中藥材根部較為發(fā)達，主要生長在土壤深層位置，為了提高藥材根莖的完整性，要合理控制挖掘深度，保證挖掘深度高于藥材根深。而且，在挖掘中會出現(xiàn)大量雜草根莖和根莖混凝土，所以挖掘鏟不僅要具備較強的入土性能，還要擁有破碎分離功能，避免出現(xiàn)土壤擁堵現(xiàn)象。針對上述問題，工作人員要全面分析根莖類中藥材生長環(huán)境和生理特征，設(shè)計出振動式挖掘裝置，在確保藥材根莖完整性的基礎(chǔ)上，合理控制挖掘阻力，全面提升碎土效果，降低機械能耗[1]。

1 挖掘裝置工作原理

挖掘裝置結(jié)構(gòu)主要包括擺桿、挖掘鏟支撐架、減速器、牽引架、挖掘鏟等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。挖掘裝置通常設(shè)置在整個設(shè)備的最前端，利用拖掛架連接牽引車，在減速機的輸出軸上分別設(shè)置擺桿連接機架和挖鏟支座，并在帶輪上安裝偏心輪，以確保挖鏟支座與偏心輪的相互連接。掘進裝置正常運轉(zhuǎn)時，通過牽引車動力輸出軸輸出動力，通過減速機后，引導(dǎo)皮帶輪運轉(zhuǎn)，并在皮帶輪引導(dǎo)下轉(zhuǎn)動皮帶輪上的偏心輪，使挖掘鏟進行平面運動，并隨牽引車前進工作，自主切割挖土。

圖1 挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 挖掘鏟設(shè)計

2.1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計

站在運動形式的角度分析，挖掘鏟主要包括振動式挖掘鏟和固定式挖掘鏟；從形狀方面分析，挖掘鏟主要分為平面三角挖掘鏟和柵條挖掘鏟，通常來說柵條挖掘鏟以振動式為主，平面三角挖掘鏟是固定式。振動式柵條挖掘鏟破碎分離效果較強，能避免挖掘過程出現(xiàn)擁堵問題，但其挖掘深度較淺，入土性能較差，在工作中時常出現(xiàn)挖斷問題。而固定式三角挖掘鏟具有較強的入土性能，挖掘深度遠大于藥材根部長度，但其破碎能力較弱，鏟面容易附著大量莖土混合物，從而產(chǎn)生嚴重的擁堵問題[2]。

通過分析，發(fā)現(xiàn)挖掘鏟主要包括尾部U形導(dǎo)桿、鏟刃、鏟體等，其中，其鏟刃整體為鋸齒形，由很多小型三角鏟組成，依次固定在鏟體上。在鏟體后部設(shè)置U形導(dǎo)桿，不同導(dǎo)桿間距基本相同，工作中通過四桿機構(gòu)帶動整體挖掘裝置運行，運動形式為振動式，能有效控制挖掘阻力，有利于挖掘機挖掘到更深的土壤，拓展和土壤的接觸面積，全面提高其碎土能力，挖掘出大量莖土混合物。在U形導(dǎo)桿和鏟面振動作用下，將土壤運輸?shù)降孛?，將藥材根莖傳輸?shù)椒蛛x裝置中，保證初次分離操作流程順利進行。

2.2 挖掘鏟數(shù)據(jù)確定

2.2.1 鏟刃張角

在采收藥材的過程中，為了避免收割機上纏繞大量雜草根莖，造成刀刃存在安全隱患[3]。搶收時，工作人員要采取滑行切割的方式進行搶收。

挖掘鏟鏟刃受力分析如圖2所示，其中，R0表示鏟刃承受的莖土混合物壓力；E表示挖掘鏟上的點位；P0表示鏟刃所承受的挖掘阻力值；F0表示鏟刃和莖土混合物的相互摩擦力。

圖2 挖掘鏟鏟刃受力分析

因此，在應(yīng)用滑切方式進行挖掘時，要滿足如下要求：

分析上圖，得到如下公式：

查閱相關(guān)試驗數(shù)據(jù)可知，合理控制鏟刃張角對提高機械設(shè)備工作性能有重要作用，如果鏟刃張角過大，根本無法切割雜草根莖，會堵塞挖掘鏟；如果鏟刃張角較小，想要達到預(yù)期的挖掘?qū)挾龋鸵卣圭P刃寬度，增加挖掘鏟的挖掘阻力。通過公式（2），可知挖掘鏟鏟刃張角應(yīng)小于94°。

2.2.2 入土角

挖掘鏟入土角和挖掘鏟入土性能、挖掘深度有直接關(guān)聯(lián)。為了滿足預(yù)期的挖掘效果，使挖掘過程對藥材所產(chǎn)生的影響最小，挖掘鏟在工作中要合理控制入土角度，完整挖掘藥材根莖，保證掘出物在鏟面上進行均勻運動，保證其能順利傳輸?shù)酵诰蜱P后側(cè)，避免其掉落，全面分析莖土混凝土的受力情況。根據(jù)入土角理論知識，工作人員要通過平衡方程，計算出挖掘鏟運動作用力。

試驗顯示：入土角和挖掘深度成正比，入土角越小，挖掘深度下降，挖掘阻力降低，隨著入土性能的增強，會降低其碎土性能，甚至出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象；相反，入土角越大，挖掘深度增加，挖掘阻力增加，降低入土性能，會增加其碎土性能。目前，入土角通?？刂圃?5°。

2.2.3 工作深度

工作人員在利用人工挖掘技術(shù)后，要全面分析根莖類中藥材根莖實際分布情況，計算得到藥材根莖分布范圍控制在200 mm～500 mm之間，且藥材根須相互結(jié)合。因此，在收割過程中，工作人員要保證挖掘深度超過藥材根莖最大深度，避免切斷主根，給根莖的整體性帶來嚴重影響，降低藥材的藥用價值，故挖掘鏟最大入土深度應(yīng)大于500 mm[4]。

2.2.4 工作長度

目前，挖掘鏟長度是由前端環(huán)節(jié)和后端環(huán)節(jié)組成的，其中，前端環(huán)節(jié)為挖掘鏟刃部的鏟體環(huán)節(jié)，主要作用是挖藥材根莖，后端環(huán)節(jié)主要是U形導(dǎo)桿，通常用來運輸莖土混合物，保證沿鏟面向后輸送莖土混凝土。用能量守恒定律來計算后端長度：

計算得出：L1=380 mm，挖掘鏟總長度L=L1+L2=772 mm

3 行走執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

藥材收獲機的行走執(zhí)行機構(gòu)主要分為履帶式和輪式兩種，其中，在大型藥材收獲機上廣泛使用的是輪式行走機構(gòu)，其特點是速度快；履帶式行走機構(gòu)一般適用于中小型藥材收割機，其特點是轉(zhuǎn)彎半徑小、靈活性高。同時，行走模塊主要作用是采集收割機的轉(zhuǎn)動速度和直線速度，包括機械液態(tài)控制元件和履帶底盤，通過控制推桿和方向盤兩個環(huán)節(jié)，對液壓閥開關(guān)進行調(diào)節(jié)，確保兩驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速達到藥材收割機的使用需求[5]。

4 挖掘裝置運動學仿真

4.1 建立仿真模型

通過ADAMS軟件仿真振動式挖掘鏟，構(gòu)建健全的三維實體模型圖，將其應(yīng)用到軟件方面，完善直角坐標體系，規(guī)范X軸運動方向。同時，根據(jù)收割機工作中減速器運行的軸轉(zhuǎn)速，將相同數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)速馬達應(yīng)用到驅(qū)動挖掘鏟運動偏心輪，將其轉(zhuǎn)速控制為300 r/min，旋轉(zhuǎn)方向為順時針旋轉(zhuǎn)，仿真時間控制在5 s左右，僅受到重力影響，重力方向垂直向下，全面分析該挖掘裝置在垂直與水平方向的數(shù)據(jù)，如速度、位移、加速變化等數(shù)據(jù)情況，判斷該運動特征是否能滿足行業(yè)標準[6]。

4.2 仿真結(jié)果分析

通過上述仿真分析，能取得完整的挖掘鏟運動分析圖，在圖片上選擇挖掘鏟鏟刃上任意點，將該點作為靜止狀態(tài)的坐標原點，得出其在不同時間X軸方向的移動、速度、加速度變化曲線。X軸方向時間-速度變化曲線如圖3所示。通過分析圖中的內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，在沒有明顯運動干擾影響的X軸運動中，挖掘鏟的最高運動幅度為300 mm，整體呈復(fù)式運動。同時，挖掘鏟的速度和加速度曲線在X軸上波動幅度較小，說明挖掘鏟運動機構(gòu)具有急劇回位的特點，但這種特征要素較為模糊，工作人員要結(jié)合速度、位移、加速度曲線等特征進行分析。分析發(fā)現(xiàn)：在挖掘鏟進行日常運動時，鏟尖在原點位置，挖掘鏟初始速度為250 mm/s，速度持續(xù)不變，挖掘鏟向左側(cè)進行移動，速度呈直線下降趨勢[7]。當挖掘鏟運動到最左側(cè)時，挖掘鏟速度下降到0，加速度最高值為130 mm/s2，挖掘鏟向右側(cè)進行移動，速度增加，加速度下降；當挖掘鏟重新回到初始位置時，挖掘鏟正向速度上升到250 mm/s，加速度下降到0，挖掘鏟向右進行持續(xù)運動，挖掘鏟運行速度降低；當挖掘鏟抵達最右側(cè)時，挖掘速度為0，加速度達到最高值，最高數(shù)值為110 mm/s2，這時挖掘鏟向左側(cè)進行移動，反向增加挖掘鏟速度；當挖掘鏟回歸到原始點位時，速度是反向最高值250 mm/s，加速度下降到0，挖掘鏟重復(fù)向左進行運動。

圖3 X軸方向時間-速度變化曲線

同時，在挖掘鏟鏟面上選擇任意點，將該點作為靜止狀態(tài)的坐標原點，得出其在不同時間Y軸方向的移動、速度、加速度變化曲線。其中，Y軸方向的時間-速度變化曲線如圖4所示，可見，在沒有明顯運動干擾現(xiàn)象的Y軸上，挖掘鏟的最高運動幅度為160 mm，運動軌跡曲線呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。并以流暢的Y軸運動速度與加速曲線相互對照，表現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性。結(jié)合Y軸加速度、速度、位移等因素變化，發(fā)現(xiàn)當挖掘鏟運動時，挖掘鏟最初速度是180 mm/s，加速度最高值為280 mm/s2，挖掘鏟向上進行運動[8]。運動中速度和加速度下降，當挖掘鏟運動到達最高點時，速度和加速度下降到0，挖掘鏟向下進行運動，這時挖掘鏟加速度和速度呈現(xiàn)反向增加趨勢；當挖掘鏟二次返回原點時，速度和加速度為反向最高值，速度數(shù)值為180 mm/s，加速度是280 mm/s2，促使挖掘鏟向下進行持續(xù)運動，減小其速度和加速度；當挖掘鏟運動到最下側(cè)時，速度和加速度數(shù)值為0，挖掘鏟向上進行運動，速度和加速度呈現(xiàn)正向提升趨勢[9]；當挖掘鏟回歸到原點時，速度和加速度達到正向最高值，速度為180 mm/s、加速度為280 mm/s2。

圖4 Y軸方向時間-速度變化曲線

5 小結(jié)

綜上所述，在使用固定式收割機收割根莖類中藥材時，經(jīng)常出現(xiàn)碎土效果差、入土阻力大、挖掘深度不足、動力損耗大等各種問題[10]。據(jù)此，對振動式挖掘裝置的工作效果、運動結(jié)構(gòu)、挖掘參數(shù)等數(shù)據(jù)，運用理論計算和數(shù)據(jù)模擬的方法進行綜合分析。經(jīng)實踐證明，改良裝置應(yīng)用鋸齒形平面三角鏟，入土角度控制在20°左右，工作深度大于500 mm，鏟面長度為772 mm，其水平方向運動速度趨勢與余弦函數(shù)曲線基本相同，垂直方向?qū)儆谡液瘮?shù)曲線，其運動結(jié)構(gòu)采用四連桿式結(jié)構(gòu)，便于進行平面運行操作。