王澤宇, 劉小龍, 張 華 , 李 輝, 昕若飛, 魏 樂

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

中藥材是中醫(yī)藥事業(yè)傳承和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是維護人民身體健康的重要物質(zhì)保障,更是我國特色經(jīng)濟作物,其經(jīng)濟收益較高,有助于提升農(nóng)民收入。

我國是中醫(yī)藥發(fā)源地,中藥在我國已經(jīng)有千年歷史。據(jù)統(tǒng)計,當(dāng)前我國中藥資源品種達(dá)12 807種,常用中藥材有600多種,有300多種已實現(xiàn)人工栽培和種植,其中,常用根莖類中藥材有160多種,如三七、當(dāng)歸、甘草、人參、柴胡、黨參、黃芪等,占常用中藥材的25%以上[1]。

根莖類中藥材在我國幾乎每個省份均有種植,由于各地區(qū)地理環(huán)境及氣候不同,中藥材的種植品種各異。其中主要有10大產(chǎn)區(qū):東北產(chǎn)區(qū)主要種植人參、細(xì)辛、五味子等;河北、山東、山西等省和內(nèi)蒙古自治區(qū)中部和東部等地區(qū)主要種植黨參、板藍(lán)根、黃芩等;河南產(chǎn)區(qū)常種植有懷地黃、懷山藥、懷牛膝等;浙江產(chǎn)區(qū)主要種植如白術(shù)、白芍、玄參等;江南產(chǎn)區(qū)主要有湘、鄂、蘇、皖、閩、贛等省,主要有太子參、白術(shù)等;四川產(chǎn)區(qū)的常見藥材有川穹、麥冬等;云貴產(chǎn)區(qū)常見藥材有天麻、當(dāng)歸等;南部產(chǎn)區(qū)指廣東、廣西南部及海南和中國臺灣地區(qū),出產(chǎn)的主要有三七、陳皮、何首烏等;西北產(chǎn)區(qū)包括陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆及內(nèi)蒙古西部所產(chǎn)的藥材,主要有當(dāng)歸、黨參、甘草等;最后是青藏高原產(chǎn)區(qū),主要有胡黃連、羌活、天麻等[2]。中藥材種植面積最多的省份有三個,云南省種植面積連續(xù)六年位居第一,2022年種植面積為60.23萬hm2;第二為四川省,2022年種植面積為56.8萬hm2;第三為貴州省,2022年種植面積為53.08萬hm2,三省種植面積較大的主要原因是由于國家扶貧政策的影響[3]。

中藥材經(jīng)濟進入了快速發(fā)展階段,產(chǎn)業(yè)規(guī)模正在不斷擴大[4]。但目前根莖類中藥材收獲仍依賴人工勞動,耗時費力,缺乏針對不同地區(qū)和不同栽培品種的成熟現(xiàn)代化收獲機械。農(nóng)民對于現(xiàn)代化收獲機械的認(rèn)知和接受度較低,致使機械化收獲的普及率較低,這些情況制約根莖類中藥材產(chǎn)業(yè)發(fā)展,限制其潛在市場規(guī)模和經(jīng)濟效益。促進根莖類中藥材收獲機械化水平提高,對中藥材產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)利潤提升、種植戶收入提高、助力鄉(xiāng)村振興具有重要意義[5]。

1 國內(nèi)外根莖類中藥材機械化收獲研究現(xiàn)狀

根據(jù)在土壤中生長的深度不同分類,根莖類中藥材分為淺根莖、中根莖和深根莖類[6-7]。淺根莖指的是生長深度小于200 mm的中藥材。這類中藥材的根莖在土壤中分布相對較淺,容易被發(fā)現(xiàn)和采集。淺根莖類中藥材有白術(shù)、黃連、防風(fēng)等。中根莖指的是生長深度在200～400 mm之間的中藥材。這類中藥材根莖相對于淺根莖更深些,采集難度相對較大。中根莖類中藥材的代表有黃芩、半夏、當(dāng)歸等。深根莖指的是生長深度大于400 mm的中藥材。這類中藥材的根莖長在土壤較深處,采集難度高。深根莖類中藥材的代表有人參、黨參、天麻等。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外中藥材種植量少,故針對根莖類中藥材機械化收獲研究較少。國外研究主要針對根莖類作物(如馬鈴薯、花生、胡蘿卜等)的機械化收獲,以美國、日本、德國為代表的發(fā)達(dá)國家,對根莖類作物機械化收獲研究開發(fā)起步早,投入大,成果較多,并不斷把新技術(shù)應(yīng)用到根莖類作物收獲機械中,如美國W.S.Kang 和 M.I.Dawelbeit 研制的振動式低阻挖掘馬鈴薯和花生的機型。日本久保田公司生產(chǎn)的CH-201C型胡蘿卜聯(lián)合收獲機,最深挖掘深度可達(dá)300 mm[8]。日本苫米地技研工業(yè)株式會社發(fā)明了TG系列牛蒡收獲機[9],株式會社小松制作所研制了YCD-60PM型鋸齒式山藥收獲機。德國GRIMME公司的根莖類作物聯(lián)合收獲技術(shù)處于全球領(lǐng)先水平[10],GT170馬鈴薯挖掘機通過液壓仿形輪可實現(xiàn)挖掘深度隨地面仿形,SE150收獲機集成牽引式帶料斗,可完成大面積的機械化收獲,Matron620 型自走式甜菜收獲機工作可靠、效率高。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

如今中國是全球最大的中藥材生產(chǎn)和消費國,約占全球中藥材市場的70%。我國從20世紀(jì)60年代開始引進國外根莖挖掘機械,主要用于馬鈴薯、花生等淺根莖作物收獲[11]。深根莖和中根莖作物需要人工挖掘、人工根土分離和收集作業(yè),或通過簡易半機械化挖掘機械挖掘后采取人工撿拾和人工根土分離。進入80年代,我國開始研發(fā)中根莖和深根莖作物挖掘機械,甘肅省渭源引進的4WG-120型根莖類中藥材挖掘機,長治市農(nóng)機試驗站研制的4SD-280型振動式收獲機,都能挖掘深度小于400 mm的作物。甘肅省渭源農(nóng)機推廣站研制的4YW-160型根莖類中藥材挖掘機,能挖掘深度大于400 mm的作物[12]。但這些收獲機械普遍存在制造成本高、油耗高、藥材損傷率高等缺點。

目前國內(nèi)有大量科研團隊投入到根莖類中藥材收獲機械的研究中,4Y-1200型藥材收獲機由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)張文杰設(shè)計,采用三階平面組合鏟,挖掘深度0～500 mm,可一次性完成黃芪、紅芪、甘草等深根莖中藥材的挖掘、除土、分離輸送和集中堆放作業(yè)。甘肅省農(nóng)機化技術(shù)推廣總站和定西市農(nóng)機化技術(shù)推廣站聯(lián)合研制的4WGX-120/150 型根莖類藥材挖掘機,挖掘深度可達(dá)400～500 mm[13]。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)李增璽設(shè)計研制的百合鱗莖收獲機,有效解決了百合鱗莖和土壤的分離問題[14]。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)宋江等改進的4B-1200A型平貝母藥材收獲機,采用雙層振動篩分離和輸送平貝母混合物,同時挖掘鏟挖掘深度可調(diào),最高可挖400 mm,藥材挖掘損失率、損傷率分別低于 3.8%和 2.9%[15]。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)謝新亞設(shè)計研制一種適應(yīng)北疆地區(qū)砂質(zhì)土壤的甘草收獲機[16]。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)陳威等研制的太子參聯(lián)合收獲機,適用于丘陵山地,能夠集挖掘、破土清土、收獲為一體,太子參的采凈率為 96.56%,損傷率為6.12%[17]。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)張順等設(shè)計一種牽引式根莖類中藥材收獲機,采用二階平面組合式挖掘鏟,分離裝置采用直線式振動篩,通過有限元軟件ANSYS對挖掘鏟進行強度分析,結(jié)果滿足強度要求[18]。江蘇大學(xué)周夢淵針對黃芪收獲機挖掘深度淺、損傷率和損失率高、作業(yè)效率低等問題,設(shè)計一種振動三角形挖掘鏟,鏟片輪廓結(jié)合仿生學(xué)優(yōu)化設(shè)計,挖掘鏟采用偏心振動機構(gòu)驅(qū)動。經(jīng)過田間對比試驗得出,改進后機具作業(yè)深度從304.3 mm提升至361.3 mm,作業(yè)效率從0.15 hm2/h提升至0.16 hm2/h[19]。石河子大學(xué)郭新峰針對馬鈴薯收獲時容易出現(xiàn)壅土、明薯率低和傷薯現(xiàn)象,設(shè)計一款小型馬鈴薯收獲機,采用二階凸面挖掘鏟,分離裝置為抖動篩式,實驗結(jié)果為明薯率大于95%,傷薯率小于4%,挖掘鏟的挖掘深度h=166 mm[20]。典型根莖類中藥材收獲機結(jié)構(gòu)及其參數(shù)特點如表1所示。

表1 典型根莖類中藥材收獲機結(jié)構(gòu)及其參數(shù)特點

2 關(guān)鍵部件的研究

根莖類中藥材收獲機是一種專業(yè)農(nóng)業(yè)機械設(shè)備,組成機構(gòu)主要由機架、挖掘機構(gòu)、分離機構(gòu)、輸送機構(gòu)、收集機構(gòu)等組成,其中挖掘、分離、輸送機構(gòu)是關(guān)鍵部件。目前,根莖類中藥材收獲機分為挖掘機和聯(lián)合收獲機兩種機型。挖掘機主要通過機械挖掘的方式將土壤中的中藥材根莖挖掘出來,然后通過分離和輸送機構(gòu)將其分離并輸送至收集裝置。聯(lián)合收獲機則集挖掘、分離和輸送功能于一體,可以一次性完成三個步驟。挖掘機收獲性能指標(biāo)要求明莖率≥90%、深松率≥95%、傷損率≤5%,挖掘機更注重對根莖的保護,要求明顯的莖部比例高、土壤松散程度高、損傷率低;聯(lián)合收獲機性能指標(biāo)要求挖凈率≥95%、傷損率≤7%,聯(lián)合收獲機更注重的是高效率的操作,要求根莖被挖凈、損傷率低[21]。

2.1 挖掘機構(gòu)

根莖類中藥材大多根系發(fā)達(dá),根莖較深,藥土分離難度大。為保證中藥材完整挖出,挖掘機構(gòu)的挖掘深度須大于藥材最大根深。挖掘過程中,會出現(xiàn)雜草和土塊,影響藥材的質(zhì)量和有效成分的提取。因此,挖掘機構(gòu)還需要具備一定的土壤破碎分離功能。通過破碎分離土壤,將雜草、土塊與中藥材進行有效地分離,從而保證藥材的純度和質(zhì)量。挖掘機構(gòu)需具備穩(wěn)定的性能,以確保挖掘過程的順利進行。

2.1.1 挖掘鏟

挖掘機構(gòu)中的核心部件是挖掘鏟,它能施加強大作用力于土壤,實現(xiàn)對土壤的切削和破碎功能。因此,挖掘鏟的性能對收獲質(zhì)量有較大影響。目前,挖掘鏟類型多樣,按運動形式可分為固定式、振動式挖掘鏟;按形狀分,有平面鏟、曲面鏟、叉齒鏟、組合鏟等[22]。挖掘鏟類型及細(xì)分類型如表2所示。

表2 挖掘鏟類型及細(xì)分類型

固定式挖掘鏟一般破碎分離土壤能力較差,鏟面容易堆積藥土混合物;振動式挖掘鏟破碎分離效果好于固定式挖掘鏟。平面鏟制造簡單、成本低,是目前應(yīng)用最多的一種鏟形;曲面鏟使用壽命長,制造工藝復(fù)雜,大多結(jié)合仿生技術(shù),模仿動物挖掘器官形狀和特征。叉齒鏟入土能力強,破碎和分離土壤效果好,但可靠性較差,容易發(fā)生折斷叉齒的情況,使用壽命較短。組合鏟破碎和分離土壤效果好,挖掘阻力小,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)合仿生技術(shù)的組合挖掘鏟是發(fā)展趨勢。

王亨泰等針對機收時挖掘阻力大的問題,設(shè)計一種仿生挖掘鏟,其靈感來自于螻蛄的前足趾,通過模仿這種趾部構(gòu)型,開發(fā)出能夠減少挖掘阻力的挖掘鏟,通過仿真、土槽試驗,證明達(dá)到一定減阻功效[23]。李長銘針對普通挖掘鏟阻力大、碎土性差的問題,設(shè)計的仿生螻蛄花生挖掘鏟,通過靜力學(xué)分析和仿真,證明其減阻率均值為8.2%,碎土性提升2.86%,性能優(yōu)于普通挖掘鏟[24]。陳威針對太子參收獲機設(shè)計三角平面鏟,并經(jīng)過仿真分析選出最佳參數(shù)組合[25]。許淵等針對固定式挖掘鏟收獲挖掘深度不足、鏟尖磨損大等問題、設(shè)計一種振動式挖掘鏟,通過正交實驗,確定最佳參數(shù)組合,前進速度為2.4 m/s,入土角為25°,轉(zhuǎn)速為280 r/min時挖掘阻力最小[26]。呂金慶等設(shè)計分體式挖掘鏟配分石柵結(jié)構(gòu),石柵作為防堵部件,有效降低機組的故障率,解決石塊在挖掘鏟和升運鏈交匯處的擁堵問題[27]。張丹根據(jù)三七的種植模式和農(nóng)藝要求設(shè)計一種新型組合式挖掘鏟,可降低機前壅土程度,通過EDEM離散元仿真,驗證其保證收獲率前提下減租效果優(yōu)于普通挖掘鏟[28]。崔天凱等設(shè)計的4U—750甘薯收獲機,挖掘裝置中挖掘鏟采用固定式三角形平面鏟,挖掘鏟長度550 mm,可使掘起物沿整個篩子寬度均勻喂入[29]。

2.1.2 挖掘機構(gòu)

挖掘機構(gòu)是挖掘鏟運動的核心部件,根據(jù)挖掘鏟運動方式不同,挖掘機構(gòu)分為固定式、振動式、組合式。固定式挖掘機構(gòu)通常和機架剛性連接,結(jié)構(gòu)簡單,成本低,可靠性高,主要應(yīng)用于淺根莖類藥材挖掘,缺點是入土阻力較大,碎土分離差,能耗偏高。振動式挖掘鏟根據(jù)振動方式不同,分為受迫式、自激式振動。一般由挖掘鏟和振動篩組成,碎土分離效果好,適用于深根莖中藥材挖掘,缺點是對機具沖擊大、容易失衡,功耗大。組合式挖掘機構(gòu)由兩種及以上挖掘機構(gòu)組合而成,此類挖掘鏟適應(yīng)性強,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,適用于深根莖中藥材挖掘。

王虎存等設(shè)計的振鏟式馬鈴薯挖掘機,對核心的振動挖掘裝置、柵條分離篩進行解析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,確定性能參數(shù)[30]。呂宏靖研發(fā)的新型牛蒡收獲機采用受迫式振動挖掘鏟,振動挖掘鏟通過倒U型振動傳遞連桿與偏心輪連接,通過動態(tài)與靜態(tài)分析,確定設(shè)計參數(shù)合理,通過田間試驗,確定關(guān)鍵部件工作可靠[31]。程一啟等針對三七的特殊農(nóng)藝和機械化收獲阻力大的特點,采用組合式挖掘鏟的設(shè)計,在二階平面鏟的基礎(chǔ)上加上土壤破碎鏟,并用EDEM對關(guān)鍵部件仿真,證明其水平和垂直阻力均小于傳統(tǒng)挖掘鏟[32]。陳林等在借鑒已有成果基礎(chǔ)上設(shè)計了一種適用于較高含水率土壤的深根莖中藥材振動挖掘裝置,挖掘鏟采用條形鏟結(jié)構(gòu), 振動機構(gòu)采用曲柄搖桿機構(gòu),其工作幅寬為1 800 mm,最大工作深度為500 mm,入土角為 20°,試驗證明,該振動挖掘鏟達(dá)到減阻效果[33]。

2.2 分離輸送機構(gòu)

分離機構(gòu)在根莖類中藥材收獲機中的應(yīng)用十分重要,它能同時發(fā)揮輸送作用,提高作業(yè)效率。升運鏈?zhǔn)健L筒式以及分離篩式是常見的分離機構(gòu)類型。其中,升運鏈?zhǔn)椒蛛x機構(gòu)按鏈條結(jié)構(gòu)形式有鏈桿式、鉤桿式、帶桿式等,具有分離能力強,技術(shù)成熟的特點,缺點是磨損快、故障率高。滾筒式分離機構(gòu)具有故障率低、受力均勻、使用壽命長、功耗低等優(yōu)點,但制造難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。分離篩式分離機構(gòu)主要由分離篩和驅(qū)動機構(gòu)組成,結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、輸送效率高[34]。輸送機構(gòu)作用是將作物從一處轉(zhuǎn)移到另一處,根據(jù)不同的輸送方式,有網(wǎng)帶輸送式、刮板輸送式、輥筒輸送式等,根據(jù)輸送級數(shù)的不同,分為一級輸送、二級輸送和多級輸送[35]。

張澤璞設(shè)計一種適用于單壟作業(yè)的擺動篩式板藍(lán)根收獲機,采用具有篩條-篩板組合式篩面的擺動式根土分離篩,對參數(shù)進行聯(lián)合選取,得到適宜的曲率半徑、曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角[36]。謝新亞等設(shè)計的甘草收獲機,甘草分離裝置同時發(fā)揮輸送作用,采用一級分離裝置、二級分離裝置,一級分離裝置作用是將甘草和土壤分離并運送至地面,接著通過二級分離裝置對剩余夾雜土塊和甘草進一步分離。通過理論分析和正交實驗確定分離輸送裝置最優(yōu)性能參數(shù),即分離裝置傾角 15°、輥筒轉(zhuǎn)速 255 r/min,輥筒直徑60 mm[37]。張兆國教授團隊設(shè)計的三七收獲機,升運器充當(dāng)其振動分離裝置,且在升運器中間加入抖動器,以此增加土壤破碎率[38]。陳威設(shè)計的自走式太子參聯(lián)合收獲機,關(guān)鍵部件采用圓筒篩、輸送網(wǎng)帶,工作過程中網(wǎng)帶能產(chǎn)生一定自激振動,有利于進一步將細(xì)小土粒分離,研究表明最佳傾角在20°～30°[39]。于文娟等針對我國現(xiàn)有花生分段收獲機械化程度低、動力消耗大及工作穩(wěn)定性差等問題,研究設(shè)計了一種鏟篩組合式花生分段收獲機?？梢淮瓮瓿赏诰?、去土、送秧等工序,采用曲柄搖桿機構(gòu)驅(qū)動分離篩振動實現(xiàn)了兩側(cè)機構(gòu)等角度、同方向擺動,減小機身側(cè)向力。田間試驗測試表明:收獲機挖掘深度平均為143 mm,落果率平均為0.21%,破損率平均為0.33%[40]。崔天凱等為解決目前甘薯收獲機械大多沿用馬鈴薯收獲機成熟技術(shù)設(shè)計,不能根據(jù)甘薯特殊生長狀況開發(fā)研制等問題,完成4U-750甘薯收獲機的設(shè)計、試制及田間試驗。采用升運鏈?zhǔn)捷斔头蛛x裝置,設(shè)有隨動型抖動輪,可實現(xiàn)土壤破碎及土薯分離,有效降低傷薯率。田間試驗表明:在拖拉機前進速度為1.5 km/h時,4U-750甘薯收獲機損失率、傷薯率、破皮率和生產(chǎn)效率分別達(dá)到2.9%、0.6%、1.5%和0.13 hm2/h。

3 結(jié)論與展望

近年來,我國科研單位和企業(yè)在根莖類中藥材機械化收獲方面取得了顯著進展,已步入理論研究和創(chuàng)新研發(fā)的新階段。針對不同的藥材產(chǎn)區(qū)和種植模式,相應(yīng)的收獲機械正在逐步完善。然而與馬鈴薯等主要糧食作物相比,根莖類中藥材的機械化收獲水平仍然較低,適合丘陵山地的小型收獲機械開發(fā)款式較少,國內(nèi)缺少成熟機具可推廣應(yīng)用,且存在挖掘阻力大、收凈率低和破損率高等問題。目前,根莖類中藥材收獲裝備中智能化技術(shù)應(yīng)用較少,現(xiàn)有裝備功能簡單,無法實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)控、錯誤報警、在線監(jiān)測和故障診斷等功能。綜上,針對根莖類中藥材收獲機提出以下展望:

(1)加強智能調(diào)控技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)在不同作業(yè)條件下的自適應(yīng)調(diào)控,引入先進傳感器和數(shù)據(jù)分析算法,可以實現(xiàn)對土壤、氣候和作業(yè)環(huán)境等因素的實時監(jiān)測和分析,從而根據(jù)不同的條件自動調(diào)整設(shè)備的工作參數(shù),使其更靈活地適應(yīng)不同的作業(yè)條件,提高根莖類中藥材收獲機的普適性。

(2)挖掘機構(gòu)向低耗深挖技術(shù)發(fā)展。為進一步提高挖掘效率和降低能源消耗,需要深入研究土壤破碎、挖掘機構(gòu)功率損耗等機理。同時,結(jié)合仿生技術(shù),借鑒生物體的破碎原理,設(shè)計出更加優(yōu)化的破碎結(jié)構(gòu),提高挖掘機構(gòu)的破碎效率。在此基礎(chǔ)上,研發(fā)融合仿生技術(shù)和振動減阻技術(shù)的組合式深挖機構(gòu),逐步實現(xiàn)挖掘過程中的高效能轉(zhuǎn)化和能耗降低。

(3)分離和輸送機構(gòu)向柔性低損耗技術(shù)發(fā)展。傳統(tǒng)的機械化收獲過程中存在較高的藥材損傷率,柔性低損耗技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵。需要進一步研發(fā)多種機構(gòu)的柔性收獲關(guān)鍵技術(shù),包括減少機械沖擊力、優(yōu)化分離和輸送過程、控制物料流動速度等,以適應(yīng)不同類型的藥材,降低機械收獲過程中的破損率,提高中藥材質(zhì)量和市場競爭力。

(4)加強聯(lián)合收獲機的研發(fā)力度。隨著中藥材種植面積逐步擴大,收獲方式正在從傳統(tǒng)挖掘機向聯(lián)合收獲機發(fā)展,推動農(nóng)機與農(nóng)藝深度融合,可以提高收獲機的田間作業(yè)能力,實現(xiàn)更高效、精準(zhǔn)收獲。逐步向智能自走式化聯(lián)合收獲機發(fā)展,可以減少人力投入,還能提升作業(yè)質(zhì)量和產(chǎn)量。因此,加大研發(fā)聯(lián)合收獲機的力度,以滿足快速增長的中藥材市場需求,并推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程勢在必行。