犁鏵式深根莖類藥材收獲機的設計與研究

王天果，安軍芳，張學斌，張鋒偉

(1.甘肅農業大學，蘭州　730070 ；2.甘肅省農業機械鑒定站，蘭州　730046；3.酒泉市林德機械制造有限責任公司，甘肅 酒泉　735000)

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犁鏵式深根莖類藥材收獲機的設計與研究

王天果1,2，安軍芳2，張學斌3，張鋒偉1

(1.甘肅農業大學，蘭州730070 ；2.甘肅省農業機械鑒定站，蘭州730046；3.酒泉市林德機械制造有限責任公司，甘肅 酒泉735000)

摘要：針對現有深根莖類藥材收獲機結構復雜、動力消耗大、生產成本高等問題，在對現有犁鏵式深根莖類藥材挖掘機與螺旋排列摟草齒的收集堆放機構研究的基礎上，設計出了犁鏵式深根莖類藥材收獲機。該機結構簡單、作業可靠、制造成本低，為深根莖類藥材收獲機械化提供了一種簡單、可靠的機具。

關鍵詞：深根莖類藥材；收獲機；犁鏵式

0引言

中藥又稱漢方藥，是在中國傳統醫術指導下應用的藥物，包括中藥材、中藥飲片和中成藥等。中藥絕大部分來源于天然的植物，其次是動物、礦物和部分人工制品等。中藥的產地、采收與貯存是否適宜，是影響藥材的重要因素。國外從20世紀40年代開始已研制出多種根莖類作物收獲機械，實現了對長根莖作物和短根莖作物的機械化收獲。深根莖類中藥材一般在秋、冬季節植物地上部分將枯萎時及春初發芽前或剛露苗時采收，此時根或根莖中貯藏的營養物質最為豐富，有效成分也比較高。深根莖類藥材因主根入土較深，采挖脆性根時要注意勿將根挖傷挖斷，而采挖韌性根時則應注意切斷底部，避免挖干凈。隨著深根莖類藥材種植面積的不斷擴大，其收獲過程中突顯出人工勞動強度大、損失率高、采挖工作量大、生產效率低的特點，大面積收獲時人工難以快速完成，機械化采挖時工作阻力大，難以保證挖掘效果等問題，嚴重影響了深根莖類藥材產業的規模化發展[1-3]。由于深根莖類中藥材生長的特殊性和收獲作業受土壤、時節等自然因素影響較大，所以解決深根莖類藥材挖掘阻力大、挖掘深度不夠等成為深根莖類藥材挖掘機械的重要課題。

現有的改裝鏵式犁挖掘機進行深挖松土，每次耕1行，耕深40cm左右，再由人工將松后的根莖拔出；每臺拖拉機配合10個人工，每天可收0.67hm2左右；收獲后，用人工剪或鍘刀將頭、尾及側根剪去，撿取出甘草條，分級打捆[4]。

1結構及工作原理

1.1收獲機的結構組成

4YU-20型藥材挖掘機結構如圖1所示。

1.機架　2.旋轉軸　3.懸掛裝置　4.摟草齒

1.2工作原理

動力傳動方式：動力輸入軸與拖拉機動力輸出軸通過萬向節相連，拖拉機動力經傳動機構將動力傳遞給旋轉軸。

工作時，拖拉機帶動機具前進，犁鏵式挖掘鏟對土壤進行翻耕；動力輸入軸帶動螺旋布置摟草齒的旋轉軸轉動，摟草齒將土壤中的藥材帶出土壤鋪放在地表，然后由人工或者撿拾機械對藥材進行撿拾，完成收獲作業。犁鏵式挖掘部件的對土壤主要起松碎作用，不起拋翻作用，在藥材收獲過程中不破壞土壤的上下層位，可改善土壤透水性和透氣性，達到保護性耕作的目的。

2設計與計算

2.1犁體的設計

該藥材收獲機的犁體設計中，根據農藝要求，該犁體的耕深為700mm，耕寬為200mm。采用水平直元線犁體曲面的設計方法對犁體進行優化設計，取初始元線角θ0=45°。水平直元線元線角的變化規律為：θ0逐漸遞減為θmin，此階段呈直線規律變化；然后，再由θmin逐漸增大為θmax[5-7]。

前蘇聯學者高略契金提出犁的牽引阻力公式為

Px=P1+P2+P3=Qf+k0ab+εabv2

(1)

式中Q—犁的質量；

f—犁的綜合摩擦因數；

k0—土壤抗變形系數(N/cm2)；

ε—動態阻力系數(Ns2/m4)；

a—耕深；

b—耕寬；

v—耕速。

犁的牽引阻力為犁在移動中所產生的摩擦力、土垡變形所產生的阻力及犁在耕作時使土垡產生運動而使動量變化所產生的阻力之和。因此，為減少作業時的阻力，應從這3個方面考慮。影響牽引阻力的因素包括犁體曲面的形狀、犁體工作表面的光滑程度、鏵刃鋒銳程度，犁輪、犁側板的結構型式，以及耕深、耕寬、土壤物理力學性質和耕速。犁的效率是指犁的有效阻力與總阻力之比，計算公式為

(2)

式中η—犁的效率。

圖2　犁體結構簡圖

2.2傳動機構設計

機具工作時，拖拉機動力輸出軸連接機具動力輸入軸，通過一級齒輪傳動帶動中間軸轉動；中間軸與動力輸入軸轉向相反，中間軸通過一級鏈條傳動帶動旋轉軸轉動；旋轉軸上有呈螺旋排列的摟草齒，摟草齒將藥材輸送至地表以便收集。傳動結構簡圖如圖3所示。

圖3　機具傳動圖

配套拖拉機動力輸出軸轉速為n1，齒輪傳動的傳動比Z1，則中間軸的轉速為

n2=Z1×n1

(3)

式中n1—動力輸入軸轉速，n1=720r/min；

n2—中間軸轉速(r/min)；

Z1—齒輪傳動比，Z1=11/41。

鏈輪的傳動比Z2，則旋轉軸的轉速為

n3=Z2×n2

(4)

式中n2—中間軸轉速(r/min)；

n3—旋轉軸轉速(r/min)；

Z2—鏈輪傳動比，Z2=13/27。

代入各相關值，則旋轉軸的轉速n3=81r/min。

該機具主要機構參數如表1所示。

表1　犁鏵式深根莖類藥材收獲機主要結構參數

2.3性能測試

試驗在酒泉市玉門鎮清泉村進行，試驗作物為甘草。試驗前，在機組前進方向上每隔20m取一個點，共選取了10個測點，對土壤堅實度及含水率進行了檢測。測量結果如下：深度為0～20cm、20～40cm、40～60cm時，土壤含水率的平均值為12.6%、15.3%、13.7%，土壤堅實度分別為1 126、1 215、1 326kPa。同時，在此土壤條件下對機組的作業性能進行了檢測。

機組在工作幅寬內往返各兩個行程，在4個單程的交錯處取4個測點，每個測點取1m2進行檢測，檢測出生長作物總株數、挖掘作物株數及傷損作物株數，分別計算挖凈率及傷損率。

挖凈率的計算公式為

(5)

式中J—挖凈率(%)；

W—測點內挖掘出的作物株數(株)；

Z—測點內生長的作物總株數(株)。

傷損率計算公式為

(6)

式中p—傷損率(%)；

c—測點內挖掘出的作物傷損的株數(株)；

z—測點內生長的作物總株數(株)。

牽引功率利用率測定：用電測法或拖拉法測出藥材挖掘機的牽引阻力，同時記錄機組通過測區的速度，計算藥材挖掘機牽引功率利用率。

牽引功率利用率的計算公式為

(7)

式中Nn—牽引功率利用率(%)；

Ps—牽引阻力(N)；

V—機組前進速度(m/s)；

NT—該檔位上的額定牽引功率(kW)。

藥材挖掘機作業性能測試結果如表2所示。

表2　藥材挖掘機作業性能測試

2.4犁體曲面的三維建模

現代設計方法的成功應用為農業機械領域的優化設計開創了一種新的思路。研究中解析法與計算機輔助設計的相結合為犁體曲面優化設計提供了更加廣闊的發展空間[8]。

利用SolidWorks強大的曲面造型功能,可以繪制出很逼真的犁體曲面，用于下一步的仿真及運動分析。但犁體曲面設計參數數量多，進行參數化設計便于對犁體曲面參數進行優化設計，有利于設計者自由修改三維犁體曲面，具有設計效果直觀與立體感強的特點，滿足了犁體曲面設計需要頻繁修改的要求，具有很好的應用價值[9-10]。犁體曲面三維建模如圖4所示。

圖4　三維犁體曲面

3結論

通過對藥材收獲農藝要求的研究，制定了適宜深根莖類藥材收獲的研究方案，并對作業過程中阻力大、現有機具達不到挖掘深度要求的現狀進行了深入分析。經過不斷的試驗改進，對該藥材收獲機進行了優化設計，提高了機具入土性能，減少了工作阻力；犁壁支撐板的設計增強了犁壁的抗壓能力，保證了機具作業的可靠性；帶有螺旋分布摟草齒的旋轉軸的設計，能夠有效地將藥材與土壤分離，提高了工作效率。該研究為中藥材收獲機械化提供了一種簡單、可靠的機具。

參考文獻：

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[3]楊傳華，葛宜元，魏天路，等.深根莖中藥材雙重振動挖掘機構的研究[J].農機化研究，2011，33(8)：110-114.

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[9]楊化偉.基于SolidWorks 的水平直元線犁體曲面參數化設計[J].農業裝備與車輛工程，2008(9)：22-26.

[10]趙永滿，王維新，劉俊奇.水平直元線犁體曲面的三維參數化設計[J].農機化研究，2007(12)：89-94.

The Research of the Deep Root Traditional Chinese Medicine Harvesting Machinery by Colter Type

Wang Tianguo1,2, An Junfang2, Zhang Xuebin3, Zhang Fengwei1

(1.Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.Gansu Identification Station of Agricultural Machinery，Lanzhou 730046，China；3.Jiuquan Linde Machinery Manufacturing corporation, Ltd，Jiuquan 735000，China)

Abstract：For the problem of that existing the deep root Traditional Chinese medicine harvesting machinery structure complicated，Power consumption is big，production costs are high.In this paper，we use a kind of Traditional Chinese medicine harvesting machinery by colter type to research.The design of the deep root traditional Chinese medicine harvesting machinery by colter type have simple structure，the manufacturing cost is low，Reliable operation，provide a Reliable machine for the deep root Traditional Chinese medicine harvesting

Key words：the deep roottraditional chinese medicine; harvesting machinery; colter type

文章編號：1003-188X(2016)02-0087-04

中圖分類號：S225.7+9

文獻標識碼：A

作者簡介：王天果(1987-)，男，蘭州人，助理工程師，碩士研究生，(E-mail)gsnjwtg@163.com。通訊作者：張鋒偉(1966-)，男，甘肅省渭源人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail)zhangfw@gsau.edu.cn。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B10)

收稿日期：2015-02-05

專利項目：國家發明專利(ZL200910258304.7)