新型快速根莖類藥材收獲機的研制

丁建民

（山西省農業機械發展中心，山西 太原 030027）

0 引言

山西是根莖類中藥材資源大省，也是全國根莖類中藥材重要產區，中藥材的種類、種植面積和產量均處于全國前列，恒山黃芪、晉東南黃芩、黨參等品質上乘，自古以來就是農民的主要經濟來源。2020 年2 月，山西省出臺了《關于加快推進農產品精深加工十大產業集群發展的意見》，明確提出大力推動山西藥材產業發展戰略。目前，收獲根莖類藥材的機械化程度低，且收獲機械并不成熟，收獲效率低、損失大，收獲機適用性不強、可靠性較差，因此研制新型快速根莖類藥材收獲機對提升中藥材收獲機械化水平，推動藥材產業的規模化發展，切實助力農業增產、用戶增收、農民脫貧，有很好的社會效益與經濟效益。

1 目前根莖類中藥材收獲機現狀

1.1 目前根莖類中藥材收獲機的結構特點

目前市場上常見的幾類根莖類藥材收獲機主要有單/ 雙鏈條式分離清選收獲機、單/ 雙振動篩式收獲機、鏈條振動篩組合式收獲機這3 類，都是由拖拉機提供動力，挖掘鏟鏟起土壤后，通過鏈篩或者振動篩分離土塊向機身后拋出藥材。

1.2 目前根莖類中藥材收獲機的技術缺陷

目前這幾種結構的根莖類收獲機在使用中存在許多不足，給用戶帶來不便，影響機具的推廣應用，主要缺陷體現在以下幾個方面。

1.2.1 作業效率低

根莖類藥材收獲需深入地面以下將土壤和藥材鏟起，工作負荷大、速度慢，對配套動力要求高、消耗大。特別是振動篩式分離清選收獲機，在作業時通過振動沖擊實現土壤的鏟起、抖松和拋送作業，收獲機振動幅度大，速度無法提升，沖擊載荷對懸掛機架損傷較大。單行收獲雖然能很好地避免這些問題，但是犧牲了作業效率，同時對兩行間的作物帶來一定的損傷，而藥材損傷、斷裂、破皮會直接影響藥材的藥效，進而影響藥材品質，影響藥材價格。

1.2.2 損失率高

根莖類藥材是對主要藥用部分根、根（塊） 莖這一類藥材統稱，其種類龐雜且藥用部位在土壤內分布并不穩定，有的藥材可深入地下500 mm 以下，能否將更深處的藥材挖掘出來是影響損失的主要因素，而藥材與土壤的分離不徹底、分離后藥材被土壤再次覆蓋也是收獲損失的重要部分，收1 遍覆土收獲后埋根情況嚴重，收2 遍后又以須根、斷根為主，耗油多、經濟效益差。

1.2.3 可靠性、適用性差

根莖類藥材收獲時收獲機工作負荷大、強度高，對收獲機結構的牢固性、整體裝配的合理性都有很高的要求，目前市面上藥材收獲機可靠性并不穩定，故障率高影響作業效率；根莖類中藥材種類龐雜，藥材種植模式、收獲時間的差異及其在土壤內分布情況不穩定，都對機具的適用性提出了較高要求。

2 產品研制過程

為適應農業發展的新要求，加快藥材收獲機械化進程，突破收獲機作業效率低、損失率高、可靠性、適用性差等問題結節，通過前期的技術調研，優化材料選擇和工藝配套，研制出了4EYL- 170A/180A 兩款新型快速根莖類藥材收獲機，并順利通過了試驗驗證。

2.1 技術路線

新型快速根莖類藥材收獲機的設計圍繞提高工作效率、減少損失、提升可靠性和適用性4 個方面展開。以下將從技術指標的預期及產品結構設計特點2 個方面介紹此次研發的技術路線。

2.1.1 預期性能指標

為突出此次研制的先進性，預估產品未來發展趨勢，將新型快速根莖藥材收獲機的作業性能技術指標、可靠性、適用性較大綱規定有所提高[1]，設計產品的損失率為≤8%，可靠性、適用性為連續作業滿一個作業季無嚴重、致命故障。

通過前期調研、查閱各類根莖類中藥材的生長特性[2]，作物生長深度可以達到450 mm 以上，作為藥用價值帶來經濟效益的部分往往在400～450 mm，從地面算起深度在300 mm 以內占總質量的80%～90%，在深度擴展到450 mm 時占總質量的90%～99%。同等幅寬下作業深度每增加10 mm 對機具的可靠性要求和油耗將會大幅增長。目前，收獲機普遍可以達到350 mm 的作業深度。因此，從收獲經濟性、機具可靠性、損失率等方面綜合考慮，將作業深度確定為400～500 mm。

統計各類根莖類中藥材種植模式，目前對收獲幅寬市場需求普遍都在1.5 m 以上，行距根據種植地氣候、灌溉、地形略有不同，基本維持在300～400 mm。考慮到在適用行距范圍內能收全、減少不對行收割帶來的收獲損失及其對藥材的傷害，提高作業效率，因此確定1.7 m 和1.8 m 兩種幅寬。

2.1.2 產品結構設計特點

樣機通過三點懸掛機架與拖拉機懸掛點相連接，通過拖拉機液壓懸掛系統實現切土角度的調節、作業深度的控制，其中最大入土深度可以達到400～500 mm。作業時由拖拉機萬向軸傳遞動力至收獲機中央變速箱，變速箱驅動軸分配動力至機身兩側，帶動一級分離輸送鏈條篩、二級分離輸送鏈條，分段式切土平鏟（平鏟與兩側鋼制內板共同組成切土區） 鏟起切土區內作物和土壤送至一級分離輸送鏈條篩，在篩內將土塊與作物松動并將其輸送至二級分離輸送鏈條完成藥材的分離拋送作業。

產品設計示意圖見圖1。

研發創新性地采用分段式平鏟為挖掘鏟，采用兩級鏈條篩作為分離清選拋送裝置，同時優化了挖掘鏟入土角度，保障了產品的作業性能，提高了產品的可靠性和適用性。

在分析了大部分收獲機的挖掘鏟結構、以往故障情況后，決定采用加寬加厚式分段平鏟，鏟底部采用支撐鋼架，固定鏟的位置同時在作業時起到穩定平鏟、分擔作業負荷的作用。作業時不會出現以往整體式平鏟、翼鏟在鏟中間載荷大易變形現象。提高了鏟的整體穩定性，同時保護收獲機鋼架結構的可靠性。分段式平鏟采用將以往的平鏟分成4 段來分別下料加工、分別組裝，鏟在組裝前又經過回火處理降低內部剛性，提高韌度，表面經過滲碳處理提高了鏟面、鏟尖的耐磨性。為保障裝配的方便性及減輕鏟的壓強，加寬了鏟面。維修時僅需更換損壞部分鏟板，將鏟放置在鏟固定座上通過焊接與支座連接，不影響其他位置鏟體，大大降低了維修的工時，提高了維修的可靠性。

市面上收獲機入土角度并沒有明確數值，而且同一生產企業的同一批 “鏟角” 也并不固定。而入土角度又直接影響收獲機作業時整機負荷、入土平穩性等。經過調研后，采用模擬試驗方式最后確定合理入土角度。入土角度較以往有所降低，減少了入土阻力，提高了作業速度和工作平穩性。而且采用平鏟支撐鏟座，保證了出廠時角度的統一。

根莖類藥材收獲機分離清選型式分為輸送鏈式分離清選篩和振動篩分離清選篩。其中振動篩式是通過對挖掘出來的泥土和藥材進行往復式振動來達到輸送、分離清選目的，對收獲機和配套動力來說沖擊負荷較大、對零部件（軸承、機架） 的要求高，長時間作業收獲舒適性差、作業速度慢，此結構常用于低作業幅寬的收獲機。而輸送鏈式通過鏈條在運輸泥土和藥材時完成二者的分離清選，分離速度快，且可通過調整結構調整分離清選速度，而且收獲后的藥材不容易被泥土、土塊覆蓋，明莖明根率較高。因此，此次設計選定鏈條篩式分離清選，同時為保障機具的可靠性、兼顧鏈篩前部磨損大負荷強的特點，選用分段式兩級鏈篩，前篩主要完成泥土和藥材的輸送、抖動疏松，第二級完成分離與清選拋送。

2.2 產品試制生產

對比現有收獲機使用的鋼材，考慮到鋼材的強度、再加工性能，試驗樣機鋼材選擇優質合金鋼，進行整板激光下料切割，保障整機的組裝性能。挖掘鏟使用優質彈簧鋼下料后進行熱處理，既滿足挖掘鏟的剛度和強度要求，又保證了長時間入土作業不易磨損。

4EYL- 170A 型首臺樣機完成后，考慮到產品的作業負荷較大，以往機型故障主要集中在機具強度上，因此進行強度測試。于2019 年7 月初在周邊土壤高硬度、土層條件較復雜的地理條件下進行了數次強度測試，測試中未出現機架變形、鏟尖損壞和運轉不流暢現象，整體測試結果優于預期，經評估后產品設計通過強度測試。

對4EYL- 170A 型樣機強度測試結果研究分析，總結產品生產流程，進一步改進產品設計，形成產品加工工藝卡、出廠檢驗要求。2019 年7 月底前每種型號研制了2 臺樣機，并通過技術認證，項目進入樣機試驗驗證階段。

2.3 試驗驗證過程

為充分考核收獲機的產品質量， 對4EYL-170A/180A 兩款新型快速根莖類收獲機進行了性能試驗考核、可靠性適用性考核。其中，性能試驗按照DG/T 189—2019 《藥材挖掘機》 中規定的試驗測試方法，重點考核了兩款產品的作業效率、挖掘深度、損失率。選擇的地塊能很好地代表收獲機適用地區的種植模式、土壤條件，選擇的作物能代表收獲機廣泛適用的品種。

可靠性適用性考核采用滿作業季考核，將產品分發給使用用戶進行為期一個作業季的滿負荷考核。調查方式采用現場跟機考核和電話調查2 種方式相結合。

2.3.1 性能試驗考核

2019 年11 月，分別在甘肅省臨夏州永靖縣王臺鎮進行了4EYL- 170A 型收獲機黃芪的收獲試驗，在山西省萬榮縣皇甫鄉進行了4EYL- 180A 型收獲機丹參的收獲試驗，試驗考核面積共26.67 hm2，收獲作物為黃芪和丹參各13.34 hm2，作物葉莖提前經過滅茬處理。在試驗地內選擇10 個試驗區按照大綱規定測試，采用4 個行程測試數據均值作為該測區的測試值。經過對4EYL- 170A/180A 機型各2 臺樣機的考核，該產品在測試區域損失率分別為2.8%，3.4%，優于產品設計時提出的技術要求。

各試驗區損失率測試數據見表1。

表1 各試驗區損失率測試數據/ %

通過在各試驗區按照大綱規定選點測得挖掘深度最大值為510 mm，最小數值為409 mm，其他測量值在最大最小值范圍內離散分布，均值為439，445 mm 完全達到了設計預期。挖掘深度數值的不同主要是各試驗區土壤情況及作業時間段不同造成，在同一試驗區內挖掘深度數值偏差范圍10～20 mm，挖掘深度穩定，真正實現了在明示深度范圍內想挖多深就挖多深，在同一深度范圍內挖掘深度穩定，無明顯偏差。

各試驗區挖掘深度測試數據見表2。

表2 各試驗區挖掘深度測試數據/ %

平均生產率為0.2 hm2/h，最大收獲效率可達到0.28 hm2/h，在高速收獲時前篩能很好地起到輸送分離效果，后篩分離干凈，無明顯覆土情況出現，試驗完成后兩級鏈篩均未出現明顯的損傷、運轉不暢現象，能很好地保證可靠性。同時，性能試驗對比了在相同地塊同等幅寬未改進機型的性能數據，新型快速根莖類收獲機性能指標達到設計預期。

收獲機產品考核性能對照表見表3。

2.3.2 可靠性、適用性試驗考核情況

在2 次試驗考核完成后分別分析了作業的情況，對機具進行了局部調整。調整后將4EYL- 170A/180A 2 個機型共4 臺樣機投放萬榮縣周邊藥材收獲機專業用戶進行了為期2 個月一個作業季可靠性、適用性考核。考核期間考核人員分時段采取跟機收獲，電話調查回訪，對收獲機作業情況進行匯總，總體評價良好，經濟效益社會效益與同類機型相比進步十分明顯。

表3 收獲機產品考核性能對照表

3 結論

此次研制的2 款機型較國內同類產品有以下優點：

（1） 結構新穎獨特。采用分段式平鏟結構。組裝方便、維修便捷、較以往的整體切土刀更換時需整體拆除、整體換裝，維修的工時大大降低，配件的整體保障能力也有所提升。經過用戶調查比較，分段式平鏟的使用時間較以往同類機型提高了26%，維修時間較以往降低了40%，同時維修費用大幅降低。

鏈式輸送分離篩通過分段式兩級輸送，前篩主要完成泥土和藥材的輸送、抖動疏松，第二級完成分離與清選拋送，收獲速度能有效保證，提高了作業效率。作業時分離效果更好，收獲后得藥材不容易被泥土、土塊覆蓋，明莖明根率較高，經數據比較收獲損失降低了5%，且收獲后成品藥材品質大幅提升，據試驗地用戶反映使用該款收獲機后藥材好賣，而且藥材價格較高，大大提升了經濟效益。

（2） 適用性好、可靠性高。新型快速根莖類藥材收獲機可對全國大部分地區不同作物、不同種植模式的根莖類藥材進行收獲[2]，整機不容易出現鏈條堵篩情況，機組作業速度快，可適用于馬鈴薯、紅薯、花生、黃芹、遠志、丹參、地黃、柴胡、板蘭根、黃峰等多種中藥材和薯類的挖掘，出凈率高、挖掘深度大、破損率低。

（3） 具有良好的經濟社會效益。該機型的研制可增加生產企業的經濟與社會效益，可為區域經濟發展創立一個新的亮點。該產品的推廣將大大推進山西省藥材收獲機械化水平的發展，提升山西省農業現代化裝備水平，提高農業生產效益。