根莖類(lèi)中藥收割機(jī)的設(shè)計(jì)與研究*

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(xué)，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(gè)醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域中占有至關(guān)重要的地位。隨著中藥材的藥品價(jià)值被專(zhuān)業(yè)人員所證實(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)中藥材產(chǎn)品的需求量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)。據(jù)相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，2019年甘肅省中藥材種植面積465萬(wàn)畝、產(chǎn)量130萬(wàn)t，已經(jīng)成為我國(guó)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(jìn)一步拓展，對(duì)中藥材收割機(jī)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(dá)，主要生長(zhǎng)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(huì)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(qiáng)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(duì)上述問(wèn)題，工作人員要全面分析根莖類(lèi)中藥材生長(zhǎng)環(huán)境和生理特征，設(shè)計(jì)出振動(dòng)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(jī)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(gè)設(shè)備的最前端，利用拖掛架連接牽引車(chē)，在減速機(jī)的輸出軸上分別設(shè)置擺桿連接機(jī)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(jìn)裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)牽引車(chē)動(dòng)力輸出軸輸出動(dòng)力，通過(guò)減速機(jī)后，引導(dǎo)皮帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)，并在皮帶輪引導(dǎo)下轉(zhuǎn)動(dòng)皮帶輪上的偏心輪，使挖掘鏟進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)，并隨牽引車(chē)前進(jìn)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(jì)

2.1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

站在運(yùn)動(dòng)形式的角度分析，挖掘鏟主要包括振動(dòng)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(lái)說(shuō)柵條挖掘鏟以振動(dòng)式為主，平面三角挖掘鏟是固定式。振動(dòng)式柵條挖掘鏟破碎分離效果較強(qiáng)，能避免挖掘過(guò)程出現(xiàn)擁堵問(wèn)題，但其挖掘深度較淺，入土性能較差，在工作中時(shí)常出現(xiàn)挖斷問(wèn)題。而固定式三角挖掘鏟具有較強(qiáng)的入土性能，挖掘深度遠(yuǎn)大于藥材根部長(zhǎng)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(yán)重的擁堵問(wèn)題[2]。

通過(guò)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(guò)四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)整體挖掘裝置運(yùn)行，運(yùn)動(dòng)形式為振動(dòng)式，能有效控制挖掘阻力，有利于挖掘機(jī)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(dòng)作用下，將土壤運(yùn)輸?shù)降孛妫瑢⑺幉母o傳輸?shù)椒蛛x裝置中，保證初次分離操作流程順利進(jìn)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(guò)程中，為了避免收割機(jī)上纏繞大量雜草根莖，造成刀刃存在安全隱患[3]。搶收時(shí)，工作人員要采取滑行切割的方式進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行挖掘時(shí)，要滿(mǎn)足如下要求：

分析上圖，得到如下公式：

查閱相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，合理控制鏟刃張角對(duì)提高機(jī)械設(shè)備工作性能有重要作用，如果鏟刃張角過(guò)大，根本無(wú)法切割雜草根莖，會(huì)堵塞挖掘鏟；如果鏟刃張角較小，想要達(dá)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(guò)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(mǎn)足預(yù)期的挖掘效果，使挖掘過(guò)程對(duì)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(jìn)行均勻運(yùn)動(dòng)，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(shí)，工作人員要通過(guò)平衡方程，計(jì)算出挖掘鏟運(yùn)動(dòng)作用力。

試驗(yàn)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(qiáng)，會(huì)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(huì)增加其碎土性能。目前，入土角通常控制在25°。

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(lèi)中藥材根莖實(shí)際分布情況，計(jì)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(guò)程中，工作人員要保證挖掘深度超過(guò)藥材根莖最大深度，避免切斷主根，給根莖的整體性帶來(lái)嚴(yán)重影響，降低藥材的藥用價(jià)值，故挖掘鏟最大入土深度應(yīng)大于500 mm[4]。

2.2.4 工作長(zhǎng)度

目前，挖掘鏟長(zhǎng)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(lái)運(yùn)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(lái)計(jì)算后端長(zhǎng)度：

計(jì)算得出：L1=380 mm，挖掘鏟總長(zhǎng)度L=L1+L2=772 mm

3 行走執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

藥材收獲機(jī)的行走執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為履帶式和輪式兩種，其中，在大型藥材收獲機(jī)上廣泛使用的是輪式行走機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是速度快；履帶式行走機(jī)構(gòu)一般適用于中小型藥材收割機(jī)，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎半徑小、靈活性高。同時(shí)，行走模塊主要作用是采集收割機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和直線速度，包括機(jī)械液態(tài)控制元件和履帶底盤(pán)，通過(guò)控制推桿和方向盤(pán)兩個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)液壓閥開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保兩驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到藥材收割機(jī)的使用需求[5]。

4 挖掘裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

4.1 建立仿真模型

通過(guò)ADAMS軟件仿真振動(dòng)式挖掘鏟，構(gòu)建健全的三維實(shí)體模型圖，將其應(yīng)用到軟件方面，完善直角坐標(biāo)體系，規(guī)范X軸運(yùn)動(dòng)方向。同時(shí)，根據(jù)收割機(jī)工作中減速器運(yùn)行的軸轉(zhuǎn)速，將相同數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)速馬達(dá)應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)挖掘鏟運(yùn)動(dòng)偏心輪，將其轉(zhuǎn)速控制為300 r/min，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)，仿真時(shí)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(yùn)動(dòng)特征是否能滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]。

4.2 仿真結(jié)果分析

通過(guò)上述仿真分析，能取得完整的挖掘鏟運(yùn)動(dòng)分析圖，在圖片上選擇挖掘鏟鏟刃上任意點(diǎn)，將該點(diǎn)作為靜止?fàn)顟B(tài)的坐標(biāo)原點(diǎn)，得出其在不同時(shí)間X軸方向的移動(dòng)、速度、加速度變化曲線。X軸方向時(shí)間-速度變化曲線如圖3所示。通過(guò)分析圖中的內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有明顯運(yùn)動(dòng)干擾影響的X軸運(yùn)動(dòng)中，挖掘鏟的最高運(yùn)動(dòng)幅度為300 mm，整體呈復(fù)式運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，挖掘鏟的速度和加速度曲線在X軸上波動(dòng)幅度較小，說(shuō)明挖掘鏟運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有急劇回位的特點(diǎn)，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(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)：在挖掘鏟進(jìn)行日常運(yùn)動(dòng)時(shí)，鏟尖在原點(diǎn)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(jìn)行移動(dòng)，速度呈直線下降趨勢(shì)[7]。當(dāng)挖掘鏟運(yùn)動(dòng)到最左側(cè)時(shí)，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(jìn)行移動(dòng)，速度增加，加速度下降；當(dāng)挖掘鏟重新回到初始位置時(shí)，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(jìn)行持續(xù)運(yùn)動(dòng)，挖掘鏟運(yùn)行速度降低；當(dāng)挖掘鏟抵達(dá)最右側(cè)時(shí)，挖掘速度為0，加速度達(dá)到最高值，最高數(shù)值為110 mm/s2，這時(shí)挖掘鏟向左側(cè)進(jìn)行移動(dòng)，反向增加挖掘鏟速度；當(dāng)挖掘鏟回歸到原始點(diǎn)位時(shí)，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(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖3 X軸方向時(shí)間-速度變化曲線

同時(shí)，在挖掘鏟鏟面上選擇任意點(diǎn)，將該點(diǎn)作為靜止?fàn)顟B(tài)的坐標(biāo)原點(diǎn)，得出其在不同時(shí)間Y軸方向的移動(dòng)、速度、加速度變化曲線。其中，Y軸方向的時(shí)間-速度變化曲線如圖4所示，可見(jiàn)，在沒(méi)有明顯運(yùn)動(dòng)干擾現(xiàn)象的Y軸上，挖掘鏟的最高運(yùn)動(dòng)幅度為160 mm，運(yùn)動(dòng)軌跡曲線呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。并以流暢的Y軸運(yùn)動(dòng)速度與加速曲線相互對(duì)照，表現(xiàn)出較強(qiáng)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(dāng)挖掘鏟運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(jìn)行運(yùn)動(dòng)[8]。運(yùn)動(dòng)中速度和加速度下降，當(dāng)挖掘鏟運(yùn)動(dòng)到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)，速度和加速度下降到0，挖掘鏟向下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這時(shí)挖掘鏟加速度和速度呈現(xiàn)反向增加趨勢(shì)；當(dāng)挖掘鏟二次返回原點(diǎn)時(shí)，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(jìn)行持續(xù)運(yùn)動(dòng)，減小其速度和加速度；當(dāng)挖掘鏟運(yùn)動(dòng)到最下側(cè)時(shí)，速度和加速度數(shù)值為0，挖掘鏟向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，速度和加速度呈現(xiàn)正向提升趨勢(shì)[9]；當(dāng)挖掘鏟回歸到原點(diǎn)時(shí)，速度和加速度達(dá)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(shí)間-速度變化曲線

5 小結(jié)

綜上所述，在使用固定式收割機(jī)收割根莖類(lèi)中藥材時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)碎土效果差、入土阻力大、挖掘深度不足、動(dòng)力損耗大等各種問(wèn)題[10]。據(jù)此，對(duì)振動(dòng)式挖掘裝置的工作效果、運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、挖掘參數(shù)等數(shù)據(jù)，運(yùn)用理論計(jì)算和數(shù)據(jù)模擬的方法進(jìn)行綜合分析。經(jīng)實(shí)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(zhǎng)度為772 mm，其水平方向運(yùn)動(dòng)速度趨勢(shì)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(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用四連桿式結(jié)構(gòu)，便于進(jìn)行平面運(yùn)行操作。