中草藥根莖類作物收獲機(jī)的研究

鞏自衛(wèi)，陳立濤，楊 瑞

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅武威 733006）

0 引言

經(jīng)濟(jì)作物主要包括油料、茶葉、糖料和中草藥材等，其在我們的實際生活中具有極其重要的作用。并且對全面的國家經(jīng)濟(jì)增長以及社會的安寧有著決定性的影響。作為一種特殊的經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物，中草藥材的社會經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)顯著，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)扶貧和鄉(xiāng)村復(fù)興的目標(biāo)，而且在防疫方面也展現(xiàn)出了顯著的效果，這為中草藥材市場帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。我國是中醫(yī)藥起源地，在這當(dāng)中根莖類中草藥在交易市場占比較高，在我國，中草藥收獲機(jī)械的技術(shù)水平并不高，效率也相對較低，這嚴(yán)重制約了中草藥行業(yè)的健康發(fā)展。隨著中草藥收獲機(jī)的需求量逐漸增大，提升中草藥收獲機(jī)的技術(shù)水平對于優(yōu)化農(nóng)業(yè)勞動力和提升藥農(nóng)收入具有關(guān)鍵性的影響。

1 根莖類中草藥收獲機(jī)械化研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，主要參考馬鈴薯、胡蘿卜、花生等收獲機(jī)的優(yōu)勢進(jìn)行改良。通過對挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)的實驗研究，提高根莖類中草藥收獲機(jī)的運行效率，使其能夠滿足各種地理環(huán)境、各種農(nóng)業(yè)需求的根莖類中草藥收獲任務(wù)。通常，根莖型的中草藥收割設(shè)備包括主體結(jié)構(gòu)、開采設(shè)備、分割設(shè)備、傳遞設(shè)備和采集設(shè)備等部件。在這當(dāng)中挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)為核心部件。伴隨著自動化與智能化農(nóng)機(jī)的進(jìn)步，根莖型中草藥收獲機(jī)也引入了更多的自動化與智能化科技。其主要組成部分的設(shè)計參數(shù)以及工作參數(shù)會依據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)整，從而提升其在各種情況下的適用性。

2 中草藥根莖類作物收獲機(jī)

2.1 挖掘機(jī)構(gòu)研究

在各種根莖類中草藥中，其根系通常生長得相當(dāng)繁茂，并且廣泛地分布在土壤的各個角落。這些根部與土壤形成一個緊密的聯(lián)合體，其作用是增強(qiáng)筋的力量，以提升土壤的抗剪力和土壤與根部的剝離困難。為確保根莖類中草藥的完全性，挖掘設(shè)備的工作深度必須超過其最大的根部深度。挖掘過程可能導(dǎo)致部分的根土、雜草混合，因此，挖掘設(shè)備必須擁有足夠的工作深度以及卓越的入土特征，并且必須擁有高效的土壤破碎和分離功能。

2.1.1 挖掘鏟

挖掘鏟直接對土壤施加力量，破壞堅硬的土壤，使其松散，并通過破壞其粒度構(gòu)造來達(dá)到削減和粉碎土壤的目的，避免由于大量土垡引發(fā)的堵塞問題，同時降低挖掘的阻力。所以，挖掘鏟的運用會直接決定收成的品質(zhì)。在考慮到不同地區(qū)的挖掘需求后，我國很多科學(xué)研究單位開發(fā)了大量的挖掘鏟，依據(jù)其平面設(shè)計形狀，主要涵蓋了平面鏟、曲面鏟、叉齒鏟以及組合鏟。

平面鏟的設(shè)計相當(dāng)簡單、精致、實用且易于創(chuàng)建，同時也比較容易進(jìn)入土壤，因此具備廣泛的使用領(lǐng)域；采用仿生科技制作的曲面鏟，其鏟面的彎曲形狀仿照了動物的挖掘器官表面，從而實現(xiàn)了減少粘性和阻力的目標(biāo)，并且還可以增加使用壽命。但是，這種鏟面的特征及其制作流程極為復(fù)雜；叉齒鏟較易入土，能縮小鏟子與土壤的接觸區(qū)域，降低挖掘的難度以及拉動的難度，更適合破碎土質(zhì)并將其分開，但其穩(wěn)定性相對較弱，很容易導(dǎo)致叉齒或者是拉伸的柵格被打破；組合鏟可以有效地將碎石分離，減輕挖掘的難度并降低鏟前的積土，但其構(gòu)造較復(fù)雜。伴隨著制造技術(shù)的發(fā)展，對于中草藥挖掘任務(wù)的深度和速率的標(biāo)準(zhǔn)也在逐漸增長，必須解決其容易積水、難以挖出的問題，因此，融入了仿生科學(xué)的組合挖掘設(shè)備將會是未來的發(fā)展方向。

2.1.2 挖掘機(jī)構(gòu)

根據(jù)挖掘鏟的移動方式，可以將挖掘機(jī)構(gòu)劃分為固定型、推進(jìn)型以及混合型等。一般來說，固定式的挖掘機(jī)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)都依賴于機(jī)械部件，主要包括挖掘鏟以及支撐結(jié)構(gòu)；在推進(jìn)式挖掘機(jī)構(gòu)工作的過程中，其驅(qū)動系統(tǒng)非常繁瑣，而且，在驅(qū)動力的驅(qū)使下，挖掘鏟可以實現(xiàn)如回轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等各種功能；混合型挖掘機(jī)構(gòu)即為由二種以上挖掘機(jī)構(gòu)組合構(gòu)成的挖掘機(jī)構(gòu)。

在收獲根莖類的中草藥時，固定式的挖掘機(jī)構(gòu)和震動式的挖掘機(jī)構(gòu)被大量應(yīng)用，而旋轉(zhuǎn)式的挖掘機(jī)構(gòu)以及混合式的挖掘機(jī)構(gòu)的應(yīng)用則相對較少。以某元胡專用的固定挖掘機(jī)構(gòu)為例，在使用該機(jī)構(gòu)進(jìn)行挖掘操作之前，通過EDEM離散元模型，可以對各類型的挖掘角度以及不同的工作速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以探討其對挖掘阻力的影響。振動式挖掘方法被視作一種有效的阻力削減手段，相關(guān)的科學(xué)家們已經(jīng)借助于理論分析與實際操作，對此方法的阻力削弱機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，并且可以將其劃分為強(qiáng)制性和自我驅(qū)動兩種振動模式。

一般來說，淺根莖中草藥收獲機(jī)會選擇使用固定式的挖掘機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡潔，操作和維護(hù)都十分便捷，而且其穩(wěn)定性也比較強(qiáng)。然而，也有一些問題需要解決，如挖掘的深度不足、進(jìn)入土壤困難、能源消耗過高、破碎土壤的效果不佳等。深根莖中草藥收獲機(jī)會使用被迫振動的挖掘機(jī)構(gòu)，這樣能夠顯著減少挖掘的難度，并且具備很好地破碎土壤的能力；目前，組合型挖掘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且制作過程艱難，但能夠適應(yīng)多樣化的挖掘環(huán)境。未來，其將被用于自動化的收獲機(jī)構(gòu)，并且能夠適用于深層次的中草藥收集。

2.2 分離機(jī)構(gòu)研究

分離機(jī)構(gòu)同時具備輸送功能，在操作過程中需要承擔(dān)的壓力相當(dāng)大。由于根莖類中草藥的挖掘深度很大，土壤的推進(jìn)量也相當(dāng)大，所以對其的產(chǎn)品性能有著較高的要求。現(xiàn)階段，比較常見的分離機(jī)構(gòu)包括升降鏈?zhǔn)健冸x篩式和滾筒式等。

2.2.1 升運鏈?zhǔn)?/p>

升運鏈?zhǔn)椒蛛x設(shè)備也被叫做桿條式升運器，一般是由桿條、鏈條以及振動器組合而成。依照其所采用的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)形式，還能進(jìn)一步劃分出如鏈桿式、鉤桿式以及帶桿式等。例如，針對百合在傳輸分離過程中容易受到破壞的問題，研制了一種帶有桿的提升裝置。通過使用離散元素的模擬仿真來進(jìn)行破壞原因的研究，能夠確定裝置的操作速率、提升裝置的鏈條速率以及提升裝置的傾斜角度等關(guān)鍵參數(shù)的范圍。針對丹參的機(jī)械化收割，開發(fā)了一種鏈桿式清土傳輸設(shè)備。為增強(qiáng)該機(jī)構(gòu)的清土效能，安裝了一個帶有機(jī)械震動的鏈輪，使傳輸設(shè)備產(chǎn)生震動。如此，經(jīng)過挖掘的丹參就能被徹底清除土壤，然后被傳送到傳輸設(shè)備內(nèi)。目前，關(guān)于升運鏈?zhǔn)絼冸x機(jī)構(gòu)的基本理念已經(jīng)被深入探討，并且技術(shù)已經(jīng)趨于完善。這種機(jī)構(gòu)的剝離效果優(yōu)秀，即使在傾斜角度增加的情況下也依然保持著良好的傳遞力，因此被普遍采納。然而，由于此類機(jī)構(gòu)在使用過程中的磨耗速度加快，部分零部件容易遭受破壞，從而導(dǎo)致了機(jī)構(gòu)的故障率極高。

2.2.2 剝離篩式

通常，剝離篩式的分離設(shè)備是由剝離篩以及驅(qū)動器所組成的。剝離篩有許多種，按照其移動模式，可以將其劃分為振蕩式、擺動式等。而按照其表面的設(shè)計，則可以將其劃分為如桿狀篩、鋸狀篩、編織篩以及混合篩等。比如，平貝收獲機(jī)采用了偏心輪式振動剝離篩，通過對振動設(shè)備的動力學(xué)分析，并利用Matlab優(yōu)化軟件來調(diào)節(jié)振動設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，如偏心輪的直徑和旋轉(zhuǎn)速度，以降低平貝機(jī)械化收獲的損耗率；又如，在板藍(lán)根機(jī)械采集過程中，開發(fā)了一種配有篩條和篩板的搖擺式根土剝離篩，針對偏心機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)以及組合篩面的構(gòu)造進(jìn)行了深入的設(shè)計，并結(jié)合根土聚合物在于篩面的順向、逆向以及投擲運動中的變化情況，確定了影響采集效率的主要因素包括篩面的傾斜角、旋轉(zhuǎn)的旋鈕以及旋轉(zhuǎn)的旋鈕的速率。振動型剝離篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧且穩(wěn)固，因此經(jīng)常在根莖型收割機(jī)中使用。然而，搖擺型剝離篩的慣性力穩(wěn)定性有所欠缺，但動態(tài)負(fù)載較大、碎土功能較好和分離強(qiáng)度較高等，可以將篩面的混合物迅速向剝離篩尾端傳送，其傳送效率高。

2.2.3 滾筒式

滾筒式分離機(jī)構(gòu)在承載力方面表現(xiàn)出平穩(wěn)性、故障概率小、耐久性強(qiáng)以及能源利用效率高的特性，但設(shè)計過程卻相當(dāng)繁瑣，生產(chǎn)過程也相當(dāng)艱巨。比如，一種配備了揚料板的滾筒式分離器，能夠被機(jī)械化地收集平貝母。利用液壓馬達(dá)來推動滾筒的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了滾筒的無級調(diào)速。滾筒篩的內(nèi)部配備了特殊的揚料板，不只可以幫助物質(zhì)從滾筒里向外移動，也可以執(zhí)行物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)操作。該篩分裝置對于短根莖及塊狀根莖的中草藥特別適合，但必須在水分含量和黏稠度相對較少的土壤條件下才能完成篩查任務(wù)。

2.3 輸送機(jī)構(gòu)研究

輸送機(jī)構(gòu)的核心功能是將物料轉(zhuǎn)移，可以實現(xiàn)分離和等級性能。在如薯類、花生等農(nóng)作物收獲機(jī)中應(yīng)用非常普遍，且其技術(shù)工藝相對成熟。根據(jù)傳輸?shù)燃墸梢员环譃橐患墶⒍壓投嗉墏鬏敗τ诟o類中草藥的傳輸設(shè)備，可以參考薯類的傳輸設(shè)備進(jìn)行改良或直接采用，主要有網(wǎng)鏈傳輸設(shè)備、刮板傳輸設(shè)備、輥軸傳輸設(shè)備等。比如，太子參收獲機(jī)采用了網(wǎng)鏈輸送機(jī)的方式進(jìn)行傳輸，其中，傳送網(wǎng)帶的兩端裝有傳動鏈條。這些傳動鏈條和傳動軸上的鏈輪共同起到驅(qū)動的作用，通過調(diào)節(jié)傳送網(wǎng)帶的松緊度，能夠在運行過程中產(chǎn)生一定的自我激勵振蕩，從而幫助進(jìn)一步分離出微小的土壤顆粒。研究表明，最佳的傾斜角度應(yīng)該在20°～30°之間。按照其結(jié)構(gòu)類型，刮板運輸機(jī)可以被劃分為帶式運輸機(jī)和傳動鏈條運輸機(jī)。在4B-1200型平貝母的收割過程中，由于黏性的土壤容易滲透至帶式運輸機(jī)的傳送帶，引發(fā)了側(cè)滑及堆積的問題。因此，需對逆向升運器進(jìn)行改良，并通過理論分析方法，精準(zhǔn)地定義升運器的設(shè)計及運行參數(shù)。其傾斜角度達(dá)45°，線速達(dá)0.26 m/s，從而使得升運的效能增加了兩倍。

針對擁有多樣的物理屬性與外觀尺寸的根莖類中草藥，可以采用多樣化的輸送機(jī)構(gòu)，以確保傳輸效率，并避免中草藥與傳輸設(shè)備相互纏繞，從而導(dǎo)致根莖類中草藥受損。目前，在短根莖類以及塊狀根莖類的植物上，通常采用網(wǎng)鏈或者刮板這樣的傳送工具，而在長根莖類的植物上，則傾向于采用刮板或者輥軸這樣的傳送工具。

3 根莖類中草藥收獲機(jī)存在問題

現(xiàn)階段，我國的科學(xué)家們已經(jīng)深入地研究和開發(fā)出了各種根莖類中草藥收獲機(jī)，然而中草藥收獲機(jī)械化的發(fā)展仍處于初級階段。根莖類中草藥與主要糧食作物的收獲機(jī)械化程度存在顯著差異。在實際應(yīng)用中，根莖類中草藥收獲機(jī)仍面臨著挖掘難度大、收獲效率低下和損壞率高等問題，這些問題主要源于多種復(fù)雜且多元的因素。

3.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)業(yè)技術(shù)的整合程度還不夠

根莖類中草藥的種類繁多，就算是同一類別，在不同的地理環(huán)境下的種植方式和農(nóng)業(yè)技術(shù)規(guī)范也各不相同。比如，農(nóng)業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括直接播種、全方位覆蓋、膜上種植、膜側(cè)種植、挖溝、建畦和起壟等，這使得對于機(jī)械化收獲的需求各異，對于配套的收獲機(jī)械構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。

3.2 對于聯(lián)合收割設(shè)備的開發(fā)熱情不足

根莖類中草藥大部分是在丘陵山區(qū)以及一些小型土地上進(jìn)行栽培的，但受到地理條件的約束與影響，通常需要配合手扶拖拉機(jī)等動力設(shè)備和微型收獲機(jī)進(jìn)行作業(yè)，導(dǎo)致通用聯(lián)合收獲機(jī)械的性能難以達(dá)到預(yù)期，所以，企業(yè)在研究和制造根莖類中草藥收獲機(jī)方面的積極性相對較低。

3.3 對于收集率與損壞率的全面探討不足

由于每一個地方的土壤都擁有自身的物理特征，這就引發(fā)了土壤、根系的整體物理力學(xué)參數(shù)和模型的不同，對于不同種類的草本植物、土壤以及機(jī)器的交互原理還沒有完全弄清楚。對于挖掘工作以及分離工作，對于收集的完整度和損壞度的全面研究還沒有進(jìn)行，而且對于機(jī)械化收割流程中，對完整度和損壞度的主要影響元素也還沒有弄清楚。

3.4 缺少關(guān)于收獲作業(yè)的自動化管理技術(shù)的探討

對于各種地理位置、各種類別的根莖型中草藥，其采集設(shè)備與分割設(shè)備的操作規(guī)格各異。目前，采集設(shè)備的操作規(guī)格無法及時調(diào)整，如挖掘刀的角度、深度及速度等操作規(guī)格。而分割設(shè)備則無法基于根土的投放量來即時調(diào)整其振動的頻率、速度等操作規(guī)格。至今，關(guān)于各種根莖型中草藥采集操作規(guī)格的智能化管理技術(shù)的研究還處于初級階段，主要是通過人為的方式來確定采集設(shè)備的操作規(guī)格。

4 根莖類中草藥收獲機(jī)發(fā)展趨勢

1）為了應(yīng)對深層次植物挖掘過程中出現(xiàn)的挖掘深度不夠、阻礙較大和能源消耗過多的難題，挖掘設(shè)備正在朝著節(jié)能型的方向發(fā)展。需要更充分了解土壤的切割和挖掘設(shè)備的功耗損耗，開發(fā)結(jié)合仿生科學(xué)和振動降阻科學(xué)的復(fù)合型深挖設(shè)備，以此來達(dá)到節(jié)能型的深挖新技術(shù)。

2）為了提高機(jī)械收獲效率，推動分離設(shè)備與傳遞設(shè)備的柔性減損技術(shù)的發(fā)展，需深入探討不同的土質(zhì)條件及根莖型中草藥的物理屬性，并詳細(xì)評估其在損耗方面的貢獻(xiàn)。同時，增強(qiáng)對在機(jī)械化收割過程中，根莖型中草藥受損原因的研究，開發(fā)出適用于所有設(shè)備的柔性收割核心技術(shù)，減少機(jī)器收割的損耗。

3）智能化的收割設(shè)備正在逐步演進(jìn)，為了滿足各種農(nóng)耕方法和工作條件，可融合基于北斗的智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使挖掘設(shè)備、分割設(shè)備和運輸設(shè)備都具備自我調(diào)節(jié)的功能，從而可以適用于各種根莖類藥物、各種地理位置及各種農(nóng)田環(huán)境的機(jī)器收割任務(wù)。

5 結(jié)語

伴隨著小型土地的密集分布，中草藥的種植區(qū)域也在不斷增加。目前，收獲方式已經(jīng)從手動或半機(jī)械化轉(zhuǎn)為機(jī)械化，并且從傳統(tǒng)的挖掘機(jī)向聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)化。現(xiàn)階段，必須解決中草藥與機(jī)械、農(nóng)藝相結(jié)合的核心問題，以增強(qiáng)收獲機(jī)的田間操作適應(yīng)性，并且最后將朝著智能化的聯(lián)合收獲機(jī)方向前進(jìn)。