懸掛式三年生三七挖掘收獲機的研制及試驗

于進川，張兆國，武占東，張永成，趙菲菲，王法安，張　丹

(昆明理工大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，昆明　650500)

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懸掛式三年生三七挖掘收獲機的研制及試驗

于進川，張兆國，武占東，張永成，趙菲菲，王法安，張丹

(昆明理工大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，昆明650500)

摘要：為了提高三七根挖掘收獲機械化作業(yè)水平，結合云南省內三七種植模式和農(nóng)藝要求，設計了懸掛式3年生三七挖掘收獲機，可同時完成一畦三七的挖掘、輸送、去土和條鋪等任務。挖掘收獲機由四輪拖拉機牽引，主要由機架、懸掛部件、挖掘部件、升運抖土裝置、條鋪部件及動力系統(tǒng)等工作部件組成。挖掘鏟設計成銳角式開溝器狀，入土能力強、結構簡單、工作阻力??；收獲機后部設有收集擋板，保證去土后的三七在地上成條鋪狀。田間樣機收獲試驗表明：機器收凈率達到了98.1%，損傷率為1.9%，生產(chǎn)率達到了0.12hm2/h。該樣機為云南省首臺專門針對三七根的收獲機械，為三七根收獲機械的深入研究和發(fā)展提供了參考。

關鍵詞：三七；收獲機；懸掛式

0引言

三七屬五加科多年生草本植物，因其播種后3～7年挖采，而且每株長3個葉柄， 每個葉柄生7個葉片，故名三七。其莖、葉、花均可入藥?，F(xiàn)代臨床醫(yī)學證明：三七有強壯滋補、活血散瘀、強心健身之效；所含黃酮類化合物能減少冠心病所致心絞痛的發(fā)病因素，并對降低膽固醇有顯著作用；所含多糖類具有抑制癌細胞擴散的作用。

云南省文山州常年三七占地面積0.2萬hm2，年產(chǎn)量100萬kg多，產(chǎn)量和面積均占全國的90%以上。2007-2011年，文山市三七種植面積累計達到0.9萬hm2；2012年，僅文山市種植三七總面積就達0.17萬hm2，單是可采挖面積就達466.7hm2多。但由于三七種植存在輪作障礙，間隔時間高達十幾年，使三七在文山的種植面積逐漸減少。隨著市場需求量的日益增加，三七種植現(xiàn)在已延伸到紅河、大理、臨滄、昆明，以及廣西一些地區(qū)，總體種植面積在逐年增加。

隨著三七種植面積和市場需求量不斷加大，三七的收獲給農(nóng)民們帶來了很多不便，勞動力的數(shù)量大且效率低下，同時也耽誤了三七最佳收獲時間，影響了三七總體的產(chǎn)量。傳統(tǒng)的手工收獲方式已不能適應現(xiàn)代社會對三七的需求，只有機械化收獲才能促進三七種植方式的改革和進步，是三七生產(chǎn)機械化發(fā)展的必然趨勢。實現(xiàn)收獲機械化可以減輕勞動強度，提高勞動效率，有利于三七作物生長發(fā)育，便于三七的規(guī)范化生產(chǎn)。

本文結合云南省內三七的種植模式和農(nóng)藝要求，設計開發(fā)出了一種懸掛式三年生三七挖掘收獲機，能夠實現(xiàn)三七的采挖、分離和鋪放作業(yè)[1]。在田間針對其進行了收獲試驗，對三七收獲機的性能指標進行了相應的測定，結果表明：該機能夠達到三七收獲的要求，作業(yè)效果良好。

1總體方案及技術參數(shù)

1.1三七基本物理特性

目前，三七種植采用壟作方式(見圖1)，每壟寬1 200～1 500mm，壟高200～300mm，株距為100mm，行距為150mm[2]。3年生三七根的生長深度約為100mm，其最大的生長深度約為150mm；株平均莖高約為400mm；3年生三七外形尺寸為直徑約為10～40mm，長度約為20～100mm。

圖1　三七壟作種植模式

1.2三七收獲機結構及工作過程

根據(jù)云南省三七生長物理特性、種植模式和農(nóng)藝要求，從云南省尤其是文山州農(nóng)田的基本情況出發(fā)，同時考慮到收獲機的工作效率、適應情況、成本價格和對田地的壓實等因素[3-6]，收獲方式采用懸掛式。3年生三七挖掘收獲機的整機結構如圖2所示。

1.機架　2.調節(jié)輪 　3.鋼條篩

三七收獲機主要由機架、懸掛部件、挖掘部件、升運抖土裝置、條鋪部件及動力系統(tǒng)等組成，能夠一次性收獲一壟三七。各部件的功能及整機工作過程如下：:使用前，將整機通過懸掛架連接在四輪拖拉機的后方，針對工作地塊的土壤和三七種植深度的情況，通過調節(jié)調節(jié)輪的高低，使挖掘鏟位于適宜角度以達到要求的挖掘深度；隨著四輪拖拉機向前運動，帶動整機工作，滾條篩開始轉動，滾條篩在轉動過程中經(jīng)過振動軸，從而使?jié)L條篩產(chǎn)生振動；挖掘鏟在地下完成挖掘松土，將3年生三七與土壤的混合物鏟起，使混合物落入到滾條篩中；通過滾條篩的振動使三七根與土壤分離，通過收集板使三七根落入到地面左側并形成條鋪狀，從而完成針對3年生三七根的收獲。

2挖掘部件的設計

挖掘部件的主要作用是將生長在土壤中的三七根鏟起并輸送到升運鏈上。挖掘鏟所受阻力是影響機器工作能耗最重要的因素，挖掘鏟鏟面的觸土面積、挖掘鏟的寬度及形狀等是影響挖掘阻力的主要物理因素，挖掘鏟的挖掘深度、行進速度、入土角等是影響挖掘阻力的設計因素[7]。

2.1挖掘鏟的組成

挖掘部件主要由挖掘鏟、挖掘鏟托、挖掘鏟側板等組成，結構如圖3所示。

1.挖掘鏟側板　2.挖掘鏟托　3.挖掘鏟　4.柵條　 5.從動齒輪

2.2挖掘鏟的設計

挖掘鏟的作用是將三七根塊從土壤中挖掘出，并盡可能使土壤破碎，盡量少地纏帶泥土。由于三七種植時對土壤類型及濕度的要求比較嚴格，要求將三七根與土壤被鏟起時挖掘鏟不被粘黏有一定的困難。三七根土混合物的升起高度必須足以使其能被放到挖掘鏟后面的滾條式升運鏈上，從挖掘鏟到該部件的通道必須通暢，沒有過多的堆積物[8]。

為了滿足三七收獲的各項要求，挖掘鏟設計為組合式挖掘鏟，由挖掘鏟側板、挖掘鏟鏟托和銳角式開溝器組成。鏟面由15個銳角式開溝器組成并剛性的連接在挖掘鏟鏟托上。

挖掘鏟的工作阻力是由鏟起的掘起混合物沿鏟運動方向移動和挖掘鏟與土壤所產(chǎn)生的切割力的合力(見圖4)。假定不加入壟臺沿挖掘鏟移動方向速度變化的影響,三七收獲機挖掘鏟所受到的總的阻力為

R=F+F1=mgtan(θ1+φ)+KA

式中φ—土壤對鋼的摩擦角；

K—挖掘壟溝的比阻系數(shù)(N/m2)，輕質土壤K=16 000～20 000，中等輕質土壤K=20 000～24 000，中等堅實土壤K=24 000～30 000；

A—挖掘壟溝的橫截面積(m2)。

圖4　挖掘鏟受力分析示意圖

影響三七根莖的挖凈率并減少壅土現(xiàn)象的一個重要的因素就是挖掘鏟長度，它在三七挖掘收獲機工作時具有非常重要的作用。挖掘鏟的總長度根據(jù)其挖掘深度h與安裝角度θ1計算[9],即

根據(jù)三七種植農(nóng)藝的要求，當挖掘鏟的挖掘深度達到h=100～140mm時，就能將3年生三七根完全順利地挖出,并保證不損壞三七根。最后根據(jù)各個公式得:①三七收獲機挖掘鏟的總長度在292～354mm范圍之間。②為了減小挖掘阻力、節(jié)省材料，在保證挖掘深度的前提下所設計的挖掘鏟的鏟長應最短。因此,計算的理論長度應該比實際設計的鏟長略大。

為此,在綜合考慮了各方面的影響因素后,將本三七挖掘收獲機的挖掘鏟鏟長設定為260 mm。

3升運鏈的設計

將農(nóng)作物塊莖從挖掘物中分離出來，一直以來是農(nóng)業(yè)收獲機械設計的難題之一[8]，收獲三七也遇到了同樣的問題。本設計中三七收獲機的去土升運鏈如圖5所示。

1.從動輪 　2滾條篩鏈　3.滾條篩主動輪　4.振動軸

該升運鏈由多根鋼筋滾條組成，每根滾條分別固定在兩側的帶耳朵鏈條上，跟隨鏈條繞鏈輪運轉。在三七根土混合物向后傳送的過程中，三七根通過相互之間的摩擦及機器本身產(chǎn)生的振動，其中的雜土會經(jīng)滾條之間縫隙漏下，從而達到去土的目的。三七根被運送到機器后方時，經(jīng)過收集擋板使三七根落入到一側的土地上，達到條鋪效果，完成作業(yè)過程。

升運鏈達到去土目的并保留三七根的柵條間隙的設計準則是：基于三七根外形尺寸，在確保三七根不從滾條條間隙下漏的前提下要充分去土，以免造成不必要的損失[10]。升運鏈取滾條直徑為12mm，柵格縫寬26mm，2柵格間距38mm；升運鏈軸心距為L=860mm，寬度為1 180mm,裝在前面的滾條篩式升運器的傾角值為15°。

4傳動系統(tǒng)方案及參數(shù)的確定

4.1傳動系統(tǒng)的確定

三七挖掘收獲機的動力通過四輪拖拉機后方的動力輸出軸，經(jīng)萬向節(jié)輸送到變速器，經(jīng)過皮帶輪傳給升運鏈主動軸；升運鏈主動軸將動力傳給升運鏈從動軸，從而帶動升運鏈工作。三七收獲機傳動系統(tǒng)如圖6所示。

1.萬向節(jié)　2.圓錐齒輪變速傳動機構　3.動力輸出鏈輪

4.2各傳動比的確定

變速器由圓錐齒輪換向系統(tǒng)構成，其作用是將拖拉機的動力經(jīng)過換向傳給三七收獲機的皮帶輪，從而傳遞給升運鏈主動軸。四輪拖拉機動力輸出軸的轉速為540r/min,圓錐齒輪換向系統(tǒng)為差比傳動，傳動比為1:2。圓錐齒輪換向系統(tǒng)與升運器為差比傳動，傳動比為1:2，兩皮帶輪半徑為1:2。因此，設計的升運器的皮帶輪轉速為125r/min，與拖拉機動力輸出軸轉速比為1:4。

5樣機性能試驗及分析

5.1試驗條件及方法

試驗地點選在云南省文山市舍色村三七種植基地，土壤類型為中偏酸性砂質壤土。經(jīng)過測量，收獲時當?shù)氐臍鉁貫?1℃，三七田內的平均土壤壓實度為156kPa土壤平均濕度為31.6%。

每次試驗收獲距離為15m，重復3次；分別記錄每次試驗所用時間，收獲之前三七株數(shù)，收獲后露出地面三七根頭數(shù)及損傷個數(shù)等數(shù)據(jù)。

5.2試驗結果及分析

田間樣機試驗表明(見表1)：該機收獲性功比較好，能夠實現(xiàn)三七挖掘收獲的各項作業(yè)要求。三七根總損失率包含了漏收率和損傷率，經(jīng)觀察分析可知：1.9%的漏收率為挖掘出三七根后又重新埋入土壤中；2.2%的損傷率主要為挖掘鏟對三七根的損傷。同時，發(fā)現(xiàn)該機在試驗過程中還存在以下問題：

1)由于三七須根一般比較深，采挖時需盡量將須根挖起，挖掘鏟挖掘深度通常較深，因此導致挖掘阻力較大，在入土過程易導致部分三七根的損傷。在接下下來的研究中，要更加深入地分析挖掘鏟的機理，將挖掘鏟的結構參數(shù)和工作參數(shù)進行重點優(yōu)化，使挖掘鏟入土的穩(wěn)定性提高，并進一步降低挖掘阻力。

2)3年生三七收獲時的土壤比較疏松，其去土功能主要是通過將升運器施加一個15°左右的傾角，并靠機器自身的振動及三七根之間的摩擦來產(chǎn)生，導致部分三七根并未與土壤完全分離，需靠后續(xù)人工去土。解決的措施是：可在升運器中間兩側固定一個短軸撐起升運器鏈條，使金屬柵條經(jīng)過短軸時發(fā)生輕微振動，可以使升運器增加振動的效果。

表1　三七收獲機作業(yè)試驗結果

6結論

1)設計的3年生三七挖掘收獲機結構緊湊、操作簡便，可一次性完成對3年生三七的挖掘、抖土、條鋪等工作，縮減了三七收獲的時間，提高了七民的收獲效率，減輕了農(nóng)民的勞動強度。

2)結合云南省三七種植模式，研制出懸掛式3年生三七挖掘收獲機。樣機試驗表明：本收獲機實現(xiàn)了3年生三七的挖掘、輸送、去土及條鋪等功能，收凈率達到了98.1%，損傷率為2.2%，總損失率為4.1%(包括漏收率和損傷率)，生產(chǎn)率為0.12hm2/h。

3)設計的挖掘鏟挖掘寬度為1 200mm，深度為15mm(可調)；挖掘鏟單體設計為銳角開溝器形式，減小了鏟面觸土面積，可有效降低挖掘阻力，并使三七與土壤混合物更平滑的進入升運器；設置了入土調節(jié)輪，可針對不同類型的土壤、不同三七品種實時調節(jié)入土角、挖掘深度等工作參數(shù)。

4)升運鏈安裝傾角為15°，升運鏈寬為1 180mm，升運鏈的有效長度為1 052mm,工作時的線速度為1.273m/s。

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Abstract ID:1003-188X(2016)04-0130-EA

Search and Test the Mining Harvester of Traction Drive Type Used for Three-year-old Pseudo-ginseng

Yu Jinchuan, Zhang Zhaoguo, Wu Zhandong, Zhang Yongcheng,Zhao Feifei, Wang Fa’an, Zhang Dan

(Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Abstract：In order to improve the level of mechanization of mining and harvesting pseudo-ginseng and combining the model and agricultural requirements in planting pseudo-ginseng, Mining harvester of traction drive type is designed, and It can continually finish the work of mining ,conveying, screening soil and making paved at a border check. It is pulled by four-wheel tractor including suspending system, driving system, mining system, screening soil system and making paved system. Digging shovel is designed as acute angle type opener, thus it has the advantage of the ability of graving, simple construction, and small working resistance. At the back of this machine, there is a battle for storing and ensuring to make paved. The result shows that harvesting rate is 98.1%,damaging rate is 1.9%,the productivity is 0.12hm2/h.

Key words：pseudo-ginseng; harvester; traction drive type

文章編號：1003-188X(2016)04-0130-04

中圖分類號：S225.7

文獻標識碼：A

作者簡介：于進川(1989-)，男，石家莊人，碩士研究生，(E-mail)yu.jinchuan@163.com。通訊作者：張兆國(1966-)，男，哈爾濱人，教授，博士生導師，(E-mail)zhaoguozhang@163.com。

基金項目：云南省科技廳項目(2014BC007)

收稿日期：2015-05-07