4Y-1200型藥材收獲機的設計

張文杰，魏宏安，陸祥輝，史明明，王昕

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，甘肅 蘭州 730070；2.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，浙江 杭州 310058；3.蘭州園藝學校，甘肅 蘭州 730070)

?

4Y-1200型藥材收獲機的設計

張文杰1，魏宏安1，陸祥輝1，史明明2，王昕3

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，甘肅 蘭州 730070；2.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，浙江 杭州 310058；3.蘭州園藝學校，甘肅 蘭州 730070)

中藥材；收獲機；挖掘裝置；藥土分離裝置

根莖類中藥材被廣泛應用于醫(yī)藥、化工、食品等行業(yè)中，優(yōu)質無公害的GAP中藥材更是受到全球綠色消費者的熱捧.隨著中藥材在國內(nèi)和國際市場份額的增加，只有提高中藥材產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；蜆藴驶?，才能滿足市場需求[1-4].對于甘草、黃芪等深根莖類藥材，考慮到人工收獲勞動強度大，效率低及成本高等因素，其實現(xiàn)機械化收獲尤顯必要.

目前，國外根莖類作物收獲機械的研究主要針對馬鈴薯和花生，類似中藥材深根莖類作物收獲機械的研究鮮有報道[5-6].國內(nèi)對于深根莖類藥材收獲機械的研究也并不多見，相關機械多數(shù)是由馬鈴薯收獲機或深松機改裝而成[7].因收獲對象和作業(yè)深度差異較大，此類機械用于收獲深根莖類藥材效果很差，因此，設計一種適用于黨參、當歸、黃芪、紅芪、甘草等深根莖類藥材的新型藥材收獲機具有重要意義.

1 總機結構

1.1 工作原理

4Y-1200型深根莖類藥材收獲機總體結構如圖1所示,主要由傳動裝置、挖掘裝置、切刀、中藥材與土壤分離裝置、機架、限深調節(jié)裝置、集料堆放裝置等組成，收獲機可以一次性完成藥材的挖掘、除土、輸送、集中堆放等作業(yè).

1：懸掛架；2：變速器；3：限深調節(jié)裝置；4：收集箱；5：限深輪；6：托帶輪；7：中藥材與土壤分離裝置；8:抖動輪；9:挖掘鏟；10:切刀；11:側壁板.圖1 4Y-1200根莖類藥材收獲機結構圖Fig.1 Structural diagram of 4Y-1200 traditional Chinese medicine harvester

4Y-1200根莖類藥材收獲機工作時，由拖拉機的懸掛裝置控制入土，通過限深調節(jié)裝置限定挖掘深度.根據(jù)作業(yè)深度和土壤類型調節(jié)挖掘鏟的入土角度，保證在不同挖掘深度下挖掘鏟入土角度為最佳.挖掘裝置將工作幅寬內(nèi)土壤中的藥材根莖挖掘出來，并盡量使土壤松碎，把崛起物推送到分離裝置上.經(jīng)輸送帶的輸送、抖動輪的抖動后，土壤疏松、破碎、落下，藥材隨輸送帶輸送到收集箱中.待收集箱中藥材裝滿，由拖拉機駕駛員操縱液壓系統(tǒng)，打開收集箱后活門，將藥材集中堆放于地面.該機全部動力由拖拉機提供，采用三點懸掛的方式與拖拉機掛接.挖掘動力由拖拉機牽引提供，藥材的輸送分離動力由拖拉機動力輸出軸提供，集料堆放裝置的卸料動力由拖拉機液壓系統(tǒng)提供.

1.2 主要技術參數(shù)

收獲機主要技術參數(shù)見表1.

表1 4Y-1200型中藥材收獲機整機主要參數(shù)

2 土藥分離裝置

藥土分離裝置包括主動輪、從動輪、抖動輪、分離輸送帶、張緊裝置.其設計要求是土壤與藥材根莖分離徹底[11-13].該裝置動力由傳動裝置提供，通過傳動鏈傳遞到主動輪軸，從而帶動整個分離輸送裝置轉動.分離輸送帶采用分離性能較強的桿條式輸送帶.為保證在輸送帶傾角較大時仍有良好的輸送能力，根據(jù)藥材根莖的植物學特性，設計輸送帶桿和間隔板的間距，防止輸送過程中藥材下滑和漏失.與此同時，輸送裝置的線速度應該略大于機組行駛速度[14-16].

3 力學分析

藥材根莖在輸送帶上的鋪放是隨機且雜亂的，當藥材根莖的主根莖與分離輸送帶輸送方向垂直時，藥材翻滾下滑的幾率較大.因此，通過對藥材根莖的主根與輸送帶輸送方向垂直的狀態(tài)進行受力分析，研究藥材根莖在輸送帶上能夠被向上輸送且不脫離輸送帶的臨界條件，對于分離輸送裝置的設計十分必要.

3.1 模型建立

將藥材根莖簡化為一質點，以質點中心為坐標原點，以輸送帶運動方向為x軸，以垂直于輸送帶運動方向為y軸，建立直角坐標系.

藥材根莖能被順利輸送的條件是藥材根莖在輸送帶上保持相對靜止而不下滑，同時不跳離分離輸送帶.藥材根莖能被順利輸送的臨界狀態(tài)為抖動輪凸起轉過y軸方向最高點后，藥材根莖所受的離心慣性力在y軸方向的分力達到最大值的時刻，分析此刻藥材根莖的受力情況，確定根莖能向上輸送的條件.

如圖4所示，藥材根莖與輸送帶的摩擦力為F，其方向沿輸送帶運動方向，F(xiàn)=Ntanφ，N為支反力(N)；φ為藥材根莖與鋼材的摩擦角(°)，作物根莖與鋼鐵之間的摩擦角一般為16°42′[17]；藥材根莖所受的最大離心力為P，則有P=mr?2，其中r為抖動輪半徑(m)； ?為抖動輪角速度(rad/s).

圖2 藥材根莖受力分析Fig.2 Force analysis of medicinal roots

建立平衡力系方程：

(1)

式中,θ為輸送帶與水平方向夾角(°)；G為藥材根莖重力(N).

3.2 下滑條件分析

要使藥材根莖在輸送帶上保持相對靜止而不下滑，在x軸方向上須滿足F≥mgsinθ，即：

(mgcosθ-mr?2)tanφ-mgsinθ≥0

(2)

式中，m為藥材根莖質量(kg).

整理得：

(3)

抖動輪是隨輸送帶運動而轉動的，抖動輪角速度與輸送帶線速度之間滿足?=v2/r.所以，藥材根莖能夠向上輸送的條件為:

(4)

根據(jù)式(4)中由輸送帶線速度、抖動輪半徑、輸送帶傾斜角度3個因素確定的藥材根莖能夠向上輸送的條件，運用Matlab繪制臨界曲面如圖3所示.理論上講曲面及曲面上方對應的3個因素的參數(shù)組合，均能確保藥材根莖向上運動而不下滑.

圖3 保證根莖向上運動的臨界條件Fig.3 Critical condition of keeping roots moving up

3.3 脫離輸送帶條件分析

為使藥材根莖能平穩(wěn)輸送，除滿足以上條件外，還須保證藥材根莖不跳離輸送帶，即滿足條件：N≥0，則有：

mgcosθ-P≥0

(5)

整理得：

(6)

同理，將?=v2/r帶入式(6)中，得到藥材根莖不會脫離輸送帶的條件為：

(7)

式(7)表示了由輸送帶線速度、抖動輪半徑、輸送帶傾斜角度3個因素確定的保證藥材根莖不跳離輸送帶的條件，運用Matlab繪制臨界曲面如圖4所示.理論上講曲面及曲面上方對應的3個因素的參數(shù)組合，均能確保藥材根莖不跳離輸送帶，因此，該曲面可以作為3個因素參數(shù)選擇的理論依據(jù).

以上兩個條件的分析及響應曲面圖的變化趨勢表明了輸送帶的線速度、傾角、抖動輪的半徑3個因素之間的關系及其對輸送分離能力的影響：輸送帶的線速度太大，藥材容易產(chǎn)生相對滑動，影響輸送帶壽命，同時抖動輪半徑也增大導致結構設計不合理；輸送帶的線速度太小，挖掘出的土壤來不及分離，藥材來不及輸送，容易產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，故輸送帶的線速度比機組前進速度略大為宜.輸送帶的傾角大，整機機構緊湊，但容易使藥材翻滾；輸送帶的傾角太小，所需的輸送帶長度相對要長，整機結構不緊湊.抖動輪的基圓半徑一定時，其凸起外緣半徑?jīng)Q定了振幅和振動頻率大小，凸起外緣半徑太大，振幅大，抖動頻率小，容易使藥材根莖脫離分離輸送帶，影響輸送；凸起外緣的半徑太小，振幅小，抖動頻率大，不利于藥材根莖與土壤分離.因此要選擇合適的參數(shù)，以保證分離輸送裝置有較強的分離輸送能力.

圖4 保證藥材不脫離輸送帶的臨界條件Fig.4 Critical condition of keeping roots not leaving the conveyor

4 結論

4Y-1200型藥材收獲機結構簡單緊湊，采用三階平面組合鏟，并配以兩側切刀，提高了松碎土能力，降低了工作阻力.

通過建立藥材根莖在分離輸送裝置上的力學模型，研究了保證藥材根莖能夠向上輸送的條件，并結合響應曲面分析，得到輸送帶線速度、輸送帶傾角和抖動輪外緣半徑之間的關系.

本研究所設計的4Y-1200型藥材收獲機能夠一次性完成黃芪、紅芪、甘草等長根莖中藥材的挖掘、分離輸送和集中堆放等作業(yè)，提高了收獲效率，對于促進國內(nèi)中藥材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義.

[1] 王俊發(fā),馬旭,馬瀏軒,等.根莖類中藥材收獲裝備現(xiàn)狀及其收獲工藝[J].農(nóng)機化研究,2009,31(12):242-243

[2] 初旭宏,王俊發(fā),馬瀏軒.根莖類中藥材收獲機械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2008(10):32-33

[3] 周劍,馮曉靜,劉洪杰,等.甘草種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對策研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2012,40(19):10065-10066

[4] 李軍,門啟鳴,劉曉慶,等.黃芪種植基地考察研究報告[J].中華中醫(yī)藥學刊,2014,32(1):18-21

[5] 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(nóng)機化研究,2011,33(8):110-114

[6] 胡志超,彭寶良,尹文慶,等.多功能根莖類作物聯(lián)合收獲機設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2008,39(8):58-61

[7] 周劍,馮曉靜,李建平,等.甘草采挖收獲機械化現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機化研究,2008(9):217-219

[8] 劉俊峰,楊欣,馬躍進,等.4U-1A型馬鈴薯收獲機的設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2004,35(2):181-183

[9] 盛國成,賀春燕,王海,等.4WGX-120/150型根莖類藥材挖掘機的研制[J].農(nóng)業(yè)機械,2012(6):112-114

[10] 張銳,李建橋,許述財,等.推土板切土角對干土壤動態(tài)行為影響的離散元模擬[J].吉林大學學報:工學版,2007,37(4):822-827

[11] 謝新亞，楊宛章，朱豪杰，等.甘草分離輸送裝置的設計及試驗研究[J].中國農(nóng)機化學報，2014,35(6):183-186

[12] 李彥晶,魏宏安,孫廣輝,等.4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機挖掘鏟的參數(shù)優(yōu)化[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學學報,2011,46(5)：132-136

[13] 武濤,馬旭,齊龍,等.玉米根茬根土分離裝置[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2014,45(6):133-139

[14] 沈中華,李尚平,麻芳蘭,等.小型甘蔗收獲機喂入能力仿真與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2014,45(11):117-123

[15] 魏宏安,王蒂,連文香,等.4UFD-1400型馬鈴薯聯(lián)合收獲機的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2013,29(1):11-17

[16] 史明明,魏宏安,胡忠強,等.4U-1400型馬鈴薯聯(lián)合收獲機的設計[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2014,32(1):263-267

[17] 李愛芹.4GC-1型根莖藥材收獲機的設計[J].農(nóng)機使用與維修，2014(2)：14-15

(責任編輯 趙曉倩)

Design for 4Y-1200 type medicinal harvester

ZHANG Wen-jie1，WEI Hong-an1，LU Xiang-hui1，SHI Ming-ming2，WANG Xin3

(1.College of Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China；2.College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China； 3.Lanzhou Gardening School,Lanzhou 730070,China)

Chinesemedicinalmaterials;harvester;diggingdevice;medicine-soilseparatingdevice

張文杰(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)工程技術與裝備.E-mail：wenjiesweet@163.com

魏宏安，男，教授，研究方向為農(nóng)業(yè)工程技術與裝備.E-mail：weiha@gsau.edu.cn

國家自然科學基金(31360317).

2015-04-15；

2015-05-19

S

A