长根茎中药材收获机设计与试验-王俊发

143长根茎中药材收获机设计与试验王俊发，马旭，马浏轩，于永红摘要：针对目前长根茎中药材收获过程中劳动强度大，生产效率低，药材损失率高等问题，分析了长根茎中药材采挖收获现状及机械化采收的难点和关键问题，提出了一次作业完成药材挖掘、药土分离及根茎铺放联合作业的收获工艺，并且完成了样机试制和室内试验，为解决长根茎中药材收获问题和开发实用机具提供了参考和依据。关键词:中药材根茎收获工艺机械化中图分类号:S225.7+9文献识别码:A0引言目前在我国东北、西北、华北、西南地区长根茎中药材种植面积已达250万亩以上，成为我国出口创汇和农民增加收入的重要途径之一[1,2]。但长根茎中药材采用手工作业挖掘收获，用工量大，劳动强度高、效率低、收获损失率高，而且中药材收获受季节限制，直接制约了药农的经济收入和药材产业的进一步发展。1长根茎中药材收获的现状防风、黄芪、甘草等中药材根茎长度一般在50cm左右，目前国内收获方式主要有人工收获，部分地区使用改装犁挖掘收获或中药材挖掘机收获等。其中采用人工收获每hm2药材大约需要225个强壮劳动力工作日，劳动强度大，生产率低。改装犁挖掘收获，需要人工前期处理，去掉地上茎叶，每次耕一行，耕深40cm左右，然后由人工将松后的中药根茎拔出[3][4]。当前较为先进的中药材挖掘机收获机是甘肃省渭源县农机推广站研制的YW-160型收获机，该机通过切割机构、栅条分离机构疏松土壤，将药材根茎与土壤分离，再由人工捡拾[5]。但该机动力消耗大，效率低，损失率高。2长根茎中药材收获机具需要解决的技术难点根据大量调研,收获长根茎中药材的技术难点有以下两个方面：（1）土壤耕作阻力大，尤其是突破犁底层挖掘。因此，开发研制深层挖掘减阻部件，降低牵引阻力，将成为实现长根茎中药材收获技术的核心和关键之一，尤其是轮式拖拉机覆着力差，发挥发动机功率不能得到充分发挥。（2）目前根茎收获机械都是将根茎与土壤一起收集，然后通过一系列筛分机构将根茎与土壤分开。这种方法结构复杂、效率低、功率消耗大，特别是如果秧秆不能全部清除，将与根茎缠绕在一起，在分离过程中造成堵塞，影响根茎的分离效果，造成药材破损和损失。3长根茎中药材收获机设计针对以上技术难点，根据Triz理论的组合原理[6]，采用振动挖掘与胶带夹持结合的方法，实现能一次完成深根茎挖掘、根茎与土壤高效分离、药材根茎自动条形铺放的多项工序联合作业收获工艺。3.1整体结构和工作原理[7]设计的新型长根茎中草药收获机由（1）分秧器、（2）悬挂架、（3）犁刀、（4）振动挖掘铲、（5）液压马达、（6）夹持带装配、（7）机架、（8）吊耳装配、（9）后偏心轴、（10）前偏心轴（11）、偏心轴支架、（12）链轮（13）传输轴支架、（14）万向联轴节和（15）输入轴构成。其前部通过144三点悬挂与拖拉机相连，由拖拉机带动机架向前进行作业，见图1。分秧器（1）位于机器的昀前端，用于将中草药秧茎并拢、集束，犁刀（3）用于将土壤切割成条，同时从两侧切断药材虚根，以便于减小起拔过程中的土壤阻力。振动挖掘铲（4）前端与机架（7）铰接，后端与吊耳装配（7）铰接，挖掘铲的振幅通过两个偏心轴（9）和（10）不同的装配位置来实现。夹持带装配（6）安装在机架（7）上，用于将挖掘铲切割后的中药夹持、起拔和铺放。吊耳装配（8）上部连接在后偏心轴（9）上，下方铰接振动深松挖掘铲（4），其作用是将偏心轴（9）的振动传递给深松挖掘铲。链轮（12）安装在前偏心轴（10）上用于传递动力。输入轴（15）与拖拉机相连，用于传递动力。图1长根茎中药材收获机简图Fig.1Long-rootstalkChineseTraditionalMedicineHarvestersketch1分禾器2悬挂架3犁刀4振动挖掘铲5液压马达6夹持带装配7机架8吊耳装配9后偏心轴10前偏心轴11偏心轴支架12链轮13传输轴支架14万向联轴节15输入轴3.2结构特点（1）挖掘铲挖掘铲由铲刃1和尾板2构成，其尾板采用“中央鼓，侧下翻”结构，见图2。中央平板有利于在切割中草药根茎的同时将药材根茎托起，两侧向下折弯有利于被托起的土壤从两侧下沉、流出，促使药土分离，为后续夹持起拔创造有力条件。同时，还可以降低牵引阻力，减少功率消耗。挖掘铲的工作面与水平面的夹角保持在10~12°之间，确保尾板下弯部分始终正在铲刃水平面之上。图2振动挖掘铲Fig.2vibratingshovel145图3后偏心轴Fig.3backeccentricityaxis（2）振幅调节机构振动挖掘铲振幅的调节由后偏心轴（9）和前偏心轴（10）的不同位置连接来实现。前、后偏心轴的结构见图3，每一个偏心轴的偏心距为1cm，通过法兰盘不同的位置组合，实现不同的作业振幅。（3）夹持起拔机构在土豆、花生等短根茎作物收获过程中，常采用根茎与土壤一块收集，然后筛分的收获工艺[8,9]。这在防风、甘草、牛蒡等长根茎药材的收获中将会因土量过大，药材根茎所占比重偏小而难于实现，而胶带夹持起拔避免了药土分离的过程，可以简化机构，降低功耗，提高效率，确保药材质量。4主要工作参数的确定4.1夹持带线速度u的确定根据根茎类中药材的生长特点，在收获过程中，应实现秧茎垂直上拔，以免造成秧茎拉断，因此，夹持带线速度u。αcosVu=（1）式中V——机组前进速度，u——夹持带线速度，α——夹持带与水平面的夹角夹持带线速度u通过液压马达调节，工作中确保与机器前进速度V匹配。4.2夹持带长度L的确定的确定夹持带长度要保证根茎完整的从地下拔出，因此，夹持带长度L应为αsinSL=（2）式中S——挖掘深度4.3振幅和振动频率的选取国内外学者已对振动挖掘（深松）进行了大量、深入的研究[10][11][12]，证明振动可以减少牵引阻力，使得土壤更加疏松，并给出了振动频率和振幅的优选值。样机选用的工作参数见表1。5测试结果与分析5.1长根茎中药材起拔阻力的测定2008年9月，在黑龙江省萝北县科技信息产业局中药种植基地对北方地区种植的主要长根茎中药材进行了原始生长状态下起拔阻力的测定。当时正是中药收获的时节，所用测试仪器为电子拉力计。单株和多株生长的药材的检测结果见表2，测试过程中无一例出现秧茎与根茎之间拉146断现象。表1样机工作参数参数数值外形尺寸/mm×mm×mm2935×620×1320牵引电机/kW22马达电机/kW4.5振动电机/kW2.2作业幅宽/mm335（单垄）挖掘深度/mm450~500铲刃振幅/mm10~12振动频率/Hz9~15挖掘铲的工作面与水平面的夹角(°)10~12表2主要长根茎中药材起拔阻力测定结果中药名称测试方式生长年限平均起拔阻力(Kg)测试结果防风1株3年4.60下部拉断防风5株(1束)3年16.01拔出黄芪1株3年6.05中部拉断黄芪3株(1束)3年13.12拔出桔梗1株3年7.11拔出桔梗3株(1束)3年12.72拔出甘草1株3年5.30中部拉断牛蒡11株2年＞20.0下部拉断5.2长根茎中药材收获机的室内实验与分析根据前述的收获工艺，课题组完成了长根茎中药材收获机的设计和制造，并在室内土槽中进行了试验验证。试验条件和目的试验土槽长25米，土质为黑钙土。试验样机由土槽车牵引，振动频率由变频器调节，电机功耗用钳形电流表测定，功率因素选为0.88。土壤的含水率及硬度见表3和表4。试验的目的是试验样机的可行性，为产品开发提供基础和依据。试验材料和过程试验选用的材料为当地青蒿。平均高度为1.0~1.2米，其中埋入地下0.4米，为了增加起拔阻力，选用青蒿枝杈偏多的中上部分，见图4。实测10点平均起拔阻力为10.06Kg。试验过程为首先人工挖沟，然后将青蒿植入沟内，分层填土踏实，昀后灌水达到饱和状态，见图5，五天以后开始试验。表3土壤含水量(%)试验号0cm10cm20cm30cm125.316.017.726.8224.732.220.023.6326.526.327.423.4426.121.319.628.8524.924.123.717.4147表4土壤坚实度表（单位：kpa）试验号0cm10cm20cm30cm112312113222211421326211820420212122521242723对于牛蒡、黄芪等秧茎高大的中药材收获较为有利，但对于甘草等秧茎低矮的根茎中药材，漏收率可能要增加。6结论(1)提出了夹持起拔、振动挖掘的长根茎中药材收获部件新原理，简化结构，为长根茎作物机械化收获提供了新思路。图4青蒿的栽植情况Fig.4Southerwoodplantingstate实验结果和分析室内试验结果见表5。表5室内试验结果试验号前进速度(Km/h)牵引电机功耗(Kw)振动电机功耗(Kw)马达电机功耗(Kw)漏收率(%)12.711.5840.8683.334＜123.214.0121.2653.310＜134.415.4311.3673.412＜1(2)通过起拔阻力的测定，验证了药材秧茎与根茎之间的结合强度大于根茎自身的抗拉强度，为开发实用机具提供了参考和件。研制了一次完成长根茎类中药材起拔、振动挖掘，实现根土分离及根茎铺放联合收获的关键部件。(4)实验表明，采用夹持起拔、振动挖掘的原理，收获损失为1%，本文的研究成依据。(3)针对长根茎中药收获的难点和收获新工艺，设计了实现收获工艺要求的关键部果为开发新型实用机具提供了参考和依据。148[参考文献][1]任丽萍.中药材的规模化种植和规范化管理是实现中药现代化的必经之路[J]中医药管理杂志2008,16(8)：610~611[2]陈亮.2008年药材种植品种分析中国现代中药2008,10(2)：47~48[3]朱林秀，周振华.长根茎类中药材收获机的研制推广[J]农机推广与安全，2009.9:33[4]周剑，冯小静，李建平，杨欣，刘洪杰.甘草采挖收获机械化现状分析[J]农机化研究2008.09217~219[5]周振华.机械化收获长根茎类中药材的经济效益及推广前景分析[J]中国农机化2006.0317~18[6]黑龙江省科技厅编.TherryofInventiveProblemSolving.黑龙江科学技术出版社哈尔滨2007.10[7]王俊发，马旭，马浏轩等.发明专利(受理号：200810136883.3)[8]胡志超，彭宝良，尹文庆，王海鸥，计福来，谢焕雄.多功能根茎类作物联合收获机设计与试验农业机械学报2008,39（8）：58~61[9]尚书旗,刘曙光,王方艳,等.花生生产机械的研究现状与进展分析[J].农业机械学报,2005,36(3):143~147.[10]王俊发魏天路刘孝民振动深松的试验研究[J]农业机械学报2001，32（3）33~35[11]E.P.Bandalan,V.M.Salokhe,C.P.Guptaa,T.Niyamapa,Performanceofanoscillatingsubsoilerinbreakingahardpan,JournalofTerramechanics36(1999)117~125[12]SakaiK.Designparametersoffour-shankvibratingsubsoiler.TransactionsoftheASAE,1993,36(1):23~26DesignandExperimentofLong-rootstalkChineseTraditionalMedicineHarvesterWangjunfaMaxuMaliuxuanYangchuanhuaLiuChunshan(Jiamusiuniversity)Abstract:Inviewoftheproblemsofheavylabourintensity,lowproductivityandhighproportionoflossintheprocessoflong-rootstalkChinesetraditionalmedicineharvest,analysetheexistingsituationoflong-root