犁铧式深根茎类药材收获机的设计与研究

王天果，安军芳，张学斌，张锋伟

(1.甘肃农业大学，兰州　730070 ；2.甘肃省农业机械鉴定站，兰州　730046；3.酒泉市林德机械制造有限责任公司，甘肃 酒泉　735000)



犁铧式深根茎类药材收获机的设计与研究

王天果1,2，安军芳2，张学斌3，张锋伟1

(1.甘肃农业大学，兰州730070 ；2.甘肃省农业机械鉴定站，兰州730046；3.酒泉市林德机械制造有限责任公司，甘肃 酒泉735000)

摘要：针对现有深根茎类药材收获机结构复杂、动力消耗大、生产成本高等问题，在对现有犁铧式深根茎类药材挖掘机与螺旋排列搂草齿的收集堆放机构研究的基础上，设计出了犁铧式深根茎类药材收获机。该机结构简单、作业可靠、制造成本低，为深根茎类药材收获机械化提供了一种简单、可靠的机具。

关键词：深根茎类药材；收获机；犁铧式

0引言

中药又称汉方药，是在中国传统医术指导下应用的药物，包括中药材、中药饮片和中成药等。中药绝大部分来源于天然的植物，其次是动物、矿物和部分人工制品等。中药的产地、采收与贮存是否适宜，是影响药材的重要因素。国外从20世纪40年代开始已研制出多种根茎类作物收获机械，实现了对长根茎作物和短根茎作物的机械化收获。深根茎类中药材一般在秋、冬季节植物地上部分将枯萎时及春初发芽前或刚露苗时采收，此时根或根茎中贮藏的营养物质最为丰富，有效成分也比较高。深根茎类药材因主根入土较深，采挖脆性根时要注意勿将根挖伤挖断，而采挖韧性根时则应注意切断底部，避免挖干净。随着深根茎类药材种植面积的不断扩大，其收获过程中突显出人工劳动强度大、损失率高、采挖工作量大、生产效率低的特点，大面积收获时人工难以快速完成，机械化采挖时工作阻力大，难以保证挖掘效果等问题，严重影响了深根茎类药材产业的规模化发展[1-3]。由于深根茎类中药材生长的特殊性和收获作业受土壤、时节等自然因素影响较大，所以解决深根茎类药材挖掘阻力大、挖掘深度不够等成为深根茎类药材挖掘机械的重要课题。

现有的改装铧式犁挖掘机进行深挖松土，每次耕1行，耕深40cm左右，再由人工将松后的根茎拔出；每台拖拉机配合10个人工，每天可收0.67hm2左右；收获后，用人工剪或铡刀将头、尾及侧根剪去，捡取出甘草条，分级打捆[4]。

1结构及工作原理

1.1收获机的结构组成

4YU-20型药材挖掘机结构如图1所示。

1.机架　2.旋转轴　3.悬挂装置　4.搂草齿

1.2工作原理

动力传动方式：动力输入轴与拖拉机动力输出轴通过万向节相连，拖拉机动力经传动机构将动力传递给旋转轴。

工作时，拖拉机带动机具前进，犁铧式挖掘铲对土壤进行翻耕；动力输入轴带动螺旋布置搂草齿的旋转轴转动，搂草齿将土壤中的药材带出土壤铺放在地表，然后由人工或者捡拾机械对药材进行捡拾，完成收获作业。犁铧式挖掘部件的对土壤主要起松碎作用，不起抛翻作用，在药材收获过程中不破坏土壤的上下层位，可改善土壤透水性和透气性，达到保护性耕作的目的。

2设计与计算

2.1犁体的设计

该药材收获机的犁体设计中，根据农艺要求，该犁体的耕深为700mm，耕宽为200mm。采用水平直元线犁体曲面的设计方法对犁体进行优化设计，取初始元线角θ0=45°。水平直元线元线角的变化规律为：θ0逐渐递减为θmin，此阶段呈直线规律变化；然后，再由θmin逐渐增大为θmax[5-7]。

前苏联学者高略契金提出犁的牵引阻力公式为

Px=P1+P2+P3=Qf+k0ab+εabv2

(1)

式中Q—犁的质量；

f—犁的综合摩擦因数；

k0—土壤抗变形系数(N/cm2)；

ε—动态阻力系数(Ns2/m4)；

a—耕深；

b—耕宽；

v—耕速。

犁的牵引阻力为犁在移动中所产生的摩擦力、土垡变形所产生的阻力及犁在耕作时使土垡产生运动而使动量变化所产生的阻力之和。因此，为减少作业时的阻力，应从这3个方面考虑。影响牵引阻力的因素包括犁体曲面的形状、犁体工作表面的光滑程度、铧刃锋锐程度，犁轮、犁侧板的结构型式，以及耕深、耕宽、土壤物理力学性质和耕速。犁的效率是指犁的有效阻力与总阻力之比，计算公式为

(2)

式中η—犁的效率。

图2　犁体结构简图

2.2传动机构设计

机具工作时，拖拉机动力输出轴连接机具动力输入轴，通过一级齿轮传动带动中间轴转动；中间轴与动力输入轴转向相反，中间轴通过一级链条传动带动旋转轴转动；旋转轴上有呈螺旋排列的搂草齿，搂草齿将药材输送至地表以便收集。传动结构简图如图3所示。

图3　机具传动图

配套拖拉机动力输出轴转速为n1，齿轮传动的传动比Z1，则中间轴的转速为

n2=Z1×n1

(3)

式中n1—动力输入轴转速，n1=720r/min；

n2—中间轴转速(r/min)；

Z1—齿轮传动比，Z1=11/41。

链轮的传动比Z2，则旋转轴的转速为

n3=Z2×n2

(4)

式中n2—中间轴转速(r/min)；

n3—旋转轴转速(r/min)；

Z2—链轮传动比，Z2=13/27。

代入各相关值，则旋转轴的转速n3=81r/min。

该机具主要机构参数如表1所示。

表1　犁铧式深根茎类药材收获机主要结构参数

2.3性能测试

试验在酒泉市玉门镇清泉村进行，试验作物为甘草。试验前，在机组前进方向上每隔20m取一个点，共选取了10个测点，对土壤坚实度及含水率进行了检测。测量结果如下：深度为0～20cm、20～40cm、40～60cm时，土壤含水率的平均值为12.6%、15.3%、13.7%，土壤坚实度分别为1 126、1 215、1 326kPa。同时，在此土壤条件下对机组的作业性能进行了检测。

机组在工作幅宽内往返各两个行程，在4个单程的交错处取4个测点，每个测点取1m2进行检测，检测出生长作物总株数、挖掘作物株数及伤损作物株数，分别计算挖净率及伤损率。

挖净率的计算公式为

(5)

式中J—挖净率(%)；

W—测点内挖掘出的作物株数(株)；

Z—测点内生长的作物总株数(株)。

伤损率计算公式为

(6)

式中p—伤损率(%)；

c—测点内挖掘出的作物伤损的株数(株)；

z—测点内生长的作物总株数(株)。

牵引功率利用率测定：用电测法或拖拉法测出药材挖掘机的牵引阻力，同时记录机组通过测区的速度，计算药材挖掘机牵引功率利用率。

牵引功率利用率的计算公式为

(7)

式中Nn—牵引功率利用率(%)；

Ps—牵引阻力(N)；

V—机组前进速度(m/s)；

NT—该档位上的额定牵引功率(kW)。

药材挖掘机作业性能测试结果如表2所示。

表2　药材挖掘机作业性能测试

2.4犁体曲面的三维建模

现代设计方法的成功应用为农业机械领域的优化设计开创了一种新的思路。研究中解析法与计算机辅助设计的相结合为犁体曲面优化设计提供了更加广阔的发展空间[8]。

利用SolidWorks强大的曲面造型功能,可以绘制出很逼真的犁体曲面，用于下一步的仿真及运动分析。但犁体曲面设计参数数量多，进行参数化设计便于对犁体曲面参数进行优化设计，有利于设计者自由修改三维犁体曲面，具有设计效果直观与立体感强的特点，满足了犁体曲面设计需要频繁修改的要求，具有很好的应用价值[9-10]。犁体曲面三维建模如图4所示。

图4　三维犁体曲面

3结论

通过对药材收获农艺要求的研究，制定了适宜深根茎类药材收获的研究方案，并对作业过程中阻力大、现有机具达不到挖掘深度要求的现状进行了深入分析。经过不断的试验改进，对该药材收获机进行了优化设计，提高了机具入土性能，减少了工作阻力；犁壁支撑板的设计增强了犁壁的抗压能力，保证了机具作业的可靠性；带有螺旋分布搂草齿的旋转轴的设计，能够有效地将药材与土壤分离，提高了工作效率。该研究为中药材收获机械化提供了一种简单、可靠的机具。

参考文献：

[1]朱豪杰，杨宛章，赵占军.甘草收获机械发展现状分析[J].新疆农机化，2014(5)：12-14.

[2]孙叶强，王俊发，邹爱华. 长根茎类中草药收获机的试验研究[J].佳木斯大学学报，2010，28(3):380-383.

[3]杨传华，葛宜元，魏天路，等.深根茎中药材双重振动挖掘机构的研究[J].农机化研究，2011，33(8)：110-114.

[4]周剑，冯晓静，李建平，等.甘草采挖收获机械化现状分析[J].农机化研究，2008(9)：217-219.

[5]何志民，杨芳，孙红霞，等.水平直元线犁体曲面参数化设计[J].机械科学与技术，2002,21(4)：562-568.

[6]江苏工学院.农业机械学(上册)[M].北京:中国农业机械出版社，1981.

[7]蔡耀辉.农业机械手册[K].北京：机械工业出版社，1988.

[8]赵永满，梅卫江.铧式犁犁体曲面设计研究现状与分析[J].农机化研究，2010，32(5)：232-235.

[9]杨化伟.基于SolidWorks 的水平直元线犁体曲面参数化设计[J].农业装备与车辆工程，2008(9)：22-26.

[10]赵永满，王维新，刘俊奇.水平直元线犁体曲面的三维参数化设计[J].农机化研究，2007(12)：89-94.

The Research of the Deep Root Traditional Chinese Medicine Harvesting Machinery by Colter Type

Wang Tianguo1,2, An Junfang2, Zhang Xuebin3, Zhang Fengwei1

(1.Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.Gansu Identification Station of Agricultural Machinery，Lanzhou 730046，China；3.Jiuquan Linde Machinery Manufacturing corporation, Ltd，Jiuquan 735000，China)

Abstract：For the problem of that existing the deep root Traditional Chinese medicine harvesting machinery structure complicated，Power consumption is big，production costs are high.In this paper，we use a kind of Traditional Chinese medicine harvesting machinery by colter type to research.The design of the deep root traditional Chinese medicine harvesting machinery by colter type have simple structure，the manufacturing cost is low，Reliable operation，provide a Reliable machine for the deep root Traditional Chinese medicine harvesting

Key words：the deep roottraditional chinese medicine; harvesting machinery; colter type

文章编号：1003-188X(2016)02-0087-04

中图分类号：S225.7+9

文献标识码：A

作者简介：王天果(1987-)，男，兰州人，助理工程师，硕士研究生，(E-mail)gsnjwtg@163.com。通讯作者：张锋伟(1966-)，男，甘肃省渭源人，教授，硕士生导师，博士，(E-mail)zhangfw@gsau.edu.cn。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD14B10)

收稿日期：2015-02-05

专利项目：国家发明专利(ZL200910258304.7)