4SD-1700型懸掛式三七收獲機設計與試驗

崔振猛，張兆國，王法安，張 丹，楊海慧

(1.昆明理工大學 現代農業工程學院，昆明 650500；2.云南省高校中藥材機械化工程研究中心，昆明 650500)

0 引言

三七Panaxnotoginseng(Burk.)又名田七，為五加科人參類中藥材，是云南特有的中草藥[1-2]。三七可以入藥，有散瘀止血、消腫定痛的療效，在國內外受到多家藥業公司的青睞[3]。三七主要產于云南、廣西、四川等山區丘陵地帶[4-5]，收獲方式采用傳統的手工收獲，生產效率低，勞動強度大，往往無法在三七最佳收獲時期完成收獲任務，嚴重制約了三七產業的發展。因此，研究一種適合三七收獲的機械對三七產業的發展具有重大意義[6]。

關于三七收獲機械方面的研究國內外鮮有報道，可以參考的有塊根、塊莖類的馬鈴薯、胡蘿卜、花生、大蒜、甜菜、元胡、生姜及木薯等類型的收獲機[7-10]，但此類根莖作物收獲與三七的收獲有很大區別。三七生在云南地區特有的粘性土壤中，其塊根包括主根、須根，整體根部分布范圍寬，須根入土較深，導致三七塊根和土壤的粘附力、摩擦力增大，提高了三七塊根挖掘及根土分離難度，使現有的根莖類作物收獲機械無法滿足收獲需求[11-13]。因此，開發專用的三七收獲機是促進三七產業規模化發展的必然趨勢，可為深根莖中藥材收獲機的研究提供技術參考[14]。

課題組自從事三七收獲機的研究以來主要圍繞三七機械化挖掘和根土分離進行系統研究，根據實際需要設計并生產出能夠實現挖掘與根土分離一體的4SD-1700型三七收獲機。

1 總體結構與工作原理

1.1 三七種植農藝要求與樣機設計要求

三七要種植在富含有機質腐殖質土或砂壤土中，種植壟寬1 200～1 700mm，溝寬400mm，壟高150mm，要求最大挖掘深度200mm。做壟時，將壟上土壤深挖50～80mm，翻壟溝上，將壟面修成凹槽型，自然晾曬3天；在壟上均勻蓋上一層30～60mm厚有機肥，再撒上20mm厚細土，用排種模板在壟面打上均勻的孔，將一年生三七幼苗放入各孔中，再蓋上30～50mm厚土肥混合物。其種植模式如圖1所示。

圖1 三七種植示意圖

三七收獲時，挖掘鏟將三七根土混合物掘起輸送到升運篩上，通過升運篩的抖動升運實現三七根土混合物的根土分離，去土后的三七塊根條鋪在機器后方。作業時，要求該收獲機械操作方便、穩定性好、收凈率高、損傷率低、成本低、適宜丘陵山區推廣，且收獲過程中避免壅、堵、卡等現象。

1.2 整機結構及主要技術參數

三七收獲機由36.75kW東方紅拖拉機連接帶動，如圖2所示。拖拉機動力輸出軸通過萬向節與三七收獲機動力輸入軸相連接，再由拖拉機的三點懸掛裝置與三七收獲機相連接，主要的技術參數如表1所示。

1.機具懸掛臂與拖拉機懸掛臂連接 2.拖拉機 3.機具輸入軸與拖拉機輸出軸連接 4.三七藥材收獲機

項目單位參數外觀尺寸(長×寬×高)mm2272×1700×640連接方式三點懸掛生產率hm2/d0.6～0.9工作幅寬mm1700挖掘深度mm50～200(可調)整機質量kg325

1.3 工作原理

圖3為4SD-1700型三七收獲機整機結構簡圖。工作時，由拖拉機牽引輸出動力，先由挖掘鏟將三七根土混合物挖起，傳送到升運鏈上，升運鏈在抖動輪的作用下完成振動輸送，實現三七根土混合物的根土分離與輸送，去土后的三七塊根條鋪在機器后方。

圖3 4SD-1700型三七藥材收獲機結構簡圖

2 主要工作部件的設計

2.1 挖掘鏟設計

考慮到三七種植密度較大(一般為每平方米120株)，挖掘部件采用整體式平面鏟與雙翼形深松鏟交互放置，能有效防止三七塊根夾在兩個挖掘鏟中間出現損傷，同時更有利于破碎土壤，結構如圖4所示。平面鏟與雙翼形深松鏟參數為鏟工作幅寬b、挖掘鏟鏟刃夾角θ、鏟面水平傾角α2及挖掘鏟鏟長L。

1.柵條 2.平面鏟 3.雙翼形深松鏟

2.1.1 挖掘鏟工作幅寬確定

挖掘鏟作為三七藥材收獲機的主要工作部件，其作業幅寬b要符合三七種植農藝要求，其挖掘作業幅寬應該大于或等于種植三七壟寬。因此，根據三七種植農藝要求，設定挖掘鏟作業幅寬為b=1 700mm。

2.1.2 挖掘鏟鏟刃夾角確定

選擇平面鏟鏟刃夾角θ時，應考慮三七塊根可以順利通過平面鏟鏟面。如果平面鏟鏟刃夾角θ過大，會增加挖掘鏟的總體阻力，造成鏟前壅土現象；如果挖掘鏟鏟刃夾角θ過小，則會破壞三七塊根，造成三七損傷率高等問題。田間預試驗表明，平面鏟鏟刃夾角θ在80°～120°范圍內比較合適。因此，平面鏟的鏟刃夾角θ選90°。

2.1.3 鏟面水平傾角確定

平面鏟傾角由一級傾角α1與二級傾角α2組成，二級傾角α2可以使挖起三七根土混合物順著挖掘鏟移動到一定高度，并輸送到抖動升運裝置上。挖掘傾角越小，其挖掘的阻力也越小，三七與土壤混合物的流動性相對越好，但三七與土壤分離效果越差；相反，挖掘阻力相對較大時，三七與土壤混合物流動性較差，三七與土壤分離效果較好。

根據圖4可建立關系式，即

Pcosα2=F+Gsinα2

(1)

F′=Gcosα2+Psinα2

(2)

式中F=μF′；

P—移動阻力(N)；

α2—二級鏟傾角(°)；

G—面上掘起物的重力(N)；

F—土壤對鏟的摩擦力(N)；

F′—挖掘鏟對土壤的反作用力(N)；

μ—土壤對挖掘鏟的摩擦系數，土壤對鋼的摩擦系為0.577～0.721，μ=tanφ，摩擦角φ=30～60°。

計算可得出挖掘鏟傾角為

(3)

為了使挖掘鏟將土壤切開，一級傾角范圍為10°≤α1°≤20°之間，二級傾角范圍為15°≤α2≤25°。

2.1.4 鏟長確定

為了保證挖掘鏟在摩擦阻力小時將壟上土切開，掘起物在提升高度前提下長度L盡可能短，使三七更容易傳遞送到分離裝置上，應滿足下式，即

(4)

其中，L為挖掘鏟的長度；L1為一級鏟長(mm)；L2為二級鏟長(mm)；h1為一級鏟高(mm)h2為二級鏟高(mm)。

根據公式(4)及參考同類挖掘鏟的長度，取L=350mm[15-16]。

2.1.5 雙翼形深松鏟的確定

雙翼形深松鏟固定在兩平面鏟中間，選擇翼張角為2σ=76°、鏟寬d=104mm、傾角與平面鏟傾角一致為15°≤α2≤25°的挖掘鏟與平面鏟進行交互式連接，當平面鏟將三七與土壤混合物挖起向后輸送時，經過雙翼形深松鏟將其進一步滑切深松，使三七與土壤混合物又一次分離。

2.1.6 挖掘鏟末端柵條間距和柵條長度確定

考慮三七不從篩面漏下，盡可能增加柵條之間間距，為了增加三七與土壤混合物破碎率，設柵條之間間距為20mm。為降低三七從挖掘鏟到抖動篩高度而減少損傷三七，其長度由抖動升運裝置來確定。經過試驗，柵條長度設為35mm，鏟前不會出現壅土現象。挖掘鏟參數如表2所示。

表2 挖掘鏟的參數

2.2 切土盤

為了切碎土壤及減少鏟前壅土，防止由于三七莖葉纏繞給收獲三七帶來影響，有效避免三七根土混合物從鏟體兩側漏出發生擠壓破損或二次掩埋，保證收獲效率，設計了兩側對稱固定式切土盤，其結構如圖5所示。

圖5 切土盤結構簡圖Fig.5 Soil cutting plate structure diagram

根莖類收獲機常安裝切土圓盤，它可以切斷長莖葉及田間雜草，達到容易碎土的目的。4SD-1700型三七收獲樣機采用的是固定割刀式切土盤，作業時直接深入三七的塊根。由于三七種植環境經過人工清理，由沙壤紅土組成。其中，采用直接切割式切土盤更適用于三七的田間收獲作業。

2.3 桿條式升運篩設計

2.3.1 桿條式升運篩結構

桿條式升運篩由導向支撐鏈輪、升運鏈、拖鏈輪、抖動輪及驅動輪等組成。其中，升鏈輪有效輸送距離為1 470mm，寬度與挖掘鏟總寬度相同為1 700mm，如圖6所示。

桿條升運篩作用是實現三七根土混合物的根土分離與輸送，同時將去土后的三七塊根條鋪于壟上。

1.撐鏈輪 2.升運篩 3.抖動輪 4.驅動輪 5.拖輪圖6 抖動升運結構簡圖

被動式抖動輪在工作時由升運鏈條帶動，抖動輪為三爪星形結構。抖動輪在被動轉動過程中，相鄰爪頂部凹面每跨兩桿條與下一桿條觸碰并將其托起，以實現升運鏈運行時上下抖動。

2.3.2 升運篩抖動頻率與振幅的確定

4SD-1700型三七收獲機的抖動輪有兩個且對稱安裝，被動式抖動輪的轉速與升運鏈速度和抖動輪的周長關系為

n=60v/l

(5)

l=πD

(6)

式中n—抖動輪轉速(m/s)；

v—升運鏈線速度(m/s)；

l—抖動輪周長(mm)；

D—抖動輪的直徑(mm)。

抖動輪抖動頻率f計算公式為

f=zn/60

(7)

式中f—升運篩的抖動頻率(Hz)；

Z—抖動鏈的凸頂數。

根據設定升運篩線速度為0.7～0.9m/s，抖動輪有效直徑為180mm，則頻率f為1.9～2.4Hz。

拋起物體升運鏈最低線速度vmin為

(8)

式中K=r/R；

g—地球重力加速度，9.8m/s2；

r—撐鏈輪的半徑(mm)；

R—驅動輪的半徑(mm)。

田間試驗表明：K的值取0.4～0.6時，可以獲得較好的根土分離效果。

振幅是由撐鏈輪、驅動輪、拖輪張緊產生的，根據收獲三七要求，振幅過大將使三七的損傷率增加，振幅過小則達不到分離效果。因此，需要托輪位置可調，通過調節其安裝的上下高度來調節振幅，從而改變抖動輪抖動的強度，以達到最佳根土分離效果。

2.4 樣機虛擬制造

根據上述整體結構參數，采用Pro/E軟件進行三維建模。應用ADAMS對裝配好的模型進行運行干涉情況的處理，結果表明：4SD-1700三七收獲機不存在干涉的情況，各個零件設計合理。收獲時，采用36.75kW東方紅拖拉機為動力，整壟收獲，收獲幅寬1 700mm。三七收獲樣機田間試驗如圖7所示。

圖7 樣機田間試驗

3 樣機田間試驗與分析

樣機性能試驗在云南省文山州七丹藥業GAP種植基地三七試驗田進行。三七收獲期間田間狀況如下：三七平均壟寬為1 560mm，平均溝寬為460mm，平均壟高180mm，三七直徑為5～40mm，土壤含水率為20.2%，容重為1.32g/cm3，土壤松散，無粘性，土粒黏結力適中。

試驗設計:以三七壟頂面為設計參考，以收獲時挖掘土壤深度和升運鏈升運速度為試驗參數，計算三七收凈率；選擇合適的挖掘深度，再以升運篩傾角和拖拉機前進速度為參數，計算三七損傷率；每一次田間試驗所選擇的每組參數在有效理論分析范圍內取值；每進行一次三七收獲樣機參數調整，就進行12m三七收獲試驗，每一次重復3次，并計算測量平均值。

收凈率計算方法為

(9)

式中T—收凈率(%)

W1—挖掘出的三七塊根總質量(kg)；

W2—殘留在土壤中三七塊根的總質量(kg)。

損傷率計算方法為

(10)

式中W3—收獲損傷的三七總質量(kg)。

3.1 三七藥材收獲樣機收凈率田間試驗

挖掘鏟挖掘深度和抖動升運鏈升運速度是影響三七收凈率的主要原因，分別取挖掘深度為112、124、136、148、160mm時對應抖動升運鏈升運速度分別為0.7、0.8、0.9m/s，人工記錄并觀察三七的收凈情況，如表3所示。田間試驗表明：在抖動升運篩升運速度一定的情況下，隨著挖掘鏟的挖掘深度不斷增加，三七的收凈率增大，動力消耗增大。挖掘深度不變的情況下，抖動升運鏈升運速度增大，收凈率先增大后減小，但整體變化不大。根據記錄，三七機械收獲最小收凈率大于88.5%，滿足三七藥材收獲機的設計要求。

表3 三七收獲機收凈率試驗

3.2 三七藥材收獲樣機損傷率田間試驗

由表3可知：當挖掘深度為148mm和160mm時，收凈率變化不大。為了減小整體阻力，選擇挖掘深度148mm時為最佳挖掘深度。當挖掘深度選擇最佳時，抖動升運鏈篩面傾角與拖拉機的前進速度是導致三七收獲時損傷的主要原因。分別取篩面傾角為11°、13°、15°、17°、19°時，對應的拖拉機的前進速度分別為0.5、0.7、0.9m/s，由人工觀察收獲情況并記錄三七在收獲后的損傷率，如表4所示。田間試驗結果表明，當拖拉機前進速度固定不變時，隨著篩面傾角不斷加大，三七損傷率先減小后增加；當篩面傾角固定不變時，拖拉機前進速度不斷加大，損傷率逐漸增大，但整體的變化不大。最佳工作參數組合為篩面傾角15°、前進速度0.5m/s，此時三七損傷率為1.6%。

表4 三七收獲機損傷率試驗

4 結論

1)4SD-1700型三七藥材收獲機一次可完成挖掘、輸送、三七根土混合物的根土分離等工作，適應性強，轉彎半徑較小，成本低，適應丘陵山區小塊面積地帶的三七收獲。

2)田間試驗表明：該收獲樣機整體作業性能流暢，樣機由36.75kW拖拉機配套使用，三七損傷率不大于4.7%，收凈率大于92.5%，滿足行業標準規定。該設計為產品級三七藥材收獲機的研制提供了相應的技術參考。

3)試驗表明：損傷率、收凈率、作業效率等性能滿足三七收獲機的設計標準，適合在含水率小于20%的紅壤沙土的環境下作業。

本文主要為三七收獲機作業出現鏟前壅土、收凈、傷根等問題提供技術支持，為根莖類收獲機械的研究提供參考。