4J-1型自走式中藥材撿拾機設計與試驗

關鍵詞：中藥材撿拾機；自走式；履帶式；有限元仿真

中圖分類號：S225 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2023）05-0105-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.05.018

0引言

山西省中藥材資源豐富，全省道地藥材有30多種，年種植面積達20多萬hm²，產量43萬t，中藥材產值約57億元，初步形成太行山、太岳山、恒山、呂梁山和晉南邊山5大道地中藥材優勢區。特別是遠志、黃芩和柴胡等根莖類藥材品種質量好、市場占有率高，年產量約占全國的70%、40%和25%。但從現實情況來看，中藥材收獲是中藥材生產中最費工、費時、費力的環節，中藥材收獲機作業時將土壤與根莖藥材經過多級輸送鏈去土分離后，把中藥材平鋪在后側土壤表面后，每臺收獲機需配備撿拾人員10人左右。特別是部分中藥材落地被覆土掩埋后，需人工翻撿，費工費時，而且經常發生機具等人工撿拾的情況，嚴重制約了機械化收獲的綜合效率。針對上述問題，設計一種用于與根莖類收獲機相配套的自走式中藥材撿拾機，特別適合中藥材平鋪和集條作業后的撿拾收獲作業，可大大提高中藥材機械化聯合收獲作業效率。

1整機結構與工作原理

1.1整機結構

4J-1型自走式中藥材撿拾機主要由收獲平鏟刀、喂入器、限深輪、一級輸送鏈、喂入器傳動、一級輸送支架及下液壓總成、二及三級輸送鏈液壓總成、行走駕駛位、防護罩、二級輸送支架、三級輸送支架、二級輸送鏈、集裝箱、履帶行走總成和機架等部件組成，如圖1所示。

1.2工作原理

機具轉移或運輸時，各液壓總成中的液壓桿控制一級、二級鏈和一級、三級支架收縮，方便行走。作業時，發動機將動力輸入至變速箱，變速箱將動力分別傳遞至各級輸送鏈和液壓總成。機具前進時，平鏟刀和喂入器將作物和土壤混合物喂入一級輸送鏈，經過一級、二級輸送鏈抖動分離后的中藥材進入集裝箱，土壤從輸送鏈落入地表。集裝箱兩側有液壓桿控制集裝箱翻轉，將中藥材倒入轉運車，完成撿拾作業。

1.3主要技術參數

整機長×寬×高為4384 mm×1980mm×2200 mm；履帶自走式，單行收獲，幅寬800 mm；機具作業速度≤8 km/h，收獲效率≤0.53hm²/h；損失率lt;5%，破損率lt;5%。

2關鍵部件設計與參數確定

2.1主體結構

主體機架長度根據立刀長度、側板寬度及地輪安裝位置綜合確定，盡可能縮短機型長度，減小土壤作用力對機具的翻轉力矩。為了減輕整機質量，保證結構強度和裝配精度，方便機架焊接，采用80、100、120規格方鋼焊接，方鋼之間采用焊前切割接口，整體利用焊接工裝進行焊接。側板和其他主體機構采用激光切割鋼板焊接，方便加工和裝配，如圖2所示。

2.2鏟刀和喂入器

挖掘總成由定鏟刀和喂入器組成，具有可靠的靜力學強度和振動強度?？紤]到撿拾深度較淺，借鑒成熟的中藥材挖掘機經驗，通過改變橫刀尺寸，減少機具質量和加工成本。喂入器則采用與輸送鏈運動方向相反的帶擋板的輸送鏈，在上下兩個輸送鏈作用下實現可靠撿拾。

2.2.1鏟刀受力分析

鏟刀設計為平刀結構，如圖3所示。作為機具工作時的主要受力部件，承受了絕大多數的牽引阻力。設計前進行了機具整體牽引阻力計算分析。參考犁的受力分析，機具的牽引阻力R按式（1）計算。

2.2.2鏟刀模型有限元仿真前處理

有限元方法（Finite Element Method）是力學、數學物理學、計算方法和計算機技術等多種學科綜合發展和結合的產物。有限元方法的實質是將復雜的連續體劃分成為有限多個簡單的單元體，化無限自由度問題為有限自由度問題，將連續場函數的（偏）微分方程的求解問題轉化為有限個參數的代數方程組的求解問題。用有限元方法分析工程結構的問題時，將一個理想體離散化后，如何保證其數值的收斂性和穩定性是有限元理論討論的主要內容之一，而數值解的收斂性與單元的劃分及單元形狀有關。在求解過程中，通常以位移為基本變量，使用虛位移原理或最小勢能原理來求解。

使用SolidWorks軟件制作鏟刀模型，利用Simulation模塊進行仿真分析。

前處理包括材料設置、網格生成、約束和載荷的添加。鏟刀材料為65Mn;網格選擇四面體；由于鏟刀兩則焊接在機架側板上，選擇對平刀的對應焊接面添加固定約束；載荷為重力及水平方向5.6 kN的牽引阻力，添加至平刀的刀面。前處理設置如圖4所示。

2.2.3平鏟刀有限元仿真后處理

運行算例后，模塊進行計算后得到模型的vonMises應力、位移及應變，以云圖的方式顯示。鏟刀的vonMises應力分布如圖5所示，最大應力位于平鏟刀固定位置處，為14.7 MPa，遠小于材料屈服應力750 MPa，符合最大應力的理論分布，安全系數可靠。

2.3輸送總成

考慮到一級輸送鏈作業時要求鏟刀入土，行走時要求鏟刀抬起；三級輸送支架作業時要求與后集裝箱相對位置可靠，使二級輸送鏈中藥材能拋入集裝箱內，行走和集裝箱傾倒中藥材時又需要與集裝箱遠離一定距離，防止碰撞干涉。輸送鏈采用柔性輸送鏈，既保證整體強度，降低撿拾損傷，也減輕了機具質量，降低配套動力。為了縮短整機長度，利用Solidworks運動仿真設計，采用液壓控制和連桿機構，使作業機構、輸送鏈和支架可在一定范圍內折疊和收縮，方便行走或集裝箱傾倒中藥材。機具作業和行走示意如圖6和圖7所示。

2.4行走系統

針對中藥材種植地區大部分為丘陵山區的情況，采用履帶式行走裝置，通過性能更好。綜合考慮整機尺寸和動力需求，直接采用了成熟的技術方案和行走控制底盤，對液壓控制系統進行了位置更改。

2.5行走速度

自走式中藥材撿拾機的作業速度V_m是以作業深度、雜草量、產量、地塊平整度和土壤潮濕度而定。為了減小損失率，提高分離效率，參考中藥材收獲作業質量標準中的作業速度，該收獲機作業速度設定為1.5 km/h≤v_m≤4 km/h。

2.6撿拾效率

根據機具的幅寬和作業速度，生產率T為

T= 0.1Bvm=0.09～1.12 hm²／h （2）

式中T——撿拾效率，hm²／h

η——撿拾機田間利用系數，為0.6～0.8，取η=0.7

V_m——收獲機前進速度，1.5～4.0 km/h

B——幅寬，此處幅寬指的是前序中藥材采挖機的作業幅寬，一般為0.9～2.0 m，若采用側輸出將兩行的作物集中堆疊到一行進行后序撿拾，則幅寬翻倍

3試驗情況

4J-1型自走式中藥材撿拾機進行了兩代樣機3次改進并進行了多次試驗，如圖8所示。

2022年4月進行樣機入土性能試驗，同年7月完成第1代樣機試制，同年8月進行實地功能模擬收獲試驗。8月底進一步改進樣機后，同年10—11月在平順縣苗莊鎮進行黃芩收獲試驗，達到收獲要求。2023年3月于苗莊鎮進行柴胡收獲作業，達到收獲要求。

機具收獲效率≤0.53hm²/h，破損率lt;5%、損失率lt;5%，符合NY/T 3481—2019《根莖類中藥材收獲機質量評價技術規范》技術要求中破損率≤7%，損失率≤5%的技術要求指標。

4結束語

4J-1型自走式中藥材撿拾機采用履帶式自走裝置，整機結構緊湊，行走可靠，轉彎半徑小，通過性能好，適合丘陵山區小地塊中藥材撿拾作業，也能適應濕度較大土質作業。撿拾裝置通過采用入土鏟和撿拾器復合結構實現機具入土撿拾，保證了收凈率。輸送鏈采用柔性輸送鏈，既保證整體強度，降低撿拾損傷，也減輕了機具質量，降低配套動力需求。各級輸送鏈和支架采用全液壓控制，故障率低、易維護。經試驗驗證，各項試驗指標達到設計要求，能夠滿足苦參、黨參、黃芩、黃芪和丹參等根莖類中藥材撿拾收獲。