平貝母收獲機設計

初金星,李曉明,陳維剛

(黑龍江省農業機械工程科學研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

平貝母是一種常用中藥材,為百合科植物,它的干燥鱗莖具有清熱潤肺、止咳化痰的作用,主產區為黑龍江、吉林、遼寧、山西、陜西及河北等省份[1-2]。平貝母除了可以用作方劑外,還可用于配制復方貝母片等多種中成藥,用藥量較大[3-4]。另外,隨著人們對保健食品和藥膳認識的提高,以平貝母為原料的保健食品和藥膳越來越被人們所重視和接納,這些都需要大量的平貝母藥材供應[5-6]。

傳統平貝母從種到收多采用人工加簡單機械輔助,效率低下,勞動強度大,平貝母產量無法滿足市場的需求。據研究表明,平貝母最佳采收期在5月30日—6月20日之間[7]。可以看到,平貝母的最佳采收期較短,收獲時間緊,如不能在最佳收獲期完成收獲,則會影響平貝母的產量和質量,最終影響藥農的收益[8-9]。因此,實現平貝母收獲機械化,成為平貝母種植業急需解決的問題。

針對上述問題,通過對平貝母的生長狀態與土壤環境等進行分析,設計出一臺能夠同時實現平貝母挖掘、鱗莖與枝葉分離、升運、篩分與排雜的平貝母收獲機。該機結構緊湊,能夠解決藥農無法在最佳采收期內及時采收大面積平貝母的問題,使藥農從繁重的體力勞動中解脫出來,為平貝母種植產業的發展提供基礎,也為同類藥材收獲機械的研究與應用提供一定參考。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構及主要技術參數

針對平貝母種植模式、農藝要求與生長環境的分析,確定該平貝母收獲機的設計目標。該機的設計原則為:結構緊湊,體積小質量輕;能夠適合平貝母種植的行距和栽培制度;篩分效率高,保證在正常濕度下,能夠較好地將平貝母鱗莖、枝葉和土壤分離;損傷率低,保證平貝母的質量。

基于以上設計原則,設計了一種結構緊湊、高效率、高可靠性、低損傷率的平貝母收獲機,其機構示意圖(圖1)。該機主要由挖掘裝置、碎土機構、桿式升運器、環形板鏈式升運裝置、振動篩分裝置及高度可調機架組成。該平貝母收獲機的主要技術參數如表1所示。

表1 平貝母收獲機主要技術參數圖

1.2 工作原理

該平貝母收獲機能夠一次實現平貝母的挖掘、鱗莖與枝葉分離、升運、排雜、篩分及人工裝袋等作業。具體工作過程:拖拉機通過懸掛裝置連接平貝母收獲機,帶動收獲機前進,前端挖掘鏟將平貝母挖掘出土(挖掘深度可以通過后方液壓缸調節),挖掘鏟上方安裝有彈齒的碎土機構,能夠將表層土壤打碎,同時將平貝母鱗莖與枝葉分離,挖掘。

被挖起來的平貝母鱗莖與枝葉、土壤的混合物(以下簡稱貝土)沿著挖掘裝置上升,后通過桿式升運器提升至環形板鏈式升運裝置中,桿式升運器在提升過程中,可以過濾掉部分土壤。隨后貝土通過環形板鏈式升運裝置垂直運輸到振動篩分裝置。該環形板鏈式升運裝置右側下端設置張緊裝置,板鏈上也開有均勻排列的孔,在升運過程中對貝土進行第二次簡單篩分。振動篩分裝置共有三層,最上方一層篩孔較大,主要將平貝母的枝葉及較大的土塊分離,從收獲機后方的排雜層出料口排出;中間層與第三層負責將平貝母鱗莖與土壤分離,篩分出來的平貝母鱗莖沿著出料口流出,流入后方進行人工裝袋。

2 關鍵部件設計

2.1 挖掘裝置的設計

挖掘裝置里挖掘鏟的鏟面為平面,結構簡單、制造容易。為了保證鏟刃的自動清潔和良好的入土功能,帶斜刃的三角形鏟應用廣泛[10-11]。根據挖掘斷面和滑切性能的要求,鏟刃夾角可以取不同的值(圖2),其中a鏟適用于壟作,b鏟適用于壟作和收獲其他塊根作物,c鏟適用于平作。根據收獲作業實際,該平貝母收獲機采用圖中b所示90°的刃角。

圖2 平面單鏟

為了使每個鏟的鏟刃斜角盡可能取小些,從而使鏟的鏟刃斜角具有良好的滑切性能,該平貝母收獲機的挖掘裝置采用平面多鏟結構,即平面鏟由多個相同的鏟組成,直接安裝在橫梁上焊合而成[12]。挖掘裝置后端設置活板,以適應地面高低不平的作業環境,減小阻力,具體結構如圖3所示。

1.橫梁焊合;2.活板;3.平面鏟圖3 挖掘鏟結構示意圖

2.2 碎土機構的設計

碎土機構采用彈齒滾動結構,主要由六方管、彈齒托板、彈齒壓板、鋼絲彈齒、端軸和螺栓組成。具體結構如圖4所示。

1.端軸;2.鋼絲彈齒;3.彈齒壓板;4.螺栓;5.彈齒托板;6.六方管圖4 碎土機構機構示意圖

該收獲機共有兩組碎土機構,沿著挖掘鏟的斜面上下平行排布。兩組碎土機構的彈齒交錯排布,以避免兩組彈齒在旋轉時發生干涉。工作時,在拖拉機動力輸出軸作用下,通過鏈傳動使兩組碎土機構獲得不同的轉速,通過兩組彈齒的速度差,實現能更好打碎表層土塊和平貝母枝葉的效果。碎土機構轉速參考同類機構的轉速在100 r/min左右,確定上下碎土機構的轉速分別為90 r/min和108 r/min[13-14]。

2.3 升運裝置的結構設計

升運裝置負責將流入的平貝母與土壤混合物升運至振動篩分裝置上方。該機構采用環形板鏈式升運裝置,在保證升運速度與效率的同時,節省升運距離,縮短整機長度,使整機結構更加緊湊,減輕整機質量,使收獲機在作業時更加靈活輕便。

升運裝置在提升平貝母與土壤混合物的過程中,承受較大阻力,因此通過增大主動鏈輪直徑增加鏈輪與鏈條相交的齒數,使升運裝置支架上形成一定角度(向下傾斜),進而增加鏈輪包角的方法,來獲得足夠的驅動力。

2.4 振動篩分裝置的設計

2.4.1 篩網幾何參數的確定

振動篩分裝置對篩網的要求是有足夠的強度和耐磨性,開孔率高且不堵塞篩孔。常用的篩網按照制作方法不同分為沖孔篩和編織篩(圖5)。沖孔篩網采用薄鋼板(0.5～2.5 mm)按照一定規律沖壓成不同形狀的孔,孔的形狀有圓形、三角形、長孔形等,最常用的是圓孔篩和長孔篩[15-16]。

圖5 篩網種類

該機的振動篩分裝置分3層,最上方一層負責篩除平貝母枝葉,采用圓孔篩。由于平貝母枝葉較長,可以將上層的篩網孔徑設計較大。通過試驗得到經過碎土機構作用后的平貝母枝葉與鱗莖分離,枝葉長度普遍在60 mm以上,因此確定最上層的孔徑為60 mm。根據藥材的收購要求,只有直徑大于8 mm的平貝母才能作為成品出售,因此中層采用孔隙寬度為8 mm[17],長為50 mm的編織篩。最下層為排土板,目的是將篩分出來的土壤越過升運裝置底部,在整機后方排出,因此該層采用不開孔的鋼板。

2.4.2 振動篩分裝置的長寬確定

振動篩的寬度主要由振動篩的生產率、物料厚度、容積質量及物料的平均運動速度決定,可由下式確定

(1)

式中B—篩面寬度,m;

Q—振動篩的生產率,t/h;

h—篩面上的物料厚度,m,一般控制在0.01～0.035 m;

vm—篩上物料運動的平均速度,m/s;

γ—物料的容積質量,t/m3[18]。

物料的平均速度與振動篩的激振力大小、頻率、振幅及篩體與水平面的夾角等條件有關[19-20]。根據經驗,一般振動篩平均速度0.3～0.7 m/s,這里取vm=0.5 m/s,Q=150 t/h,h=0.03 m,γ=2.3 t/m3[21]。代入公式(1)計算得到篩面寬度為B≈1.2 m,一般為了保證振動篩的篩分效率,振動篩長寬比為2∶1[15],所以這里取振動篩長度為L=2.4 m。

3 總結

本文設計的平貝母收獲機,能夠一次性實現平貝母挖掘、鱗莖與枝葉分離、升運、篩分與排雜,最后由人工輔助裝袋。介紹了平貝母收獲機碎土機構,升運裝置,振動篩分裝置的具體結構,并根據公式對關鍵部件的設計參數進行了分析計算,確定了平貝母收獲機的部分設計參數。為平貝母收獲機械的研發提供了一定的參考。