振动式平贝母等级筛分机设计与试验

宋江，王明，刘丽华，刘天祥，韩霞，郑桂萍，历锐

（黑龙江八一农垦大学，大庆 163319）

平贝母（Fritillaria ussuriensis Maxim）为百合科（Liliaceae）贝母属FririllariaL.植物的鳞茎，味苦、甘，性微寒，具有清热润肺，化痰止咳功能[1]。平贝母是我国较为名贵的传统大宗药材，更是我国出口创汇的重要商品，在国内外中药材市场上颇受青睐。传统平贝母药材以野生为主，近几十年来国内出现人工栽培方式[2-4]。主产于黑龙江、吉林及辽宁等省的东部山区，与我国川贝母、浙贝母“三分天下”。统计资料表明，2006年，全国平贝母种植面积为1.6 万hm2，产量为2 万t，2010年达到1.8 万hm2，产量为2.4 万t，分别比2006年增长12.5%和20%。然而，平贝母生产机械装备，尤其是收获机械，却极为匮乏，根本无法满足其规模化生产之需求。

平贝母等级分级是平贝母收获的重要环节。等级分级的目的:一是对其药材商品进行分级以便于销售，二是对繁殖材料进行分级以便于规范生产[5]。目前，贝母等级筛分主要集中在采收分级标准的确定和分级方案的选择上，郑军以1～3年生人工栽培川贝母鳞茎的高、直径和单粒质量为指标进行分级，并制定采收分级标准，为后期鳞茎繁殖的规范化与标准化做指导，程立杰采用钢丝网制作的滚动圆筛对平贝母进行等级筛分[6]。这些研究成果虽然可以为平贝母等级筛分机械系统的研发提供必要的理论依据和技术参考，但对于平贝母筛分过程中分离能力、破损等方面问题及针对上述问题提出的机械系统的详细设计尚无报道。因此，针对上述缺陷设计了一种适合东北东部山区种植的振动式平贝母等级筛分机，同时也为平贝母收获机械设计提供参考依据。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构

如图1 所示，振动式平贝母等级筛分机[7]配套动力为6 kW 的柴油发动机，整机由上层筛面、中层筛面、下层筛面、排杂装置、机架和传动系统等部分组成。

1.2 工作原理

作业前，调整手柄将4 个支腿收起，通过行走轮把平贝母等级筛分机运至工作地点，通过调整可调后摆杆有效工作长度，确定筛面倾角。

作业时，调整手柄将4 个支腿放下，行走轮离地，将平贝母垄掘起，平贝母根茎和土块一起装入振动式平贝母等级筛分机上层筛面，在柴油机和传动系统的带动下，平贝母根茎和土块垂直筛面向上跳动和沿筛面前后滑移，直径小于筛孔直径的土块和马铃薯分别从上、中、下层筛网中漏下，直径大于筛孔的平贝母直接收集，完成了三次分离，分出了四个等级的平贝母，分出的平贝母采用水洗法清理干净土壤、碎石等杂质，便于后续烘干室干燥。

图1 振动式平贝母等级筛分机机构简图Fig.1 Simplified mechanism of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel

2 关键部件设计

2.1 筛面组件

筛孔几何参数是筛孔设计的主要参数，是决定平贝母等级分级的准确性、堵塞情况和破损重要依据。

选取1～3年生人工栽培川贝母鳞茎的三维尺寸（长、宽、高）为指标，通过测定与统计分析确定，上层筛孔最小尺寸为13×20 mm；中层筛孔尺寸为9×18 mm；下层筛孔尺寸为7×10 mm，在保证准确分出土层中所有平贝母和保证筛分率的前提下，通过改变传统筛孔形状，达到降低筛孔堵塞和平贝母破损的目的。

如图2 所示，试验表明：平贝母在钢丝网筛面筛分时，其运动是平贝母根茎和土块垂直筛面向上跳动和沿筛面前后滑动，平贝母根茎和土块垂直筛面向上跳动增加平贝母的透筛机率，而前后滑动过程中增大了平贝母刮伤的机率，尤其是垂直于运动方向的钢丝，在筛面运动速度较快的情况下，平贝母刮伤的情况极其明显，同时筛网线直径过小使得平贝母根须顽固地缠绕在筛孔上，筛孔变小，堵塞严重，为解决上述问题，创造性的将筛面制作成由筛面和长条形筛孔组成的筛面，如图3 所示，其上、中、下层长条形筛孔的尺寸分别为13×40 mm；中层筛孔尺寸为9×30 mm；下层筛孔尺寸为7×20 mm。这些筛孔在保证分离的准确性和很好的透筛性的同时，该筛面可以起到降低筛孔堵塞和平贝母破损的目的：①平贝母根须长度为40～60 mm[9]，为保证平贝母根须不缠绕筛孔，由L=2x 得筛孔的最小间距x=30 mm；②筛孔在垂直运动方向开圆角可以大大缓解平贝母在筛面上滑动时破损情况。

图2 钢丝筛Fig.2 Wire sieve

图3 筛面图Fig.3 Screen surface

2.2 传动系统

2.2.1 传动系统运动分析

传动系统配置如图4 所示，曲柄轮d 与连杆连接，连杆与筛面连接，同时筛面还与前、后摆杆连接。动力由柴油机带轮传入安装在机架上的皮带轮，再由皮带轮传动至曲柄轮，曲柄轮上动力带动连杆使筛面作往复振动，完成对平贝母的等级筛分，振动筛体通过机架两侧的前摆杆、后摆杆悬挂在机架下部。作业时，后连杆可调，使振动筛按不同角度作往复振动，以实现平贝母筛分。

初步选定振动筛筛面初始安装倾角为23.5 度（小于平贝母在筛面上的自然休止角），四连杆机构几何参数为曲柄长度26 mm；连杆长度330 m；前摆杆长度230 m，后摆杆长度（可调）630 m；曲柄旋转中心与摆杆旋转中心距离420 m，筛面长度1 200 mm。

图4 振动式筛分机传动系统结构简图Fig.4 The Simplified structure of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel transmission system

2.2.2 传动系统参数优化

2.2.2.1 设计变量：选取空间曲柄摆杆机构的曲柄l1（即偏心距）、连杆l2、前摆杆l3，共3 个独立设计变量。

2.2.2.2 约束条件：根据平贝母等级筛分机的结构、生产和使用的实际情况，以及过去的试验结果，可得到以下的约束条件:

（1）曲柄l1。即偏心传动轮的偏心距。受偏心传动轮结构尺寸及实际应用的影响，0≤l1≤40 mm。

（2）连杆l2，摆杆l3。根据偏心传动轮和前摆杆固定点之间的距离及连杆的运动情况，确定连杆l2的范围：

l2+l3≥460 mm

（3）机架间距l4。摆杆l4尺寸受等级筛分机尺寸的影响，不宜调整，可由实际需要，令其为常量l4= 420 mm。

（4）传动角γ1。根据曲柄机构传动力的形式，确定角的范围为γ1≤45°[8-9]。即

其中，0≤x1≤l1，l2-l1≤x3≤l1+l2。

2.2.2.3 目标函数：为了使平贝母等级筛分机结构紧凑，降低成本，提高筛分机的性能，以空间曲柄摆杆传动机构的杆件尺寸最小为目标函数：F=min（l1+l2+l3）

2.2.2.4 优化计算：调用Matlab 优化工具箱中的Fmincon 函数求。

解非线性约束优化问题[12-13]。运行程序，得优化结果见表1。

表1 振动式平贝母等级筛分机优化前后的参数对比（单位：mm）Table 1 Parameter comparison of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel optimization

3 田间试验及结果分析

田间试验在黑龙江省伊春市红星区平贝母种植基地进行。试验地块土壤为黑钙土，土壤含水率为11.2%，坚实度为242 kPa，收获前一周植株经杀秧处理。试验样机配套功率6 kW 柴油机，如图5 所示。

试验区段为刚起收的平贝母，且平贝母直径最小为1 mm，最大为20 mm。性能测定在试验区内进行。

试验中机具的工作参数为: 初始筛面倾角为23.5°，曲柄盘转速为6.5 r·s-1。

图5 振动式平贝母等级筛分机试验样机Fig.5 Experimental prototype of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel

表2 平贝母等级筛分机性能试验结果Table 2 Results of the performance test on vibration type Fritillaria ussuriensis grade screen vessel

4 结论与讨论

在保证准确分出土层中所有平贝母和保证筛分率，又降低筛孔堵塞和平贝母破损的前提条件下，通过对平贝母等级筛分机的理论分析，提出平贝母等级筛分机长圆孔筛面结构；并对传动系统进行了机构尺寸的优化设计，提高了传动机构的性能与工作可靠性。田间试验表明: 该平贝母等级筛分机透筛率、平贝母破损率和筛分准确率指标均达到了有关标准规定。

提出的平贝母破损率包括表皮擦伤、裂纹、断裂等，破损程度各不相同，下一步需要通过平贝母不同破损程度对干燥后平贝母成分和留种繁殖影响的模拟试验，分析平贝母筛分允许的破损程度，确定允许破损率。

［1］郑军，叶萌.人工栽培川贝母鳞茎采收分级研究［J］.中草药，2009（40）：273-274.

［2］潘宣.百合 川贝母 平贝母 伊贝母［M］.北京：科学技术文献出版社，2004.

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［4］常维春.平贝母栽培［M］.北京：科学普及出版社，1984.

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［7］刘丽华，宋江，卢松卓，等.平贝母等级分级筛［P］中国专利：201020272619.5，2010.

［8］陈立周.机械优化设计方法［M］.北京:冶金工业出版社，1985.

［9］孙靖民.机械优化设计［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［10］李宝筏.农业机械学［M］.北京：中国农业出版社，2003.

［11］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［12］张志涌.精通MATLAB6.5 版［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003.

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