4SD-1700型悬挂式三七收获机设计与试验

崔振猛，张兆国，王法安，张 丹，杨海慧

(1.昆明理工大学 现代农业工程学院，昆明 650500；2.云南省高校中药材机械化工程研究中心，昆明 650500)

0 引言

三七Panaxnotoginseng(Burk.)又名田七，为五加科人参类中药材，是云南特有的中草药[1-2]。三七可以入药，有散瘀止血、消肿定痛的疗效，在国内外受到多家药业公司的青睐[3]。三七主要产于云南、广西、四川等山区丘陵地带[4-5]，收获方式采用传统的手工收获，生产效率低，劳动强度大，往往无法在三七最佳收获时期完成收获任务，严重制约了三七产业的发展。因此，研究一种适合三七收获的机械对三七产业的发展具有重大意义[6]。

关于三七收获机械方面的研究国内外鲜有报道，可以参考的有块根、块茎类的马铃薯、胡萝卜、花生、大蒜、甜菜、元胡、生姜及木薯等类型的收获机[7-10]，但此类根茎作物收获与三七的收获有很大区别。三七生在云南地区特有的粘性土壤中，其块根包括主根、须根，整体根部分布范围宽，须根入土较深，导致三七块根和土壤的粘附力、摩擦力增大，提高了三七块根挖掘及根土分离难度，使现有的根茎类作物收获机械无法满足收获需求[11-13]。因此，开发专用的三七收获机是促进三七产业规模化发展的必然趋势，可为深根茎中药材收获机的研究提供技术参考[14]。

课题组自从事三七收获机的研究以来主要围绕三七机械化挖掘和根土分离进行系统研究，根据实际需要设计并生产出能够实现挖掘与根土分离一体的4SD-1700型三七收获机。

1 总体结构与工作原理

1.1 三七种植农艺要求与样机设计要求

三七要种植在富含有机质腐殖质土或砂壤土中，种植垄宽1 200～1 700mm，沟宽400mm，垄高150mm，要求最大挖掘深度200mm。做垄时，将垄上土壤深挖50～80mm，翻垄沟上，将垄面修成凹槽型，自然晾晒3天；在垄上均匀盖上一层30～60mm厚有机肥，再撒上20mm厚细土，用排种模板在垄面打上均匀的孔，将一年生三七幼苗放入各孔中，再盖上30～50mm厚土肥混合物。其种植模式如图1所示。

图1 三七种植示意图

三七收获时，挖掘铲将三七根土混合物掘起输送到升运筛上，通过升运筛的抖动升运实现三七根土混合物的根土分离，去土后的三七块根条铺在机器后方。作业时，要求该收获机械操作方便、稳定性好、收净率高、损伤率低、成本低、适宜丘陵山区推广，且收获过程中避免壅、堵、卡等现象。

1.2 整机结构及主要技术参数

三七收获机由36.75kW东方红拖拉机连接带动，如图2所示。拖拉机动力输出轴通过万向节与三七收获机动力输入轴相连接，再由拖拉机的三点悬挂装置与三七收获机相连接，主要的技术参数如表1所示。

1.机具悬挂臂与拖拉机悬挂臂连接 2.拖拉机 3.机具输入轴与拖拉机输出轴连接 4.三七药材收获机

项目单位参数外观尺寸(长×宽×高)mm2272×1700×640连接方式三点悬挂生产率hm2/d0.6～0.9工作幅宽mm1700挖掘深度mm50～200(可调)整机质量kg325

1.3 工作原理

图3为4SD-1700型三七收获机整机结构简图。工作时，由拖拉机牵引输出动力，先由挖掘铲将三七根土混合物挖起，传送到升运链上，升运链在抖动轮的作用下完成振动输送，实现三七根土混合物的根土分离与输送，去土后的三七块根条铺在机器后方。

图3 4SD-1700型三七药材收获机结构简图

2 主要工作部件的设计

2.1 挖掘铲设计

考虑到三七种植密度较大(一般为每平方米120株)，挖掘部件采用整体式平面铲与双翼形深松铲交互放置，能有效防止三七块根夹在两个挖掘铲中间出现损伤，同时更有利于破碎土壤，结构如图4所示。平面铲与双翼形深松铲参数为铲工作幅宽b、挖掘铲铲刃夹角θ、铲面水平倾角α2及挖掘铲铲长L。

1.栅条 2.平面铲 3.双翼形深松铲

2.1.1 挖掘铲工作幅宽确定

挖掘铲作为三七药材收获机的主要工作部件，其作业幅宽b要符合三七种植农艺要求，其挖掘作业幅宽应该大于或等于种植三七垄宽。因此，根据三七种植农艺要求，设定挖掘铲作业幅宽为b=1 700mm。

2.1.2 挖掘铲铲刃夹角确定

选择平面铲铲刃夹角θ时，应考虑三七块根可以顺利通过平面铲铲面。如果平面铲铲刃夹角θ过大，会增加挖掘铲的总体阻力，造成铲前壅土现象；如果挖掘铲铲刃夹角θ过小，则会破坏三七块根，造成三七损伤率高等问题。田间预试验表明，平面铲铲刃夹角θ在80°～120°范围内比较合适。因此，平面铲的铲刃夹角θ选90°。

2.1.3 铲面水平倾角确定

平面铲倾角由一级倾角α1与二级倾角α2组成，二级倾角α2可以使挖起三七根土混合物顺着挖掘铲移动到一定高度，并输送到抖动升运装置上。挖掘倾角越小，其挖掘的阻力也越小，三七与土壤混合物的流动性相对越好，但三七与土壤分离效果越差；相反，挖掘阻力相对较大时，三七与土壤混合物流动性较差，三七与土壤分离效果较好。

根据图4可建立关系式，即

Pcosα2=F+Gsinα2

(1)

F′=Gcosα2+Psinα2

(2)

式中F=μF′；

P—移动阻力(N)；

α2—二级铲倾角(°)；

G—面上掘起物的重力(N)；

F—土壤对铲的摩擦力(N)；

F′—挖掘铲对土壤的反作用力(N)；

μ—土壤对挖掘铲的摩擦系数，土壤对钢的摩擦系为0.577～0.721，μ=tanφ，摩擦角φ=30～60°。

计算可得出挖掘铲倾角为

(3)

为了使挖掘铲将土壤切开，一级倾角范围为10°≤α1°≤20°之间，二级倾角范围为15°≤α2≤25°。

2.1.4 铲长确定

为了保证挖掘铲在摩擦阻力小时将垄上土切开，掘起物在提升高度前提下长度L尽可能短，使三七更容易传递送到分离装置上，应满足下式，即

(4)

其中，L为挖掘铲的长度；L1为一级铲长(mm)；L2为二级铲长(mm)；h1为一级铲高(mm)h2为二级铲高(mm)。

根据公式(4)及参考同类挖掘铲的长度，取L=350mm[15-16]。

2.1.5 双翼形深松铲的确定

双翼形深松铲固定在两平面铲中间，选择翼张角为2σ=76°、铲宽d=104mm、倾角与平面铲倾角一致为15°≤α2≤25°的挖掘铲与平面铲进行交互式连接，当平面铲将三七与土壤混合物挖起向后输送时，经过双翼形深松铲将其进一步滑切深松，使三七与土壤混合物又一次分离。

2.1.6 挖掘铲末端栅条间距和栅条长度确定

考虑三七不从筛面漏下，尽可能增加栅条之间间距，为了增加三七与土壤混合物破碎率，设栅条之间间距为20mm。为降低三七从挖掘铲到抖动筛高度而减少损伤三七，其长度由抖动升运装置来确定。经过试验，栅条长度设为35mm，铲前不会出现壅土现象。挖掘铲参数如表2所示。

表2 挖掘铲的参数

2.2 切土盘

为了切碎土壤及减少铲前壅土，防止由于三七茎叶缠绕给收获三七带来影响，有效避免三七根土混合物从铲体两侧漏出发生挤压破损或二次掩埋，保证收获效率，设计了两侧对称固定式切土盘，其结构如图5所示。

图5 切土盘结构简图Fig.5 Soil cutting plate structure diagram

根茎类收获机常安装切土圆盘，它可以切断长茎叶及田间杂草，达到容易碎土的目的。4SD-1700型三七收获样机采用的是固定割刀式切土盘，作业时直接深入三七的块根。由于三七种植环境经过人工清理，由沙壤红土组成。其中，采用直接切割式切土盘更适用于三七的田间收获作业。

2.3 杆条式升运筛设计

2.3.1 杆条式升运筛结构

杆条式升运筛由导向支撑链轮、升运链、拖链轮、抖动轮及驱动轮等组成。其中，升链轮有效输送距离为1 470mm，宽度与挖掘铲总宽度相同为1 700mm，如图6所示。

杆条升运筛作用是实现三七根土混合物的根土分离与输送，同时将去土后的三七块根条铺于垄上。

1.撑链轮 2.升运筛 3.抖动轮 4.驱动轮 5.拖轮图6 抖动升运结构简图

被动式抖动轮在工作时由升运链条带动，抖动轮为三爪星形结构。抖动轮在被动转动过程中，相邻爪顶部凹面每跨两杆条与下一杆条触碰并将其托起，以实现升运链运行时上下抖动。

2.3.2 升运筛抖动频率与振幅的确定

4SD-1700型三七收获机的抖动轮有两个且对称安装，被动式抖动轮的转速与升运链速度和抖动轮的周长关系为

n=60v/l

(5)

l=πD

(6)

式中n—抖动轮转速(m/s)；

v—升运链线速度(m/s)；

l—抖动轮周长(mm)；

D—抖动轮的直径(mm)。

抖动轮抖动频率f计算公式为

f=zn/60

(7)

式中f—升运筛的抖动频率(Hz)；

Z—抖动链的凸顶数。

根据设定升运筛线速度为0.7～0.9m/s，抖动轮有效直径为180mm，则频率f为1.9～2.4Hz。

抛起物体升运链最低线速度vmin为

(8)

式中K=r/R；

g—地球重力加速度，9.8m/s2；

r—撑链轮的半径(mm)；

R—驱动轮的半径(mm)。

田间试验表明：K的值取0.4～0.6时，可以获得较好的根土分离效果。

振幅是由撑链轮、驱动轮、拖轮张紧产生的，根据收获三七要求，振幅过大将使三七的损伤率增加，振幅过小则达不到分离效果。因此，需要托轮位置可调，通过调节其安装的上下高度来调节振幅，从而改变抖动轮抖动的强度，以达到最佳根土分离效果。

2.4 样机虚拟制造

根据上述整体结构参数，采用Pro/E软件进行三维建模。应用ADAMS对装配好的模型进行运行干涉情况的处理，结果表明：4SD-1700三七收获机不存在干涉的情况，各个零件设计合理。收获时，采用36.75kW东方红拖拉机为动力，整垄收获，收获幅宽1 700mm。三七收获样机田间试验如图7所示。

图7 样机田间试验

3 样机田间试验与分析

样机性能试验在云南省文山州七丹药业GAP种植基地三七试验田进行。三七收获期间田间状况如下：三七平均垄宽为1 560mm，平均沟宽为460mm，平均垄高180mm，三七直径为5～40mm，土壤含水率为20.2%，容重为1.32g/cm3，土壤松散，无粘性，土粒黏结力适中。

试验设计:以三七垄顶面为设计参考，以收获时挖掘土壤深度和升运链升运速度为试验参数，计算三七收净率；选择合适的挖掘深度，再以升运筛倾角和拖拉机前进速度为参数，计算三七损伤率；每一次田间试验所选择的每组参数在有效理论分析范围内取值；每进行一次三七收获样机参数调整，就进行12m三七收获试验，每一次重复3次，并计算测量平均值。

收净率计算方法为

(9)

式中T—收净率(%)

W1—挖掘出的三七块根总质量(kg)；

W2—残留在土壤中三七块根的总质量(kg)。

损伤率计算方法为

(10)

式中W3—收获损伤的三七总质量(kg)。

3.1 三七药材收获样机收净率田间试验

挖掘铲挖掘深度和抖动升运链升运速度是影响三七收净率的主要原因，分别取挖掘深度为112、124、136、148、160mm时对应抖动升运链升运速度分别为0.7、0.8、0.9m/s，人工记录并观察三七的收净情况，如表3所示。田间试验表明：在抖动升运筛升运速度一定的情况下，随着挖掘铲的挖掘深度不断增加，三七的收净率增大，动力消耗增大。挖掘深度不变的情况下，抖动升运链升运速度增大，收净率先增大后减小，但整体变化不大。根据记录，三七机械收获最小收净率大于88.5%，满足三七药材收获机的设计要求。

表3 三七收获机收净率试验

3.2 三七药材收获样机损伤率田间试验

由表3可知：当挖掘深度为148mm和160mm时，收净率变化不大。为了减小整体阻力，选择挖掘深度148mm时为最佳挖掘深度。当挖掘深度选择最佳时，抖动升运链筛面倾角与拖拉机的前进速度是导致三七收获时损伤的主要原因。分别取筛面倾角为11°、13°、15°、17°、19°时，对应的拖拉机的前进速度分别为0.5、0.7、0.9m/s，由人工观察收获情况并记录三七在收获后的损伤率，如表4所示。田间试验结果表明，当拖拉机前进速度固定不变时，随着筛面倾角不断加大，三七损伤率先减小后增加；当筛面倾角固定不变时，拖拉机前进速度不断加大，损伤率逐渐增大，但整体的变化不大。最佳工作参数组合为筛面倾角15°、前进速度0.5m/s，此时三七损伤率为1.6%。

表4 三七收获机损伤率试验

4 结论

1)4SD-1700型三七药材收获机一次可完成挖掘、输送、三七根土混合物的根土分离等工作，适应性强，转弯半径较小，成本低，适应丘陵山区小块面积地带的三七收获。

2)田间试验表明：该收获样机整体作业性能流畅，样机由36.75kW拖拉机配套使用，三七损伤率不大于4.7%，收净率大于92.5%，满足行业标准规定。该设计为产品级三七药材收获机的研制提供了相应的技术参考。

3)试验表明：损伤率、收净率、作业效率等性能满足三七收获机的设计标准，适合在含水率小于20%的红壤沙土的环境下作业。

本文主要为三七收获机作业出现铲前壅土、收净、伤根等问题提供技术支持，为根茎类收获机械的研究提供参考。