根茎类药材收获机的设计与试验

陈学深,方贵进,黄旭楠,朱立学,齐 龙,马 旭

(1.华南农业大学 工程学院,广州 510642;2.仲恺农业工程学院 机电工程学院,广州 510225)

0 引言

我国是药材种植大国,根茎类药材种植面积已超过16.7万hm2[1]。现有的药材挖掘、脱土等环节的机械设备往往彼此独立,导致收获机功能单一、作业效率低,严重制约了我国药材的规模化、产业化发展。

少数针对根茎类药材种植工艺及种植环境而研制的收获机[2-3],虽然在一定程度上解决了机械收获的效率问题,但都不具备药材地上茎秆或杂草茎秆的分离功能。利用常规的筛分机构进行机械化根土分离时,尚未完全清除的地上枝茎或较长杂草茎秆与土壤交织混合,使得土壤不易破碎;加之较长枝茎与摆动筛杆易形成网状结构,使得土壤难以筛落;同时,根茎与药材的混杂状况,使铲起的药材在回落时又重新被土壤或药草茎秆覆盖,导致现有的根茎类药材收获机根系与土壤分离效果差。

针对以上问题,笔者设计了一种多功能的根茎类药材收获机,可一次性完成药材的挖掘、脱土及药草茎秆的集条摆放等作业。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

根茎类药材收获机的主要部件包括挖掘铲、振动式输送链、茎秆分离机构、摆动筛及茎秆输送带等,如图1所示。

1.悬挂梁 2.变速器 3.皮带 4.挖掘铲铲架 5.输送链挡板 6.分离机构挡板 7.变向机构 8.弯板链条 9.支撑轮 10.拨杆 11.拨指 12.落茎杆 13.链条 14.输送带 15.摆动筛挡板 16.摆动筛 17.栅条板 18.吊杆 19.连杆 20.偏心轮 21.车轮 22.输送链 23.挖掘铲图1 收获机结构示意图Fig .1 Structure of the harvester。

1.2 工作原理

作业时,挖掘铲进入土壤将药材、茎秆与土块这三者的复合物挖出并运送到输送链上;复合物在输送链上会因链条的规律抖动而发生破裂,实现了初步的土壤分离,然后被输送到栅条板处;位于两侧的弯板链条上安装有跟随链条运动的拨杆,拨杆上的拨指能清理位于栅条板间隙的土壤,同时把茎秆从复合物中挑出,并在重力的作用下落到输送带;而仍粘附于拨指的少部分茎秆,当运动到后面落茎秆处,会被阻挡而落到输送带上,输送带中间凸起而两侧向下倾斜,把落在其上的茎秆运向机具两侧;同时,在拨杆的拨动作用下,药材和土块会落到位于下方的会绕吊杆摆动的摆动筛上而进一步相分离开来;最后,药材被抖落到机具后面的软土上进行铺放,完成药材、土块、茎秆三者的分离。

2 主要机构及部件设计

2.1 挖掘装置的设计

收获机选用的挖掘铲如图2所示。

1.螺栓连接 2.铲片 3.铲架 4.铲托 5.销连接 6.防石栅图2 挖掘铲结构简图Fig.2 Structure of the excavating device。

影响挖掘装置挖掘性能的主要参数有铲面倾角α0、铲面长度l及铲刃张角θ。挖掘铲作业时,所受到的挖掘阻力和碎土性能与铲面倾角α0有关。因此,对位于挖掘铲铲面的土壤A进行受力分析,如图3所示。

图3 铲面与土壤相互作用力分析Fig.3 Stress analysis of the soil on the shovel。

根据图3可以建立如下方程,即

(1)

式中P0—掘起物沿挖掘铲移动所需的力(N);

G0—铲面土壤的重力(N);

FN0—挖掘铲对铲面土壤的支持力(N);

Ff0—挖掘铲面对土壤的摩擦力,Ff0=FN0·tanφ0,φ0为铲与土壤间的摩擦角,一般取φ0=30°～36°。

由式(1)可得

P0≥G0tan(α0+φ0)

(2)

由式(2)可知:挖掘铲所受阻力P0与倾角α0成正比。根据文献[4-5],兼顾本挖掘铲的设计目的,选取倾角α0=14°。

收获机的挖掘铲头的形状设计成多个类似三角形的刃口紧挨排列,是为了使茎秆与药材能够较好地滑离挖掘铲,从而降低挖掘铲所受到的阻力。位于挖掘铲头部的茎秆的受力分析如图4所示。

图4 刃口上茎秆受力分析图Fig.4 Stress analysis of the stem on the cutting edge。

由图4可得出茎秆沿挖掘铲头部刃口有效滑移的条件为

(3)

式中P1—茎秆沿铲刃口移动所需要的力(N);

θ—铲刃张角(°);

Ff1—挖掘铲刃口对茎秆的摩擦力,Ff1=FN1·tanφ1,FN1为刃口对茎秆的法向推力,FN1=P1sin(θ/2),φ1为茎秆与挖掘铲之间的摩擦角,一般取φ1=40°～42°。

代入相关数值可得

θ≤96°～100°

(4)

本机选取θ=90°。

合适的铲面长度可以在低功耗的前提下实现土壤的破碎,有利于药材根系脱土。

根据图5所示的土壤受力分析(见图5)及动能定理可得出以下等式,即

图5 土壤的速度与受力分析Fig.5 Speed analysis and stress analysis of the soil。

(5)

式中Ff2—土壤沿铲面上滑所受到的摩擦力,Ff2=G0cosα0·tanφ0;

h0—挖掘铲平均入土深度,h0≈250mm;

m—铲面上土壤的质量(kg);

v′—土壤离开铲面时的速度(m/s);

va—土壤刚离开地面时速度,va=ve·tanα0,ve为牵连速度,大小等于挖掘铲的前进速度(0.4～0.8m/s)。

由式(5)可得

(6)

由上述分析可知,铲面长度的确定与铲面的倾角大小有重要的联系。结合式(6)和实际作业条件,选取l=400mm。

2.2 振动式输送链的设计

输送链在驱动轮的驱动下运动,在抖动轮的作用下使物料振动[6],如图6所示。输送链振动程度由抖动轮设计参数决定,当输送链处于最大振幅状态时,点M的运动轨迹和三爪抖动轮的位置情况如图7(a)所示。此时,三爪抖动轮的中心O1点与坐标系O点的连线、三爪抖动轮的中心O1点与点M的连线、坐标系O点与点M的连线组成等边三角形,且x轴恰好是三爪抖动轮中心O1点与点M连线的中垂线。

图6 振动式输送链机构原理图Fig.6 Operational principle of the conveyor chain。

图7 输送链运动分析图Fig.7 Kinematic analysis of the conveyor chain。

根据图7(b)几何关系可知

(7)

式中r0—抖动轮半径,r0=65mm;

h1—动点M相对链条斜面(斜线状态时)的高度,即抖动轮顶出链条斜面的高度(mm);

λ—链条上点的振动幅值(mm)。

λ、r0、与h1满足如下关系,即

(8)

根据图7所示几何关系,结合式(8)得

(9)

式中δ—折线链条与x轴的夹角(°)。

作为带振动的输送机构,振动式输送链上M点位移接近于正弦曲线[7-10],其周期运动规律为

S=λsinw0t

(10)

式中S—动点M的位移(mm);

w0—三爪抖动轮的转动角速度(rad/s);

t—振动的时间(s)。

由上述分析可知,M点沿x轴、y轴方向的加速度分别为

(11)

根据种植农艺,在收获作业时残存下来的茎秆层的平均厚度大约为20mm,因此对边长为20mm的正方形茎秆块进行受力分析,如图8所示。

图8 位于输送链上的茎秆块力学分析Fig.8 Stress analysis of the stem on the conveyor chain。

茎秆沿x轴的动力学方程可表示为

Ff3-G1sinα1=m1asx

(12)

式中G1—茎秆块的质重(N),G1=m1g,m1为茎秆块的质量,g为重力加速度;

Ff3—茎秆与输送链的摩擦力(N),Ff3=(G1cosα1+m1ay)tanφ2,φ2为茎秆与链条的滑动摩擦角(经测量为18.5°);

α1—输送链的倾斜角度(°);

asx—输送链上的茎秆在x轴方向的加速度(mm/s2)。

为了保证茎秆层能够稳定向上移动,应使得

asx≥ax

(13)

即

Ff3-G1sinα1≥m1ax

(14)

对式(11)、式(12)和式(14)进行整合可得

(15)

根据图7所示的几何关系及函数sinw0t的取值范围,可知式(15)的临界条件为

(16)

现假设输送链与三爪抖动轮、驱动轮之间为没有相对滑动的理想情况,那么输送链的线速度vs与三爪抖动轮的线速度vd的大小一样,满足如下关系,即

vs=vd=w0r0

(17)

结合式(8)、式(9)、式(16)和式(17)可得

(18)

将已知数值代入上式可得

(19)

茎秆层在输送链的线速度、输送链的倾角和三爪抖动轮顶起高度的共同作用下不往下移动的临界条件由式(19)表达,从而输送链参数的设计选取具有了一定的理论依据。

由式(19)得出茎秆层不发生下滑的临界曲线(见图9),且当vs和h1这对参数组合位于该临界曲线的上方便能使茎秆层不发生下滑。根据上述分析和相关文献[11-12]对输送链的分离性能的研究,可选取输送链的倾角α1=24°,输送链的速度vs=1.5m/s,三爪抖动轮的顶起高度h1=22mm。

图9 茎秆层上移临界曲线Fig.9 Critical curve of the stem layer。

2.3 药草茎秆分离机构的设计

茎秆分离机构如图10所示。在分离过程中,影响茎秆分离性能的主要因素有栅条板的倾斜角度、拨指运动速度及拨指的运动轨迹。其中,栅条板的倾斜角度设计成可调控,后续用试验优化方法确定其最佳角度,而拨指的运动速度及运动轨迹需进行理论分析加以确定。

1.拨杆 2.链条 3.链轮 4.落茎秆 5.输送带 6.栅条板图10 茎秆分离机构结构Fig.10 Structure of the stem separation system。

复合物与拨指速度分解示意图如图11所示。由图11可知:脱离输送链的复合物以抛物线的运动轨迹落向栅条板,而拨指在AB段运动轨迹为圆周运动。E点为这两者的运动轨迹的相交动点,C点为位于拨指上的点且与点E重合。为了保证拨指能挑离出茎秆,拨指C点在E处的切向速度应比复合物E点的速度vE要大。

图11 复合物与拨指速度分解示意图Fig.11 Speed analysis of the compound and finger。

图11中,取复合物将脱离输送链的O2点为坐标系的原点,选取水平向右为x轴,选取垂直向上为y轴而建立出直角坐标系。根据速度分析可知,拨指C点的速度vC满足

(20)

式中σ—vE方向与x轴正向的夹角(°);

ε—vC方向与x轴正向的夹角(°),ε=1.5π-ψ,ψ为拨指C点和圆心O3的连线与x轴正向的夹角。

根据所建坐标系,复合物的位移方程为

(21)

式中v0—复合物脱离输送链时的速度,v0≈vs=1.5m/s;

β—v0的方向与x轴正向的夹角,β≈α1=24°;

vt—机具作业时的前进速度,取vt=0.4～0.8m/s;

t—复合物脱离输送链的时间(s)。

由式(21)可知复合物E点速度与方向余弦,即

(22)

式中tE—复合物脱离输送链运动到E点所用时间(s)。

(23)

拨指在AB段的圆周运动轨迹方程为

(24)

式中a—拨指的支撑轮中心O3点相对于坐标系O2点在x轴方向上的距离,a=246mm;

b—拨指的支撑轮中心O3点相对于坐标系O2点在y轴方向上的距离,b=148mm;

r1—拨指点C相对于支撑轮中心O3的圆周距离(mm),r1=183mm。

由式(21)与式(24)可知:点E的坐标为(116,19),tE=0.06s;由式(20)、式(22)、式(23)与式(24)求出vC≥2.8m/s,故取拨指指尖速度为3m/s。

2.4 摆动筛的设计与仿真

摆动筛置于药草茎秆分离机构下方、机具尾部,是实现药材与土分离的重要部件,其结构如图12所示。根据摆动筛的工作原理及作用,筛上物以何种方式在筛上运动,主要取决于摆动筛的结构参数和运动参数,故需对筛上根茎类药材的运动状态进行分析,找出影响筛上物运动规律的摆动筛参数,从而为合理设计摆动筛提供理论依据。

1.偏心轮 2.连杆 3.前吊杆 4.筛面 5.后吊杆图12 摆动筛结构简图Fig.12 Structure of the sieve shaker。

当连杆和吊杆的长度相对偏心轮的偏心距r2较长时,可认为筛面只做幅值为2r2的直线往复运动。以筛面的摆动方向为X轴,以偏心机构位于最右边位置为筛面位移和时间的起始相位,则筛面任一点的加速度aX可表示为

(25)

式中w1—偏心轮的角速度(rad/s);

t—偏心轮的运动时间(s)。

筛上根茎类药材的惯性力FS与筛面加速度aX大小相等、方向相反。根茎类药材除受惯性力FS外,还受到自身重力G、筛面摩擦力Ff3和支撑力FN3(根茎类药材不跃起时)的作用。以筛面方向为x轴方向,与筛面相垂直的方向为y轴方向,建立直角坐标系,得到药材的受力情况,如图13所示。

图13 筛上根茎类药材受力分析图Fig.13 Stress analysis of the herb on the sieve shaker。

由图13可得:根茎类药材相对筛面前移、后移及跃起的临界条件,现分述如下:

1)当偏心轮转至左半周时,筛上根茎类药材的受力分析如图13(a)所示。此时,-1≤ cosw1t≤0,根茎类药材有沿筛面前移的趋势,且前移条件为

式中α2—筛面相对水平面的倾角(°);

φ3—根茎类药材与筛面的滑动摩擦角(°);

τ—筛面摆动方向与水平面的夹角(°)。

2)当偏心轮转至右半周时,筛上根茎类药材的受力分析如图13(b)所示。此时,0 ≤ cosw1t≤1,根茎类药材有沿筛面后移的趋势,且后移条件为

(27)

3)由图13可知:药材后移的时候产生跳动当且仅当发生在偏心轮位于右半周时,FN3=0。根据图13(b)可得根茎类药材相对筛面跃起的条件为

(28)

由筛上根茎类药材运动状态的分析可知:要使根茎类药材向筛后移动且相对筛面有一定程度的跃起,则摆动筛相关参数应满足以下不等式,即

(29)

根据相关文献[13-15]和上述分析,为满足作业要求,选取筛面倾角为12°,摆动方向角为18°,偏心轮的转速为25rad/s,偏心距为35mm。

为检验所选机构参数是否满足根茎类药材向机具后方抖动运输,采用PROE建立振动筛三维建模,并利用ADAMS软件对振动筛上根茎类药材的位移进行仿真。将根茎类药材形状简化为径向分别为100、60、50mm的椭球体,求解步长为0.001s,仿真时间为2.5s;测量药材质心相对筛面质心x轴、y轴的位移量,仿真得到药材位移变化曲线,如图14所示。

图14 药材位移变化曲线图Fig.14 Displacement diagram of the herb。

图14可以看出:与理论分析一致,药材具有相对筛面上移、下移和跃起的运动状态。在0～2.0s内,药材在沿筛面反复上移下移的过程中逐渐向筛尾靠近,运动规律性较强;在2.0s以后,位于筛尾的药材由于受到惯性力影响,速度增加,药材发生跳动,最后跳离筛面落到机具后方的软土上。由仿真可知,振动筛机构参数的设计满足其作业要求。

3 田间试验及结果分析

3.1 试验条件

试验物料为甘草,选自广东省肇庆市怀集县冷坑镇甘草种植基地。收获时土壤含水率为15%～20%,土壤呈现较为松碎的状态,此时易于根系脱土。

3.2 试验方法与指标选取

为探明收获机相关参数对收获性能指标的影响规律,并找出最优参数组合,选用正交试验方法进行田间试验。选取收获机行进速度A、栅条板倾斜角度B、作业拨杆数量C作为试验因素。收获机行进速度控制在0.4～0.8m/s之间,故因素A选取0.4、0.6、0.8m/s等3个水平;因素B的水平根据栅条板倾角极限范围(4°～12°)选定;因素C可通过拆卸或安装位于弯板链条上的拨杆进行改变。指标为药材的脱土率,即药材净重与收获后药材及其裹夹土壤的总质量的百分比。因素水平表如表1所示。

表1 试验因素及水平Table1 Experimental factors and levels。

3.3 试验结果与分析

选用三因素三水平正交实验表L9(34),安排正交试验的顺序,试验结果和极差分析如表2所示。

表2 正交试验表及数据Table 2 Orthogonal experiment and data。

由表2的极差分析可知影响脱土率的因素主次顺序为:收获机行进速度>栅条板倾斜角度>作业拨杆数量。其较优因素水平组合为A1B2C2,即收获机行进速度为0.4m/s、栅条板倾角为8°、拨杆数量为6个时,收获机的工作性能较优,脱土率为99.8%。

4 结论

1)设计了根茎类药材收获机,通过挖掘铲、输送链、药草茎秆分离机构及振动筛的相继作用,一次完成根茎类药材的挖掘及药材、土、茎秆分离作业,实现了对根茎类药材的机械化收获。

2)利用力的矢量投影定理和动能定理,设计了一种脱附减阻能力较强的组合式平铲;通过建立茎秆层在振动式输送链上的动力学模型,明确了保证茎秆层相对链条稳定升运的理论临界条件;通过分析茎秆的运动规律,研制了一种药草茎秆分离机构;根据对根茎类药材的运动分析与仿真研究,确定了摆动筛的机构参数。

3)田间试验表明:当收获机行进速度为0.4m/s、栅条板倾角为8°、拨杆数量为6个时,根茎类药材收获机的综合工作性能较优,脱土率为99.8%,满足根茎类药材收获的技术要求。