麦冬机械化收获根茎土壤分离装置的设计研究*

罗 俊，刘 宇，蒋辉霞，赵帮泰，刘 波，郭 佳，叶江红，梅林森，李 筠，郭 曦

（四川省农业机械研究设计院，四川 成都 610066）

0 引言

三台涪城麦冬是国家地理标志产品，是四川道地药材重要组成部分[1-3]。作为麦冬收获机[4]中最重要的工作组件之一的根土分离装置，其结构性能会对麦冬的收获效率产生较大影响。结合麦冬和土壤的特性[5]，开展麦冬根土分离装置研究显得尤为重要。

国内外学者对各类根土分离装置进行了大量的研究。魏忠彩等[6]采用“两级高频低幅振动分离＋薯秧分离及侧输出＋低位铺放”的薯土分离工艺，设计了一种缓冲式薯杂分离筛。陈学深等[7]研制了一种深根茎类中药材根土分离装置，以甘草为例，通过正交试验，确定了碾压辊表面形状、碾压间隙和驱动轴转速之间的最优组合方案。岳元满等[8]设计了一种甘草振动式茎土分离装置，通过ADAMS 软件对分离装置振动机构进行运动学仿真分析，确定了茎土分离时振动机构质心振幅、速度、加速度范围。崔振猛等[9]设计了一种三七收获机，通过田间试验，以损伤率、收净率为指标，验证了该机的合理性。陈学深等[10-11]基于虎杖生理结构及固土机理，设计了一种双辊式根土分离机构，通过性能试验研究，优化了直线和曲线脱土辊的最优组合参数。

综上所述，国内外学者对一些作物在收获过程中的根土分离装置进行了相关研究，但对麦冬收获机根土分离装置方面的研究却鲜有报道。本文针对黏性土壤下，麦冬根土分离效果差的问题，基于变隙式滚筒碾压碎土、对辊滚筒挤压碎土、离心抛散分离原理，开展麦冬根土分离装置的设计。通过田间试验验证设计的合理性，实现其功能，为下一步结构设计优化提供基础。

1 总体结构

麦冬收获机，以拖拉机为动力，二阶曲面深挖铲[5]将麦冬根土混合物从田间挖出，根土混合物黏结牢固，用普通的抖动分离难以达到生产要求，故依次转运到逐级碾压输送去土装置、双级对辊挤压碎土装置以及离心抛散式循环筛，经过三次碾压碎土、二次挤压碎土、二次循环筛分作业，能有效去除黏附土壤，根土分离效果明显，实现麦冬的高效收获，其总体结构如图1所示。

图1 麦冬收获机结构示意图

2 逐级碾压输送去土装置

2.1 工作原理

挖掘出的麦冬根土黏结牢固，根土混合物需进行首次筛分，有效过筛去除大块土壤，减轻根土混合物重量，方便后续双级对辊挤压碎土和循环筛分作业。变隙式碾压碎土输送技术采用链传动连接转轴，小倾角链条升运，保证土块杂质在升运过程中脱落，实现根土混合物的分离，保证麦冬的平稳输送。

逐级碾压输送去土装置主要由驱动轮、从动轮、升运链以及碎土滚筒组组成。驱动轮带动升运链运行，麦冬根土混合物从从动轮处喂入升运链，在升运链上方布置有一、二、三级碎土滚筒，形成的碾压间隙由大逐渐减小，碎土滚筒上按照一定顺序设计有柔性螺旋弓齿，通过动力带动碎土滚筒旋转对麦冬根土混合物进行三次碾压，可有效将大块泥土裂解并筛分出大部分碎土，碎土从升运链的间隙中掉落，升运链上的麦冬根土混合物随之进入下一级碎土装置。逐级碾压输送去土装置结构如图2所示。

图2 逐级碾压输送去土装置结构图

2.2 碾压碎土过程分析

为了不损伤麦冬根茎，经挖掘的麦冬包含有大量的土壤，根土混合物近似呈球状。为便于分析麦冬混合物的碎土过程，把混合物和碎土滚筒简化成圆柱体处理[1]，则碎土滚筒对麦冬根土混合物的作用力分析如图3所示。

图3 碎土滚筒对麦冬根土混合物作用力示意图

由图3 可知，要使根土混合物能够顺利被喂入碾压碎土滚筒组，需满足：

其中，Fx为麦冬根土混合物在升运链运行方向上所受分力，单位N；

Fy为麦冬根土混合物在垂直于升运链运行方向上所受分力，单位N；

f1为碎土滚筒对麦冬根土混合物的摩擦力，f1＝μ1P，单位N；

为碎土滚筒对麦冬根土混合物升运链运行方向上的分力，，单位N；

f1''为碎土滚筒对麦冬根土混合物在垂直于升运链运行方向上的分力，，单位N；

f2为升运链对麦冬根土混合物的摩擦力，f2＝μ2F，单位N；

P为碎土滚筒对麦冬根土混合物的压力，单位N；

F为升运链对麦冬根土混合物的支撑力，单位N；

P'为P在升运链运行方向上的分力，单位N；

P''为P在垂直于升运链运行方向上的分力，单位N；

μ1、μ2分别为碎土滚筒、升运链与麦冬根土混合物之间的摩擦因数；

θ为压力P与垂直于升运链运行方向的夹角，单位°。

由上可得：

根据碎土滚筒直径D、碾压间隙h、根土混合物直径d与碾压接触点之间的关系可得：

其中，D为碎土滚筒直径，单位mm；d为麦冬根土混合物直径，单位mm；h为碾压间隙，单位mm；

结合式（2）和式（3）可得：

根据压缩试验，麦冬根土混合物发生压缩破碎分离，碾压间隙h与混合物直径d呈线性相关。式（4）中摩擦因数μ1、μ2是固定的，麦冬根土混合物直径d是在一定范围内变化的，由上可得，碎土滚筒直径越大越有利于根土混合物的喂入，设计碎土滚筒组，形成三组不同的间隙，有利于提高碾压碎土效果。但设置更多不同间隙的碎土滚筒、增加其直径都会增加结构的复杂性，导致能耗增加。经试验表明，设置三组碎土滚筒，取滚筒直径（加上弓齿高度）120 mm，喂入和碾压碎土效果良好，满足要求。

3 双级对辊挤压碎土装置和离心抛散式循环筛

3.1 工作原理

逐级碾压输送去土装置不能完全有效去除在麦冬根茎之间形成的粘连土块，需要通过对辊滚筒进行挤压，将存在于麦冬根茎之间的土块去除，再经过循环筛分离出麦冬根茎。双级对辊挤压碎土装置主要由两两形成相对运动的两对对辊滚筒组成，两对滚筒之间形成不同间隙，实现根土的两次挤压，碎土效果更明显；离心抛散式循环筛主要由双节距R 型链条、筛分板和分流板组成，链条上分布有耙爪，能够有效抓住麦冬根土混合物，实现碎土与混合物的分离。结构如图4所示。

图4 双级对辊挤压碎土装置和离心抛散式循环筛结构示意图

经逐级碾压去土装置后的麦冬根土混合物，进入第一级对辊滚筒进行挤压，破碎后的混合物掉落在离心抛散式循环筛上，循环筛带动混合物顺时针作抛洒运动，经过碰撞成为小颗粒土壤，在合适的离心力作用下，这些土壤会从循环筛的缝隙中过滤掉。当混合物运动到循环筛顶部一定位置时，混合物会发生抛送运动，混合物掉落到筛分板上，经过导向，进入第二级对辊挤压碎土装置进行二次挤压碎土，将与根茎粘连的小块土壤进一步挤压破碎。在循环筛运动过程中，与根土混合物分离的、小于循环筛链条之间缝隙而又有机会通过缝隙的土壤颗粒会在自身重力的作用下漏出。分流板的主要作用是防止麦冬根土混合物在右侧形成堵塞，大量土壤经循环筛掉落到右侧地面致使土地左右两侧高低不平。最终经过碾压、挤压以及循环筛过筛后的麦冬根茎通过出料集条收集装置收集，完成麦冬的高效收获。

3.2 对辊挤压碎土过程分析

为了进一步提升麦冬根土的分离效果，采取双级对辊滚筒，实现二次挤压碎土，麦冬根土混合物受力分析如图5 所示。

图5 对辊滚筒对麦冬根土混合物作用力示意图

由图5 可知，要使麦冬根土混合物通过对辊滚筒挤压，达到碎土目的，关键就在于混合物在对辊滚筒间被夹持而不脱落。作如下定义：F1为对辊滚筒二对麦冬根土混合物的挤压力；F2为对辊滚筒一对麦冬根土混合物的挤压力；F3为对辊滚筒二对麦冬根土混合物的摩擦力；F4为对辊滚筒一对麦冬根土混合物的摩擦力；Φ1、Φ2为滚筒对麦冬混合物挤压力方向与两滚筒水平方向形成的夹角；麦冬根土混合物所受挤压力F1的方向为与对辊滚筒之间的接触点的半径方向，摩擦力F3的方向为接触点的切线方向。

如果挤压力F1在垂直方向上的分力大于摩擦力F3在垂直方向上的分力，麦冬混合物就不会从对辊滚筒间隙通过，达不到挤压的目的。当对辊滚筒转速一定时，其直径越小，混合物被挤压的角度Φ1越大，混合物被夹持的重心上移，对辊滚筒对麦冬混合物的摩擦力F3在垂直方向上的分力就越小，混合物容易在对辊滚筒表面上打滑。反之，直径越大，混合物被挤压的角度越小，夹持重心下移，对辊滚筒对麦冬混合物的摩擦力F3在垂直方向上的分力就越大，打滑趋势就越小。滚筒间间隙过大，挤压碎土效果达不到；间隙过小，碎土能力强，但易损伤麦冬。

既要保证挤压碎土的效果，又要防止麦冬受损，确定合适的滚筒直径、间隙至关重要。经试验表明，取对辊滚筒组（含弓齿）直径89 mm，第一级对辊滚筒设置中心距150 mm，第二级对辊滚筒设置中心距135 mm，碎土效果良好，满足要求。

3.3 循环筛筛分过程分析

麦冬根土混合物在循环筛上运动主要作用是筛分和抛送。当循环筛的带速过高时，产生较大离心力，会将根土混合物压实。麦冬根土的分离可以看成是通过筛网之间的间隙进行过筛，而被压实的根土混合物将增加土壤通过缝隙的阻力，使筛分效率降低。同时，过高的带速将使混合物和循环筛具有相同的速度，使混合物贴着循环筛，两者处于相对静止状态。此时，筛网之间的缝隙易被较大的土壤堵死，而且因为无法相对运动，也将降低土壤通过缝隙的概率，降低筛分效率和质量。此外，过高的带速也将使循环筛的磨损增加。反之，循环筛的速度过低，混合物与筛面形成了相对滑动，但混合物无法抛送，使筛面上的混合物堆积，以至于根土分离过程中断。

为了保证麦冬混合物在循环筛上的相对运动和抛送，必须选择合适的带速。经试验验证，循环筛的运行速度取120 r/min 时，90%以上的土壤被有效筛分，分离效果良好，满足要求。

经过根土分离装置，麦冬根土分离效果达到预期设计要求，其效果对比如图6所示。

图6 麦冬收获效果对比图

4 结论

1）本文设计了一种麦冬根土分离装置，采用碾压碎土、挤压碎土、离心抛散筛分，研制了逐级碾压输送去土装置、双级对辊挤压碎土装置和离心抛散式循环筛，实现了麦冬根土分离的功能。

2）田间试验表明，逐级碾压输送去土装置的碎土筛分率达到55%，双级对辊挤压碎土装置和循环筛可将90%以上的土壤筛分掉，根土分离效果良好。

3）田间试验验证了逐级碾压输送去土装置碎土滚筒组数和滚筒直径大小、双级对辊挤压碎土装置滚筒直径和中心距、循环筛运行速度的合理性。

4）田间试验验证了结构的合理性，但未对各参数是否最优进行计算及验证，优化结构参数将是下一步工作重点。