根茎类中药收割机的设计与研究*

张永军 ，柳 晨 ，李凌鹏 ，敖淑楠 ，郭海军

（兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730000）

中药材具有药理作用温和、成分健康等特征，在预防慢性疾病方面有明显效果，甚至在整个医药学领域中占有至关重要的地位。随着中药材的药品价值被专业人员所证实，国内对中药材产品的需求量呈现逐年递增的趋势。据相关部门统计，2019年甘肃省中药材种植面积465万亩、产量130万t，已经成为我国北方中药材主要集散地之一。但值得注意的是，随着中药材种植范围的进一步拓展，对中药材收割机械设备性能提出了更高的要求。由于很多中药材根部较为发达，主要生长在土壤深层位置，为了提高药材根茎的完整性，要合理控制挖掘深度，保证挖掘深度高于药材根深。而且，在挖掘中会出现大量杂草根茎和根茎混凝土，所以挖掘铲不仅要具备较强的入土性能，还要拥有破碎分离功能，避免出现土壤拥堵现象。针对上述问题，工作人员要全面分析根茎类中药材生长环境和生理特征，设计出振动式挖掘装置，在确保药材根茎完整性的基础上，合理控制挖掘阻力，全面提升碎土效果，降低机械能耗[1]。

1 挖掘装置工作原理

挖掘装置结构主要包括摆杆、挖掘铲支撑架、减速器、牵引架、挖掘铲等结构，如图1所示。挖掘装置通常设置在整个设备的最前端，利用拖挂架连接牵引车，在减速机的输出轴上分别设置摆杆连接机架和挖铲支座，并在带轮上安装偏心轮，以确保挖铲支座与偏心轮的相互连接。掘进装置正常运转时，通过牵引车动力输出轴输出动力，通过减速机后，引导皮带轮运转，并在皮带轮引导下转动皮带轮上的偏心轮，使挖掘铲进行平面运动，并随牵引车前进工作，自主切割挖土。

图1 挖掘装置结构示意图

2 挖掘铲设计

2.1 挖掘铲结构设计

站在运动形式的角度分析，挖掘铲主要包括振动式挖掘铲和固定式挖掘铲；从形状方面分析，挖掘铲主要分为平面三角挖掘铲和栅条挖掘铲，通常来说栅条挖掘铲以振动式为主，平面三角挖掘铲是固定式。振动式栅条挖掘铲破碎分离效果较强，能避免挖掘过程出现拥堵问题，但其挖掘深度较浅，入土性能较差，在工作中时常出现挖断问题。而固定式三角挖掘铲具有较强的入土性能，挖掘深度远大于药材根部长度，但其破碎能力较弱，铲面容易附着大量茎土混合物，从而产生严重的拥堵问题[2]。

通过分析，发现挖掘铲主要包括尾部U形导杆、铲刃、铲体等，其中，其铲刃整体为锯齿形，由很多小型三角铲组成，依次固定在铲体上。在铲体后部设置U形导杆，不同导杆间距基本相同，工作中通过四杆机构带动整体挖掘装置运行，运动形式为振动式，能有效控制挖掘阻力，有利于挖掘机挖掘到更深的土壤，拓展和土壤的接触面积，全面提高其碎土能力，挖掘出大量茎土混合物。在U形导杆和铲面振动作用下，将土壤运输到地面，将药材根茎传输到分离装置中，保证初次分离操作流程顺利进行。

2.2 挖掘铲数据确定

2.2.1 铲刃张角

在采收药材的过程中，为了避免收割机上缠绕大量杂草根茎，造成刀刃存在安全隐患[3]。抢收时，工作人员要采取滑行切割的方式进行抢收。

挖掘铲铲刃受力分析如图2所示，其中，R0表示铲刃承受的茎土混合物压力；E表示挖掘铲上的点位；P0表示铲刃所承受的挖掘阻力值；F0表示铲刃和茎土混合物的相互摩擦力。

图2 挖掘铲铲刃受力分析

因此，在应用滑切方式进行挖掘时，要满足如下要求：

分析上图，得到如下公式：

查阅相关试验数据可知，合理控制铲刃张角对提高机械设备工作性能有重要作用，如果铲刃张角过大，根本无法切割杂草根茎，会堵塞挖掘铲；如果铲刃张角较小，想要达到预期的挖掘宽度，就要拓展铲刃宽度，增加挖掘铲的挖掘阻力。通过公式（2），可知挖掘铲铲刃张角应小于94°。

2.2.2 入土角

挖掘铲入土角和挖掘铲入土性能、挖掘深度有直接关联。为了满足预期的挖掘效果，使挖掘过程对药材所产生的影响最小，挖掘铲在工作中要合理控制入土角度，完整挖掘药材根茎，保证掘出物在铲面上进行均匀运动，保证其能顺利传输到挖掘铲后侧，避免其掉落，全面分析茎土混凝土的受力情况。根据入土角理论知识，工作人员要通过平衡方程，计算出挖掘铲运动作用力。

试验显示：入土角和挖掘深度成正比，入土角越小，挖掘深度下降，挖掘阻力降低，随着入土性能的增强，会降低其碎土性能，甚至出现堵塞现象；相反，入土角越大，挖掘深度增加，挖掘阻力增加，降低入土性能，会增加其碎土性能。目前，入土角通常控制在25°。

2.2.3 工作深度

工作人员在利用人工挖掘技术后，要全面分析根茎类中药材根茎实际分布情况，计算得到药材根茎分布范围控制在200 mm～500 mm之间，且药材根须相互结合。因此，在收割过程中，工作人员要保证挖掘深度超过药材根茎最大深度，避免切断主根，给根茎的整体性带来严重影响，降低药材的药用价值，故挖掘铲最大入土深度应大于500 mm[4]。

2.2.4 工作长度

目前，挖掘铲长度是由前端环节和后端环节组成的，其中，前端环节为挖掘铲刃部的铲体环节，主要作用是挖药材根茎，后端环节主要是U形导杆，通常用来运输茎土混合物，保证沿铲面向后输送茎土混凝土。用能量守恒定律来计算后端长度：

计算得出：L1=380 mm，挖掘铲总长度L=L1+L2=772 mm

3 行走执行机构设计

药材收获机的行走执行机构主要分为履带式和轮式两种，其中，在大型药材收获机上广泛使用的是轮式行走机构，其特点是速度快；履带式行走机构一般适用于中小型药材收割机，其特点是转弯半径小、灵活性高。同时，行走模块主要作用是采集收割机的转动速度和直线速度，包括机械液态控制元件和履带底盘，通过控制推杆和方向盘两个环节，对液压阀开关进行调节，确保两驱动轮转速达到药材收割机的使用需求[5]。

4 挖掘装置运动学仿真

4.1 建立仿真模型

通过ADAMS软件仿真振动式挖掘铲，构建健全的三维实体模型图，将其应用到软件方面，完善直角坐标体系，规范X轴运动方向。同时，根据收割机工作中减速器运行的轴转速，将相同数据的转速马达应用到驱动挖掘铲运动偏心轮，将其转速控制为300 r/min，旋转方向为顺时针旋转，仿真时间控制在5 s左右，仅受到重力影响，重力方向垂直向下，全面分析该挖掘装置在垂直与水平方向的数据，如速度、位移、加速变化等数据情况，判断该运动特征是否能满足行业标准[6]。

4.2 仿真结果分析

通过上述仿真分析，能取得完整的挖掘铲运动分析图，在图片上选择挖掘铲铲刃上任意点，将该点作为静止状态的坐标原点，得出其在不同时间X轴方向的移动、速度、加速度变化曲线。X轴方向时间-速度变化曲线如图3所示。通过分析图中的内容发现，在没有明显运动干扰影响的X轴运动中，挖掘铲的最高运动幅度为300 mm，整体呈复式运动。同时，挖掘铲的速度和加速度曲线在X轴上波动幅度较小，说明挖掘铲运动机构具有急剧回位的特点，但这种特征要素较为模糊，工作人员要结合速度、位移、加速度曲线等特征进行分析。分析发现：在挖掘铲进行日常运动时，铲尖在原点位置，挖掘铲初始速度为250 mm/s，速度持续不变，挖掘铲向左侧进行移动，速度呈直线下降趋势[7]。当挖掘铲运动到最左侧时，挖掘铲速度下降到0，加速度最高值为130 mm/s2，挖掘铲向右侧进行移动，速度增加，加速度下降；当挖掘铲重新回到初始位置时，挖掘铲正向速度上升到250 mm/s，加速度下降到0，挖掘铲向右进行持续运动，挖掘铲运行速度降低；当挖掘铲抵达最右侧时，挖掘速度为0，加速度达到最高值，最高数值为110 mm/s2，这时挖掘铲向左侧进行移动，反向增加挖掘铲速度；当挖掘铲回归到原始点位时，速度是反向最高值250 mm/s，加速度下降到0，挖掘铲重复向左进行运动。

图3 X轴方向时间-速度变化曲线

同时，在挖掘铲铲面上选择任意点，将该点作为静止状态的坐标原点，得出其在不同时间Y轴方向的移动、速度、加速度变化曲线。其中，Y轴方向的时间-速度变化曲线如图4所示，可见，在没有明显运动干扰现象的Y轴上，挖掘铲的最高运动幅度为160 mm，运动轨迹曲线呈现稳定状态。并以流畅的Y轴运动速度与加速曲线相互对照，表现出较强的稳定性。结合Y轴加速度、速度、位移等因素变化，发现当挖掘铲运动时，挖掘铲最初速度是180 mm/s，加速度最高值为280 mm/s2，挖掘铲向上进行运动[8]。运动中速度和加速度下降，当挖掘铲运动到达最高点时，速度和加速度下降到0，挖掘铲向下进行运动，这时挖掘铲加速度和速度呈现反向增加趋势；当挖掘铲二次返回原点时，速度和加速度为反向最高值，速度数值为180 mm/s，加速度是280 mm/s2，促使挖掘铲向下进行持续运动，减小其速度和加速度；当挖掘铲运动到最下侧时，速度和加速度数值为0，挖掘铲向上进行运动，速度和加速度呈现正向提升趋势[9]；当挖掘铲回归到原点时，速度和加速度达到正向最高值，速度为180 mm/s、加速度为280 mm/s2。

图4 Y轴方向时间-速度变化曲线

5 小结

综上所述，在使用固定式收割机收割根茎类中药材时，经常出现碎土效果差、入土阻力大、挖掘深度不足、动力损耗大等各种问题[10]。据此，对振动式挖掘装置的工作效果、运动结构、挖掘参数等数据，运用理论计算和数据模拟的方法进行综合分析。经实践证明，改良装置应用锯齿形平面三角铲，入土角度控制在20°左右，工作深度大于500 mm，铲面长度为772 mm，其水平方向运动速度趋势与余弦函数曲线基本相同，垂直方向属于正弦函数曲线，其运动结构采用四连杆式结构，便于进行平面运行操作。