平贝母收获机设计

初金星,李晓明,陈维刚

(黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨 150081)

0 引言

平贝母是一种常用中药材,为百合科植物,它的干燥鳞茎具有清热润肺、止咳化痰的作用,主产区为黑龙江、吉林、辽宁、山西、陕西及河北等省份[1-2]。平贝母除了可以用作方剂外,还可用于配制复方贝母片等多种中成药,用药量较大[3-4]。另外,随着人们对保健食品和药膳认识的提高,以平贝母为原料的保健食品和药膳越来越被人们所重视和接纳,这些都需要大量的平贝母药材供应[5-6]。

传统平贝母从种到收多采用人工加简单机械辅助,效率低下,劳动强度大,平贝母产量无法满足市场的需求。据研究表明,平贝母最佳采收期在5月30日—6月20日之间[7]。可以看到,平贝母的最佳采收期较短,收获时间紧,如不能在最佳收获期完成收获,则会影响平贝母的产量和质量,最终影响药农的收益[8-9]。因此,实现平贝母收获机械化,成为平贝母种植业急需解决的问题。

针对上述问题,通过对平贝母的生长状态与土壤环境等进行分析,设计出一台能够同时实现平贝母挖掘、鳞茎与枝叶分离、升运、筛分与排杂的平贝母收获机。该机结构紧凑,能够解决药农无法在最佳采收期内及时采收大面积平贝母的问题,使药农从繁重的体力劳动中解脱出来,为平贝母种植产业的发展提供基础,也为同类药材收获机械的研究与应用提供一定参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构及主要技术参数

针对平贝母种植模式、农艺要求与生长环境的分析,确定该平贝母收获机的设计目标。该机的设计原则为:结构紧凑,体积小质量轻;能够适合平贝母种植的行距和栽培制度;筛分效率高,保证在正常湿度下,能够较好地将平贝母鳞茎、枝叶和土壤分离;损伤率低,保证平贝母的质量。

基于以上设计原则,设计了一种结构紧凑、高效率、高可靠性、低损伤率的平贝母收获机,其机构示意图(图1)。该机主要由挖掘装置、碎土机构、杆式升运器、环形板链式升运装置、振动筛分装置及高度可调机架组成。该平贝母收获机的主要技术参数如表1所示。

表1 平贝母收获机主要技术参数图

1.2 工作原理

该平贝母收获机能够一次实现平贝母的挖掘、鳞茎与枝叶分离、升运、排杂、筛分及人工装袋等作业。具体工作过程:拖拉机通过悬挂装置连接平贝母收获机,带动收获机前进,前端挖掘铲将平贝母挖掘出土(挖掘深度可以通过后方液压缸调节),挖掘铲上方安装有弹齿的碎土机构,能够将表层土壤打碎,同时将平贝母鳞茎与枝叶分离,挖掘。

被挖起来的平贝母鳞茎与枝叶、土壤的混合物(以下简称贝土)沿着挖掘装置上升,后通过杆式升运器提升至环形板链式升运装置中,杆式升运器在提升过程中,可以过滤掉部分土壤。随后贝土通过环形板链式升运装置垂直运输到振动筛分装置。该环形板链式升运装置右侧下端设置张紧装置,板链上也开有均匀排列的孔,在升运过程中对贝土进行第二次简单筛分。振动筛分装置共有三层,最上方一层筛孔较大,主要将平贝母的枝叶及较大的土块分离,从收获机后方的排杂层出料口排出;中间层与第三层负责将平贝母鳞茎与土壤分离,筛分出来的平贝母鳞茎沿着出料口流出,流入后方进行人工装袋。

2 关键部件设计

2.1 挖掘装置的设计

挖掘装置里挖掘铲的铲面为平面,结构简单、制造容易。为了保证铲刃的自动清洁和良好的入土功能,带斜刃的三角形铲应用广泛[10-11]。根据挖掘断面和滑切性能的要求,铲刃夹角可以取不同的值(图2),其中a铲适用于垄作,b铲适用于垄作和收获其他块根作物,c铲适用于平作。根据收获作业实际,该平贝母收获机采用图中b所示90°的刃角。

图2 平面单铲

为了使每个铲的铲刃斜角尽可能取小些,从而使铲的铲刃斜角具有良好的滑切性能,该平贝母收获机的挖掘装置采用平面多铲结构,即平面铲由多个相同的铲组成,直接安装在横梁上焊合而成[12]。挖掘装置后端设置活板,以适应地面高低不平的作业环境,减小阻力,具体结构如图3所示。

1.横梁焊合;2.活板;3.平面铲图3 挖掘铲结构示意图

2.2 碎土机构的设计

碎土机构采用弹齿滚动结构,主要由六方管、弹齿托板、弹齿压板、钢丝弹齿、端轴和螺栓组成。具体结构如图4所示。

1.端轴;2.钢丝弹齿;3.弹齿压板;4.螺栓;5.弹齿托板;6.六方管图4 碎土机构机构示意图

该收获机共有两组碎土机构,沿着挖掘铲的斜面上下平行排布。两组碎土机构的弹齿交错排布,以避免两组弹齿在旋转时发生干涉。工作时,在拖拉机动力输出轴作用下,通过链传动使两组碎土机构获得不同的转速,通过两组弹齿的速度差,实现能更好打碎表层土块和平贝母枝叶的效果。碎土机构转速参考同类机构的转速在100 r/min左右,确定上下碎土机构的转速分别为90 r/min和108 r/min[13-14]。

2.3 升运装置的结构设计

升运装置负责将流入的平贝母与土壤混合物升运至振动筛分装置上方。该机构采用环形板链式升运装置,在保证升运速度与效率的同时,节省升运距离,缩短整机长度,使整机结构更加紧凑,减轻整机质量,使收获机在作业时更加灵活轻便。

升运装置在提升平贝母与土壤混合物的过程中,承受较大阻力,因此通过增大主动链轮直径增加链轮与链条相交的齿数,使升运装置支架上形成一定角度(向下倾斜),进而增加链轮包角的方法,来获得足够的驱动力。

2.4 振动筛分装置的设计

2.4.1 筛网几何参数的确定

振动筛分装置对筛网的要求是有足够的强度和耐磨性,开孔率高且不堵塞筛孔。常用的筛网按照制作方法不同分为冲孔筛和编织筛(图5)。冲孔筛网采用薄钢板(0.5～2.5 mm)按照一定规律冲压成不同形状的孔,孔的形状有圆形、三角形、长孔形等,最常用的是圆孔筛和长孔筛[15-16]。

图5 筛网种类

该机的振动筛分装置分3层,最上方一层负责筛除平贝母枝叶,采用圆孔筛。由于平贝母枝叶较长,可以将上层的筛网孔径设计较大。通过试验得到经过碎土机构作用后的平贝母枝叶与鳞茎分离,枝叶长度普遍在60 mm以上,因此确定最上层的孔径为60 mm。根据药材的收购要求,只有直径大于8 mm的平贝母才能作为成品出售,因此中层采用孔隙宽度为8 mm[17],长为50 mm的编织筛。最下层为排土板,目的是将筛分出来的土壤越过升运装置底部,在整机后方排出,因此该层采用不开孔的钢板。

2.4.2 振动筛分装置的长宽确定

振动筛的宽度主要由振动筛的生产率、物料厚度、容积质量及物料的平均运动速度决定,可由下式确定

(1)

式中B—筛面宽度,m;

Q—振动筛的生产率,t/h;

h—筛面上的物料厚度,m,一般控制在0.01～0.035 m;

vm—筛上物料运动的平均速度,m/s;

γ—物料的容积质量,t/m3[18]。

物料的平均速度与振动筛的激振力大小、频率、振幅及筛体与水平面的夹角等条件有关[19-20]。根据经验,一般振动筛平均速度0.3～0.7 m/s,这里取vm=0.5 m/s,Q=150 t/h,h=0.03 m,γ=2.3 t/m3[21]。代入公式(1)计算得到筛面宽度为B≈1.2 m,一般为了保证振动筛的筛分效率,振动筛长宽比为2∶1[15],所以这里取振动筛长度为L=2.4 m。

3 总结

本文设计的平贝母收获机,能够一次性实现平贝母挖掘、鳞茎与枝叶分离、升运、筛分与排杂,最后由人工辅助装袋。介绍了平贝母收获机碎土机构,升运装置,振动筛分装置的具体结构,并根据公式对关键部件的设计参数进行了分析计算,确定了平贝母收获机的部分设计参数。为平贝母收获机械的研发提供了一定的参考。