中草药根茎类作物收获机的研究

巩自卫，陈立涛，杨 瑞

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃武威 733006）

0 引言

经济作物主要包括油料、茶叶、糖料和中草药材等，其在我们的实际生活中具有极其重要的作用。并且对全面的国家经济增长以及社会的安宁有着决定性的影响。作为一种特殊的经济农作物，中草药材的社会经济效益相当显著，不仅能够实现精准扶贫和乡村复兴的目标，而且在防疫方面也展现出了显著的效果，这为中草药材市场带来了新的发展机遇。我国是中医药起源地，在这当中根茎类中草药在交易市场占比较高，在我国，中草药收获机械的技术水平并不高，效率也相对较低，这严重制约了中草药行业的健康发展。随着中草药收获机的需求量逐渐增大，提升中草药收获机的技术水平对于优化农业劳动力和提升药农收入具有关键性的影响。

1 根茎类中草药收获机械化研究现状

现阶段，主要参考马铃薯、胡萝卜、花生等收获机的优势进行改良。通过对挖掘机构、分离机构和输送机构的实验研究，提高根茎类中草药收获机的运行效率，使其能够满足各种地理环境、各种农业需求的根茎类中草药收获任务。通常，根茎型的中草药收割设备包括主体结构、开采设备、分割设备、传递设备和采集设备等部件。在这当中挖掘机构、分离机构、输送机构为核心部件。伴随着自动化与智能化农机的进步，根茎型中草药收获机也引入了更多的自动化与智能化科技。其主要组成部分的设计参数以及工作参数会依据工作环境进行自动调整，从而提升其在各种情况下的适用性。

2 中草药根茎类作物收获机

2.1 挖掘机构研究

在各种根茎类中草药中，其根系通常生长得相当繁茂，并且广泛地分布在土壤的各个角落。这些根部与土壤形成一个紧密的联合体，其作用是增强筋的力量，以提升土壤的抗剪力和土壤与根部的剥离困难。为确保根茎类中草药的完全性，挖掘设备的工作深度必须超过其最大的根部深度。挖掘过程可能导致部分的根土、杂草混合，因此，挖掘设备必须拥有足够的工作深度以及卓越的入土特征，并且必须拥有高效的土壤破碎和分离功能。

2.1.1 挖掘铲

挖掘铲直接对土壤施加力量，破坏坚硬的土壤，使其松散，并通过破坏其粒度构造来达到削减和粉碎土壤的目的，避免由于大量土垡引发的堵塞问题，同时降低挖掘的阻力。所以，挖掘铲的运用会直接决定收成的品质。在考虑到不同地区的挖掘需求后，我国很多科学研究单位开发了大量的挖掘铲，依据其平面设计形状，主要涵盖了平面铲、曲面铲、叉齿铲以及组合铲。

平面铲的设计相当简单、精致、实用且易于创建，同时也比较容易进入土壤，因此具备广泛的使用领域；采用仿生科技制作的曲面铲，其铲面的弯曲形状仿照了动物的挖掘器官表面，从而实现了减少粘性和阻力的目标，并且还可以增加使用寿命。但是，这种铲面的特征及其制作流程极为复杂；叉齿铲较易入土，能缩小铲子与土壤的接触区域，降低挖掘的难度以及拉动的难度，更适合破碎土质并将其分开，但其稳定性相对较弱，很容易导致叉齿或者是拉伸的栅格被打破；组合铲可以有效地将碎石分离，减轻挖掘的难度并降低铲前的积土，但其构造较复杂。伴随着制造技术的发展，对于中草药挖掘任务的深度和速率的标准也在逐渐增长，必须解决其容易积水、难以挖出的问题，因此，融入了仿生科学的组合挖掘设备将会是未来的发展方向。

2.1.2 挖掘机构

根据挖掘铲的移动方式，可以将挖掘机构划分为固定型、推进型以及混合型等。一般来说，固定式的挖掘机构和支撑结构的联结都依赖于机械部件，主要包括挖掘铲以及支撑结构；在推进式挖掘机构工作的过程中，其驱动系统非常繁琐，而且，在驱动力的驱使下，挖掘铲可以实现如回转、旋转等各种功能；混合型挖掘机构即为由二种以上挖掘机构组合构成的挖掘机构。

在收获根茎类的中草药时，固定式的挖掘机构和震动式的挖掘机构被大量应用，而旋转式的挖掘机构以及混合式的挖掘机构的应用则相对较少。以某元胡专用的固定挖掘机构为例，在使用该机构进行挖掘操作之前，通过EDEM离散元模型，可以对各类型的挖掘角度以及不同的工作速率进行调节，以探讨其对挖掘阻力的影响。振动式挖掘方法被视作一种有效的阻力削减手段，相关的科学家们已经借助于理论分析与实际操作，对此方法的阻力削弱机制进行了深入的研究，并且可以将其划分为强制性和自我驱动两种振动模式。

一般来说，浅根茎中草药收获机会选择使用固定式的挖掘机构，其结构简洁，操作和维护都十分便捷，而且其稳定性也比较强。然而，也有一些问题需要解决，如挖掘的深度不足、进入土壤困难、能源消耗过高、破碎土壤的效果不佳等。深根茎中草药收获机会使用被迫振动的挖掘机构，这样能够显著减少挖掘的难度，并且具备很好地破碎土壤的能力；目前，组合型挖掘机构的结构复杂且制作过程艰难，但能够适应多样化的挖掘环境。未来，其将被用于自动化的收获机构，并且能够适用于深层次的中草药收集。

2.2 分离机构研究

分离机构同时具备输送功能，在操作过程中需要承担的压力相当大。由于根茎类中草药的挖掘深度很大，土壤的推进量也相当大，所以对其的产品性能有着较高的要求。现阶段，比较常见的分离机构包括升降链式、剥离筛式和滚筒式等。

2.2.1 升运链式

升运链式分离设备也被叫做杆条式升运器，一般是由杆条、链条以及振动器组合而成。依照其所采用的链式结构形式，还能进一步划分出如链杆式、钩杆式以及带杆式等。例如，针对百合在传输分离过程中容易受到破坏的问题，研制了一种带有杆的提升装置。通过使用离散元素的模拟仿真来进行破坏原因的研究，能够确定装置的操作速率、提升装置的链条速率以及提升装置的倾斜角度等关键参数的范围。针对丹参的机械化收割，开发了一种链杆式清土传输设备。为增强该机构的清土效能，安装了一个带有机械震动的链轮，使传输设备产生震动。如此，经过挖掘的丹参就能被彻底清除土壤，然后被传送到传输设备内。目前，关于升运链式剥离机构的基本理念已经被深入探讨，并且技术已经趋于完善。这种机构的剥离效果优秀，即使在倾斜角度增加的情况下也依然保持着良好的传递力，因此被普遍采纳。然而，由于此类机构在使用过程中的磨耗速度加快，部分零部件容易遭受破坏，从而导致了机构的故障率极高。

2.2.2 剥离筛式

通常，剥离筛式的分离设备是由剥离筛以及驱动器所组成的。剥离筛有许多种，按照其移动模式，可以将其划分为振荡式、摆动式等。而按照其表面的设计，则可以将其划分为如杆状筛、锯状筛、编织筛以及混合筛等。比如，平贝收获机采用了偏心轮式振动剥离筛，通过对振动设备的动力学分析，并利用Matlab优化软件来调节振动设备的关键参数，如偏心轮的直径和旋转速度，以降低平贝机械化收获的损耗率；又如，在板蓝根机械采集过程中，开发了一种配有筛条和筛板的摇摆式根土剥离筛，针对偏心机构、双摇杆机构以及组合筛面的构造进行了深入的设计，并结合根土聚合物在于筛面的顺向、逆向以及投掷运动中的变化情况，确定了影响采集效率的主要因素包括筛面的倾斜角、旋转的旋钮以及旋转的旋钮的速率。振动型剥离筛的结构设计精巧且稳固，因此经常在根茎型收割机中使用。然而，摇摆型剥离筛的惯性力稳定性有所欠缺，但动态负载较大、碎土功能较好和分离强度较高等，可以将筛面的混合物迅速向剥离筛尾端传送，其传送效率高。

2.2.3 滚筒式

滚筒式分离机构在承载力方面表现出平稳性、故障概率小、耐久性强以及能源利用效率高的特性，但设计过程却相当繁琐，生产过程也相当艰巨。比如，一种配备了扬料板的滚筒式分离器，能够被机械化地收集平贝母。利用液压马达来推动滚筒的旋转，从而实现了滚筒的无级调速。滚筒筛的内部配备了特殊的扬料板，不只可以帮助物质从滚筒里向外移动，也可以执行物质的旋转操作。该筛分装置对于短根茎及块状根茎的中草药特别适合，但必须在水分含量和黏稠度相对较少的土壤条件下才能完成筛查任务。

2.3 输送机构研究

输送机构的核心功能是将物料转移，可以实现分离和等级性能。在如薯类、花生等农作物收获机中应用非常普遍，且其技术工艺相对成熟。根据传输等级，可以被分为一级、二级和多级传输。对于根茎类中草药的传输设备，可以参考薯类的传输设备进行改良或直接采用，主要有网链传输设备、刮板传输设备、辊轴传输设备等。比如，太子参收获机采用了网链输送机的方式进行传输，其中，传送网带的两端装有传动链条。这些传动链条和传动轴上的链轮共同起到驱动的作用，通过调节传送网带的松紧度，能够在运行过程中产生一定的自我激励振荡，从而帮助进一步分离出微小的土壤颗粒。研究表明，最佳的倾斜角度应该在20°～30°之间。按照其结构类型，刮板运输机可以被划分为带式运输机和传动链条运输机。在4B-1200型平贝母的收割过程中，由于黏性的土壤容易渗透至带式运输机的传送带，引发了侧滑及堆积的问题。因此，需对逆向升运器进行改良，并通过理论分析方法，精准地定义升运器的设计及运行参数。其倾斜角度达45°，线速达0.26 m/s，从而使得升运的效能增加了两倍。

针对拥有多样的物理属性与外观尺寸的根茎类中草药，可以采用多样化的输送机构，以确保传输效率，并避免中草药与传输设备相互缠绕，从而导致根茎类中草药受损。目前，在短根茎类以及块状根茎类的植物上，通常采用网链或者刮板这样的传送工具，而在长根茎类的植物上，则倾向于采用刮板或者辊轴这样的传送工具。

3 根茎类中草药收获机存在问题

现阶段，我国的科学家们已经深入地研究和开发出了各种根茎类中草药收获机，然而中草药收获机械化的发展仍处于初级阶段。根茎类中草药与主要粮食作物的收获机械化程度存在显著差异。在实际应用中，根茎类中草药收获机仍面临着挖掘难度大、收获效率低下和损坏率高等问题，这些问题主要源于多种复杂且多元的因素。

3.1 农业机械和农业技术的整合程度还不够

根茎类中草药的种类繁多，就算是同一类别，在不同的地理环境下的种植方式和农业技术规范也各不相同。比如，农业技术标准包括直接播种、全方位覆盖、膜上种植、膜侧种植、挖沟、建畦和起垄等，这使得对于机械化收获的需求各异，对于配套的收获机械构成了巨大的挑战。

3.2 对于联合收割设备的开发热情不足

根茎类中草药大部分是在丘陵山区以及一些小型土地上进行栽培的，但受到地理条件的约束与影响，通常需要配合手扶拖拉机等动力设备和微型收获机进行作业，导致通用联合收获机械的性能难以达到预期，所以，企业在研究和制造根茎类中草药收获机方面的积极性相对较低。

3.3 对于收集率与损坏率的全面探讨不足

由于每一个地方的土壤都拥有自身的物理特征，这就引发了土壤、根系的整体物理力学参数和模型的不同，对于不同种类的草本植物、土壤以及机器的交互原理还没有完全弄清楚。对于挖掘工作以及分离工作，对于收集的完整度和损坏度的全面研究还没有进行，而且对于机械化收割流程中，对完整度和损坏度的主要影响元素也还没有弄清楚。

3.4 缺少关于收获作业的自动化管理技术的探讨

对于各种地理位置、各种类别的根茎型中草药，其采集设备与分割设备的操作规格各异。目前，采集设备的操作规格无法及时调整，如挖掘刀的角度、深度及速度等操作规格。而分割设备则无法基于根土的投放量来即时调整其振动的频率、速度等操作规格。至今，关于各种根茎型中草药采集操作规格的智能化管理技术的研究还处于初级阶段，主要是通过人为的方式来确定采集设备的操作规格。

4 根茎类中草药收获机发展趋势

1）为了应对深层次植物挖掘过程中出现的挖掘深度不够、阻碍较大和能源消耗过多的难题，挖掘设备正在朝着节能型的方向发展。需要更充分了解土壤的切割和挖掘设备的功耗损耗，开发结合仿生科学和振动降阻科学的复合型深挖设备，以此来达到节能型的深挖新技术。

2）为了提高机械收获效率，推动分离设备与传递设备的柔性减损技术的发展，需深入探讨不同的土质条件及根茎型中草药的物理属性，并详细评估其在损耗方面的贡献。同时，增强对在机械化收割过程中，根茎型中草药受损原因的研究，开发出适用于所有设备的柔性收割核心技术，减少机器收割的损耗。

3）智能化的收割设备正在逐步演进，为了满足各种农耕方法和工作条件，可融合基于北斗的智能调节系统，使挖掘设备、分割设备和运输设备都具备自我调节的功能，从而可以适用于各种根茎类药物、各种地理位置及各种农田环境的机器收割任务。

5 结语

伴随着小型土地的密集分布，中草药的种植区域也在不断增加。目前，收获方式已经从手动或半机械化转为机械化，并且从传统的挖掘机向联合收获机进化。现阶段，必须解决中草药与机械、农艺相结合的核心问题，以增强收获机的田间操作适应性，并且最后将朝着智能化的联合收获机方向前进。