振動(dòng)式平貝母等級(jí)篩分機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

宋江，王明，劉麗華，劉天祥，韓霞，鄭桂萍，歷銳

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

平貝母（Fritillaria ussuriensis Maxim）為百合科（Liliaceae）貝母屬FririllariaL.植物的鱗莖，味苦、甘，性微寒，具有清熱潤(rùn)肺，化痰止咳功能[1]。平貝母是我國(guó)較為名貴的傳統(tǒng)大宗藥材，更是我國(guó)出口創(chuàng)匯的重要商品，在國(guó)內(nèi)外中藥材市場(chǎng)上頗受青睞。傳統(tǒng)平貝母藥材以野生為主，近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)出現(xiàn)人工栽培方式[2-4]。主產(chǎn)于黑龍江、吉林及遼寧等省的東部山區(qū)，與我國(guó)川貝母、浙貝母“三分天下”。統(tǒng)計(jì)資料表明，2006年，全國(guó)平貝母種植面積為1.6 萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為2 萬(wàn)t，2010年達(dá)到1.8 萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為2.4 萬(wàn)t，分別比2006年增長(zhǎng)12.5%和20%。然而，平貝母生產(chǎn)機(jī)械裝備，尤其是收獲機(jī)械，卻極為匱乏，根本無(wú)法滿(mǎn)足其規(guī)?；a(chǎn)之需求。

平貝母等級(jí)分級(jí)是平貝母收獲的重要環(huán)節(jié)。等級(jí)分級(jí)的目的:一是對(duì)其藥材商品進(jìn)行分級(jí)以便于銷(xiāo)售，二是對(duì)繁殖材料進(jìn)行分級(jí)以便于規(guī)范生產(chǎn)[5]。目前，貝母等級(jí)篩分主要集中在采收分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定和分級(jí)方案的選擇上，鄭軍以1～3年生人工栽培川貝母鱗莖的高、直徑和單粒質(zhì)量為指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，并制定采收分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為后期鱗莖繁殖的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化做指導(dǎo)，程立杰采用鋼絲網(wǎng)制作的滾動(dòng)圓篩對(duì)平貝母進(jìn)行等級(jí)篩分[6]。這些研究成果雖然可以為平貝母等級(jí)篩分機(jī)械系統(tǒng)的研發(fā)提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)參考，但對(duì)于平貝母篩分過(guò)程中分離能力、破損等方面問(wèn)題及針對(duì)上述問(wèn)題提出的機(jī)械系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)尚無(wú)報(bào)道。因此，針對(duì)上述缺陷設(shè)計(jì)了一種適合東北東部山區(qū)種植的振動(dòng)式平貝母等級(jí)篩分機(jī)，同時(shí)也為平貝母收獲機(jī)械設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，振動(dòng)式平貝母等級(jí)篩分機(jī)[7]配套動(dòng)力為6 kW 的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，整機(jī)由上層篩面、中層篩面、下層篩面、排雜裝置、機(jī)架和傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。

1.2 工作原理

作業(yè)前，調(diào)整手柄將4 個(gè)支腿收起，通過(guò)行走輪把平貝母等級(jí)篩分機(jī)運(yùn)至工作地點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整可調(diào)后擺桿有效工作長(zhǎng)度，確定篩面傾角。

作業(yè)時(shí)，調(diào)整手柄將4 個(gè)支腿放下，行走輪離地，將平貝母壟掘起，平貝母根莖和土塊一起裝入振動(dòng)式平貝母等級(jí)篩分機(jī)上層篩面，在柴油機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下，平貝母根莖和土塊垂直篩面向上跳動(dòng)和沿篩面前后滑移，直徑小于篩孔直徑的土塊和馬鈴薯分別從上、中、下層篩網(wǎng)中漏下，直徑大于篩孔的平貝母直接收集，完成了三次分離，分出了四個(gè)等級(jí)的平貝母，分出的平貝母采用水洗法清理干凈土壤、碎石等雜質(zhì)，便于后續(xù)烘干室干燥。

圖1 振動(dòng)式平貝母等級(jí)篩分機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified mechanism of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 篩面組件

篩孔幾何參數(shù)是篩孔設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，是決定平貝母等級(jí)分級(jí)的準(zhǔn)確性、堵塞情況和破損重要依據(jù)。

選取1～3年生人工栽培川貝母鱗莖的三維尺寸（長(zhǎng)、寬、高）為指標(biāo)，通過(guò)測(cè)定與統(tǒng)計(jì)分析確定，上層篩孔最小尺寸為13×20 mm；中層篩孔尺寸為9×18 mm；下層篩孔尺寸為7×10 mm，在保證準(zhǔn)確分出土層中所有平貝母和保證篩分率的前提下，通過(guò)改變傳統(tǒng)篩孔形狀，達(dá)到降低篩孔堵塞和平貝母破損的目的。

如圖2 所示，試驗(yàn)表明：平貝母在鋼絲網(wǎng)篩面篩分時(shí)，其運(yùn)動(dòng)是平貝母根莖和土塊垂直篩面向上跳動(dòng)和沿篩面前后滑動(dòng)，平貝母根莖和土塊垂直篩面向上跳動(dòng)增加平貝母的透篩機(jī)率，而前后滑動(dòng)過(guò)程中增大了平貝母刮傷的機(jī)率，尤其是垂直于運(yùn)動(dòng)方向的鋼絲，在篩面運(yùn)動(dòng)速度較快的情況下，平貝母刮傷的情況極其明顯，同時(shí)篩網(wǎng)線(xiàn)直徑過(guò)小使得平貝母根須頑固地纏繞在篩孔上，篩孔變小，堵塞嚴(yán)重，為解決上述問(wèn)題，創(chuàng)造性的將篩面制作成由篩面和長(zhǎng)條形篩孔組成的篩面，如圖3 所示，其上、中、下層長(zhǎng)條形篩孔的尺寸分別為13×40 mm；中層篩孔尺寸為9×30 mm；下層篩孔尺寸為7×20 mm。這些篩孔在保證分離的準(zhǔn)確性和很好的透篩性的同時(shí)，該篩面可以起到降低篩孔堵塞和平貝母破損的目的：①平貝母根須長(zhǎng)度為40～60 mm[9]，為保證平貝母根須不纏繞篩孔，由L=2x 得篩孔的最小間距x=30 mm；②篩孔在垂直運(yùn)動(dòng)方向開(kāi)圓角可以大大緩解平貝母在篩面上滑動(dòng)時(shí)破損情況。

圖2 鋼絲篩Fig.2 Wire sieve

圖3 篩面圖Fig.3 Screen surface

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

2.2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析

傳動(dòng)系統(tǒng)配置如圖4 所示，曲柄輪d 與連桿連接，連桿與篩面連接，同時(shí)篩面還與前、后擺桿連接。動(dòng)力由柴油機(jī)帶輪傳入安裝在機(jī)架上的皮帶輪，再由皮帶輪傳動(dòng)至曲柄輪，曲柄輪上動(dòng)力帶動(dòng)連桿使篩面作往復(fù)振動(dòng)，完成對(duì)平貝母的等級(jí)篩分，振動(dòng)篩體通過(guò)機(jī)架兩側(cè)的前擺桿、后擺桿懸掛在機(jī)架下部。作業(yè)時(shí)，后連桿可調(diào)，使振動(dòng)篩按不同角度作往復(fù)振動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)平貝母篩分。

初步選定振動(dòng)篩篩面初始安裝傾角為23.5 度（小于平貝母在篩面上的自然休止角），四連桿機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)為曲柄長(zhǎng)度26 mm；連桿長(zhǎng)度330 m；前擺桿長(zhǎng)度230 m，后擺桿長(zhǎng)度（可調(diào)）630 m；曲柄旋轉(zhuǎn)中心與擺桿旋轉(zhuǎn)中心距離420 m，篩面長(zhǎng)度1 200 mm。

圖4 振動(dòng)式篩分機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 The Simplified structure of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel transmission system

2.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

2.2.2.1 設(shè)計(jì)變量：選取空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的曲柄l1（即偏心距）、連桿l2、前擺桿l3，共3 個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)變量。

2.2.2.2 約束條件：根據(jù)平貝母等級(jí)篩分機(jī)的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)和使用的實(shí)際情況，以及過(guò)去的試驗(yàn)結(jié)果，可得到以下的約束條件:

（1）曲柄l1。即偏心傳動(dòng)輪的偏心距。受偏心傳動(dòng)輪結(jié)構(gòu)尺寸及實(shí)際應(yīng)用的影響，0≤l1≤40 mm。

（2）連桿l2，擺桿l3。根據(jù)偏心傳動(dòng)輪和前擺桿固定點(diǎn)之間的距離及連桿的運(yùn)動(dòng)情況，確定連桿l2的范圍：

l2+l3≥460 mm

（3）機(jī)架間距l(xiāng)4。擺桿l4尺寸受等級(jí)篩分機(jī)尺寸的影響，不宜調(diào)整，可由實(shí)際需要，令其為常量l4= 420 mm。

（4）傳動(dòng)角γ1。根據(jù)曲柄機(jī)構(gòu)傳動(dòng)力的形式，確定角的范圍為γ1≤45°[8-9]。即

其中，0≤x1≤l1，l2-l1≤x3≤l1+l2。

2.2.2.3 目標(biāo)函數(shù)：為了使平貝母等級(jí)篩分機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，降低成本，提高篩分機(jī)的性能，以空間曲柄擺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的桿件尺寸最小為目標(biāo)函數(shù)：F=min（l1+l2+l3）

2.2.2.4 優(yōu)化計(jì)算：調(diào)用Matlab 優(yōu)化工具箱中的Fmincon 函數(shù)求。

解非線(xiàn)性約束優(yōu)化問(wèn)題[12-13]。運(yùn)行程序，得優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 振動(dòng)式平貝母等級(jí)篩分機(jī)優(yōu)化前后的參數(shù)對(duì)比（單位：mm）Table 1 Parameter comparison of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel optimization

3 田間試驗(yàn)及結(jié)果分析

田間試驗(yàn)在黑龍江省伊春市紅星區(qū)平貝母種植基地進(jìn)行。試驗(yàn)地塊土壤為黑鈣土，土壤含水率為11.2%，堅(jiān)實(shí)度為242 kPa，收獲前一周植株經(jīng)殺秧處理。試驗(yàn)樣機(jī)配套功率6 kW 柴油機(jī)，如圖5 所示。

試驗(yàn)區(qū)段為剛起收的平貝母，且平貝母直徑最小為1 mm，最大為20 mm。性能測(cè)定在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行。

試驗(yàn)中機(jī)具的工作參數(shù)為: 初始篩面傾角為23.5°，曲柄盤(pán)轉(zhuǎn)速為6.5 r·s-1。

圖5 振動(dòng)式平貝母等級(jí)篩分機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)Fig.5 Experimental prototype of vibration type fritillaria ussuriensis grade screen vessel

表2 平貝母等級(jí)篩分機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of the performance test on vibration type Fritillaria ussuriensis grade screen vessel

4 結(jié)論與討論

在保證準(zhǔn)確分出土層中所有平貝母和保證篩分率，又降低篩孔堵塞和平貝母破損的前提條件下，通過(guò)對(duì)平貝母等級(jí)篩分機(jī)的理論分析，提出平貝母等級(jí)篩分機(jī)長(zhǎng)圓孔篩面結(jié)構(gòu)；并對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能與工作可靠性。田間試驗(yàn)表明: 該平貝母等級(jí)篩分機(jī)透篩率、平貝母破損率和篩分準(zhǔn)確率指標(biāo)均達(dá)到了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

提出的平貝母破損率包括表皮擦傷、裂紋、斷裂等，破損程度各不相同，下一步需要通過(guò)平貝母不同破損程度對(duì)干燥后平貝母成分和留種繁殖影響的模擬試驗(yàn)，分析平貝母篩分允許的破損程度，確定允許破損率。

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