根莖類中藥材采收機(jī)的設(shè)計(jì)及分析*

吳芳霞,倪淑君,盛時永,陳小平

(安徽理工大學(xué),安徽淮南 232001)

根莖類中藥材采收機(jī)的設(shè)計(jì)及分析*

吳芳霞,倪淑君,盛時永,陳小平*

(安徽理工大學(xué),安徽淮南 232001)

鑒于目前中藥材人工種植面積大,但采收機(jī)械化程度低、人工操作強(qiáng)度大及效率低下等實(shí)際問題,設(shè)計(jì)一種新型機(jī)械化藥材挖掘機(jī)。整體結(jié)構(gòu)由手扶拖拉機(jī)、旋切分離裝置、縱向犁地裝置、支撐固定架和振動分離裝置五大部分組成。通過旋切分離裝置實(shí)現(xiàn)藥材的根莖與樹莖旋切分離的功能,采用縱向犁地裝置將樹莖自動撥至采挖地兩旁,再以振動分離裝置自動去除根莖上的泥土與雜質(zhì),提供了一種高效率的機(jī)械化采收藥材的途徑。

中藥材;采收機(jī);設(shè)計(jì);ADAMS

0 引 言

《史記》載“神農(nóng)以赭鞭鞭草木,始嘗百草,始有醫(yī)藥?！敝兴?根據(jù)中醫(yī)理論制造和使用的藥物,因源于中國而得名。根莖類中藥材沒有統(tǒng)一的概念,《中藥鑒定學(xué)》中描述,根莖類中藥系指以地下莖或帶有少許根部的地下莖入藥的藥材,根莖類中藥包括根狀莖、塊莖、球莖及鱗莖等,是一類地下莖的變態(tài)[1]。根莖的形狀很多,如圓柱形、紡錘形、扁球形等。

野生中藥材生長周期長,無法滿足市場需要,于是人工種植藥材產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展形成規(guī)模。然而,傳統(tǒng)的人工挖掘因其勞動強(qiáng)度高、效率低、斷根撕裂嚴(yán)重而影響藥材品質(zhì)等突出問題,嚴(yán)重制約著這一經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展。雖然目前出現(xiàn)了一些藥材挖掘機(jī),但不適合多種藥材及土質(zhì),使用范圍小,而當(dāng)藥材處在地面以下50 cm時,人力和深耕犁都挖不出來,只能放棄[2]。因此,研制新型藥材挖掘機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場前景[3]。

針對根莖類藥材韌性和彈性較大、各向力學(xué)特性不同、含水率不同等特點(diǎn)[4],設(shè)計(jì)一種機(jī)械化程度高的藥材采收機(jī),實(shí)現(xiàn)藥材的樹莖與根莖旋切分離、樹莖自動撥至采挖地兩旁、根莖的挖掘和自動去除根莖上的泥土與雜質(zhì)等功能,以解決根莖類藥材采挖過程中存在的現(xiàn)實(shí)難題。基于三維軟件構(gòu)建旋切分離裝置模型,導(dǎo)入仿真軟件ADAMS中,對其進(jìn)行動力學(xué)仿真。該機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊,生產(chǎn)和使用成本低,安全可靠,使用維修方便,機(jī)動性好,適應(yīng)性強(qiáng)[5],適合多種土壤或藥材的挖掘,大大提高了藥材采收的效率。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本新型藥材采收機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 新型藥材采收機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

主要由手扶拖拉機(jī)、縱向犁地裝置、兩個支撐固定架、振動分離裝置和兩個旋切分離裝置等五部分組成。通過兩個相反方向旋割的旋切分離裝置,將藥材的樹莖自動旋切至采挖地兩旁;然后縱向犁地裝置對采挖地進(jìn)行耕犁土地,并將旋切分離裝置旋切后少量落至種植地上的樹莖撥至采挖地兩旁;然后振動分離裝置采用振動棒振動的方式自動抖掉根莖上的泥土與雜質(zhì);最后通過收集箱將根莖進(jìn)行收集。

2 縱向犁地裝置設(shè)計(jì)

縱向犁地裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括犁地支架、安裝盒II、犁地電機(jī)、主動軸II、主動鏈輪、從動軸II、從動鏈輪、鏈輪和兩個犁地盤。兩個犁地盤上的犁爪采用反向安裝方式,工作時只需要犁地電機(jī)定時切換工作方向,來回工作一次即可,既能實(shí)現(xiàn)縱向犁地的功能,又能使旋切后少量落至種植地上的樹莖隨犁爪撥至采挖地兩旁的功能。

圖2 縱向犁地裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 振動分離裝置設(shè)計(jì)

振動分離裝置如圖3所示。

圖3 振動分離裝置的C-C剖視圖

振動分離裝置包括鏟斗、篩網(wǎng)、支撐臺和振動棒;鏟斗的前端設(shè)置有鏟頭,鏟頭上設(shè)置有橡膠保護(hù)套,橡膠保護(hù)套可以降低鏟頭在鏟土過程中對藥材根莖表面造成的傷害,鏟斗與篩網(wǎng)固連,鏟斗具有挖掘藥材根莖的功能,且縱向犁地裝置具有縱向犁地功能,使進(jìn)入篩網(wǎng)上的泥土比較疏松,方便振動;篩網(wǎng)相對地面傾斜角度為3°～5°,篩網(wǎng)的后端設(shè)置有擋板,左右兩側(cè)均設(shè)置有斜板,斜板的下端面均勻設(shè)置有連接座;支撐臺上均勻設(shè)置有肋板,肋板起到加強(qiáng)支撐的作用,肋板之間設(shè)置有固定座,固定座與連接座之間安裝有振動棒,且支撐臺的上端與斜板固連,其下端安裝在支撐固定架的固定鉤爪上。根據(jù)藥材根莖的大小,調(diào)節(jié)篩網(wǎng)的孔徑及篩網(wǎng)相對地面的傾斜角度。藥材被采收機(jī)前方配置的挖掘裝置從地里挖掘出來,挖掘起來的藥材和土壤混合物移動到振動分離部件上。由于振動裝置的提升抖動作用,裹夾著的泥土與雜質(zhì)從篩網(wǎng)的間隙落下來。為了在輸送過程中使土塊和石塊能很好的被分離開,減少對藥材根莖的損傷,就需要合理確定振動分離部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)[6]。

4 旋切分離裝置設(shè)計(jì)

旋切分離裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要由旋切支架、安裝盒I、旋切電機(jī)、主動軸I、主動齒輪、從動軸I、從動齒輪、旋切軸、鎖緊螺栓和旋切刀片等部分組成。主動齒輪與從動齒輪的傳動比為1∶2,提高了旋切刀片的旋轉(zhuǎn)速度,工作前根據(jù)不同根莖類藥材的種植地形,通過鎖緊螺栓來調(diào)節(jié)旋切刀片的旋切高度,由于兩個旋切分離裝置上的旋轉(zhuǎn)電機(jī)工作方向相反,兩個旋切刀片的旋轉(zhuǎn)方向相反,采用這種相向旋切的方式既可將藥材的樹莖與根莖旋切分離,也可借助相向的高速旋切力將樹莖自動旋切至采挖地兩旁。

圖4 旋切分離裝置的全剖視圖

在ADAMS中建立虛擬樣機(jī)模型,對旋切分離裝置進(jìn)行虛擬測試。因采挖根莖類藥材時要對其樹莖進(jìn)行切割,所以旋切刀片受到切割阻力的影響。在高速長時間的旋切過程中,旋切刀片的摩擦溫度隨切割時間而發(fā)生變化,從而影響對藥材的采收效率。在樣機(jī)模擬過程中,得到的旋切刀片的角速度隨切割阻力變化規(guī)律和旋切刀片溫度隨切割時間變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 基于ADAMS的旋切分離裝置動力學(xué)分析

5 分析與總結(jié)

設(shè)計(jì)的新型機(jī)械化藥材采收機(jī)適用于多種土壤地形及根莖類藥材,改進(jìn)之處包括以下方面:①旋切分離裝置的旋切高度可調(diào),以使該采收機(jī)適用于不同的藥材種植地形;②旋切分離裝置上的旋切刀片采用反向旋切方式,可使藥材的樹莖、根莖自動旋切至采挖地兩旁;③縱向犁地裝置上的兩個犁地盤上的犁爪采用反向安裝方式,能實(shí)現(xiàn)縱向犁地和使旋切后少量落至種植地上的樹莖隨犁爪撥至采挖地兩旁的功能;④振動分離裝置采用振動棒振動的方式,能自動抖掉藥材根莖上的泥土與雜質(zhì);⑤振動分離裝置上篩網(wǎng)相對地面傾角為3°～5°,而使根莖能自動振至篩網(wǎng)擋板處,便于采挖后藥材根莖的收集。

該藥材采收機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝操作簡便、挖掘效率高、機(jī)動性能好等特點(diǎn)。只需要根據(jù)實(shí)地考

察,選擇合適的手扶拖拉機(jī)提供動力,便可一次完成破土、松土、切根以及藥材與土壤的初級分離等項(xiàng)作業(yè),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采收藥材,尤其為需要適時、大規(guī)模的藥材采挖提供了一種高效率的機(jī)械化途徑。

[1] 許 亮,楊燕云,康廷國,等.“根莖”與“根狀莖”辨析[J].中國實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志,2012,18(23):153-155.

[2] 辛占彪,張林德,張仲平,等.藥材挖掘機(jī)[P].中國專利: 102084749A,2011.

[3] 曹樹人,康清華,丁宏斌,等.4Y-1600C型中藥材挖掘機(jī)應(yīng)用前景及效益分析[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2013(9):34-35.

[4] 劉根凡,王曉晨,舒朝輝,等.根莖類藥材粉碎設(shè)備的實(shí)驗(yàn)研究[J].華西藥學(xué)雜志,2005,20(5):378-380.

[5] 錢炳舉.4UL-130型甘薯收獲機(jī)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2003(3):66.

[6] 劉建軍,宋建農(nóng),王繼承,等.大蒜收獲機(jī)振動分離裝置的運(yùn)動力學(xué)分析[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,32(5):536-539.

Design and Analysis of Harvesting Machine for Rhizomatic Chinese Medicinal Materials

WU Fang-xia,NI Shu-jun,SHENG Shi-yong,CHEN Xiao-ping
(Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui 232001,China)

At present,the traditional Chinese medicinal materials is largely planted,yet the degree of mining mechanization is very low,and it is high labor-intensitive and inefficient,aiming at these problems,a new harvesting machine for herbs is designed in this paper.The herbs harvesting machine is composed of five parts,such as tractor,peeling separation device,longitudinal plough device,supporting bracket and vibration separating device.Medicinal roots and stems of trees are separated by the peeling separation device,tree stems are prodded to both sides automatically by using the longitudinal plowing device, and then dirt and impurities on the roots are removed automatically by using the vibration separating device.Thus it provides an efficient way of mechanized excavation of medicinal materials.

Chinese medicinal materials;harvesting machine;design;ADAMS

S255.7

A

1007-4414(2015)05-0127-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.044

2015-08-13

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號:AH201410361060)

吳芳霞(1993-),女,安徽安慶人,研究方向:中藥材機(jī)械設(shè)計(jì)。

陳小平(1963-),男,安徽淮南人,研究方向:中國及天然藥物活性成分。