新型快速根莖類藥材收獲機(jī)的研制

丁建民

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030027）

0 引言

山西是根莖類中藥材資源大省，也是全國根莖類中藥材重要產(chǎn)區(qū)，中藥材的種類、種植面積和產(chǎn)量均處于全國前列，恒山黃芪、晉東南黃芩、黨參等品質(zhì)上乘，自古以來就是農(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)來源。2020 年2 月，山西省出臺了《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品精深加工十大產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展的意見》，明確提出大力推動山西藥材產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。目前，收獲根莖類藥材的機(jī)械化程度低，且收獲機(jī)械并不成熟，收獲效率低、損失大，收獲機(jī)適用性不強(qiáng)、可靠性較差，因此研制新型快速根莖類藥材收獲機(jī)對提升中藥材收獲機(jī)械化水平，推動藥材產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，切實(shí)助力農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、用戶增收、農(nóng)民脫貧，有很好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。

1 目前根莖類中藥材收獲機(jī)現(xiàn)狀

1.1 目前根莖類中藥材收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前市場上常見的幾類根莖類藥材收獲機(jī)主要有單/ 雙鏈條式分離清選收獲機(jī)、單/ 雙振動篩式收獲機(jī)、鏈條振動篩組合式收獲機(jī)這3 類，都是由拖拉機(jī)提供動力，挖掘鏟鏟起土壤后，通過鏈篩或者振動篩分離土塊向機(jī)身后拋出藥材。

1.2 目前根莖類中藥材收獲機(jī)的技術(shù)缺陷

目前這幾種結(jié)構(gòu)的根莖類收獲機(jī)在使用中存在許多不足，給用戶帶來不便，影響機(jī)具的推廣應(yīng)用，主要缺陷體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.2.1 作業(yè)效率低

根莖類藥材收獲需深入地面以下將土壤和藥材鏟起，工作負(fù)荷大、速度慢，對配套動力要求高、消耗大。特別是振動篩式分離清選收獲機(jī)，在作業(yè)時(shí)通過振動沖擊實(shí)現(xiàn)土壤的鏟起、抖松和拋送作業(yè)，收獲機(jī)振動幅度大，速度無法提升，沖擊載荷對懸掛機(jī)架損傷較大。單行收獲雖然能很好地避免這些問題，但是犧牲了作業(yè)效率，同時(shí)對兩行間的作物帶來一定的損傷，而藥材損傷、斷裂、破皮會直接影響藥材的藥效，進(jìn)而影響藥材品質(zhì)，影響藥材價(jià)格。

1.2.2 損失率高

根莖類藥材是對主要藥用部分根、根（塊） 莖這一類藥材統(tǒng)稱，其種類龐雜且藥用部位在土壤內(nèi)分布并不穩(wěn)定，有的藥材可深入地下500 mm 以下，能否將更深處的藥材挖掘出來是影響損失的主要因素，而藥材與土壤的分離不徹底、分離后藥材被土壤再次覆蓋也是收獲損失的重要部分，收1 遍覆土收獲后埋根情況嚴(yán)重，收2 遍后又以須根、斷根為主，耗油多、經(jīng)濟(jì)效益差。

1.2.3 可靠性、適用性差

根莖類藥材收獲時(shí)收獲機(jī)工作負(fù)荷大、強(qiáng)度高，對收獲機(jī)結(jié)構(gòu)的牢固性、整體裝配的合理性都有很高的要求，目前市面上藥材收獲機(jī)可靠性并不穩(wěn)定，故障率高影響作業(yè)效率；根莖類中藥材種類龐雜，藥材種植模式、收獲時(shí)間的差異及其在土壤內(nèi)分布情況不穩(wěn)定，都對機(jī)具的適用性提出了較高要求。

2 產(chǎn)品研制過程

為適應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的新要求，加快藥材收獲機(jī)械化進(jìn)程，突破收獲機(jī)作業(yè)效率低、損失率高、可靠性、適用性差等問題結(jié)節(jié)，通過前期的技術(shù)調(diào)研，優(yōu)化材料選擇和工藝配套，研制出了4EYL- 170A/180A 兩款新型快速根莖類藥材收獲機(jī)，并順利通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 技術(shù)路線

新型快速根莖類藥材收獲機(jī)的設(shè)計(jì)圍繞提高工作效率、減少損失、提升可靠性和適用性4 個(gè)方面展開。以下將從技術(shù)指標(biāo)的預(yù)期及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)2 個(gè)方面介紹此次研發(fā)的技術(shù)路線。

2.1.1 預(yù)期性能指標(biāo)

為突出此次研制的先進(jìn)性，預(yù)估產(chǎn)品未來發(fā)展趨勢，將新型快速根莖藥材收獲機(jī)的作業(yè)性能技術(shù)指標(biāo)、可靠性、適用性較大綱規(guī)定有所提高[1]，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的損失率為≤8%，可靠性、適用性為連續(xù)作業(yè)滿一個(gè)作業(yè)季無嚴(yán)重、致命故障。

通過前期調(diào)研、查閱各類根莖類中藥材的生長特性[2]，作物生長深度可以達(dá)到450 mm 以上，作為藥用價(jià)值帶來經(jīng)濟(jì)效益的部分往往在400～450 mm，從地面算起深度在300 mm 以內(nèi)占總質(zhì)量的80%～90%，在深度擴(kuò)展到450 mm 時(shí)占總質(zhì)量的90%～99%。同等幅寬下作業(yè)深度每增加10 mm 對機(jī)具的可靠性要求和油耗將會大幅增長。目前，收獲機(jī)普遍可以達(dá)到350 mm 的作業(yè)深度。因此，從收獲經(jīng)濟(jì)性、機(jī)具可靠性、損失率等方面綜合考慮，將作業(yè)深度確定為400～500 mm。

統(tǒng)計(jì)各類根莖類中藥材種植模式，目前對收獲幅寬市場需求普遍都在1.5 m 以上，行距根據(jù)種植地氣候、灌溉、地形略有不同，基本維持在300～400 mm?？紤]到在適用行距范圍內(nèi)能收全、減少不對行收割帶來的收獲損失及其對藥材的傷害，提高作業(yè)效率，因此確定1.7 m 和1.8 m 兩種幅寬。

2.1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

樣機(jī)通過三點(diǎn)懸掛機(jī)架與拖拉機(jī)懸掛點(diǎn)相連接，通過拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)切土角度的調(diào)節(jié)、作業(yè)深度的控制，其中最大入土深度可以達(dá)到400～500 mm。作業(yè)時(shí)由拖拉機(jī)萬向軸傳遞動力至收獲機(jī)中央變速箱，變速箱驅(qū)動軸分配動力至機(jī)身兩側(cè)，帶動一級分離輸送鏈條篩、二級分離輸送鏈條，分段式切土平鏟（平鏟與兩側(cè)鋼制內(nèi)板共同組成切土區(qū)） 鏟起切土區(qū)內(nèi)作物和土壤送至一級分離輸送鏈條篩，在篩內(nèi)將土塊與作物松動并將其輸送至二級分離輸送鏈條完成藥材的分離拋送作業(yè)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

研發(fā)創(chuàng)新性地采用分段式平鏟為挖掘鏟，采用兩級鏈條篩作為分離清選拋送裝置，同時(shí)優(yōu)化了挖掘鏟入土角度，保障了產(chǎn)品的作業(yè)性能，提高了產(chǎn)品的可靠性和適用性。

在分析了大部分收獲機(jī)的挖掘鏟結(jié)構(gòu)、以往故障情況后，決定采用加寬加厚式分段平鏟，鏟底部采用支撐鋼架，固定鏟的位置同時(shí)在作業(yè)時(shí)起到穩(wěn)定平鏟、分擔(dān)作業(yè)負(fù)荷的作用。作業(yè)時(shí)不會出現(xiàn)以往整體式平鏟、翼鏟在鏟中間載荷大易變形現(xiàn)象。提高了鏟的整體穩(wěn)定性，同時(shí)保護(hù)收獲機(jī)鋼架結(jié)構(gòu)的可靠性。分段式平鏟采用將以往的平鏟分成4 段來分別下料加工、分別組裝，鏟在組裝前又經(jīng)過回火處理降低內(nèi)部剛性，提高韌度，表面經(jīng)過滲碳處理提高了鏟面、鏟尖的耐磨性。為保障裝配的方便性及減輕鏟的壓強(qiáng)，加寬了鏟面。維修時(shí)僅需更換損壞部分鏟板，將鏟放置在鏟固定座上通過焊接與支座連接，不影響其他位置鏟體，大大降低了維修的工時(shí)，提高了維修的可靠性。

市面上收獲機(jī)入土角度并沒有明確數(shù)值，而且同一生產(chǎn)企業(yè)的同一批 “鏟角” 也并不固定。而入土角度又直接影響收獲機(jī)作業(yè)時(shí)整機(jī)負(fù)荷、入土平穩(wěn)性等。經(jīng)過調(diào)研后，采用模擬試驗(yàn)方式最后確定合理入土角度。入土角度較以往有所降低，減少了入土阻力，提高了作業(yè)速度和工作平穩(wěn)性。而且采用平鏟支撐鏟座，保證了出廠時(shí)角度的統(tǒng)一。

根莖類藥材收獲機(jī)分離清選型式分為輸送鏈?zhǔn)椒蛛x清選篩和振動篩分離清選篩。其中振動篩式是通過對挖掘出來的泥土和藥材進(jìn)行往復(fù)式振動來達(dá)到輸送、分離清選目的，對收獲機(jī)和配套動力來說沖擊負(fù)荷較大、對零部件（軸承、機(jī)架） 的要求高，長時(shí)間作業(yè)收獲舒適性差、作業(yè)速度慢，此結(jié)構(gòu)常用于低作業(yè)幅寬的收獲機(jī)。而輸送鏈?zhǔn)酵ㄟ^鏈條在運(yùn)輸泥土和藥材時(shí)完成二者的分離清選，分離速度快，且可通過調(diào)整結(jié)構(gòu)調(diào)整分離清選速度，而且收獲后的藥材不容易被泥土、土塊覆蓋，明莖明根率較高。因此，此次設(shè)計(jì)選定鏈條篩式分離清選，同時(shí)為保障機(jī)具的可靠性、兼顧鏈篩前部磨損大負(fù)荷強(qiáng)的特點(diǎn)，選用分段式兩級鏈篩，前篩主要完成泥土和藥材的輸送、抖動疏松，第二級完成分離與清選拋送。

2.2 產(chǎn)品試制生產(chǎn)

對比現(xiàn)有收獲機(jī)使用的鋼材，考慮到鋼材的強(qiáng)度、再加工性能，試驗(yàn)樣機(jī)鋼材選擇優(yōu)質(zhì)合金鋼，進(jìn)行整板激光下料切割，保障整機(jī)的組裝性能。挖掘鏟使用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼下料后進(jìn)行熱處理，既滿足挖掘鏟的剛度和強(qiáng)度要求，又保證了長時(shí)間入土作業(yè)不易磨損。

4EYL- 170A 型首臺樣機(jī)完成后，考慮到產(chǎn)品的作業(yè)負(fù)荷較大，以往機(jī)型故障主要集中在機(jī)具強(qiáng)度上，因此進(jìn)行強(qiáng)度測試。于2019 年7 月初在周邊土壤高硬度、土層條件較復(fù)雜的地理?xiàng)l件下進(jìn)行了數(shù)次強(qiáng)度測試，測試中未出現(xiàn)機(jī)架變形、鏟尖損壞和運(yùn)轉(zhuǎn)不流暢現(xiàn)象，整體測試結(jié)果優(yōu)于預(yù)期，經(jīng)評估后產(chǎn)品設(shè)計(jì)通過強(qiáng)度測試。

對4EYL- 170A 型樣機(jī)強(qiáng)度測試結(jié)果研究分析，總結(jié)產(chǎn)品生產(chǎn)流程，進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，形成產(chǎn)品加工工藝卡、出廠檢驗(yàn)要求。2019 年7 月底前每種型號研制了2 臺樣機(jī)，并通過技術(shù)認(rèn)證，項(xiàng)目進(jìn)入樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證階段。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證過程

為充分考核收獲機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量， 對4EYL-170A/180A 兩款新型快速根莖類收獲機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)考核、可靠性適用性考核。其中，性能試驗(yàn)按照DG/T 189—2019 《藥材挖掘機(jī)》 中規(guī)定的試驗(yàn)測試方法，重點(diǎn)考核了兩款產(chǎn)品的作業(yè)效率、挖掘深度、損失率。選擇的地塊能很好地代表收獲機(jī)適用地區(qū)的種植模式、土壤條件，選擇的作物能代表收獲機(jī)廣泛適用的品種。

可靠性適用性考核采用滿作業(yè)季考核，將產(chǎn)品分發(fā)給使用用戶進(jìn)行為期一個(gè)作業(yè)季的滿負(fù)荷考核。調(diào)查方式采用現(xiàn)場跟機(jī)考核和電話調(diào)查2 種方式相結(jié)合。

2.3.1 性能試驗(yàn)考核

2019 年11 月，分別在甘肅省臨夏州永靖縣王臺鎮(zhèn)進(jìn)行了4EYL- 170A 型收獲機(jī)黃芪的收獲試驗(yàn)，在山西省萬榮縣皇甫鄉(xiāng)進(jìn)行了4EYL- 180A 型收獲機(jī)丹參的收獲試驗(yàn)，試驗(yàn)考核面積共26.67 hm2，收獲作物為黃芪和丹參各13.34 hm2，作物葉莖提前經(jīng)過滅茬處理。在試驗(yàn)地內(nèi)選擇10 個(gè)試驗(yàn)區(qū)按照大綱規(guī)定測試，采用4 個(gè)行程測試數(shù)據(jù)均值作為該測區(qū)的測試值。經(jīng)過對4EYL- 170A/180A 機(jī)型各2 臺樣機(jī)的考核，該產(chǎn)品在測試區(qū)域損失率分別為2.8%，3.4%，優(yōu)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)提出的技術(shù)要求。

各試驗(yàn)區(qū)損失率測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 各試驗(yàn)區(qū)損失率測試數(shù)據(jù)/ %

通過在各試驗(yàn)區(qū)按照大綱規(guī)定選點(diǎn)測得挖掘深度最大值為510 mm，最小數(shù)值為409 mm，其他測量值在最大最小值范圍內(nèi)離散分布，均值為439，445 mm 完全達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。挖掘深度數(shù)值的不同主要是各試驗(yàn)區(qū)土壤情況及作業(yè)時(shí)間段不同造成，在同一試驗(yàn)區(qū)內(nèi)挖掘深度數(shù)值偏差范圍10～20 mm，挖掘深度穩(wěn)定，真正實(shí)現(xiàn)了在明示深度范圍內(nèi)想挖多深就挖多深，在同一深度范圍內(nèi)挖掘深度穩(wěn)定，無明顯偏差。

各試驗(yàn)區(qū)挖掘深度測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 各試驗(yàn)區(qū)挖掘深度測試數(shù)據(jù)/ %

平均生產(chǎn)率為0.2 hm2/h，最大收獲效率可達(dá)到0.28 hm2/h，在高速收獲時(shí)前篩能很好地起到輸送分離效果，后篩分離干凈，無明顯覆土情況出現(xiàn)，試驗(yàn)完成后兩級鏈篩均未出現(xiàn)明顯的損傷、運(yùn)轉(zhuǎn)不暢現(xiàn)象，能很好地保證可靠性。同時(shí)，性能試驗(yàn)對比了在相同地塊同等幅寬未改進(jìn)機(jī)型的性能數(shù)據(jù)，新型快速根莖類收獲機(jī)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

收獲機(jī)產(chǎn)品考核性能對照表見表3。

2.3.2 可靠性、適用性試驗(yàn)考核情況

在2 次試驗(yàn)考核完成后分別分析了作業(yè)的情況，對機(jī)具進(jìn)行了局部調(diào)整。調(diào)整后將4EYL- 170A/180A 2 個(gè)機(jī)型共4 臺樣機(jī)投放萬榮縣周邊藥材收獲機(jī)專業(yè)用戶進(jìn)行了為期2 個(gè)月一個(gè)作業(yè)季可靠性、適用性考核。考核期間考核人員分時(shí)段采取跟機(jī)收獲，電話調(diào)查回訪，對收獲機(jī)作業(yè)情況進(jìn)行匯總，總體評價(jià)良好，經(jīng)濟(jì)效益社會效益與同類機(jī)型相比進(jìn)步十分明顯。

表3 收獲機(jī)產(chǎn)品考核性能對照表

3 結(jié)論

此次研制的2 款機(jī)型較國內(nèi)同類產(chǎn)品有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特。采用分段式平鏟結(jié)構(gòu)。組裝方便、維修便捷、較以往的整體切土刀更換時(shí)需整體拆除、整體換裝，維修的工時(shí)大大降低，配件的整體保障能力也有所提升。經(jīng)過用戶調(diào)查比較，分段式平鏟的使用時(shí)間較以往同類機(jī)型提高了26%，維修時(shí)間較以往降低了40%，同時(shí)維修費(fèi)用大幅降低。

鏈?zhǔn)捷斔头蛛x篩通過分段式兩級輸送，前篩主要完成泥土和藥材的輸送、抖動疏松，第二級完成分離與清選拋送，收獲速度能有效保證，提高了作業(yè)效率。作業(yè)時(shí)分離效果更好，收獲后得藥材不容易被泥土、土塊覆蓋，明莖明根率較高，經(jīng)數(shù)據(jù)比較收獲損失降低了5%，且收獲后成品藥材品質(zhì)大幅提升，據(jù)試驗(yàn)地用戶反映使用該款收獲機(jī)后藥材好賣，而且藥材價(jià)格較高，大大提升了經(jīng)濟(jì)效益。

（2） 適用性好、可靠性高。新型快速根莖類藥材收獲機(jī)可對全國大部分地區(qū)不同作物、不同種植模式的根莖類藥材進(jìn)行收獲[2]，整機(jī)不容易出現(xiàn)鏈條堵篩情況，機(jī)組作業(yè)速度快，可適用于馬鈴薯、紅薯、花生、黃芹、遠(yuǎn)志、丹參、地黃、柴胡、板蘭根、黃峰等多種中藥材和薯類的挖掘，出凈率高、挖掘深度大、破損率低。

（3） 具有良好的經(jīng)濟(jì)社會效益。該機(jī)型的研制可增加生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)與社會效益，可為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)立一個(gè)新的亮點(diǎn)。該產(chǎn)品的推廣將大大推進(jìn)山西省藥材收獲機(jī)械化水平的發(fā)展，提升山西省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化裝備水平，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。