麥冬機(jī)械化收獲根莖土壤分離裝置的設(shè)計(jì)研究*

羅 俊，劉 宇，蔣輝霞，趙幫泰，劉 波，郭 佳，葉江紅，梅林森，李 筠，郭 曦

（四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610066）

0 引言

三臺(tái)涪城麥冬是國家地理標(biāo)志產(chǎn)品，是四川道地藥材重要組成部分[1-3]。作為麥冬收獲機(jī)[4]中最重要的工作組件之一的根土分離裝置，其結(jié)構(gòu)性能會(huì)對(duì)麥冬的收獲效率產(chǎn)生較大影響。結(jié)合麥冬和土壤的特性[5]，開展麥冬根土分離裝置研究顯得尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類根土分離裝置進(jìn)行了大量的研究。魏忠彩等[6]采用“兩級(jí)高頻低幅振動(dòng)分離＋薯秧分離及側(cè)輸出＋低位鋪放”的薯土分離工藝，設(shè)計(jì)了一種緩沖式薯雜分離篩。陳學(xué)深等[7]研制了一種深根莖類中藥材根土分離裝置，以甘草為例，通過正交試驗(yàn)，確定了碾壓輥表面形狀、碾壓間隙和驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速之間的最優(yōu)組合方案。岳元滿等[8]設(shè)計(jì)了一種甘草振動(dòng)式莖土分離裝置，通過ADAMS 軟件對(duì)分離裝置振動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，確定了莖土分離時(shí)振動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)心振幅、速度、加速度范圍。崔振猛等[9]設(shè)計(jì)了一種三七收獲機(jī)，通過田間試驗(yàn)，以損傷率、收凈率為指標(biāo)，驗(yàn)證了該機(jī)的合理性。陳學(xué)深等[10-11]基于虎杖生理結(jié)構(gòu)及固土機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種雙輥式根土分離機(jī)構(gòu)，通過性能試驗(yàn)研究，優(yōu)化了直線和曲線脫土輥的最優(yōu)組合參數(shù)。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)一些作物在收獲過程中的根土分離裝置進(jìn)行了相關(guān)研究，但對(duì)麥冬收獲機(jī)根土分離裝置方面的研究卻鮮有報(bào)道。本文針對(duì)黏性土壤下，麥冬根土分離效果差的問題，基于變隙式滾筒碾壓碎土、對(duì)輥滾筒擠壓碎土、離心拋散分離原理，開展麥冬根土分離裝置的設(shè)計(jì)。通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，實(shí)現(xiàn)其功能，為下一步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1 總體結(jié)構(gòu)

麥冬收獲機(jī)，以拖拉機(jī)為動(dòng)力，二階曲面深挖鏟[5]將麥冬根土混合物從田間挖出，根土混合物黏結(jié)牢固，用普通的抖動(dòng)分離難以達(dá)到生產(chǎn)要求，故依次轉(zhuǎn)運(yùn)到逐級(jí)碾壓輸送去土裝置、雙級(jí)對(duì)輥擠壓碎土裝置以及離心拋散式循環(huán)篩，經(jīng)過三次碾壓碎土、二次擠壓碎土、二次循環(huán)篩分作業(yè)，能有效去除黏附土壤，根土分離效果明顯，實(shí)現(xiàn)麥冬的高效收獲，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 麥冬收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 逐級(jí)碾壓輸送去土裝置

2.1 工作原理

挖掘出的麥冬根土黏結(jié)牢固，根土混合物需進(jìn)行首次篩分，有效過篩去除大塊土壤，減輕根土混合物重量，方便后續(xù)雙級(jí)對(duì)輥擠壓碎土和循環(huán)篩分作業(yè)。變隙式碾壓碎土輸送技術(shù)采用鏈傳動(dòng)連接轉(zhuǎn)軸，小傾角鏈條升運(yùn)，保證土塊雜質(zhì)在升運(yùn)過程中脫落，實(shí)現(xiàn)根土混合物的分離，保證麥冬的平穩(wěn)輸送。

逐級(jí)碾壓輸送去土裝置主要由驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、升運(yùn)鏈以及碎土滾筒組組成。驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)升運(yùn)鏈運(yùn)行，麥冬根土混合物從從動(dòng)輪處喂入升運(yùn)鏈，在升運(yùn)鏈上方布置有一、二、三級(jí)碎土滾筒，形成的碾壓間隙由大逐漸減小，碎土滾筒上按照一定順序設(shè)計(jì)有柔性螺旋弓齒，通過動(dòng)力帶動(dòng)碎土滾筒旋轉(zhuǎn)對(duì)麥冬根土混合物進(jìn)行三次碾壓，可有效將大塊泥土裂解并篩分出大部分碎土，碎土從升運(yùn)鏈的間隙中掉落，升運(yùn)鏈上的麥冬根土混合物隨之進(jìn)入下一級(jí)碎土裝置。逐級(jí)碾壓輸送去土裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 逐級(jí)碾壓輸送去土裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 碾壓碎土過程分析

為了不損傷麥冬根莖，經(jīng)挖掘的麥冬包含有大量的土壤，根土混合物近似呈球狀。為便于分析麥冬混合物的碎土過程，把混合物和碎土滾筒簡(jiǎn)化成圓柱體處理[1]，則碎土滾筒對(duì)麥冬根土混合物的作用力分析如圖3所示。

圖3 碎土滾筒對(duì)麥冬根土混合物作用力示意圖

由圖3 可知，要使根土混合物能夠順利被喂入碾壓碎土滾筒組，需滿足：

其中，F(xiàn)x為麥冬根土混合物在升運(yùn)鏈運(yùn)行方向上所受分力，單位N；

Fy為麥冬根土混合物在垂直于升運(yùn)鏈運(yùn)行方向上所受分力，單位N；

f1為碎土滾筒對(duì)麥冬根土混合物的摩擦力，f1＝μ1P，單位N；

為碎土滾筒對(duì)麥冬根土混合物升運(yùn)鏈運(yùn)行方向上的分力，，單位N；

f1''為碎土滾筒對(duì)麥冬根土混合物在垂直于升運(yùn)鏈運(yùn)行方向上的分力，，單位N；

f2為升運(yùn)鏈對(duì)麥冬根土混合物的摩擦力，f2＝μ2F，單位N；

P為碎土滾筒對(duì)麥冬根土混合物的壓力，單位N；

F為升運(yùn)鏈對(duì)麥冬根土混合物的支撐力，單位N；

P'為P在升運(yùn)鏈運(yùn)行方向上的分力，單位N；

P''為P在垂直于升運(yùn)鏈運(yùn)行方向上的分力，單位N；

μ1、μ2分別為碎土滾筒、升運(yùn)鏈與麥冬根土混合物之間的摩擦因數(shù)；

θ為壓力P與垂直于升運(yùn)鏈運(yùn)行方向的夾角，單位°。

由上可得：

根據(jù)碎土滾筒直徑D、碾壓間隙h、根土混合物直徑d與碾壓接觸點(diǎn)之間的關(guān)系可得：

其中，D為碎土滾筒直徑，單位mm；d為麥冬根土混合物直徑，單位mm；h為碾壓間隙，單位mm；

結(jié)合式（2）和式（3）可得：

根據(jù)壓縮試驗(yàn)，麥冬根土混合物發(fā)生壓縮破碎分離，碾壓間隙h與混合物直徑d呈線性相關(guān)。式（4）中摩擦因數(shù)μ1、μ2是固定的，麥冬根土混合物直徑d是在一定范圍內(nèi)變化的，由上可得，碎土滾筒直徑越大越有利于根土混合物的喂入，設(shè)計(jì)碎土滾筒組，形成三組不同的間隙，有利于提高碾壓碎土效果。但設(shè)置更多不同間隙的碎土滾筒、增加其直徑都會(huì)增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致能耗增加。經(jīng)試驗(yàn)表明，設(shè)置三組碎土滾筒，取滾筒直徑（加上弓齒高度）120 mm，喂入和碾壓碎土效果良好，滿足要求。

3 雙級(jí)對(duì)輥擠壓碎土裝置和離心拋散式循環(huán)篩

3.1 工作原理

逐級(jí)碾壓輸送去土裝置不能完全有效去除在麥冬根莖之間形成的粘連土塊，需要通過對(duì)輥滾筒進(jìn)行擠壓，將存在于麥冬根莖之間的土塊去除，再經(jīng)過循環(huán)篩分離出麥冬根莖。雙級(jí)對(duì)輥擠壓碎土裝置主要由兩兩形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩對(duì)對(duì)輥滾筒組成，兩對(duì)滾筒之間形成不同間隙，實(shí)現(xiàn)根土的兩次擠壓，碎土效果更明顯；離心拋散式循環(huán)篩主要由雙節(jié)距R 型鏈條、篩分板和分流板組成，鏈條上分布有耙爪，能夠有效抓住麥冬根土混合物，實(shí)現(xiàn)碎土與混合物的分離。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙級(jí)對(duì)輥擠壓碎土裝置和離心拋散式循環(huán)篩結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)逐級(jí)碾壓去土裝置后的麥冬根土混合物，進(jìn)入第一級(jí)對(duì)輥滾筒進(jìn)行擠壓，破碎后的混合物掉落在離心拋散式循環(huán)篩上，循環(huán)篩帶動(dòng)混合物順時(shí)針作拋灑運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過碰撞成為小顆粒土壤，在合適的離心力作用下，這些土壤會(huì)從循環(huán)篩的縫隙中過濾掉。當(dāng)混合物運(yùn)動(dòng)到循環(huán)篩頂部一定位置時(shí)，混合物會(huì)發(fā)生拋送運(yùn)動(dòng)，混合物掉落到篩分板上，經(jīng)過導(dǎo)向，進(jìn)入第二級(jí)對(duì)輥擠壓碎土裝置進(jìn)行二次擠壓碎土，將與根莖粘連的小塊土壤進(jìn)一步擠壓破碎。在循環(huán)篩運(yùn)動(dòng)過程中，與根土混合物分離的、小于循環(huán)篩鏈條之間縫隙而又有機(jī)會(huì)通過縫隙的土壤顆粒會(huì)在自身重力的作用下漏出。分流板的主要作用是防止麥冬根土混合物在右側(cè)形成堵塞，大量土壤經(jīng)循環(huán)篩掉落到右側(cè)地面致使土地左右兩側(cè)高低不平。最終經(jīng)過碾壓、擠壓以及循環(huán)篩過篩后的麥冬根莖通過出料集條收集裝置收集，完成麥冬的高效收獲。

3.2 對(duì)輥擠壓碎土過程分析

為了進(jìn)一步提升麥冬根土的分離效果，采取雙級(jí)對(duì)輥滾筒，實(shí)現(xiàn)二次擠壓碎土，麥冬根土混合物受力分析如圖5 所示。

圖5 對(duì)輥滾筒對(duì)麥冬根土混合物作用力示意圖

由圖5 可知，要使麥冬根土混合物通過對(duì)輥滾筒擠壓，達(dá)到碎土目的，關(guān)鍵就在于混合物在對(duì)輥滾筒間被夾持而不脫落。作如下定義：F1為對(duì)輥滾筒二對(duì)麥冬根土混合物的擠壓力；F2為對(duì)輥滾筒一對(duì)麥冬根土混合物的擠壓力；F3為對(duì)輥滾筒二對(duì)麥冬根土混合物的摩擦力；F4為對(duì)輥滾筒一對(duì)麥冬根土混合物的摩擦力；Φ1、Φ2為滾筒對(duì)麥冬混合物擠壓力方向與兩滾筒水平方向形成的夾角；麥冬根土混合物所受擠壓力F1的方向?yàn)榕c對(duì)輥滾筒之間的接觸點(diǎn)的半徑方向，摩擦力F3的方向?yàn)榻佑|點(diǎn)的切線方向。

如果擠壓力F1在垂直方向上的分力大于摩擦力F3在垂直方向上的分力，麥冬混合物就不會(huì)從對(duì)輥滾筒間隙通過，達(dá)不到擠壓的目的。當(dāng)對(duì)輥滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，其直徑越小，混合物被擠壓的角度Φ1越大，混合物被夾持的重心上移，對(duì)輥滾筒對(duì)麥冬混合物的摩擦力F3在垂直方向上的分力就越小，混合物容易在對(duì)輥滾筒表面上打滑。反之，直徑越大，混合物被擠壓的角度越小，夾持重心下移，對(duì)輥滾筒對(duì)麥冬混合物的摩擦力F3在垂直方向上的分力就越大，打滑趨勢(shì)就越小。滾筒間間隙過大，擠壓碎土效果達(dá)不到；間隙過小，碎土能力強(qiáng)，但易損傷麥冬。

既要保證擠壓碎土的效果，又要防止麥冬受損，確定合適的滾筒直徑、間隙至關(guān)重要。經(jīng)試驗(yàn)表明，取對(duì)輥滾筒組（含弓齒）直徑89 mm，第一級(jí)對(duì)輥滾筒設(shè)置中心距150 mm，第二級(jí)對(duì)輥滾筒設(shè)置中心距135 mm，碎土效果良好，滿足要求。

3.3 循環(huán)篩篩分過程分析

麥冬根土混合物在循環(huán)篩上運(yùn)動(dòng)主要作用是篩分和拋送。當(dāng)循環(huán)篩的帶速過高時(shí)，產(chǎn)生較大離心力，會(huì)將根土混合物壓實(shí)。麥冬根土的分離可以看成是通過篩網(wǎng)之間的間隙進(jìn)行過篩，而被壓實(shí)的根土混合物將增加土壤通過縫隙的阻力，使篩分效率降低。同時(shí)，過高的帶速將使混合物和循環(huán)篩具有相同的速度，使混合物貼著循環(huán)篩，兩者處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，篩網(wǎng)之間的縫隙易被較大的土壤堵死，而且因?yàn)闊o法相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也將降低土壤通過縫隙的概率，降低篩分效率和質(zhì)量。此外，過高的帶速也將使循環(huán)篩的磨損增加。反之，循環(huán)篩的速度過低，混合物與篩面形成了相對(duì)滑動(dòng)，但混合物無法拋送，使篩面上的混合物堆積，以至于根土分離過程中斷。

為了保證麥冬混合物在循環(huán)篩上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和拋送，必須選擇合適的帶速。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，循環(huán)篩的運(yùn)行速度取120 r/min 時(shí)，90%以上的土壤被有效篩分，分離效果良好，滿足要求。

經(jīng)過根土分離裝置，麥冬根土分離效果達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，其效果對(duì)比如圖6所示。

圖6 麥冬收獲效果對(duì)比圖

4 結(jié)論

1）本文設(shè)計(jì)了一種麥冬根土分離裝置，采用碾壓碎土、擠壓碎土、離心拋散篩分，研制了逐級(jí)碾壓輸送去土裝置、雙級(jí)對(duì)輥擠壓碎土裝置和離心拋散式循環(huán)篩，實(shí)現(xiàn)了麥冬根土分離的功能。

2）田間試驗(yàn)表明，逐級(jí)碾壓輸送去土裝置的碎土篩分率達(dá)到55%，雙級(jí)對(duì)輥擠壓碎土裝置和循環(huán)篩可將90%以上的土壤篩分掉，根土分離效果良好。

3）田間試驗(yàn)驗(yàn)證了逐級(jí)碾壓輸送去土裝置碎土滾筒組數(shù)和滾筒直徑大小、雙級(jí)對(duì)輥擠壓碎土裝置滾筒直徑和中心距、循環(huán)篩運(yùn)行速度的合理性。

4）田間試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的合理性，但未對(duì)各參數(shù)是否最優(yōu)進(jìn)行計(jì)算及驗(yàn)證，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)將是下一步工作重點(diǎn)。