根莖類藥材收獲機(jī)藥土分離機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

周春民， 張 華*， 劉小龍， 李 輝， 孫 偉， 李紅嶺， 張赟彪

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第二師，新疆維吾爾自治區(qū) 庫(kù)爾勒 841000)

在根莖類藥材的收獲過(guò)程中，傳統(tǒng)的人工采收仍占很大比重，還有一些實(shí)現(xiàn)了半機(jī)械化收獲。但這些機(jī)器只負(fù)責(zé)挖掘，在這個(gè)過(guò)程之后仍需要人工進(jìn)行藥土分離。后者與前者相比，可以一定程度上減少人工成本的投入。有關(guān)研究小組為了進(jìn)一步降低生產(chǎn)費(fèi)用，減少人工投入，降低生產(chǎn)成本，開發(fā)出了各種各樣帶藥土分離機(jī)構(gòu)的根莖類藥材收獲機(jī)，在一定程度上解決了根莖藥材收獲的一些難題。

中國(guó)的大宗根莖類藥材主要有黃芪、黨參、白芍、白術(shù)、三七、人參、丹參、黃芩和黃精等。它們均有著對(duì)我們不可或缺的功效與作用，例如清熱燥濕、瀉火解毒、祛痰、利咽、排膿等功效。同時(shí)，在我們強(qiáng)大的醫(yī)療技術(shù)支持下，可以加工成各種藥品，不斷提高人們的健康指數(shù)。而根莖類中藥材收獲設(shè)備的研究起步較晚，目前存在許多有待攻克的難題，需要每年投入大量人力成本到藥材的收獲過(guò)程中。農(nóng)村青壯年人手不足，用工成本不斷上漲的問(wèn)題日益嚴(yán)重，需要我們加快步伐解決這些問(wèn)題。然而解決這些問(wèn)題最直接的方式就是加大對(duì)根莖類藥材收獲機(jī)械研制的投入，妥善解決根莖類藥材收獲過(guò)程中遇到的相關(guān)問(wèn)題，不斷去提升根莖類藥材市場(chǎng)的相關(guān)利益，同時(shí)促進(jìn)根莖類藥材相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并引導(dǎo)越來(lái)越多的人投身于根莖類藥材生產(chǎn)領(lǐng)域之中。

根莖類中藥材的經(jīng)濟(jì)利益非常巨大，但是由于在收獲過(guò)程中投入了大量的人力物力，導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)效益被很大地壓縮，如果可以減少在收獲過(guò)程中投入的人力物力，就可以增大根莖類中藥材的經(jīng)濟(jì)利益空間，造福于大眾。

1 國(guó)內(nèi)外根莖類藥材收獲機(jī)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外根莖類藥材收獲機(jī)現(xiàn)狀

國(guó)外早在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)開始了對(duì)根莖類作物收獲機(jī)器的研究，然而那時(shí)僅局限于研究一些短根莖類作物的機(jī)械化收獲，現(xiàn)已在某些程度上完成了短根莖類作物收獲向長(zhǎng)根莖類作物的轉(zhuǎn)化。美國(guó)、韓國(guó)、日本、意大利等國(guó)家都有著自己的根莖類作物收獲機(jī)械，但主要收獲蘿卜、甜菜、大蒜、花生、土豆等，用作藥材的收獲機(jī)只是很小一部分。

例如，日本久保田公司生產(chǎn)制造的DCL-130型土豆收獲機(jī)，美國(guó)KelleyManufac-turing公司基于KMC3376和KMC3374兩機(jī)器的基礎(chǔ)上研制出的新型花生聯(lián)合收獲機(jī)，美國(guó)CourtesyofLillistonMfg.Co.研制的LP-2型花生收獲機(jī)，均是采用了比較先進(jìn)工藝技術(shù)的機(jī)型，主要具備了結(jié)構(gòu)較精妙、工作可靠性高等優(yōu)勢(shì)。美國(guó)的WSKang和MIDawelbeit除了對(duì)根莖類作物收獲機(jī)的其他部件研究之外，還對(duì)主要工作部件進(jìn)行過(guò)深層次地研究，其主要目標(biāo)是在有條件的情況下，最大限度地減小阻力，對(duì)動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，得出犁鏟電阻的影響因子是振動(dòng)頻率、振幅和機(jī)器的前進(jìn)速度，通過(guò)其設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)可以減少20%～50%的牽引阻力。[1]但在國(guó)外，除韓國(guó)和日本外，很少有研究小組對(duì)長(zhǎng)根莖類中藥材收獲機(jī)器進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。

HN1254型大蒜收獲機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要在于能夠高效、輕松、高質(zhì)量的完成大蒜收獲作業(yè)，該機(jī)是由韓國(guó)九寶達(dá)公司研制并生產(chǎn)的一種機(jī)型。DSA-1800TS型雙層振動(dòng)式跟緊類作物收獲機(jī)的負(fù)荷較小，可用于收獲土豆，大蒜，花生，洋蔥等多種根莖類作物，該機(jī)由韓國(guó)ASM會(huì)社研究生產(chǎn)。DP-1450W根莖類作物收獲機(jī)，可用于收獲大蒜，洋蔥，土豆，花生，生姜等多種根莖類作物，該機(jī)由大風(fēng)公司研制并生產(chǎn)。BG-1400GN型根莖類作物收獲機(jī)采用了偏心凸輪的前后振動(dòng)方式，可以在很大程度上降低收獲機(jī)械對(duì)作物的損傷，該機(jī)由公牛會(huì)社研制并生產(chǎn)。TC-1800GA型無(wú)振動(dòng)根莖類作物收獲機(jī)針對(duì)作物的不同特性對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該機(jī)通用性強(qiáng)，適用于收獲多種不同類型的根莖類作物的收獲，該機(jī)由太倉(cāng)農(nóng)機(jī)公司研制并生產(chǎn)。[2]

1.2 國(guó)內(nèi)根莖類藥材收獲機(jī)現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代以來(lái)，我國(guó)開始引進(jìn)國(guó)外根莖類作物收獲機(jī)，主要用于馬鈴薯、花生等一系列根莖類作物的機(jī)械化收獲，但是大部分的根莖類作物依然是通過(guò)人工挖掘、撿拾或者用一些簡(jiǎn)陋的挖掘機(jī)械去挖掘然后人工撿拾等方式去收獲。如果采用人工挖掘的方式去收獲長(zhǎng)根莖類藥材的話，則需要平均挖掘50 cm以上的深溝才能達(dá)到收獲的目的。自上世紀(jì)90年代，我國(guó)也開始對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的機(jī)械進(jìn)行研究，先后研發(fā)出了各種類型的根莖類藥材收獲機(jī)。例如4GJ-880型根莖類作物收獲機(jī)，該機(jī)由河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所的賈素梅等人共同研發(fā)；4YW-160型根莖類藥材收獲機(jī)，該機(jī)由甘肅渭源的農(nóng)機(jī)推廣站研發(fā)并投入使用，但此類收獲機(jī)械只能完成簡(jiǎn)單的挖掘功能，并不能實(shí)現(xiàn)相對(duì)完整的機(jī)械化收獲。因此各相關(guān)機(jī)構(gòu)也逐漸加大對(duì)根莖類藥材收獲機(jī)藥土分離機(jī)構(gòu)的研究與投入，不斷達(dá)到提升根莖類藥材收獲機(jī)的工作效率、減小勞動(dòng)強(qiáng)度等目標(biāo)。[3]目前，跟土分離機(jī)構(gòu)在馬鈴薯、花生等根莖類作物上有著更為完善的體現(xiàn)，其主要采用了抖土、振動(dòng)以及擊打等原理去實(shí)現(xiàn)跟土分離的目的。不過(guò)，該類機(jī)具如果應(yīng)用至根莖類中藥材的藥土分離中還存在著許多問(wèn)題，例如藥土分離效果差，對(duì)藥材的損傷程度大等一系列的問(wèn)題。其雖然不能直接使用于根莖類藥材的收獲機(jī)械上，但是在一定程度上，為根莖類藥材收獲機(jī)的藥土分離機(jī)構(gòu)的研究提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

2 根莖類藥材收獲機(jī)藥土分離機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)相關(guān)的農(nóng)機(jī)科研單位和企業(yè)所研制、生產(chǎn)和銷售的根莖類藥材收獲機(jī)械中，呈現(xiàn)出了多種多樣的根莖類藥材收獲機(jī)械，分類方式眾多，但是按照藥土分離機(jī)構(gòu)去進(jìn)行劃分，主要分為：桿條式升運(yùn)篩式、振動(dòng)帶式以及篩式這三大類根莖類藥材收獲機(jī)。

2.1 桿條式升運(yùn)篩式根莖類藥材收獲機(jī)

導(dǎo)向支撐鏈輪、升運(yùn)鏈、拖鏈輪、抖動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)輪等共同構(gòu)成桿條式升運(yùn)篩，以分離根莖類藥材與土壤混合物并盡可能減少對(duì)藥材的損傷，然后將藥材集中堆放或鋪于壟上為最終目的。該類藥土分離機(jī)構(gòu)主要適用于黃芪、紅芪、山藥、三七等長(zhǎng)根莖類中藥材的一系列收獲作業(yè)程序，該類藥材根莖長(zhǎng)度普遍可以達(dá)到35 cm以上，且分支較少較為整齊，便于整齊的鋪放在桿條式升運(yùn)篩上。桿條式輸送帶可以保證在輸送帶角度較大時(shí)，藥土分離的同時(shí)仍然擁有良好的輸送能力，提高工作效率，減少工作時(shí)間。抖動(dòng)升運(yùn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)張文杰等人研發(fā)的4Y-1200型深根莖類藥材收獲機(jī)如圖2所示，采用了該藥土分離機(jī)構(gòu)。其工作時(shí)，首先由相關(guān)的裝置去控制挖掘鏟入土，然后通過(guò)限深調(diào)節(jié)裝置去調(diào)節(jié)挖掘鏟的挖掘深度，還可以根據(jù)藥材種植環(huán)境去分析挖掘鏟所需的最佳角度，保證在不同作業(yè)環(huán)境下挖掘鏟可以達(dá)到最佳的入土角度，以減少收獲機(jī)在收獲過(guò)程中所受到的阻力。將土壤中的根莖類藥材挖掘出來(lái)的同時(shí)使大塊的土壤破碎，將破碎的土壤和根莖類藥材混合物推送至該機(jī)的藥土分離裝置，經(jīng)過(guò)藥土分離裝置藥土分離后，土壤落至地面，藥材隨輸送帶輸送到收集箱中進(jìn)行集中收集，待藥材收集箱收集滿之后將藥材進(jìn)行集中堆放處理。[4]

圖2 4Y-1200型深根莖類藥材收獲機(jī)1.懸掛架；2.變速器；3.限深調(diào)節(jié)裝置；4.收集箱；5.限深輪；6.托帶輪；7.中藥材與土壤分離裝置；8.抖動(dòng)輪；9.挖掘鏟；10.切刀；11.側(cè)壁版

由昆明理工大學(xué)崔振猛等人研發(fā)的4SD-1700型懸掛式三七藥材收獲機(jī)如圖3所示。使用前，通過(guò)三點(diǎn)懸掛的方式與拖拉機(jī)相連，針對(duì)其工作環(huán)境的土壤和三七的種植情況及其生長(zhǎng)狀況對(duì)其進(jìn)行分析，然后對(duì)挖掘鏟的角度去進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其達(dá)到最適宜的工作狀態(tài)。工作時(shí)其收獲機(jī)的動(dòng)力主要由拖拉機(jī)進(jìn)行提供，挖掘鏟將藥材與土壤的混合物鏟起，使藥土混合物落至藥土分離機(jī)構(gòu)，達(dá)到藥土分離的目的，在藥土分離后通過(guò)收獲機(jī)的收集擋板使三七根落至地面并形成條鋪狀，從而完成對(duì)三七根莖的挖掘收獲。[5]

圖3 4SD-1700型懸掛式三七藥材收獲機(jī)

2.2 振動(dòng)帶式根莖類藥材收獲機(jī)

振動(dòng)帶主要由主動(dòng)抖動(dòng)棍+雙級(jí)鏈帶構(gòu)成，該藥土分類機(jī)構(gòu)不僅可以適用于對(duì)分支較少的長(zhǎng)根莖類藥材進(jìn)行藥土分類，同時(shí)也可以對(duì)分支較多的根莖類藥材進(jìn)行藥土分離。[6]

4YC-14振動(dòng)帶式根莖類藥材收獲機(jī)如圖4所示，采用該藥土分離機(jī)構(gòu)對(duì)藥土混合物進(jìn)行分離，該機(jī)由石河子大學(xué)的機(jī)械電氣工程學(xué)院研制。其與大于120 kW的四輪拖拉機(jī)聯(lián)合使用，完成對(duì)根莖類藥材的挖掘，藥土分離，并鋪放于地表等待人工撿拾，完成藥材的挖掘和藥土分離作業(yè)。[7]

圖4 4YC-14振動(dòng)帶式根莖類藥材收獲機(jī)1.分離系統(tǒng)；2.動(dòng)力傳動(dòng)；3.機(jī)架；4.懸掛架；5.入土鏟

2.3 篩式根莖類藥材收獲機(jī)

2.3.1 梳齒分離篩式根莖類藥材收獲機(jī)

梳齒式分離篩藥土分離結(jié)構(gòu)，主要是在挖掘鏟后部設(shè)計(jì)有梳齒式分離柵條，以達(dá)到對(duì)藥土混合物的簡(jiǎn)易分離，并將藥材鋪于地面，以便人工撿拾。4WGX-120/150型根莖類藥材挖掘機(jī)如圖5所示，采用了該藥土分離機(jī)構(gòu)，與拖拉機(jī)聯(lián)合使用，由甘肅省農(nóng)機(jī)推廣站的盛國(guó)成等人研發(fā)。其主要由挖掘鏟、機(jī)架、限深調(diào)節(jié)裝置、藥土分離機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，可一次性完成根莖類藥材的收獲作業(yè)，主要適宜于在平原地區(qū)或著坡度較小的緩坡地區(qū)作業(yè)。[8-10]

圖5 4WGX-120/150型根莖類藥材挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)1.懸掛架；2.上加強(qiáng)拉桿；3.機(jī)架；4.掛耳；5.下加強(qiáng)拉桿；6.限深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；7.矩形切割松土框架；8.挖掘深松鏟；9.梳齒式分離柵

2.3.2 振動(dòng)篩式根莖類藥材收獲機(jī)

振動(dòng)篩式藥土分離機(jī)構(gòu)的主要工作部件是網(wǎng)狀振動(dòng)分離篩，使用該類藥土分離機(jī)構(gòu)的根莖類藥材收獲主要用于收獲一些遠(yuǎn)志、丹參、地黃、柴胡、板蘭根等類似的根莖類藥材。接下來(lái)三種根莖類藥材收獲機(jī)如圖6所示，均是采用的振動(dòng)篩式藥土分離機(jī)構(gòu)的根莖類藥材收獲機(jī)。4Y-800型根莖類藥材收獲機(jī)主要由挖掘鏟、機(jī)架、藥土分離機(jī)構(gòu)以及限深調(diào)節(jié)裝置及懸掛裝置等組成，是由民樂縣開源農(nóng)機(jī)制造有限公司研制，該機(jī)的配套動(dòng)力在300 kW左右，挖掘深度在30 cm至40 cm之間。由福德農(nóng)機(jī)制造有限公司研制的4UY系列根莖類藥材收獲機(jī)由挖掘鏟、機(jī)架、藥土分離裝置以及行走限深輪構(gòu)成，可一次性完成根莖類藥材的收獲過(guò)程。其中4UY-1000型根莖類藥材收獲機(jī)的配套動(dòng)力為500 kW左右的拖拉機(jī)、挖掘深度在30 cm左右；4UY-1500藥材收獲機(jī)配套動(dòng)力為750 kW左右的拖拉機(jī)、挖掘深度為30 cm左右。[11]

圖6 振動(dòng)篩式根莖類中藥材收獲機(jī)

2.3.3 滾筒篩式根莖類藥收獲機(jī)

滾筒篩式藥土分離機(jī)構(gòu)如圖7所示，主要由螺旋導(dǎo)向板、提升板、篩網(wǎng)鋼絲組成，并與鼓式升運(yùn)器、爪輪式清理輸送器配合使用，爪輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。該藥土分離機(jī)構(gòu)的篩選量大，其他一些影響因素對(duì)其的影響程度較小，例如土塊板結(jié)的問(wèn)題，土壤的濕度問(wèn)題以及地里殘留的石塊或者莖葉等，同時(shí)也有著運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)。其主要根據(jù)藥材的生長(zhǎng)特性以及種植環(huán)境用來(lái)對(duì)半夏等類似藥材進(jìn)行藥土分離。

圖7 滾筒篩結(jié)構(gòu)示意圖1.螺旋導(dǎo)向板；2.提升板；3.篩網(wǎng)鋼絲

圖8 爪輪結(jié)構(gòu)示意圖

4SB-800型半夏收獲機(jī)如圖 9所示，所應(yīng)用的分離機(jī)構(gòu)就是滾筒篩式的分類機(jī)構(gòu)，該機(jī)由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)的鄭德聰?shù)热斯餐兄?，其通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算最終將滾筒篩的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速?。簄=350 r/min，該收獲機(jī)工作幅寬達(dá)800 mm，工作速度達(dá)13 km/h。[12]

圖9 4SB-800型半夏收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.懸掛架；2.變速箱；3.傳動(dòng)裝置；4.滾筒篩；5.爪輪式清理輸送器；6.鼓式升運(yùn)器；7.集料裝置；8.行走輪；9.機(jī)架；10.帶式輸送器；11.挖掘鏟

3 存在的問(wèn)題和展望

根莖類藥材收獲機(jī)的作業(yè)效果受其工作環(huán)境影響較大，其主要有土壤的堅(jiān)硬程度、濕度、挖掘的深度、以及拖拉機(jī)的行走速度等一系列影響因素，正因?yàn)橛兄@樣復(fù)雜影響因素的存在，造成了根莖類藥材收獲機(jī)在作業(yè)時(shí)體現(xiàn)出的一系列問(wèn)題。

藥土分離機(jī)構(gòu)有待完善，其問(wèn)題主要表現(xiàn)在藥土分類的時(shí)候藥土分離不干凈或者對(duì)藥材有所損傷。對(duì)此我們應(yīng)該合理優(yōu)化藥土分離機(jī)構(gòu)，改變藥土分離方式或者調(diào)整相關(guān)參數(shù)及機(jī)具，以達(dá)到更好的藥土分離效果，并減少藥材的損失。

傳統(tǒng)根莖類藥材收獲機(jī)械缺少智能化設(shè)備的融入。在根莖類藥材收獲機(jī)工作時(shí)，其藥土分離機(jī)構(gòu)的振動(dòng)頻率對(duì)藥土分離率、損傷率等有著重要影響，振動(dòng)頻率過(guò)高對(duì)藥材會(huì)有所損傷，振動(dòng)頻率過(guò)低藥土分離率又會(huì)降低，因此為根莖類藥材收獲機(jī)的藥土分離機(jī)構(gòu)定制一個(gè)作業(yè)環(huán)境檢測(cè)裝置便顯得至關(guān)重要。在檢測(cè)裝置檢測(cè)分析完成后，可以去控制它的振動(dòng)頻率達(dá)到提高藥土分離率的同時(shí)降低藥材損傷率。

通過(guò)對(duì)根莖類收獲機(jī)的相關(guān)情況進(jìn)行收集整理得知，傳統(tǒng)根莖類藥材收獲機(jī)對(duì)藥材的收集整理比較粗糙，例如有些機(jī)器藥土分離結(jié)束后只會(huì)將藥材鋪放至地面，而有些機(jī)器則稍微好點(diǎn)會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)藥材收集箱，待藥材收集滿之后進(jìn)行集中堆放，但同樣都較為雜亂，我們可以設(shè)置一個(gè)機(jī)構(gòu)在藥土分離后將其進(jìn)行整理或者捆扎然后再進(jìn)行收集，這樣后期工作會(huì)更為方便。

4 小結(jié)

近年來(lái)，根莖類藥材的需求市場(chǎng)和種植面積均在不斷增大，但根莖類藥材的產(chǎn)量卻受到了一系列復(fù)雜因素的限制，在根莖類中藥材收獲作業(yè)的過(guò)程中需要投入大量的勞動(dòng)力和其他資源，從而導(dǎo)致根莖類藥材產(chǎn)業(yè)的利潤(rùn)空間在很大程度上被壓縮，其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品價(jià)格也隨之升高，長(zhǎng)此以往就會(huì)造成一個(gè)惡性循環(huán)，如果可以解決藥材收獲問(wèn)題，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間則會(huì)形成一個(gè)良性循環(huán)，并不斷促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為此，我們主要研究了根莖類藥材收獲機(jī)的藥土分離機(jī)構(gòu)，并對(duì)其相關(guān)資料進(jìn)行收集整理，得出了根莖類藥材收獲機(jī)藥土分離機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，同時(shí)提出了根莖類藥材收獲機(jī)藥土分離機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)與發(fā)展方向，旨在一定程度上為根莖類藥材收獲機(jī)藥土分離機(jī)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。