根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)械化應(yīng)用及研究現(xiàn)狀*

于慶旭，曹光喬，陳彬，劉燕，龔艷，陳小兵

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

經(jīng)濟(jì)作物主要包括油料、茶葉、糖料和中藥材等，在人們的日常生活中扮演著重要角色，對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用。中藥材作為特種經(jīng)濟(jì)作物，其經(jīng)濟(jì)效益較高，不僅可以起到脫貧攻堅(jiān)、鄉(xiāng)村振興作用，而且中藥材在疫情防治中起到了顯著作用，中藥材行業(yè)迎來(lái)發(fā)展新機(jī)遇[1]。我國(guó)是中醫(yī)藥發(fā)源地，中藥在我國(guó)已經(jīng)有千年歷史。全球?qū)χ兴幉牡男枨笾鹉暝鲩L(zhǎng)，其中根莖類(lèi)中藥材品種在流通市場(chǎng)占比最高，2021年11月份中藥材市場(chǎng)共監(jiān)測(cè)1 445個(gè)品規(guī)種類(lèi)的中藥材，其中根莖類(lèi)中藥材共440個(gè)，占比最高達(dá)30.45%[2]。收獲是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，我國(guó)根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)械化水平較低、生產(chǎn)效率低，嚴(yán)重制約了根莖類(lèi)中藥材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中藥材收獲機(jī)的需求日漸加劇，根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)械化水平的提高，對(duì)緩解農(nóng)村勞動(dòng)力和提高藥農(nóng)收入具有重要的意義。本文針對(duì)根莖類(lèi)中藥材主要種植現(xiàn)狀，簡(jiǎn)述我國(guó)根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)械化應(yīng)用現(xiàn)狀，以及關(guān)鍵部件挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)研究情況，分析根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)械化存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)的研究提供參考，以促進(jìn)根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)械化水平的提高。

1 我國(guó)中藥材種植現(xiàn)狀

中藥材發(fā)源于野生資源，但隨著社會(huì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，野生中藥材資源越來(lái)越少，已經(jīng)無(wú)法滿足社會(huì)的需求，隨著中藥材馴化種植，目前人工栽培種植的中藥材已成為了中藥主要來(lái)源[3]。中藥材從野生為主到栽培為主，從零星分布到大面積連片種植，中藥材種植面積呈現(xiàn)連年持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，2011—2020年中藥材種植面積如圖1所示。據(jù)國(guó)家中藥材產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系統(tǒng)計(jì)，2020年全國(guó)中藥材種植總面積為5 864 khm2，我國(guó)每個(gè)省(區(qū)、市)幾乎都種植中藥材，由于各地區(qū)地理環(huán)境及氣候不同，中藥材的種植品種各異，中藥材種植面積也不均衡，云南、貴州、四川的種植面積分別為582 khm2、474 khm2、467 khm2，河南、湖南、廣東、廣西、甘肅5個(gè)省份種植面積在300～333 khm2，山西、山東、湖北3個(gè)省份種植面積在200～267 khm2，陜西、河北、遼寧、吉林、黑龍江、安徽、江西、海南、重慶9個(gè)省份種植面積在133～533 khm2，內(nèi)蒙古、江蘇、新疆3個(gè)省份種植面積在67～133 khm2[4]；2019年有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的59種常用大宗中藥材種植總面積為1 364 khm2，12種中藥材種植面積突破33 khm2，其中黃芪、丹參等根莖類(lèi)中藥材種植面積超過(guò)67 khm2，黃芩、黨參、當(dāng)歸、柴胡、山茱萸、苦參等根莖類(lèi)中藥材種植面積超過(guò)33 khm2[5]。為了進(jìn)一步提升中藥材的質(zhì)量，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國(guó)家藥品監(jiān)督管理局、國(guó)家中醫(yī)藥管理局印發(fā)了《全國(guó)道地藥材生產(chǎn)基地建設(shè)規(guī)劃(2018—2025)》，道地藥材是指某個(gè)地區(qū)特有的傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)效佳藥材，目前我國(guó)有7大道地藥材產(chǎn)區(qū)，分別為東北、華北、華東、華中、華南、西南和西北道地藥材產(chǎn)區(qū)。

圖1 2011—2020年中藥材種植面積Fig. 1 Planting area of Chinese herbal medicine from 2011 to 2020

2 根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)械化應(yīng)用現(xiàn)狀

根及根莖類(lèi)中藥材通常簡(jiǎn)稱為根莖類(lèi)中藥材，是指主要入藥部分(根部、根莖、鱗莖等)生長(zhǎng)于土壤下的中藥材，不同根莖類(lèi)中藥材因其品種、生長(zhǎng)環(huán)境等因素的影響，具有不同的形狀長(zhǎng)度、生長(zhǎng)深度，根據(jù)形狀長(zhǎng)度可以劃分為長(zhǎng)根莖類(lèi)、短根莖類(lèi)和塊狀根莖類(lèi)等，根據(jù)生長(zhǎng)深度可分為淺根莖類(lèi)(生長(zhǎng)深度小于20 cm)、中根莖類(lèi)(生長(zhǎng)深度20～40 cm)和深根莖類(lèi)(生長(zhǎng)深度大于40 cm)[6]。目前根莖類(lèi)中藥材分純?nèi)斯な斋@、半機(jī)械化收獲和機(jī)械化收獲3種，丘陵山區(qū)生產(chǎn)的根莖類(lèi)中藥材還主要依靠人工收獲；半機(jī)械化收獲是采用改裝的犁具等進(jìn)行挖掘翻土，再進(jìn)行人工根土分離和收集作業(yè)，鏵犁式中藥材收獲機(jī)有4GJ-700型、4Y-300型、4Y-30型和4UY-20型等[7]；機(jī)械化收獲是指使用機(jī)械完全代替人工完成根莖類(lèi)藥材的挖掘、根土分離和收集等作業(yè)，機(jī)械化收獲分為分段收獲和聯(lián)合收獲。目前根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)分為挖掘機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)。挖掘機(jī)是指完成根莖類(lèi)中藥材挖掘，并將根莖與土壤分離、鋪放或集條于地表的機(jī)具，收獲性能指標(biāo)要求明莖率≥90%、深松率≥95%、傷損率≤5%；聯(lián)合收獲機(jī)是指完成根莖類(lèi)中藥材挖掘，并將根莖與土壤分離、分級(jí)、收集等的機(jī)具，按結(jié)構(gòu)型式分為牽引式、懸掛式和自走式，收獲性能指標(biāo)要求挖凈率≥95%、傷損率≤7%[8]。

目前國(guó)內(nèi)中藥材收獲機(jī)生產(chǎn)企業(yè)較多，主要集中在河北省、山東省和甘肅省等地區(qū)，市場(chǎng)上主要是中小型的根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)，其中挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本較低，市場(chǎng)占比份額較大，應(yīng)用范圍較廣，可實(shí)現(xiàn)對(duì)黨參、黃芪、黃芩、丹參、桔梗、天花粉、白芷、辣根、板藍(lán)根等多種根莖類(lèi)中藥材的挖掘收獲，但針對(duì)深根莖中藥材還依然存在挖掘阻力大、功率損耗大、挖掘深度不夠、收凈率低和破損率高等現(xiàn)象；自走式聯(lián)合收獲機(jī)是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，但其機(jī)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高，價(jià)格昂貴，市場(chǎng)占比份額相對(duì)較少，目前主要用于收獲貝母、元胡、半夏、太子參等淺根莖類(lèi)中藥材。

3 根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)械化研究現(xiàn)狀

中藥材主要種植于我國(guó)，國(guó)外針對(duì)根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)械化的研究較少，韓國(guó)、美國(guó)、加拿大和俄羅斯主要針對(duì)高麗參、西洋參等淺根莖類(lèi)中藥材的收獲機(jī)進(jìn)行研究[9]，日本研發(fā)了幾款深根莖中藥材收獲機(jī)，其中日本苫米地技研工業(yè)株式會(huì)社發(fā)明了一款TG系列牛蒡收獲機(jī)[10]，日本株式會(huì)社小松制作所研制了一款YCD-60PM型鋸齒式山藥收獲機(jī)[11]。

目前國(guó)內(nèi)大量學(xué)者對(duì)根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)進(jìn)行了研究，陳威[12]研制了一臺(tái)自走式太子參聯(lián)合收獲機(jī)，針對(duì)挖掘鏟和振動(dòng)篩進(jìn)行試驗(yàn)研究，采凈率和破損率可達(dá)到96.56%、6.12%，可用于丘陵山區(qū)太子參收獲作業(yè)；李增璽[13]研制了一臺(tái)百合收獲機(jī)，針對(duì)挖掘鏟和升運(yùn)器進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，得到最佳工作參數(shù)組合，損失率和損傷率分別為2.31%、1.82%，可適用于東北地區(qū)百合種植模式；宋江等[14]針對(duì)東北地區(qū)貝母種植模式，改進(jìn)了4B-1200型平貝母藥材收獲機(jī)，將損失率和損傷率分別降低至3.8%、2.9%；何曉芬[15]研究設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型折耳根收獲機(jī)，針對(duì)挖掘鏟和輸送分離裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以適合我國(guó)西南方山區(qū)、丘陵地區(qū)小面積土地的折耳根收獲使用；張文杰[16]針對(duì)西北道地產(chǎn)區(qū)，研究設(shè)計(jì)一臺(tái)4Y-1200型藥材收獲機(jī)，可適應(yīng)于黃芪、紅芪、黨參、甘草等深根莖類(lèi)藥材的收獲；謝新亞[17]研究設(shè)計(jì)了一種適合新疆地區(qū)甘草種植模式的甘草收獲機(jī)，可一次性完成甘草的挖掘、輸送、分離、鋪地等作業(yè)；昆明理工大學(xué)張兆國(guó)教授團(tuán)隊(duì)[18-22]研發(fā)了懸掛式、牽引式和自走式等多款三七收獲機(jī)，可適用于云南丘陵山區(qū)、溫室工廠等不同場(chǎng)景的三七收獲作業(yè)。

目前主要參考馬鈴薯、胡蘿卜、花生等收獲機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)試驗(yàn)研究挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)，提高根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量，以適用于不同地區(qū)、不同種植農(nóng)藝要求的根莖類(lèi)中藥材收獲作業(yè)。根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)主要由機(jī)架、挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、收集機(jī)構(gòu)等組成，根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，其中挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)為主要關(guān)鍵部件。隨著自動(dòng)化、智能化農(nóng)機(jī)的發(fā)展，根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)也將增加自動(dòng)化、智能化技術(shù)，關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)將隨作業(yè)條件自適應(yīng)調(diào)控，提高根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)的普適性。

圖2 根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 2 Structure diagram of Rhizome Chinese herbal medicine harvester1.挖掘機(jī)構(gòu) 2.分離機(jī)構(gòu) 3.輸送機(jī)構(gòu) 4.收集機(jī)構(gòu) 5.機(jī)架

3.1 挖掘機(jī)構(gòu)研究

許多根莖類(lèi)中藥材的根系發(fā)達(dá)，分布于土壤深層，根系與土壤形成團(tuán)聚體，根系起到加強(qiáng)筋作用，增強(qiáng)土壤抗剪切強(qiáng)度和根土分離難度[23]，為了保證根莖類(lèi)中藥材的完整性，挖掘機(jī)構(gòu)的作業(yè)深度須大于藥材最大根深，在挖掘過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的根土混合物以及雜草，要求挖掘機(jī)構(gòu)不僅具有較大的作業(yè)深度和良好的入土性能，同時(shí)還需具有一定的土壤破碎分離功能[24]。

3.1.1 挖掘鏟

挖掘鏟對(duì)土壤直接施加作用力，將堅(jiān)實(shí)的土壤破碎、疏松和將團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞，起到切削、破碎土壤作用，避免大量土垡造成擁堵現(xiàn)象，同時(shí)降低挖掘阻力，因此挖掘鏟直接關(guān)系到收獲質(zhì)量。為了適應(yīng)各地區(qū)不同的挖掘條件，我國(guó)各地科研機(jī)構(gòu)研發(fā)出眾多類(lèi)型的挖掘鏟以適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和挖掘條件，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[17-18, 24-27]，依據(jù)挖掘鏟平面形狀可分為平面鏟、曲面鏟、叉齒鏟和組合鏟等，挖掘鏟類(lèi)型如圖3所示。

圖3 挖掘鏟類(lèi)型Fig. 3 Shovel type

王鋒等[28]針對(duì)機(jī)收黃芪時(shí)三角平面鏟挖掘效果不佳且易損壞問(wèn)題，通過(guò)仿真試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，研究確定三角平面鏟最優(yōu)傾角；陳威等[29]針對(duì)太子參聯(lián)合收獲機(jī)的三角平面鏟，進(jìn)行理論計(jì)算、仿真計(jì)算和土槽試驗(yàn)研究，確定工作性能較優(yōu)的參數(shù)組合。目前主要將螻蛄、巨蜥、砂魚(yú)蜥、穿山甲、狗獾、黃毛鼠、鼴鼠等作為仿生原型，研制不同類(lèi)型仿生鏟；周夢(mèng)淵[30]針對(duì)黃芪機(jī)收研發(fā)一種仿生挖掘鏟，選用螻蛄前足爪趾作為仿生對(duì)象，進(jìn)行了仿生學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)比，優(yōu)化后鏟片的最大應(yīng)力、形變量都有所下降；郎沖沖等[31]針對(duì)三七種苗挖掘鏟挖掘阻力大、碎土性能與減黏性差等問(wèn)題，運(yùn)用仿生學(xué)原理，對(duì)穿山甲前爪中趾和鱗片進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將仿生鏟表面設(shè)計(jì)成有凸起的楔形鏟面，設(shè)計(jì)一種三七種苗仿生挖掘鏟。昆明理工大學(xué)張兆國(guó)團(tuán)隊(duì)[32-33]為解決挖掘鏟前易壅土的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種組合式挖掘鏟，在不同作業(yè)速度和挖掘深度條件下，組合鏟的水平和垂直阻力皆小于傳統(tǒng)挖掘鏟，可降低三七收獲機(jī)工作能耗和阻力。

平面鏟構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、緊湊、實(shí)用、便于制造，且入土容易，目前應(yīng)用最廣；曲面鏟一般結(jié)合仿生技術(shù)，鏟面的曲面特征仿制動(dòng)物挖掘器官表面，起到減黏降阻效果，同時(shí)提高使用壽命，但表面特征及制造工藝復(fù)雜；叉齒鏟入土容易，減小了鏟面與土壤的接觸面積，可減小挖掘阻力及牽引阻力，且易于碎土和分離土壤，但可靠性較差，容易折斷叉齒和折彎柵條等；組合鏟具有良好的碎土分離效果，減少挖掘阻力并降低鏟前壅土，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著加工制造技術(shù)的進(jìn)步，根莖類(lèi)中藥材挖掘作業(yè)深度和作業(yè)速度等要求不斷提高，對(duì)于深根莖中藥材，需克服挖掘過(guò)程中易壅土、挖掘阻力大等缺點(diǎn)，結(jié)合仿生技術(shù)的組合挖掘鏟將成為趨勢(shì)。

3.1.2 挖掘機(jī)構(gòu)

挖掘機(jī)構(gòu)依據(jù)挖掘鏟運(yùn)動(dòng)形式分固定式、驅(qū)動(dòng)式和組合式等。固定式挖掘機(jī)構(gòu)與機(jī)架部件組成剛性連接，一般主要由挖掘鏟和鏟架構(gòu)成；驅(qū)動(dòng)式挖掘機(jī)構(gòu)工作時(shí)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，挖掘鏟在動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等；組合式挖掘機(jī)構(gòu)包含兩種或兩種以上不同類(lèi)型的挖掘機(jī)構(gòu)。

固定式挖掘機(jī)構(gòu)和振動(dòng)式挖掘機(jī)構(gòu)應(yīng)用于根莖類(lèi)中藥材收獲較多，旋轉(zhuǎn)式挖掘機(jī)構(gòu)和組合式挖掘機(jī)構(gòu)相對(duì)較少，有研究將旋轉(zhuǎn)式挖掘機(jī)構(gòu)應(yīng)用于馬鈴薯收獲[34]。朱昊杰[35]新設(shè)計(jì)了一種適用于元胡的固定式挖掘機(jī)構(gòu)，收獲作業(yè)前可調(diào)節(jié)不同的入土角，通過(guò)EDEM離散元仿真研究在不同入土角和不同作業(yè)速度的挖掘阻力情況。振動(dòng)式挖掘方式是一種有效降低阻力的途徑，國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究了振動(dòng)式挖掘方式的減阻機(jī)理，可分為強(qiáng)迫式和自激式兩種振動(dòng)方式[36-39]。

淺根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)主要采用固定式挖掘機(jī)構(gòu)，固定式挖掘機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造及維修容易、可靠性較高，依然存在挖掘深度不足、入土阻力大、功率損耗嚴(yán)重、碎土效果差等問(wèn)題；深根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)主要采用強(qiáng)迫振動(dòng)式挖掘機(jī)構(gòu)，可有效減小挖掘阻力，具有良好的碎土分離效果；目前組合式挖掘機(jī)構(gòu)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難，能夠適應(yīng)多種挖掘環(huán)境，未來(lái)可用在自走式聯(lián)合收獲機(jī)上，適用于深根莖類(lèi)中藥材收獲。

3.2 分離機(jī)構(gòu)研究

分離機(jī)構(gòu)同時(shí)具有輸送作用，作業(yè)時(shí)需承受的載荷較大，據(jù)研究馬鈴薯收獲機(jī)要分離的土壤達(dá)70%～80%[12, 40]，許多根莖類(lèi)中藥材的挖掘深度遠(yuǎn)大于馬鈴薯，土壤喂入量較大，因此對(duì)根莖類(lèi)中藥材分離機(jī)構(gòu)的性能要求更高。目前根莖類(lèi)收獲機(jī)上廣泛采用的分離機(jī)構(gòu)類(lèi)型有升運(yùn)鏈?zhǔn)?、分離篩式、滾筒式等。

3.2.1 升運(yùn)鏈?zhǔn)?/p>

升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x機(jī)構(gòu)也稱作為桿條式升運(yùn)器，主要由桿條、鏈條和振動(dòng)器等組成，依據(jù)鏈條結(jié)構(gòu)型式，可分為鏈桿式、鉤桿式以及帶桿式等。李增璽[13]針對(duì)百合輸送分離時(shí)損傷現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種帶桿式升運(yùn)器，通過(guò)離散元仿真進(jìn)行損傷機(jī)理研究，明確機(jī)具的前進(jìn)速度、升運(yùn)器帶速以及升運(yùn)器傾角等工作參數(shù)范圍。申世龍等針對(duì)丹參機(jī)械化收獲，設(shè)計(jì)一種鏈桿式清土輸送裝置，為了增加輸送鏈的清土效果，設(shè)計(jì)有振動(dòng)鏈輪，以實(shí)現(xiàn)輸送鏈的振動(dòng)，可將挖掘后的丹參實(shí)現(xiàn)參土分離，同時(shí)將丹參輸送至輸送裝置中。目前升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x機(jī)構(gòu)的理論研究較多，技術(shù)較成熟，其具有較強(qiáng)的分離能力，并在傾角較大時(shí)仍具有良好的輸送能力，被廣泛使用，但使用過(guò)程中磨損速度快，部件易于損壞，從而造成機(jī)器故障率較高。

3.2.2 分離篩式

分離篩式分離機(jī)構(gòu)主要由分離篩和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，分離篩的種類(lèi)較多，依據(jù)分離篩的運(yùn)動(dòng)形式可分為振動(dòng)式、擺動(dòng)式等，依據(jù)篩面結(jié)構(gòu)形式可分為桿條篩、鋸齒篩、編織篩和組合篩等。馬川等[41]研發(fā)的平貝收獲機(jī)采用偏心輪式振動(dòng)分離篩，通過(guò)對(duì)振動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用Matlab優(yōu)化工具箱對(duì)振動(dòng)機(jī)構(gòu)核心參數(shù)偏心輪的轉(zhuǎn)速和半徑進(jìn)行優(yōu)化，降低平貝機(jī)械化收獲損傷率；張澤璞[11]針對(duì)板藍(lán)根機(jī)械收獲，設(shè)計(jì)了一種具有篩條—篩板組合式篩面的擺動(dòng)式根土分離篩，并對(duì)其關(guān)鍵部件偏心機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)、組合式篩面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析根土復(fù)合體相對(duì)篩面正向滑動(dòng)、相對(duì)篩面反向滑動(dòng)、相對(duì)篩面發(fā)生拋擲運(yùn)動(dòng)的條件，研究得到影響收獲效果的主要因素為篩面傾角、曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄半徑。振動(dòng)式分離篩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，在根莖類(lèi)收獲機(jī)上經(jīng)常被使用，擺動(dòng)式分離篩存在慣性力平衡不足的問(wèn)題[42]，但其承受載荷大、碎土性能較強(qiáng)和分離性能較好等，能把篩面上的混合物快速向分離篩尾部輸送，其輸送效率較高。

3.2.3 滾筒式

滾筒式分離機(jī)構(gòu)具有受力均勻、故障率低、使用壽命長(zhǎng)和能量消耗少等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造困難[34, 43]。王密[44]設(shè)計(jì)了一種帶有揚(yáng)料板的滾筒式分離機(jī)構(gòu)，用于平貝母機(jī)械化收獲，通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)滾筒的無(wú)級(jí)調(diào)速，滾筒篩內(nèi)裝有一定角度的揚(yáng)料板，不僅有利于物料在滾筒內(nèi)向后輸送，而且還能起到翻轉(zhuǎn)物料的作用。滾筒篩分離機(jī)構(gòu)可適用于短根莖類(lèi)、塊狀根莖類(lèi)中藥材，但需在含水率和粘黏性較低的土壤中進(jìn)行篩分作業(yè)。

3.3 輸送機(jī)構(gòu)研究

輸送機(jī)構(gòu)主要作用是輸送轉(zhuǎn)移物料，可附帶分離和分級(jí)功能，在薯類(lèi)、花生等聯(lián)合收獲機(jī)應(yīng)用較多，且技術(shù)較成熟，根據(jù)輸送級(jí)數(shù)可分為一級(jí)輸送、二級(jí)輸送和多級(jí)輸送[45]，根莖類(lèi)中藥材的輸送機(jī)構(gòu)參考薯類(lèi)輸送機(jī)構(gòu)改進(jìn)或直接引用，主要有網(wǎng)帶輸送式、刮板輸送式、輥筒輸送式等。陳威[12]研發(fā)的太子參聯(lián)合收獲機(jī)選用網(wǎng)帶輸送式輸送機(jī)構(gòu)，網(wǎng)帶的兩側(cè)為鏈條，鏈條與傳動(dòng)軸上的鏈輪相配合進(jìn)行傳動(dòng)，調(diào)節(jié)輸送網(wǎng)帶的松緊度，在工作過(guò)程中網(wǎng)帶能夠產(chǎn)生一定自激振動(dòng)，有利于進(jìn)一步將細(xì)小土粒分離，研究表明最佳傾角在20°～30°。刮板輸送式依據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為帶式刮板輸送式和鏈條刮板輸送式，王密等針對(duì)4B-1200型平貝母機(jī)械收獲過(guò)程中，黏濕土壤易進(jìn)入帶式刮板輸送機(jī)構(gòu)的輸送帶內(nèi)側(cè)，引起側(cè)滑和堆土現(xiàn)象，重新設(shè)計(jì)了一種鏈條刮板式反向升運(yùn)器，通過(guò)理論分析的方法確定了升運(yùn)器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，傾角為45°，線速度0.26 m/s，升運(yùn)效率提升了2倍。謝新亞[17]針對(duì)新疆地區(qū)甘草機(jī)械化收獲，設(shè)計(jì)一種輥筒輸送機(jī)構(gòu)，由傳動(dòng)鏈輪、輸送輥筒、機(jī)架和鏈輪護(hù)殼等組成，其中輸送輥筒周向均布安裝4排刮板及釘齒，釘齒與刮板成45°夾角焊接，起到破碎土壤和向上輸送甘草作用，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)分析得到最佳機(jī)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)：輥筒直徑 60 mm、傾角為15°、輥筒轉(zhuǎn)速255 r/min。

對(duì)于不同物理特性和形狀尺寸的根莖類(lèi)中藥材可采用不同形式的輸送機(jī)構(gòu)，需保證輸送效率，同時(shí)防止中藥材與輸送機(jī)構(gòu)纏繞，造成根莖類(lèi)中藥材損傷。目前短根莖類(lèi)和塊狀根莖類(lèi)等一般采用網(wǎng)帶輸送式、刮板輸送式等，長(zhǎng)根莖類(lèi)中藥材一般采用刮板輸送式、輥筒輸送式等。

4 存在問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)進(jìn)行了大量的研究，中藥材收獲機(jī)械化還處于起步階段，根莖類(lèi)中藥材與主要糧食作物的收獲機(jī)械化水平相差較大，在根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，依然存在挖掘阻力較大、收凈率低和破損率高等現(xiàn)象，制約收獲機(jī)械化水平的因素較多且復(fù)雜，主要存在以下問(wèn)題。

1) 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合程度不足。根莖類(lèi)中藥材的品種繁多，即便相同品種在不同地區(qū)的種植方式和農(nóng)藝要求也不同，有直播、移栽種植方式，有半覆膜、全覆膜、膜上栽培、膜側(cè)栽培、開(kāi)溝、起畦和起壟等農(nóng)藝要求，導(dǎo)致機(jī)械化收獲的要求也各異，給配套收獲機(jī)械帶來(lái)較大難度。

2) 聯(lián)合收獲機(jī)械的研發(fā)積極性不高。根莖類(lèi)中藥材主要種植丘陵山區(qū)、零散地塊等，受地理環(huán)境的影響及制約，主要以手扶拖拉機(jī)等動(dòng)力機(jī)具配套微小型收獲機(jī)具作業(yè)，通用聯(lián)合收獲機(jī)械無(wú)法施展，企業(yè)研發(fā)根莖類(lèi)中藥材收獲機(jī)的積極性不高。

3) 收凈率和破損率缺乏系統(tǒng)性研究。由于各地區(qū)的土壤物理特性不同，土壤—根系的團(tuán)聚體的物理力學(xué)參數(shù)和模型不同，不同根莖類(lèi)中藥材、土壤和機(jī)械之間的相互作用機(jī)理尚不明確，收凈率和破損率在挖掘作業(yè)和分離作業(yè)中缺乏系統(tǒng)性研究，在機(jī)械化收獲過(guò)程中收凈率和破損率的關(guān)鍵影響因素尚不明確。

4) 收獲作業(yè)的智能調(diào)控技術(shù)缺乏研究。對(duì)不同地區(qū)、不同品種根莖類(lèi)中藥材的挖掘機(jī)構(gòu)和分離機(jī)構(gòu)的作業(yè)參數(shù)要求不同，現(xiàn)有挖掘機(jī)構(gòu)無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)挖掘鏟角度、深度和速度等作業(yè)參數(shù)，以降低工作阻力，分離機(jī)構(gòu)無(wú)法根據(jù)根土喂入量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率、速度等作業(yè)參數(shù)，以提高分離效果，目前尚未對(duì)不同根莖類(lèi)中藥材收獲作業(yè)參數(shù)的智能調(diào)控技術(shù)進(jìn)行研究，主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)判斷收獲機(jī)具的作業(yè)參數(shù)。

5 發(fā)展趨勢(shì)

隨著小地塊集中連片，逐步擴(kuò)大中藥材種植面積，正在由人工收獲和半機(jī)械化收獲向機(jī)械化收獲轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)挖掘機(jī)向聯(lián)合收獲機(jī)發(fā)展，目前需突破中藥材農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的關(guān)鍵技術(shù)，提高收獲機(jī)的田間作業(yè)適應(yīng)能力，最終逐步向智能化聯(lián)合收獲機(jī)發(fā)展。

1) 挖掘機(jī)構(gòu)向低耗深挖技術(shù)發(fā)展，針對(duì)深根莖挖掘收獲的挖掘深度不夠、挖掘阻力大和功耗損耗嚴(yán)重等問(wèn)題，進(jìn)一步研究土壤切削破碎、挖掘機(jī)構(gòu)功率損耗等機(jī)理，研發(fā)融合仿生技術(shù)、振動(dòng)減阻技術(shù)的組合式深挖機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低耗深挖新技術(shù)。

2) 分離機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)向柔性低損技術(shù)發(fā)展，針對(duì)不同土壤和根莖類(lèi)中藥材的物理特性，進(jìn)一步分析分離機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)等損傷占比，加大機(jī)械化收獲過(guò)程中根莖類(lèi)中藥材損傷機(jī)理的研究，研發(fā)各機(jī)構(gòu)的柔性收獲關(guān)鍵技術(shù)，以降低機(jī)械收獲的破損率。

3) 收獲整機(jī)向智能調(diào)控技術(shù)發(fā)展，針對(duì)不同種植模式和作業(yè)環(huán)境，收獲機(jī)集成基于北斗導(dǎo)航的智能調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)等自適應(yīng)調(diào)控技術(shù)，以適應(yīng)不同根莖類(lèi)藥材、不同地區(qū)地形和不同田間環(huán)境的機(jī)械收獲作業(yè)。