平貝母收獲挖掘設備研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

李三平，包紋全，吳立國, 2

(1. 東北林業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱市，150040； 2. 國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，哈爾濱市，150086)

0 引言

中藥對于貝母的研究最早可追溯至漢代，2015年版《中華人民共和國藥典》收錄了百合科貝母屬中包含川貝母、平貝母在內(nèi)的八個植物種，其主要功效均為祛痰平喘，其中川貝母藥效最佳，藥用歷史最久，應用最為廣泛。但川貝母的人工栽培技術(shù)尚不成熟，目前主要以野生品為主。平貝母可人工種植，栽培難度相對較低，產(chǎn)量較高，與川貝母在臨床上具有相同或相似的藥效，且具備抗氧化、抗?jié)?、抗炎、抗敏和調(diào)節(jié)黑色素等獨有的藥理作用[1-2]。目前，平貝母已在東北三省70多個市縣大面積種植，已經(jīng)成為了林區(qū)農(nóng)戶的主要經(jīng)濟來源。

平貝母在我國東北已有近40余年的種植歷史，但平貝母機械化采收設備的研發(fā)仍處于初級階段?，F(xiàn)如今，我國的平貝母采收作業(yè)仍采用人工挖掘、細撿，人工篩分、清選的半機械化收獲方式。這一過程勞動強度大，費用高，生產(chǎn)效率低，藥農(nóng)往往無法在最佳采收期完成采收作業(yè)，從而導致該產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益大打折扣。隨著市場需求的逐年增加，平貝母機械化采收設備的落后已經(jīng)成為制約整個行業(yè)經(jīng)濟鏈條發(fā)展的瓶頸[3-4]。因此，順應科技發(fā)展的潮流，加快平貝母機械化采收設備的研發(fā)對促進農(nóng)村經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的意義，對推動該產(chǎn)業(yè)全面健康可持續(xù)發(fā)展，確保藥農(nóng)增收，振興林區(qū)經(jīng)濟具有重要的戰(zhàn)略作用。

對國內(nèi)外根莖類作物收獲機、平貝母收獲機、根莖類作物挖掘鏟進行比較與分析，并針對平貝母種植過程農(nóng)藝要求、收獲作業(yè)工藝規(guī)范對平貝母采收設備機器挖掘鏟現(xiàn)階段存在的問題及未來發(fā)展趨勢進行了展望，以期研發(fā)出滿足行業(yè)需求的平貝母采收設備，推動平貝母種植業(yè)全過程機械化的進程，提高藥農(nóng)的經(jīng)濟收入，促進林區(qū)經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展。

1 根莖類作物收獲機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國外尚無與平貝母收獲機械相關(guān)的研究成果。但國外馬鈴薯、大蒜、花生、胡蘿卜等先進的根莖類作物收獲機研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)對開發(fā)新型平貝母收獲機具有重要的借鑒意義。

美、德、日、俄等馬鈴薯主產(chǎn)國已經(jīng)實現(xiàn)了馬鈴薯收獲作業(yè)的全過程機械化，形成了采用單個環(huán)節(jié)機械收獲或用聯(lián)合收獲機收獲的兩種收獲模式[5-6]。代表機型為德國470自走履帶式馬鈴薯收獲機[7]，該機呈現(xiàn)出極強的專業(yè)化、精細化、人性化特點，與德國大規(guī)模精細化農(nóng)場種植模式相適應。

歐美日韓等國采用的大蒜收獲機械主要有兩種，分別為分段式大蒜收獲機械和自走式大蒜聯(lián)合收獲機。日韓、西班牙等國著重于研發(fā)自走式小型聯(lián)合收獲機[8-10]。其中較為典型的機械，如西班牙打捆式大蒜聯(lián)合收獲機，該機采收效率高，不傷蒜，對極端作業(yè)環(huán)境適應性強。美國、加拿大等國著重研發(fā)可兼收馬鈴薯等其他根莖類農(nóng)作物的大型全程分段式收獲機[11-13]。例如GW4400型四行大蒜挖掘鋪條機和GL2400型兩行大蒜撿拾機。上述兩種機械配套使用可高效完成大蒜的收獲作業(yè)。

美國是世界上花生種植業(yè)機械化水平最高的國家，現(xiàn)已實現(xiàn)了種植、采收、加工全過程機械化，形成了聯(lián)合收獲、兩段式收獲、分段式收獲三種模式。其中較為典型的兩段式收獲機械為Pearman花生挖掘鋪放機，較為成熟的聯(lián)合收獲式機械為KMC3384/3386花生聯(lián)合收獲機[14-15]。

近年來，歐美等國胡蘿卜收獲機的研發(fā)制造技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，ASA-LIFT、Weremczuk、Kubota、GRIMME等類型的胡蘿卜收獲機已經(jīng)開始走向并即將席卷國際市場[16-17]。其中具有代表性的機械為德國GRIMME SP 200胡蘿卜收獲機。該機為自走式雙行收獲機，其行間工作深度可單獨調(diào)節(jié)，機身結(jié)實，配有阿薩利防滑系統(tǒng)，可在粘性土質(zhì)中使用，具有很強的環(huán)境適應能力[18]。

相比于其他鱗莖類作物的收獲機械，我國對馬鈴薯收獲機械的研究較早，國內(nèi)的馬鈴薯收獲機械制造廠家經(jīng)過40余年的發(fā)展，生產(chǎn)研發(fā)過程已經(jīng)趨于完善，產(chǎn)品愈發(fā)成熟。當前我國的馬鈴薯收獲機正朝著聯(lián)合作業(yè)方向、大型化、集成化方向發(fā)展[19-20]。其中具有代表性的機械為4UZL-1型小型自走式薯類聯(lián)合收獲機。該機具有環(huán)境適應性強，傷薯率低，收獲效率高，作業(yè)成本低等特點，可較好地滿足國內(nèi)市場對馬鈴薯收獲機械的需求。

國內(nèi)半夏收獲機目前正朝著節(jié)能化、高效化、專業(yè)化方向發(fā)展。甘肅農(nóng)業(yè)大學的李海等[21]針對目前國內(nèi)半夏收獲機體積大、工作效率低、篩分精度差等缺點，設計了一種節(jié)能型半夏收獲機。其創(chuàng)新點在于為篩桶配置了篩筒拍打裝置，該裝置可緩解篩孔的土壤壅堵現(xiàn)象，提高作業(yè)的精度。

國內(nèi)外幾款根莖類作物收獲機械的設備優(yōu)勢、收獲模式、機械類型如表1所示。

綜上所述，國內(nèi)外根莖類作物的收獲模式大致可劃分為分段收獲、聯(lián)合收獲兩大類，收獲機械大致可劃分為聯(lián)合收獲機、自走式收獲機、牽引式收獲機三大類。林藥平貝母主要集中在我國東北的東部山區(qū)，且多為小地塊種植，地塊不平整，該地區(qū)四輪拖拉機已經(jīng)普及，所以目前我國東北地區(qū)的平貝母收獲機械多為與液壓拖拉機配套使用的中小型牽引式收獲機，收獲模式為人力與機械相互配合的分段式收獲。隨著市場需求的逐年擴大，現(xiàn)行的收獲機械已經(jīng)不能滿足行業(yè)的需要，開發(fā)具有推廣意義的新型平貝母收獲機械勢在必行。依據(jù)平國內(nèi)外其他根莖類作物收獲機的研發(fā)經(jīng)驗及平貝母的種植面積相對較小這一現(xiàn)狀，研發(fā)可兼收其他作物的小型自走式聯(lián)合收獲機不失為一種可行的發(fā)展思路。

表1 國內(nèi)外幾款根莖類作物收獲機械Tab. 1 Several root crop harvesting machinery at home and abroad

2 平貝母收獲機的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對平貝母收獲機械的研究始于程立杰等[22]設計的SBC-1型平貝母收獲機，該機械以人工起收平貝母的工藝流程為依據(jù)，提出了機械操作的工藝過程，并根據(jù)機械操作的工藝過程，設計了與之相匹配的機械組成機構(gòu)。但該機的研究止步于理論階段，未能制造樣機，進行田間試驗。

山東曲阜融興機械設備研制的多功能根莖藥材挖掘機采用滾筒篩的方式對輸送過來的貝土進行分離，提高了貝土的篩分效率，解決了振動篩篩分不徹底和易堵塞的問題。但需要的升運轉(zhuǎn)速過大，易造成平貝母的損傷，且不能實現(xiàn)滾筒篩的無級調(diào)速，推廣應用較少。

丁建民[23]為了解決現(xiàn)有的根莖類藥材收獲機適應性低，穩(wěn)定性差的問題，結(jié)合國內(nèi)根莖類藥材的農(nóng)藝收獲要求設計了新型快速根莖類藥材收獲機。該機配備有兩段式鏈條篩，可在升運過程中高效快速地完成藥土分離作業(yè)。該機構(gòu)作業(yè)速度可調(diào)，篩分精度高，傷藥率低，極大的減小了收獲機的體積，提高了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。經(jīng)性能試驗測得，該設備平均生產(chǎn)率為0.2 hm2/h，藥材損失率為3.10%，滿足根莖類藥材收獲工藝要求，但在土壤粘度較大的環(huán)境中工作時，鏈條篩存在嚴重的土壤壅堵現(xiàn)象，這會對藥土分離作業(yè)的質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響，因此該機未能在我國東北的平貝母種植區(qū)域被推廣。

2015年，宋江等[24-25]在經(jīng)過大量的實地調(diào)查后，基于平貝母的種植工藝規(guī)范研發(fā)了4B-1200型平貝母收獲機。該機由刮土機構(gòu)、單層振動式篩分裝置、帶柵條的條形平面鏟、篩下貝土輸送螺旋等主要部件組成。刮土鏟的上緣采用圓弧式設計，可防止土壤從鏟頂溢出。單層振動式篩分裝置解決了擺動式篩分裝置在篩分過程中存在的篩分精度差、漏篩率低的問題，但該裝置無法滿足按照平貝母的尺寸大小進行等級分級的工藝要求。篩下貝土輸送螺旋將分篩后的土壤輸送至壟溝，降低繼續(xù)種植時的整地難度。該機以手扶拖拉機作為動力源，提高了林區(qū)手扶拖拉機的利用效率。經(jīng)樣機試驗測得，該機的平貝母損失率≤4.90%，傷貝率≤4.10%，滿足行業(yè)標準規(guī)定，但該機在山地丘陵地區(qū)工作時仍存在轉(zhuǎn)彎性能差、靈活度較低的問題。

2017年，王密等[26-27]對4B-1200型平貝母藥材收獲機進行了改進設計。新型4B-1200型平貝母收獲機采用鏈條刮板式反向升運器，該機構(gòu)可高效平穩(wěn)地完成貝土輸送作業(yè)，降低該過程中的平貝母損傷率，但同時也存在動力不足、堆土、皮帶側(cè)滑等問題。為解決單層振動式篩分裝置無法對平貝母進行的等級分級的問題，新機型配備了雙層振動式等級篩分裝置，但該機構(gòu)的工作效率較低，在高強度作業(yè)時存在堵篩問題。為解決這一問題，該項目組將振動式篩分裝置替換為滾筒篩式分離裝置。改進后新機型的平貝母損失率、傷貝率分別降低至3.80%、2.90%，但滾筒篩式分離裝置存在篩分不徹底的問題，收集裝置內(nèi)的土壤雜質(zhì)較多，仍需人工進行二次篩選，故限制了新機型的推廣應用。

為解決平貝母采收機械化水平較低的問題，馬川[28]依據(jù)平貝母的種植工藝、物理特性設計了一種平貝母收獲機(圖1)。該機由固定式平面挖掘鏟、帶刮板的升運鏈、調(diào)高地輪、雙層振動篩等部件組成。在挖掘深度為87 mm，運行速度為3.35m/s的條件下，該機的平貝母損失率、傷貝率低至1.75%、1.71%。該機械整體結(jié)構(gòu)簡單，易于操作；采用鏈傳動，安全性高，易于維護；使用拖拉機作為動力源，提高了林區(qū)拖拉機的利用率。但該機未配置刮土裝置，在作業(yè)時需要使用其他設備刮去覆土層與蓋頭糞，應用時存在一定的局限性；使用調(diào)高地輪調(diào)節(jié)挖掘鏟的工作深度時會使挖掘鏟的入土角發(fā)生變化，影響挖掘鏟的工作性能；升運鏈直接裸露在外，前端容易直接與土壤接觸產(chǎn)生磨損，降低機構(gòu)的使用壽命。

圖1 平貝母收獲機Fig. 1 Fritillaria Ussuriensis harvester

吳立國等[29]在對黑龍江省伊春市紅星區(qū)平貝母種植基地進行深入考察后，結(jié)合該基地平貝母產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，研發(fā)了4QPB-1201型平貝母采收機(圖2)。該機的篩分裝置由滾筒篩、振動篩、末端振動篩三部分構(gòu)成。振動篩的篩分精度高，但作業(yè)效率較低，易發(fā)生堵篩現(xiàn)象。本機使用滾筒篩進行初次篩選，降低振動篩的篩分壓力，以提高機構(gòu)整體的工作效率與篩分精度。但該機構(gòu)無法實現(xiàn)平貝母的分級采收，可將末端振動篩替換為篩網(wǎng)大小不同的雙層振動篩以解決這一問題。經(jīng)田間試驗驗證，該機的采收效率為0.15 hm2/h，平貝母收凈率為99.20%，傷貝率為1.10%，作業(yè)性能基本滿足平貝母的收獲要求，但仍存在傷貝率高的問題，故而未能推廣應用。

國內(nèi)外幾款平貝母收獲機械的研發(fā)單位、關(guān)鍵部件、機械類型、收獲效率、損失率和損傷率如表2所示。目前國內(nèi)的平貝母收獲設備大致可劃分為平貝母專收機型、多種作物兼收機型兩類。平貝母專收機型在設計過程中更多考慮了平貝母的采收工藝與種植規(guī)范，因此采收作業(yè)的質(zhì)量要高于多種作物兼收機型。平貝母專收機型的篩分部件可分為單層振動篩、雙層振動篩、滾筒篩、振動篩與滾筒篩結(jié)合使用的組合式篩分裝置四種。單層振動篩的漏篩率高，篩分精度好，但傷貝率較高，且無法依據(jù)平貝母的尺寸大小對其進行分級；滾筒篩可依據(jù)離心力對不同大小的平貝母進行等級分級，但篩分精度較差，篩后雜質(zhì)較多；雙層振動篩可依據(jù)篩孔的不同對平貝母進行分級，但體積較大，機械的靈活性較差；組合式篩分裝置充分結(jié)合了單層振動篩和滾筒篩的優(yōu)勢，一級滾筒篩對不同大小的平貝母進行等級分級，二級振動篩用于保證篩分精度，但篩網(wǎng)易被土壤堵塞。經(jīng)對比分析，采用雙層振動篩或組合式篩分裝置的平貝母專收機型的整體性能要高于其他類型的平貝母采收設備。

圖2 4QPB-1201型平貝母采收機Fig. 2 4QPB-1201 Fritillaria Ussuriensis harvester1.末端振動篩 2.末端收集箱 3.滾桶篩 4.機架 5.傳動總成 6.升運裝置 7.振動篩

綜上所述，現(xiàn)階段投入使用的平貝母采收設備仍然存在挖掘阻力大、設備自身靈活性差、傷貝率高等問題，目前國內(nèi)尚無可推廣應用的平貝母收獲機。因此順應科學技術(shù)發(fā)展的潮流，研制一款適用于推廣應用的平貝母收獲機對促進農(nóng)村經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

表2 國內(nèi)幾款平貝母收獲機械Tab. 2 Several domestic flat fritillary harvesting machinery

3 國內(nèi)外根莖類作物收獲機械挖掘鏟的研究現(xiàn)狀

挖掘鏟是平貝母收獲機的核心部件，其主要作用是將平貝母鱗莖從土壤中掘出，并向后方提升裝置輸送。挖掘鏟的結(jié)構(gòu)設計將直接決定其碎土性能、防土壤壅堵能力及挖掘阻力，進而影響收獲機的整體性能。不同類型挖掘鏟的動力學形式、優(yōu)點、缺點如表3所示。

表3 挖掘鏟分類表Tab. 3 Shovel classificationTable

1) 振動式挖掘鏟。振動切削技術(shù)根據(jù)切削方向數(shù)目的不同可分為一維切削與二維切削兩種。相比于一維振動切削刃，二維振動切削刃可以抵消部分與土壤相互作用產(chǎn)生的摩擦力與黏附力，具有更加優(yōu)秀的減阻性能與防土壤黏附能力[30]。因此國內(nèi)外的振動式挖掘鏟多采用二維振動切削刃。2020年，秦戰(zhàn)強等[31]為芋頭收獲機研發(fā)了一種三面異型結(jié)構(gòu)的振動式挖掘鏟。該鏟的振動裝置由偏心輪與鏈輪組成，工作性能穩(wěn)定，易于維護；鏟面由一個平面與兩個曲面構(gòu)成，碎土能力強，不易產(chǎn)生鏟面壅土現(xiàn)象；鏟刃由同一水平面內(nèi)的一條直線與兩條斜線相交而成，自潔性能好，可完全切斷根莖防止秧莖或雜草纏搭。但該鏟的掘出物易散落在地面，需要人工或撿拾機械進行二次撿拾作業(yè)以保證作物的收凈率。整體而言，該鏟結(jié)構(gòu)設計合理，整體功能滿足工藝要求，具有一定的借鑒價值。在借鑒過程中，應以平貝母的三維尺寸、表面硬度和收獲工藝要求為依據(jù)，進行鏟體結(jié)構(gòu)設計，以降低傷貝率；應以平貝母鱗莖密度、種植農(nóng)藝需求與當?shù)赝寥烂芏葹殛P(guān)鍵數(shù)據(jù)，對振動機構(gòu)進行針對性設計，以提高收凈率。

2) 單鏟挖掘鏟。單鏟挖掘鏟是指只有一個工作鏟面的挖掘鏟，包括條形平面鏟、三角形平面鏟等。單鏟挖掘鏟性能穩(wěn)定，易于維護，造價較低，可批量生產(chǎn)，且可以與延伸柵條配套使用以提升其碎土性能，減輕結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，因此該類挖掘鏟在國內(nèi)外具有較為廣泛的應用。

條形平面鏟結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，且具備較強的兼容性，故多用于采收尺寸較小的根莖類作物。目前現(xiàn)有的平貝母收獲機多采用條形平面鏟。宋江等研發(fā)的4B-1200型作物收獲機采用帶有延伸柵條的條形平面鏟(圖3)。該鏟的工作寬度為1 200 mm，略大于平貝母的壟寬，可一次完性成整條壟的采收作業(yè)；鏟面傾角取26°，既降低了鏟的挖掘阻力，又保證了鏟的碎土性能；延伸柵條間隔取8 mm，平貝母的最小采收尺寸為8 mm，該間隔可以在保證收凈率的前提下盡可能的提升裝置的碎土性能。條形挖掘鏟結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，制造成本低，在特定工作環(huán)境下具有優(yōu)秀的作業(yè)性能，但在土壤含水率較大的條件下易產(chǎn)生土壤壅土現(xiàn)象。因此在設計該類平貝母挖掘鏟時，需要依據(jù)目標作業(yè)區(qū)域的具體工作環(huán)境，重點考慮其入土角、鏟面傾角、鏟體長度、工作幅寬等參數(shù)的設置，以降低鏟體所受挖掘阻力，提高作業(yè)性能。此外，還需為鏟刃添加自銳能力以解決維護費用較高的問題。

圖3 帶有延伸柵條的條形平面鏟Fig. 3 Strip plane shovel with extended bars1.貝土混合物 2.鏟板 3.連接側(cè)板 4.延伸柵條

三角形平面鏟性具有穩(wěn)定的力學結(jié)構(gòu)與良好的入土、碎土性能，但鏟面自潔性較差，易產(chǎn)生土壤黏附現(xiàn)象，故三角形平面鏟主要應用于土壤粘性較小的工作環(huán)境中。目前我國內(nèi)蒙古、山西、河北等地的中小型馬鈴薯收獲機大多采用三角形平面鏟。圖4為張澤璞等為板藍根收獲機設計的帶有延伸柵條的三角形平面鏟。該鏟由三角形鏟片、側(cè)切削刃、延伸柵條等主要部件組成。延伸柵條可以強化裝置的碎土性能，對薯土混合物進行簡單分離以降低篩分裝置的工作強度。側(cè)切削刃既可以破碎側(cè)方土壤，降低鏟的挖掘阻力，又可以切斷雜草秧莖，避免造成纏搭現(xiàn)象。但在該結(jié)構(gòu)中，側(cè)切削刃在承擔切削任務的同時又作為連接部件的一部分，其工作載荷較大，強度要求較高，易產(chǎn)生折損現(xiàn)象。整體而言，該鏟在保證其結(jié)構(gòu)設計盡可能簡單的情況下，通過設置側(cè)切削刃、延伸柵條來完善挖掘鏟的整體性能，其研究思路值得借鑒學習。

圖4 帶有延伸柵條的三角形平面鏟Fig. 4 Triangular plane shovel with extended bars

東北林區(qū)貝母收獲季節(jié)降水量較大，在設計該類平貝母挖掘鏟時，可在鏟體表面設置涂層，以提高鏟面自潔性；也可將其用作刀頭，與條形平面鏟組合使用；還可將鏟體設計成V形，在保證入土、碎土性能的基礎上，減少鏟面與土壤的接觸面積，鏟后設置延伸柵條，在保證鏟體工作幅寬的基礎上，提高整體機構(gòu)的碎土性能。

3) 仿生挖掘鏟。仿生挖掘鏟是指在性能上實現(xiàn)并有效利用生態(tài)系統(tǒng)中某種或某幾種生物特有功能的挖掘鏟。2020年，郎沖沖等[32]依據(jù)有限元、離散元仿真分析技術(shù)，將仿生學與三七種苗培育工藝相結(jié)合，設計出一種基于穿山甲前爪中趾及鱗片性能的三七種苗仿生挖掘鏟(圖5)。該鏟的鏟面設計借鑒了穿山甲的鱗片外形特性，通過設置半圓突起結(jié)構(gòu)以增加鏟的碎土性能，提高鏟的抗土壤黏附能力。鏟刃及鏟體設計采用了穿山甲前爪中趾的擬合輪廓曲線，鏟刃入土性能良好，具有自潔能力，鏟體符合仿生學原理，具有良好的結(jié)構(gòu)性能。經(jīng)模擬實驗分析，該鏟具有良好的減阻、碎土性能，其各項指標均優(yōu)于行業(yè)標準，滿足設計要求。相比于普通挖掘部件，仿生挖掘鏟在減阻性能方面具有巨大的優(yōu)勢。但仿生挖掘鏟同時也存在結(jié)構(gòu)復雜，生產(chǎn)成本高，維護難度大，開發(fā)方式繁瑣等問題[33-34]。隨著我國加工制造水平的不斷提高，仿真模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，上述問題正在逐漸得到解決，目前仿生挖掘鏟已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域的熱門研究方向。在設計該類平貝母挖掘鏟時，需結(jié)合平貝母種植區(qū)域內(nèi)的具體生態(tài)環(huán)境，從中找出合適的仿生對象作為研究目標，在研發(fā)過程中，應脫離以往半經(jīng)驗化的研發(fā)模式，合理利用三維掃描、有限元、離散元等技術(shù)，設計出能夠滿足目前甚至未來市場需求的新型仿生挖掘鏟。

圖5 三七種苗仿生挖掘鏟Fig. 5 Bionic digging shovel for Panax notoginseng seedlings1.鏟尖 2.鏟面 3.凸槽 4.鏟背

4) 組合式挖掘鏟。組合式挖掘鏟是指由多組具有特定結(jié)構(gòu)、功能的鏟片組合而成的挖掘鏟。該類挖掘鏟的優(yōu)點在于可根據(jù)目標作物的物理特性、種植工藝、土壤情況對各個鏟片進行針對性的設計，以提高挖掘鏟的各項性能。圖6為程一啟等為三七收獲機設計的組合式挖掘鏟。該鏟由土壤破碎鏟、二階平面鏟等主要部件構(gòu)成。二階平面鏟的第一階鏟面傾角取15°～20°，既保證了挖掘鏟的入土性能，又提高了鏟面的防土壤黏附能力。第二階的鏟面傾角取18°～25°，略大于第一階，以增強挖掘鏟的碎土性能。土壤破碎鏟位于兩片二階平面鏟之間，不但可以強化挖掘鏟的整體碎土性能，而且還能防止衡量迎土面直接與土壤接觸，降低機械的運行阻力。鏟架寬度數(shù)值較大，提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，防止三七種苗從鏟縫滑落。該鏟設計合理，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，收凈率高，減阻性能良好，具有很高的借鑒價值。組合式挖掘鏟整體性能穩(wěn)定，維護方便，針對性強，結(jié)構(gòu)設計幾乎沒有限制，隨著平貝母種植規(guī)模的不斷擴大，種植、采收工藝也在逐漸趨于統(tǒng)一，為此，研發(fā)出與之相適應的組合式挖掘鏟對平貝母行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。東北林區(qū)平貝母種植區(qū)域地勢較為復雜，因此在設計該類平貝母挖掘鏟時，還需為挖掘鏟添加角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、限深機構(gòu)以提高其環(huán)境適應能力，為解決部分區(qū)域土壤粘度較大的問題，還應為鏟體研發(fā)特制涂層材料以提高其鏟面自潔能力。

圖6 組合式挖掘鏟Fig. 6 Combined digging shovel1.二階平面鏟 2.支撐板 3.土壤破碎鏟

目前國內(nèi)平貝母挖掘鏟的研發(fā)設計思路仍處于經(jīng)驗化或半經(jīng)驗化狀態(tài)，因此現(xiàn)有的挖掘鏟結(jié)構(gòu)設計簡單，僅適用于特定工作環(huán)境，不具備推廣條件。隨著市場需求的不斷提高，種植面積不斷擴大，藥農(nóng)的工作強度也越來越高。為此，應走出經(jīng)驗化、半經(jīng)驗化研究思路的限制，選擇科學的研發(fā)思路，以提高收凈率，降低傷貝率，控制整機能耗，減輕人工負擔為目標，將平貝母的物理性質(zhì)、種植農(nóng)藝特性，采收工藝特性為重要參數(shù)，使用三維掃描、仿生、仿真模擬等技術(shù)研發(fā)出滿足行業(yè)需求的、具有推廣意義的新型平貝母挖掘鏟，以推動全程機械化的進程，促進行業(yè)發(fā)展，解放農(nóng)村生產(chǎn)力，提高林區(qū)藥農(nóng)的經(jīng)濟收入。

4 平貝母收獲機及其挖掘部件現(xiàn)階段存在問題

4.1 平貝母收獲機現(xiàn)階段存在問題

1) 目前，國內(nèi)尚無可推廣的平貝母采收設備。多數(shù)現(xiàn)行采收機械僅能在特定作業(yè)環(huán)境中工作，機體靈活度差，挖掘阻力大，傷貝率高，作業(yè)效率低，難以應對林區(qū)小地塊種植區(qū)域的復雜地形。

2) 現(xiàn)階段平貝母專收設備的專業(yè)化程度較低，與采收作業(yè)工藝要求之間的配合并不緊密，因此在作業(yè)過程中尚需人工協(xié)助配合，但該類平貝母收獲機在工作時其篩分機構(gòu)會產(chǎn)生大量揚塵與噪音，不但損害了工作人員的身體健康，而且嚴重影響了工作人員的視覺、聽覺，從而加重藥農(nóng)的工作負擔。

3) 市場上現(xiàn)有的多種作物兼收機型雖然提高了設備的利用效率，但也削弱了收獲機的專業(yè)性。因為根莖類作物的物理性質(zhì)存在差異，因此篩分裝置無法依據(jù)作物的三維尺寸對其進行分級。人工分級勞動強度大，作業(yè)效率低，且分級過程中易對平貝母產(chǎn)生一定程度的損傷，從而造成不必要的經(jīng)濟損失。

4.2 平貝母收獲機挖掘鏟現(xiàn)階段存在問題

1) 挖掘鏟作為平貝母收獲機的核心部件，直接對采收作業(yè)的質(zhì)量產(chǎn)生影響，但經(jīng)驗、半經(jīng)驗化的研發(fā)思路導致研究人員對于平貝母挖掘鏟的探索集中在了入土傾角、鏟面傾角、作業(yè)深度、工作幅寬等參數(shù)的設置上，進而忽略了不同挖掘鏟類型、不同鏟體形狀設計、不同鏟刃形狀規(guī)劃、不同材料選擇等因素對挖掘作業(yè)產(chǎn)生的影響。

2) 市面上的平貝母挖掘鏟多為單鏟片挖掘鏟，該類設計結(jié)構(gòu)簡單，降低了鏟體的加工難度與制造費用，但該類鏟體的設計者很少考慮鏟刃自銳性，這導致鏟刃損壞后維護難度較大，極端情況下甚至需要對整個鏟體進行更換。

3) 目前，現(xiàn)有的平貝母挖掘鏟均存在環(huán)境適應性差的問題。在特定工作環(huán)境下，現(xiàn)有的平貝母挖掘鏟均能發(fā)揮出穩(wěn)定的作業(yè)性能，但當現(xiàn)場工作環(huán)境異于設計環(huán)境參數(shù)時，就會出現(xiàn)鏟面壅土、收凈率低、挖掘阻力大等問題，因此現(xiàn)有的平貝母挖掘鏟尚不具備推廣條件。

5 平貝母收獲機及其挖掘部件的發(fā)展趨勢

5.1 平貝母收獲機的發(fā)展趨勢

1) 我國平貝母種植業(yè)正處于發(fā)展階段，種植面積相對較小，研發(fā)可兼收包括平貝母在內(nèi)的多種作物的收獲機可以在滿足平貝母行業(yè)對收獲機需求的基礎上最大限度的節(jié)約成本，提高機械的利用率。

2) 拖拉機在我國東北農(nóng)村已經(jīng)普及，為了提高拖拉機的利用率，降低生產(chǎn)成本，背負式平貝母收獲機成為了當前市場上的主流。但隨著川貝母野生資源的不斷枯竭，市場對平貝母的需求越來越大，面對不斷擴大的種植規(guī)模，背負式平貝母收獲機將很難滿足行業(yè)需求。而自走式收獲機具有收獲效率高、對復雜收獲環(huán)境適應性好、節(jié)省人力資源等特點，可以滿足平貝母種植業(yè)對高效、低耗的新型平貝母收獲機的要求。

3) 隨著市場需求的不斷增加，平貝母的種植規(guī)模也在不斷擴大，研發(fā)中小型聯(lián)合作業(yè)收獲機將會極大提高平貝母的采收效率與采收作業(yè)的質(zhì)量，從而促進該行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

平貝母收獲機將會朝著高效化、采收過程專業(yè)化、采收作物兼容化方向發(fā)展。

5.2 平貝母收獲機挖掘鏟的發(fā)展趨勢

1) 有限元、離散元仿真技術(shù)的逐漸成熟為平貝母挖掘鏟的研發(fā)提供了一種全新的研究思路：在挖掘鏟的設計研發(fā)階段借助有限元仿真分析來檢驗其自身的靜力學性能及結(jié)構(gòu)強度，再利用離散元仿真模擬技術(shù)來模擬挖掘鏟的工作過程以分析其性能是否滿足設計要求。有限元、離散元仿真技術(shù)將成為新型平貝母挖掘鏟研發(fā)過程中的重要工具。

2) 相比于傳統(tǒng)挖掘鏟，仿生挖掘鏟在減阻、碎土性能上具有明顯的優(yōu)勢。隨著仿真模擬技術(shù)、仿生學的不斷發(fā)展，仿生挖掘鏟相關(guān)領(lǐng)域?qū)蔀橥诰虿考邪l(fā)領(lǐng)域中的熱門方向。

3) 組合式挖掘鏟整體性能好，結(jié)構(gòu)設計局限性較小，可根據(jù)采收作物的物理性能、種植環(huán)境設計出相應的挖掘鏟。目前我國東北地區(qū)的平貝母種植業(yè)正在不斷發(fā)展，平貝母的栽培工藝也在逐漸確立。研發(fā)與平貝母栽培采收工藝相適應的組合式挖掘鏟可以極大提高采收作業(yè)的質(zhì)量，提高藥農(nóng)的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)論

1) 目前，國外尚無平貝母收獲機械相關(guān)領(lǐng)域的研究，國內(nèi)還未研制出可推廣應用的平貝母收獲機械。平貝母的市場需求逐年提升，種植規(guī)模也在不斷擴大。為了促進平貝母種植業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，研發(fā)可以滿足市場需求的新型平貝母收獲機具有重要意義。研發(fā)可兼收多種作物的中小型自走式收獲機與具有針對性的專業(yè)化中小型聯(lián)合收獲機為平貝母未來的兩種發(fā)展趨勢。

2) 目前國內(nèi)外根莖類作物收獲機械挖掘鏟的研究較為成熟，但平貝母收獲機械挖掘鏟相關(guān)領(lǐng)域的研究仍處于初級階段。挖掘鏟作為平貝母收獲機的核心部件，將會對機械的整體性能產(chǎn)生直接影響。因此研發(fā)新型挖掘鏟既是研發(fā)新式平貝母收獲機的第一步，同時也是實現(xiàn)平貝母種植業(yè)全過程機械化的關(guān)鍵一步。有限元、離散元仿真技術(shù)的發(fā)展正在逐漸改變此前半經(jīng)驗化的研究思路。未來平貝母收獲機械的挖掘鏟將會朝著研究思路科學化、研發(fā)手段專業(yè)化、運行性能穩(wěn)定化的方向發(fā)展。