四川丘陵山區(qū)白芷機(jī)械化收獲裝置探析

蔣輝霞 萬先起 李光輝 蔣金巧 羅 俊 王 林 徐 一 魏鼎才

（四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院，四川成都 610066）

白芷作為四川道地藥材中的典型代表之一，其應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅具有祛風(fēng)散寒、活血排膿、生肌止痛、燥濕止帶、降血壓等藥用價值[1]和減肥、美容、祛斑等美容美體價值[2-3]，還是藥食同源的典型，可用于熬粥、煲湯、調(diào)味等，有很高的食用價值。白芷一般9月中旬至10月上旬播種，翌年7月中下旬采收。挖取過早會導(dǎo)致加工出的成品粉性不足；采收過遲，其根部會腐爛或重新發(fā)芽而消耗養(yǎng)分，影響產(chǎn)量和質(zhì)量。應(yīng)選擇連續(xù)晴天進(jìn)行采收，先將地上部分割除，然后細(xì)致地挖出全根，避免造成不必要的損失。目前，白芷的收獲大部分依賴人工挖取，收獲效率低。此外，收獲季節(jié)雨水較多，白芷在挖取過程中被雨淋濕會導(dǎo)致黑心、霉?fàn)€[4]。因此，為有效促進(jìn)當(dāng)?shù)匕总飘a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，亟須突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，研發(fā)一種白芷機(jī)械化收獲裝置。

本文針對白芷人工挖取效率低、挖取難度大的現(xiàn)狀，在分析比較挖取作業(yè)工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合挖取白芷須滿足破損率低、作業(yè)效率高、操作簡單方便的需求，并綜合考慮丘陵山區(qū)地形、地貌特點(diǎn)，對白芷機(jī)械化收獲裝置的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索。白芷機(jī)械化收獲裝置需要滿足作業(yè)效率高、損失率低、可靠性高、適用性強(qiáng)的要求和適用于四川丘陵山區(qū)不同土壤條件。經(jīng)綜合分析，采用拖拉機(jī)拖動白芷收獲裝置作業(yè)，由拖拉機(jī)后軸連接收獲裝置的傳動機(jī)構(gòu)并提供作業(yè)動力。收獲裝置主體結(jié)構(gòu)由動力部分、挖取部分、篩分部分、行走部分和出料部分組成。

1 動力部分

四川丘陵山區(qū)白芷主產(chǎn)于遂寧、安岳、簡陽、瀘州等地，由于地處丘陵山區(qū)，地塊小，并且很多還是坡地。拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)彎半徑小，便于當(dāng)?shù)赝翂K作業(yè)，故采用拖拉機(jī)作為拖動動力。

挖掘裝置的挖掘動力采用拖拉機(jī)后軸連接白芷收獲裝置的變速箱，變速箱通過帶輪輸出動力到第一根旋轉(zhuǎn)軸上，第一根旋轉(zhuǎn)軸通過兩級連桿機(jī)構(gòu)將動力傳輸至挖掘鏟，進(jìn)行挖掘作業(yè)。

挖掘裝置的篩分動力由第一根旋轉(zhuǎn)軸通過第一級鏈條帶動第二根旋轉(zhuǎn)軸，第二根旋轉(zhuǎn)軸經(jīng)第二級鏈條傳動，帶動前傳輸帶作業(yè)；同時，第二根旋轉(zhuǎn)軸通過第二級鏈條帶動第三根旋轉(zhuǎn)軸，第三根旋轉(zhuǎn)軸再經(jīng)第三級鏈條傳動和第四根旋轉(zhuǎn)軸一起作業(yè)帶動后傳輸帶傳動，進(jìn)行篩分作業(yè)。

挖掘裝置的行走部分動力設(shè)計為三點(diǎn)直聯(lián)，保證挖掘裝置平穩(wěn)前行。

2 挖取部分

根莖類道地藥材機(jī)械化收獲的關(guān)鍵核心之一是其挖取技術(shù)及部件。四川丘陵山區(qū)不同的土壤類型、土壤含水率對挖取部分的技術(shù)要求各不相同，因而需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況研制入土阻力小、動力消耗低、作業(yè)效率高的挖掘技術(shù)及部件。

2.1 挖掘鏟整體設(shè)計

挖掘鏟包括插刀、直角鐵塊、柵條等部件。柵條上設(shè)有向上彎曲的掛鉤，插刀的前端部分較尖，有利于插入土層。刀片上沿輪廓設(shè)有直線凸起，防止土壤黏附在刀片上，并且刀片也有一定的入土角度，有利于減少入土阻力。挖掘鏟底板上的直角鐵塊可防止土壤黏附在挖掘鏟底板上，插刀后部的圓形柵條有利于小塊土壤脫落，提高挖掘鏟的抖土能力。此外，挖掘鏟的寬度應(yīng)當(dāng)滿足四川丘陵山區(qū)地形、地貌特點(diǎn)和白芷種植的需要。

2.2 材料和工藝

挖掘鏟材料的選用應(yīng)滿足挖掘作業(yè)應(yīng)力要求，并且具有良好的焊接性能和冷熱加工性能，以方便制作加工。在加工過程中，采用適宜的加工工藝可提高挖掘鏟防沖擊、耐磨、耐腐蝕等機(jī)械性能，滿足四川丘陵山區(qū)不同土壤條件作業(yè)和連續(xù)高強(qiáng)度作業(yè)的需求，從而提高挖掘鏟的適用性。

2.3 挖掘減阻分析

四川丘陵山區(qū)土壤的耕作阻力因土質(zhì)、土壤含水率不同而存在很大差異，尤其是輪式拖拉機(jī)附著力差，降低牽引阻力、充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)效率至關(guān)重要。因此，開發(fā)研制深層挖掘減阻部件將成為實(shí)現(xiàn)白芷機(jī)械化收獲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

結(jié)合白芷挖掘過程中挖掘深度、明莖率、挖松率、傷損率等相關(guān)技術(shù)要求確定多種設(shè)計方案，利用相關(guān)專用軟件分別建立不同形狀的白芷挖掘鏟三維模型。通過設(shè)置不同的入土角度，對其挖掘過程進(jìn)行動態(tài)仿真。根據(jù)動態(tài)仿真結(jié)果得出不同的阻力大小，并找出適宜的入土角度，從而選擇適宜的挖掘鏟形狀。通過專業(yè)軟件對挖掘鏟不同位置的應(yīng)力進(jìn)行分析，找出應(yīng)力最集中的區(qū)域，從而在相應(yīng)位置有針對性地采取加強(qiáng)措施，延長其使用壽命。

3 篩分部分

根莖類道地藥材機(jī)械化收獲的另一個關(guān)鍵核心是其篩分技術(shù)及部件。傳統(tǒng)的篩分技術(shù)是將土壤和根莖類作物一起挖掘后通過振動實(shí)現(xiàn)分離，存在分離不徹底、堵塞等問題。本裝置創(chuàng)新性地將土塊進(jìn)行了二次破碎，對白芷和土塊進(jìn)行了二次篩分，最終實(shí)現(xiàn)土塊與白芷的有效分離，可滿足當(dāng)?shù)匕总剖斋@的需求。

3.1 整體設(shè)計

將白芷的根莖從土壤中鏟出，連同土塊一起放入振動篩。對包裹藥材根莖的土塊進(jìn)行振動操作，篩掉一部分土塊。振動后的土塊和藥材根莖被傳送到前傳輸帶上，再分離掉一部分土塊。在前傳輸帶傳送的過程中，前壓輥可以把大的土塊碾壓成小的土塊，然后壓輥對小土塊進(jìn)一步碾壓。經(jīng)過碾壓處理后的土塊和藥材根莖被傳送到后傳輸帶上，壓碎的土塊經(jīng)后傳輸帶分離，使藥材滑落到地面，以便作業(yè)人員收集。

3.2 傳輸帶設(shè)計

3.2.1 前傳輸帶。考慮丘陵山區(qū)土質(zhì)條件和收獲需求，將前傳輸帶的傳輸鏈間隙設(shè)計得較寬，以便將挖掘好的藥材和泥土在傳輸帶上振動分離，實(shí)現(xiàn)初步篩選功能；同時，考慮設(shè)計間隙應(yīng)小于白芷的最小尺寸，以避免振動過程中白芷被漏掉。

3.2.2 后傳輸帶。后傳輸帶的傳輸鏈間隙設(shè)計小于前傳輸鏈的間隙，以便將第一次振動分離的藥材和泥土再次分離，實(shí)現(xiàn)細(xì)篩功能，以滿足收集要求。

3.3 碎土部分設(shè)計

為了提高裝置的作業(yè)效率和作業(yè)性能，該裝置創(chuàng)新性地設(shè)計了二次碎土作業(yè)，并且第二次碎土的尺寸小于第一次碎土尺寸，提高了碎土效率。該機(jī)構(gòu)主要由傳輸帶上的前壓輥和后壓輥組成，前壓輥和后壓輥均采用圓形鋼材制作，并且表面進(jìn)行了打磨處理，以保證光滑，避免擦傷白芷表皮而降低白芷質(zhì)量。前壓輥與前傳輸帶之間的距離設(shè)計得較大，便于粉碎較大的土塊；后壓輥與后傳輸帶之間的距離設(shè)計得較小，便于粉碎較小的土塊。此外，前壓輥與前傳輸帶、后壓輥與后傳輸帶之間的距離均應(yīng)大于白芷的最大尺寸，使白芷根莖能順利通過且不被壓傷。

4 行走部分

行走部分的設(shè)計采用拖拉機(jī)作為牽引力拖動，白芷收獲裝置采用行走輪作支撐并滾動前行，便于行走和轉(zhuǎn)彎作業(yè)；整體行走機(jī)構(gòu)設(shè)計簡單且易于更換；行走輪采用特殊工藝處理，提高了耐磨性和耐腐蝕性，從而延長了行走部分的使用壽命。

5 出料部分

經(jīng)過二次篩分后，白芷根莖部分的泥土大部分被篩盡，白芷根莖部分經(jīng)出料口直接滑落到地面，由作業(yè)人員統(tǒng)一整理收集。基于白芷收集方便、出料順暢、減少堵塞的需求，出料口離地面的高度、出料口與水平線的角度設(shè)計應(yīng)適中，保證滑落時不堵塞和傷害白芷根莖。出料部分的鋼板表面應(yīng)進(jìn)行打磨，保證不傷害白芷根莖表皮、不影響白芷收獲質(zhì)量。

6 結(jié)語

為了提高本裝置的機(jī)械性能，經(jīng)技術(shù)方案分析、比較，確定了本裝置各組成部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝處理。通過前部振動挖掘鏟松土，有效減少了土壤阻力，二次篩分和碎土讓白芷與土壤分離干凈且不漏、不傷白芷。本裝置集挖掘、碎土、分離等功能為一體，實(shí)用性強(qiáng)，為四川丘陵山區(qū)白芷或者根莖類藥材收獲提供了一定的參考，對根莖類藥材的機(jī)械化發(fā)展起到了積極作用。