根茎类中药材采收机的设计及分析*

吴芳霞,倪淑君,盛时永,陈小平

(安徽理工大学,安徽淮南 232001)

根茎类中药材采收机的设计及分析*

吴芳霞,倪淑君,盛时永,陈小平*

(安徽理工大学,安徽淮南 232001)

鉴于目前中药材人工种植面积大,但采收机械化程度低、人工操作强度大及效率低下等实际问题,设计一种新型机械化药材挖掘机。整体结构由手扶拖拉机、旋切分离装置、纵向犁地装置、支撑固定架和振动分离装置五大部分组成。通过旋切分离装置实现药材的根茎与树茎旋切分离的功能,采用纵向犁地装置将树茎自动拨至采挖地两旁,再以振动分离装置自动去除根茎上的泥土与杂质,提供了一种高效率的机械化采收药材的途径。

中药材;采收机;设计;ADAMS

0 引 言

《史记》载“神农以赭鞭鞭草木,始尝百草,始有医药。”中药,根据中医理论制造和使用的药物,因源于中国而得名。根茎类中药材没有统一的概念,《中药鉴定学》中描述,根茎类中药系指以地下茎或带有少许根部的地下茎入药的药材,根茎类中药包括根状茎、块茎、球茎及鳞茎等,是一类地下茎的变态[1]。根茎的形状很多,如圆柱形、纺锤形、扁球形等。

野生中药材生长周期长,无法满足市场需要,于是人工种植药材产业逐渐发展形成规模。然而,传统的人工挖掘因其劳动强度高、效率低、断根撕裂严重而影响药材品质等突出问题,严重制约着这一经济产业的持续快速发展。虽然目前出现了一些药材挖掘机,但不适合多种药材及土质,使用范围小,而当药材处在地面以下50 cm时,人力和深耕犁都挖不出来,只能放弃[2]。因此,研制新型药材挖掘机具有良好的经济效益和广阔的市场前景[3]。

针对根茎类药材韧性和弹性较大、各向力学特性不同、含水率不同等特点[4],设计一种机械化程度高的药材采收机,实现药材的树茎与根茎旋切分离、树茎自动拨至采挖地两旁、根茎的挖掘和自动去除根茎上的泥土与杂质等功能,以解决根茎类药材采挖过程中存在的现实难题。基于三维软件构建旋切分离装置模型,导入仿真软件ADAMS中,对其进行动力学仿真。该机械结构紧凑,生产和使用成本低,安全可靠,使用维修方便,机动性好,适应性强[5],适合多种土壤或药材的挖掘,大大提高了药材采收的效率。

1 整体结构设计

本新型药材采收机整体结构设计如图1所示。

图1 新型药材采收机的整体结构

主要由手扶拖拉机、纵向犁地装置、两个支撑固定架、振动分离装置和两个旋切分离装置等五部分组成。通过两个相反方向旋割的旋切分离装置,将药材的树茎自动旋切至采挖地两旁;然后纵向犁地装置对采挖地进行耕犁土地,并将旋切分离装置旋切后少量落至种植地上的树茎拨至采挖地两旁;然后振动分离装置采用振动棒振动的方式自动抖掉根茎上的泥土与杂质;最后通过收集箱将根茎进行收集。

2 纵向犁地装置设计

纵向犁地装置的结构如图2所示。主要包括犁地支架、安装盒II、犁地电机、主动轴II、主动链轮、从动轴II、从动链轮、链轮和两个犁地盘。两个犁地盘上的犁爪采用反向安装方式,工作时只需要犁地电机定时切换工作方向,来回工作一次即可,既能实现纵向犁地的功能,又能使旋切后少量落至种植地上的树茎随犁爪拨至采挖地两旁的功能。

图2 纵向犁地装置结构示意图

3 振动分离装置设计

振动分离装置如图3所示。

图3 振动分离装置的C-C剖视图

振动分离装置包括铲斗、筛网、支撑台和振动棒;铲斗的前端设置有铲头,铲头上设置有橡胶保护套,橡胶保护套可以降低铲头在铲土过程中对药材根茎表面造成的伤害,铲斗与筛网固连,铲斗具有挖掘药材根茎的功能,且纵向犁地装置具有纵向犁地功能,使进入筛网上的泥土比较疏松,方便振动;筛网相对地面倾斜角度为3°～5°,筛网的后端设置有挡板,左右两侧均设置有斜板,斜板的下端面均匀设置有连接座;支撑台上均匀设置有肋板,肋板起到加强支撑的作用,肋板之间设置有固定座,固定座与连接座之间安装有振动棒,且支撑台的上端与斜板固连,其下端安装在支撑固定架的固定钩爪上。根据药材根茎的大小,调节筛网的孔径及筛网相对地面的倾斜角度。药材被采收机前方配置的挖掘装置从地里挖掘出来,挖掘起来的药材和土壤混合物移动到振动分离部件上。由于振动装置的提升抖动作用,裹夹着的泥土与杂质从筛网的间隙落下来。为了在输送过程中使土块和石块能很好的被分离开,减少对药材根茎的损伤,就需要合理确定振动分离部件的结构参数和运动参数[6]。

4 旋切分离装置设计

旋切分离装置结构如图4所示。主要由旋切支架、安装盒I、旋切电机、主动轴I、主动齿轮、从动轴I、从动齿轮、旋切轴、锁紧螺栓和旋切刀片等部分组成。主动齿轮与从动齿轮的传动比为1∶2,提高了旋切刀片的旋转速度,工作前根据不同根茎类药材的种植地形,通过锁紧螺栓来调节旋切刀片的旋切高度,由于两个旋切分离装置上的旋转电机工作方向相反,两个旋切刀片的旋转方向相反,采用这种相向旋切的方式既可将药材的树茎与根茎旋切分离,也可借助相向的高速旋切力将树茎自动旋切至采挖地两旁。

图4 旋切分离装置的全剖视图

在ADAMS中建立虚拟样机模型,对旋切分离装置进行虚拟测试。因采挖根茎类药材时要对其树茎进行切割,所以旋切刀片受到切割阻力的影响。在高速长时间的旋切过程中,旋切刀片的摩擦温度随切割时间而发生变化,从而影响对药材的采收效率。在样机模拟过程中,得到的旋切刀片的角速度随切割阻力变化规律和旋切刀片温度随切割时间变化规律如图5所示。

图5 基于ADAMS的旋切分离装置动力学分析

5 分析与总结

设计的新型机械化药材采收机适用于多种土壤地形及根茎类药材,改进之处包括以下方面:①旋切分离装置的旋切高度可调,以使该采收机适用于不同的药材种植地形;②旋切分离装置上的旋切刀片采用反向旋切方式,可使药材的树茎、根茎自动旋切至采挖地两旁;③纵向犁地装置上的两个犁地盘上的犁爪采用反向安装方式,能实现纵向犁地和使旋切后少量落至种植地上的树茎随犁爪拨至采挖地两旁的功能;④振动分离装置采用振动棒振动的方式,能自动抖掉药材根茎上的泥土与杂质;⑤振动分离装置上筛网相对地面倾角为3°～5°,而使根茎能自动振至筛网挡板处,便于采挖后药材根茎的收集。

该药材采收机具有结构紧凑、安装操作简便、挖掘效率高、机动性能好等特点。只需要根据实地考

察,选择合适的手扶拖拉机提供动力,便可一次完成破土、松土、切根以及药材与土壤的初级分离等项作业,从而实现机械化采收药材,尤其为需要适时、大规模的药材采挖提供了一种高效率的机械化途径。

[1] 许 亮,杨燕云,康廷国,等.“根茎”与“根状茎”辨析[J].中国实验方剂学杂志,2012,18(23):153-155.

[2] 辛占彪,张林德,张仲平,等.药材挖掘机[P].中国专利: 102084749A,2011.

[3] 曹树人,康清华,丁宏斌,等.4Y-1600C型中药材挖掘机应用前景及效益分析[J].农业技术与装备,2013(9):34-35.

[4] 刘根凡,王晓晨,舒朝辉,等.根茎类药材粉碎设备的实验研究[J].华西药学杂志,2005,20(5):378-380.

[5] 钱炳举.4UL-130型甘薯收获机[J].农业机械,2003(3):66.

[6] 刘建军,宋建农,王继承,等.大蒜收获机振动分离装置的运动力学分析[J].湖南农业大学学报,2006,32(5):536-539.

Design and Analysis of Harvesting Machine for Rhizomatic Chinese Medicinal Materials

WU Fang-xia,NI Shu-jun,SHENG Shi-yong,CHEN Xiao-ping
(Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui 232001,China)

At present,the traditional Chinese medicinal materials is largely planted,yet the degree of mining mechanization is very low,and it is high labor-intensitive and inefficient,aiming at these problems,a new harvesting machine for herbs is designed in this paper.The herbs harvesting machine is composed of five parts,such as tractor,peeling separation device,longitudinal plough device,supporting bracket and vibration separating device.Medicinal roots and stems of trees are separated by the peeling separation device,tree stems are prodded to both sides automatically by using the longitudinal plowing device, and then dirt and impurities on the roots are removed automatically by using the vibration separating device.Thus it provides an efficient way of mechanized excavation of medicinal materials.

Chinese medicinal materials;harvesting machine;design;ADAMS

S255.7

A

1007-4414(2015)05-0127-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.044

2015-08-13

大学生创新创业训练计划项目(编号:AH201410361060)

吴芳霞(1993-),女,安徽安庆人,研究方向:中药材机械设计。

陈小平(1963-),男,安徽淮南人,研究方向:中国及天然药物活性成分。