甘草采挖收获机的研制

冯晓静　徐剑楠　刘洪杰等

摘要：针对甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）主要品种及农村动力状况，设计了一种甘草采挖收获机。结果表明，该挖掘机的挖掘深度大于40 cm，损失率小于3%，生产率达0.2～0.4 hm2/h。该机的挖掘深度、配套动力及相关性能指标均达到设计要求。

关键词：甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）；收获机；作业阻力；损失率

中图分类号：S225.7 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）19-4844-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.049

Abstract： Aiming at the main varieties of glycyrrhiza（Glycyrrhiza uralensis Fisch.） and village power conditions， the glycyrrhiza digging harvester was designed. Results showed that the excavator digging depth was more than 40 cm， loss rate less than 3%， and the productivity up to 0.2～0.4 hm2/h. The mining depth， the supporting force and related performance indexes could meet the design requirements.

Key words： glycyrrhiza（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）； harvesting machine； work resistance； loss rate

随着甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）种植面积的逐年扩大，其人工收获劳动强度大、损失率高、机械化作业困难等问题日益突出，阻碍了甘草规模化、规范化生产[1]。目前中国甘草生产主要是人工、半人工收获。国外没有专门针对深根药材作物的挖掘机械，而国产药材挖掘机的机械性能不甚理想，质量不稳定，生产厂家也很少，没有形成批量和规模[2，3]。为此，针对中国甘草主要品种及农村动力状况，从减小机具作业阻力、减少壅土和缠草、降低劳动强度、提高劳动生产率、减少甘草根茎损伤、确保甘草的挖掘质量出发，设计了一种收获损失低，药材品质好，能耗低、效率高的甘草采挖收获机。

1 甘草采挖收获机的设计

甘草的栽培方式与收获后根茎的品质评定标准与研制甘草挖掘机设计有密切关系。甘草通常为垄作种植，行距一般为20～25 cm，株距10～13 cm。甘草根分为主根和须根，其主根垂直向下伸展，须根则在地表以下呈水平方向延伸，交错盘结。大田栽培两年一般主根长80～150 cm[4]。交错的须根一般分布在地表以下5～20 cm处[5]。甘草主根的强度及其交错的须根系直接影响到挖掘机挖掘部件的结构参数及其工作性能。在挖掘作业时，一个挖掘铲同时切割两行，挖掘铲设计工作宽度应大于400 mm，成品甘草长度大于400 mm为一等品[6]，设计挖掘深度应大于400 mm。

1.1 甘草采挖收获机整机结构

甘草采挖收获机结构如图1所示，主要包括挖掘铲、高刀柱、变速装置、振动装置、机架、悬挂架等。机具与拖拉机采用三点挂接，一次作业可完成挖掘、松土、碎土等多项作业。

作业时，首先按作业要求把机具与拖拉机液压悬挂装置联接，根据所需挖掘深度进行合适的调整；挖掘铲进入规定的土层深度后，将甘草根茎割断，在挖掘铲和延长铲综合作用下，使挖掘范围内土壤松动、破碎，从而使得土壤与收获物分离。再由人工将裹在松散土壤中的甘草检出，进行捆绑、晾晒。

1.2 振动部件结构确定

刀铲和刀柱等入土部分以一定方式振动，使刀铲沿固定的轨迹振动前进，土壤松土程度高，松土效果好，利于后期捡拾，动土区域小，动力消耗小，在满足作业质量的条件下，阻力减到最小。

本机采用的带有偏心轮的振动装置，振动变速装置由动力输入轴、动力输出轴、齿轮、偏心轮及壳体构成。作业时，拖拉机动力通过万向联轴节传递给变速装置的动力输入轴，通过齿轮传动带动动力输出轴，经链传动驱动偏心轮转动，带动整个刀柱及切割铲振动，以松动割刀前部土壤来减小犁的工作阻力，同时使含根土壤破碎松动，利于甘草根茎的脱土和拔出。

1.3 挖掘铲结构和参数

挖掘铲将甘草地下根在适当位置进行切割，不能撕裂和擦伤甘草，以保证挖掘质量；并尽可能使土壤松碎，甘草与土壤分离，要求在克服各种阻力时消耗的能量最少。

挖掘铲如图2所示，由主铲和两侧延长刀构成，铲体的宽度（B）取决于甘草种植的行距。若铲体宽度不够，割不到甘草，造成漏挖；铲体宽度过大，工作阻力增大，增加动力消耗。通过调查，甘草的行距一般为200～250 mm。本设计为双行作业，所以最基本的工作宽度应为400～500 mm，但在这个宽度下，延长刀的边缘也仅是刚触及甘草根茎，还不能顺利将其割断。为保证满足要求，又尽量降低阻力，根据经验及试验结果铲体宽度设计为500～600 mm可调。

1.4 割刀高刀柱设计

割刀柱是甘草采挖收获机的重要构件，与挖掘铲一起产生振动。作业时承受巨大的外部载荷，要求具有较大强度和刚度，绝对不能发生扭曲、弯转等变形，以保证作业过程的正常进行。割刀柱的立柱部分宽为110 mm，下底端宽度减小以安装挖掘铲。刀柱前面为帯刃口大弧度曲线，用于劈开土壤，割断两行间下层须根，并保证机组行走的直线性和纵向稳定性。

2 机具田间试验分析endprint

2.1 试验条件

试验在河北省清苑县甘草种植基地进行。该地区海拔高度50 m左右，属于暖温带大陆性季风气候，年日照2 563 h，年降水量650～750 mm，年无霜期约187 d。挖掘对象为三年生移栽甘草，主根长度超过50 cm，直径大于2.5 cm。

该地区甘草正常挖掘作业时节为秋季。试验时田间土壤湿度适中，田间甘草行距平均为200～250 mm。根据配套所需动力，选配东方红-75型拖拉机，并按其作业速度要求选用低挡。

2.2 机具性能指标试验

通过对机具性能指标的测定，来确定机具的工作状态是否满足生产及农艺要求。作业中，挖掘深度、甘草根茎的收获长度、损伤率等指标又从不同角度反映机具的作业质量和作业性能。试验时检查土壤的松动程度，测定甘草根茎的收获长度、损失率两项指标。

试验方法：试验地块分为6个区段，每个区段作业两个行程，每个行程50 m，取5个测点。分别检测其挖掘深度和甘草根茎的损失率。

1）收获长度的测定。甘草的收获长度是甘草收获质量的重要指标，直接影响甘草的收获量和成品甘草的品质。成品甘草在收获时长度要求大于40 cm。如果甘草根茎长度偏短，甘草的收获损失增加，且降低成品甘草的质量等级，从而影响农民的收入；然而作业深度超大，甘草根茎已经很小，对收获量影响不大，又会增加拖拉机的牵引负荷，引起挖掘阻力增加等问题，造成不必要的功率浪费。

2）甘草根茎损失率。甘草根茎的损失率是甘草挖掘机的另一个重要的性能指标，将会直接影响甘草的收获量。

试验结果表明，甘草根茎的损失率L1为2.13%，L2为2.56%，L3为2.08%，L4为2.94%，L5为2.76%，L6为2.49%。可以看出，所设计的挖掘机对甘草的损伤率均低于3%，在规定的标准范围内，能够满足作业质量要求，作业性能比较优良。

3 小结

试验结果表明，该挖掘机的挖掘深度大于40 cm，损失率小于3%，生产率达0.2～0.4 hm2/h。从试验结果可以看出，该机的挖掘深度、配套动力及相关性能指标均能达到设计要求，且该收获机收后含根土垡松碎较好，甘草根茎的人工拔出比一般挖掘收获省力。

参考文献：

[1] 周 剑，冯晓静，刘洪杰，等.甘草种植产业发展现状及对策研究[J].安徽农业科学，2012，40（19）：10065-10066.

[2] 朱林秀，周振华.长根茎类中药材收获机的研制推广[J].农机推广与安全，2006（9）：33.

[3] 周 剑，冯晓静，李建平，等.甘草采挖收获机械化现状分析[J].农机化研究，2008（9）：217-219.

[4] 柯文山，丁汉福，李学儒.固原地区甘草人工栽培试验、示范及效益分析[J].宁夏农村科技，1996（3）：26-28.

[5] 李宏富，彭 励，刘 滨，等.乌拉尔甘草根的结构与皂苷类成分积累关系研究[J].西北植物学报，2012，32（5）：924-930.

[6] 张国荣，张玉进，李生彬.乌拉尔甘草种子种苗分级标准制定[J].现代中药研究与实践，2004，18（5）：14-16.

[7] 李守仁，林金天.驱动型土壤耕作机械的理论与计算[M].北京：机械工业出版社，1997.endprint