悬挂式三年生三七挖掘收获机的研制及试验

于进川，张兆国，武占东，张永成，赵菲菲，王法安，张　丹

(昆明理工大学 现代农业工程学院，昆明　650500)



悬挂式三年生三七挖掘收获机的研制及试验

于进川，张兆国，武占东，张永成，赵菲菲，王法安，张丹

(昆明理工大学 现代农业工程学院，昆明650500)

摘要：为了提高三七根挖掘收获机械化作业水平，结合云南省内三七种植模式和农艺要求，设计了悬挂式3年生三七挖掘收获机，可同时完成一畦三七的挖掘、输送、去土和条铺等任务。挖掘收获机由四轮拖拉机牵引，主要由机架、悬挂部件、挖掘部件、升运抖土装置、条铺部件及动力系统等工作部件组成。挖掘铲设计成锐角式开沟器状，入土能力强、结构简单、工作阻力小；收获机后部设有收集挡板，保证去土后的三七在地上成条铺状。田间样机收获试验表明：机器收净率达到了98.1%，损伤率为1.9%，生产率达到了0.12hm2/h。该样机为云南省首台专门针对三七根的收获机械，为三七根收获机械的深入研究和发展提供了参考。

关键词：三七；收获机；悬挂式

0引言

三七属五加科多年生草本植物，因其播种后3～7年挖采，而且每株长3个叶柄， 每个叶柄生7个叶片，故名三七。其茎、叶、花均可入药。现代临床医学证明：三七有强壮滋补、活血散瘀、强心健身之效；所含黄酮类化合物能减少冠心病所致心绞痛的发病因素，并对降低胆固醇有显著作用；所含多糖类具有抑制癌细胞扩散的作用。

云南省文山州常年三七占地面积0.2万hm2，年产量100万kg多，产量和面积均占全国的90%以上。2007-2011年，文山市三七种植面积累计达到0.9万hm2；2012年，仅文山市种植三七总面积就达0.17万hm2，单是可采挖面积就达466.7hm2多。但由于三七种植存在轮作障碍，间隔时间高达十几年，使三七在文山的种植面积逐渐减少。随着市场需求量的日益增加，三七种植现在已延伸到红河、大理、临沧、昆明，以及广西一些地区，总体种植面积在逐年增加。

随着三七种植面积和市场需求量不断加大，三七的收获给农民们带来了很多不便，劳动力的数量大且效率低下，同时也耽误了三七最佳收获时间，影响了三七总体的产量。传统的手工收获方式已不能适应现代社会对三七的需求，只有机械化收获才能促进三七种植方式的改革和进步，是三七生产机械化发展的必然趋势。实现收获机械化可以减轻劳动强度，提高劳动效率，有利于三七作物生长发育，便于三七的规范化生产。

本文结合云南省内三七的种植模式和农艺要求，设计开发出了一种悬挂式三年生三七挖掘收获机，能够实现三七的采挖、分离和铺放作业[1]。在田间针对其进行了收获试验，对三七收获机的性能指标进行了相应的测定，结果表明：该机能够达到三七收获的要求，作业效果良好。

1总体方案及技术参数

1.1三七基本物理特性

目前，三七种植采用垄作方式(见图1)，每垄宽1 200～1 500mm，垄高200～300mm，株距为100mm，行距为150mm[2]。3年生三七根的生长深度约为100mm，其最大的生长深度约为150mm；株平均茎高约为400mm；3年生三七外形尺寸为直径约为10～40mm，长度约为20～100mm。

图1　三七垄作种植模式

1.2三七收获机结构及工作过程

根据云南省三七生长物理特性、种植模式和农艺要求，从云南省尤其是文山州农田的基本情况出发，同时考虑到收获机的工作效率、适应情况、成本价格和对田地的压实等因素[3-6]，收获方式采用悬挂式。3年生三七挖掘收获机的整机结构如图2所示。

1.机架　2.调节轮 　3.钢条筛

三七收获机主要由机架、悬挂部件、挖掘部件、升运抖土装置、条铺部件及动力系统等组成，能够一次性收获一垄三七。各部件的功能及整机工作过程如下：:使用前，将整机通过悬挂架连接在四轮拖拉机的后方，针对工作地块的土壤和三七种植深度的情况，通过调节调节轮的高低，使挖掘铲位于适宜角度以达到要求的挖掘深度；随着四轮拖拉机向前运动，带动整机工作，滚条筛开始转动，滚条筛在转动过程中经过振动轴，从而使滚条筛产生振动；挖掘铲在地下完成挖掘松土，将3年生三七与土壤的混合物铲起，使混合物落入到滚条筛中；通过滚条筛的振动使三七根与土壤分离，通过收集板使三七根落入到地面左侧并形成条铺状，从而完成针对3年生三七根的收获。

2挖掘部件的设计

挖掘部件的主要作用是将生长在土壤中的三七根铲起并输送到升运链上。挖掘铲所受阻力是影响机器工作能耗最重要的因素，挖掘铲铲面的触土面积、挖掘铲的宽度及形状等是影响挖掘阻力的主要物理因素，挖掘铲的挖掘深度、行进速度、入土角等是影响挖掘阻力的设计因素[7]。

2.1挖掘铲的组成

挖掘部件主要由挖掘铲、挖掘铲托、挖掘铲侧板等组成，结构如图3所示。

1.挖掘铲侧板　2.挖掘铲托　3.挖掘铲　4.栅条　 5.从动齿轮

2.2挖掘铲的设计

挖掘铲的作用是将三七根块从土壤中挖掘出，并尽可能使土壤破碎，尽量少地缠带泥土。由于三七种植时对土壤类型及湿度的要求比较严格，要求将三七根与土壤被铲起时挖掘铲不被粘黏有一定的困难。三七根土混合物的升起高度必须足以使其能被放到挖掘铲后面的滚条式升运链上，从挖掘铲到该部件的通道必须通畅，没有过多的堆积物[8]。

为了满足三七收获的各项要求，挖掘铲设计为组合式挖掘铲，由挖掘铲侧板、挖掘铲铲托和锐角式开沟器组成。铲面由15个锐角式开沟器组成并刚性的连接在挖掘铲铲托上。

挖掘铲的工作阻力是由铲起的掘起混合物沿铲运动方向移动和挖掘铲与土壤所产生的切割力的合力(见图4)。假定不加入垄台沿挖掘铲移动方向速度变化的影响,三七收获机挖掘铲所受到的总的阻力为

R=F+F1=mgtan(θ1+φ)+KA

式中φ—土壤对钢的摩擦角；

K—挖掘垄沟的比阻系数(N/m2)，轻质土壤K=16 000～20 000，中等轻质土壤K=20 000～24 000，中等坚实土壤K=24 000～30 000；

A—挖掘垄沟的横截面积(m2)。

图4　挖掘铲受力分析示意图

影响三七根茎的挖净率并减少壅土现象的一个重要的因素就是挖掘铲长度，它在三七挖掘收获机工作时具有非常重要的作用。挖掘铲的总长度根据其挖掘深度h与安装角度θ1计算[9],即

根据三七种植农艺的要求，当挖掘铲的挖掘深度达到h=100～140mm时，就能将3年生三七根完全顺利地挖出,并保证不损坏三七根。最后根据各个公式得:①三七收获机挖掘铲的总长度在292～354mm范围之间。②为了减小挖掘阻力、节省材料，在保证挖掘深度的前提下所设计的挖掘铲的铲长应最短。因此,计算的理论长度应该比实际设计的铲长略大。

为此,在综合考虑了各方面的影响因素后,将本三七挖掘收获机的挖掘铲铲长设定为260 mm。

3升运链的设计

将农作物块茎从挖掘物中分离出来，一直以来是农业收获机械设计的难题之一[8]，收获三七也遇到了同样的问题。本设计中三七收获机的去土升运链如图5所示。

1.从动轮 　2滚条筛链　3.滚条筛主动轮　4.振动轴

该升运链由多根钢筋滚条组成，每根滚条分别固定在两侧的带耳朵链条上，跟随链条绕链轮运转。在三七根土混合物向后传送的过程中，三七根通过相互之间的摩擦及机器本身产生的振动，其中的杂土会经滚条之间缝隙漏下，从而达到去土的目的。三七根被运送到机器后方时，经过收集挡板使三七根落入到一侧的土地上，达到条铺效果，完成作业过程。

升运链达到去土目的并保留三七根的栅条间隙的设计准则是：基于三七根外形尺寸，在确保三七根不从滚条条间隙下漏的前提下要充分去土，以免造成不必要的损失[10]。升运链取滚条直径为12mm，栅格缝宽26mm，2栅格间距38mm；升运链轴心距为L=860mm，宽度为1 180mm,装在前面的滚条筛式升运器的倾角值为15°。

4传动系统方案及参数的确定

4.1传动系统的确定

三七挖掘收获机的动力通过四轮拖拉机后方的动力输出轴，经万向节输送到变速器，经过皮带轮传给升运链主动轴；升运链主动轴将动力传给升运链从动轴，从而带动升运链工作。三七收获机传动系统如图6所示。

1.万向节　2.圆锥齿轮变速传动机构　3.动力输出链轮

4.2各传动比的确定

变速器由圆锥齿轮换向系统构成，其作用是将拖拉机的动力经过换向传给三七收获机的皮带轮，从而传递给升运链主动轴。四轮拖拉机动力输出轴的转速为540r/min,圆锥齿轮换向系统为差比传动，传动比为1:2。圆锥齿轮换向系统与升运器为差比传动，传动比为1:2，两皮带轮半径为1:2。因此，设计的升运器的皮带轮转速为125r/min，与拖拉机动力输出轴转速比为1:4。

5样机性能试验及分析

5.1试验条件及方法

试验地点选在云南省文山市舍色村三七种植基地，土壤类型为中偏酸性砂质壤土。经过测量，收获时当地的气温为21℃，三七田内的平均土壤压实度为156kPa土壤平均湿度为31.6%。

每次试验收获距离为15m，重复3次；分别记录每次试验所用时间，收获之前三七株数，收获后露出地面三七根头数及损伤个数等数据。

5.2试验结果及分析

田间样机试验表明(见表1)：该机收获性功比较好，能够实现三七挖掘收获的各项作业要求。三七根总损失率包含了漏收率和损伤率，经观察分析可知：1.9%的漏收率为挖掘出三七根后又重新埋入土壤中；2.2%的损伤率主要为挖掘铲对三七根的损伤。同时，发现该机在试验过程中还存在以下问题：

1)由于三七须根一般比较深，采挖时需尽量将须根挖起，挖掘铲挖掘深度通常较深，因此导致挖掘阻力较大，在入土过程易导致部分三七根的损伤。在接下下来的研究中，要更加深入地分析挖掘铲的机理，将挖掘铲的结构参数和工作参数进行重点优化，使挖掘铲入土的稳定性提高，并进一步降低挖掘阻力。

2)3年生三七收获时的土壤比较疏松，其去土功能主要是通过将升运器施加一个15°左右的倾角，并靠机器自身的振动及三七根之间的摩擦来产生，导致部分三七根并未与土壤完全分离，需靠后续人工去土。解决的措施是：可在升运器中间两侧固定一个短轴撑起升运器链条，使金属栅条经过短轴时发生轻微振动，可以使升运器增加振动的效果。

表1　三七收获机作业试验结果

6结论

1)设计的3年生三七挖掘收获机结构紧凑、操作简便，可一次性完成对3年生三七的挖掘、抖土、条铺等工作，缩减了三七收获的时间，提高了七民的收获效率，减轻了农民的劳动强度。

2)结合云南省三七种植模式，研制出悬挂式3年生三七挖掘收获机。样机试验表明：本收获机实现了3年生三七的挖掘、输送、去土及条铺等功能，收净率达到了98.1%，损伤率为2.2%，总损失率为4.1%(包括漏收率和损伤率)，生产率为0.12hm2/h。

3)设计的挖掘铲挖掘宽度为1 200mm，深度为15mm(可调)；挖掘铲单体设计为锐角开沟器形式，减小了铲面触土面积，可有效降低挖掘阻力，并使三七与土壤混合物更平滑的进入升运器；设置了入土调节轮，可针对不同类型的土壤、不同三七品种实时调节入土角、挖掘深度等工作参数。

4)升运链安装倾角为15°，升运链宽为1 180mm，升运链的有效长度为1 052mm,工作时的线速度为1.273m/s。

参考文献：

[1]胡志超，彭宝良，尹文庆，等．多功能根茎类作物联合收获机设计与试验[J]．农业机械学报，2008，39(8)：58-61．

[2]吕金庆，魏国静，范志安，等．4U．2B型马铃薯收获机的设计[J]．农机化研究，2007(9)：87-88．

[3]孙芸．我国马铃薯加工产业化现状及展望[J]．农业机械，2000(7)：26-28．

[4]谷茂，马慧英，薛世明．中国马铃薯栽培史考略[J]．西北农业大学学报，1997，27(1)：77．

[5]安思民，白淑霞，冯学赞，等．试论我国马铃薯产业化的发展道路[J]．马铃薯杂志，2000，14(1)：46-47．

[6]南京农业大学．农业机械学[M]．北京：中国农业出版社，1996．

[7]陈致水，张燕，梁栋，等．振动筛式马铃薯收获机的设计[J]．农机化研究，2012，34(4)：84-87.

[8]王家胜，尚书旗．自走式双行胡萝卜联合收获机的研制及试验[J]．农业工程学报，2012,28(12)：38-43.

[9]付威，陈海涛，王业成．萝卜收获机的设计及管件部件仿真优化[J]．农机化研究，2008(11)：101-103．

[10]胡志超，彭宝良，尹文庆，等．4HL2型半喂入自走式花生联合收获机的研制[J]．农业工程学报，2008，24(3)：14.

Abstract ID:1003-188X(2016)04-0130-EA

Search and Test the Mining Harvester of Traction Drive Type Used for Three-year-old Pseudo-ginseng

Yu Jinchuan, Zhang Zhaoguo, Wu Zhandong, Zhang Yongcheng,Zhao Feifei, Wang Fa’an, Zhang Dan

(Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Abstract：In order to improve the level of mechanization of mining and harvesting pseudo-ginseng and combining the model and agricultural requirements in planting pseudo-ginseng, Mining harvester of traction drive type is designed, and It can continually finish the work of mining ,conveying, screening soil and making paved at a border check. It is pulled by four-wheel tractor including suspending system, driving system, mining system, screening soil system and making paved system. Digging shovel is designed as acute angle type opener, thus it has the advantage of the ability of graving, simple construction, and small working resistance. At the back of this machine, there is a battle for storing and ensuring to make paved. The result shows that harvesting rate is 98.1%,damaging rate is 1.9%,the productivity is 0.12hm2/h.

Key words：pseudo-ginseng; harvester; traction drive type

文章编号：1003-188X(2016)04-0130-04

中图分类号：S225.7

文献标识码：A

作者简介：于进川(1989-)，男，石家庄人，硕士研究生，(E-mail)yu.jinchuan@163.com。通讯作者：张兆国(1966-)，男，哈尔滨人，教授，博士生导师，(E-mail)zhaoguozhang@163.com。

基金项目：云南省科技厅项目(2014BC007)

收稿日期：2015-05-07