4B-1200型平贝母药材收获机的改进设计与试验

宋 江，刘丽华，王 密，张 佳

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学农学院，大庆 163319）

4B-1200型平贝母药材收获机的改进设计与试验

宋 江1，刘丽华2※，王 密1，张 佳1

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学农学院，大庆 163319）

针对4B-1200型平贝母药材收获机田间收获试验中存在的筛下贝土输送螺旋和尾轮转弯过程中需抬起这一转弯不够灵活问题；收获期多雨季，土壤含水分率高，分土铲表面土壤滞留堆积问题；尺寸大于8 mm以上的平贝母分离，尺寸在2.6～8 mm之间的平贝母尚未分离这一分级不够彻底问题；装袋位置过低；平贝母产区动力来源以四轮拖拉机为主，手扶拖拉机来源不足的问题，改进设计平贝母药材收获机分土机构和振动筛，增加了提升机构设计，对改进前后的平贝母收获机进行损失率和损伤率对比试验；利用正交试验设计分析振动筛曲柄转速、筛面倾角和筛面长度对分净率的联合影响。试验表明：改进机型在清理表层覆盖土、贝土输送、贝土分离、分级装袋等各部分工作更协调、平稳、可靠，收获的质量、适应性好，损失率、损伤率分别低于3.8%和2.9%，较改进前分别降低了1.1和1.2个百分比，满足行业标准规定；正交试验设计最优组合为：振动筛曲柄转速为550 r/min、筛面倾角为3°和筛面长度为1.6 m，分净率达到95%，满足行业标准规定和平贝母机械化收获的生产率要求。该研究为平贝母药材收获机的推广应用提供技术参考。

收获机；机械化；设计；改进；平贝母；分土机构；提升机构；双层振动筛

0 引 言

平贝母人工种植已经有40几年的历史[1-2]，人工种植地区主要分布于黑龙江大、小兴安岭和东北长白山，其中黑龙江海林和伊春铁力农场种植面积最大，已成为平贝母的主产区，是当地致富的主要手段[3]。平贝母机械化收获近些年才刚刚起步，其收获方式主要采用半机械收获和联合机械收获 2种。半机械收获是指等级分级阶段采用机械分离，其余环节采用人工收获；联合收获采用拖拉机牵引平贝母联合收获机作业。目前，平贝母收获机的研究主要集中在前者,主要包括振动式平贝母等级筛分机[4-6]和螺旋式平贝母等级筛分机[7-9]，联合收获机鲜见报道[10-11]。课题组自从事平贝母机械化收获技术研究以来，研制开发了与手扶拖拉机配套的4B-1200型平贝母收获机[12]，该机可一次完成刮表土、挖掘和分离平贝母和土壤混合物、清理筛下平贝母与土壤混合物至垄面两侧和筛上平贝母装袋等作业，大幅度减轻了劳动强度，减少了人工耗费，提高了生产效率。但存在筛下贝土输送螺旋和尾轮转弯过程中需抬起这一转弯不够灵活问题；收获期多雨季，土壤含水分率高[13]，分土铲表面土壤滞留堆积问题；尺寸大于8 mm以上的平贝母分离，尺寸在2.6～8 mm之间的平贝母尚未分离这一分级不够彻底问题；装袋位置过低；平贝母产区动力来源以四轮拖拉机为主，手扶拖拉机来源不足的问题，故推广效果不佳。为此，通过改进刮土机构、振动筛系统，增加了提升系统设计和田间收获试验研究，完善了平贝母药材收获机，以期达到推广应用之效。

1 整机结构及主要技术参数

1.1 整机结构及工作原理

该型平贝母药材收获机型号命名为4B-1200A，主要由分土机构、主传动箱、提升机构、传动系统、双层振动筛、振动筛物料出口、机架、挖掘铲和限深地轮等组成，其结构如图1所示。

该机与拖拉机配套方式由固定连接改为悬挂式，动力由四轮拖拉机提供。工作时，分土机构刮掉表层土并将其推至作业道，之后经挖掘铲将贝土混合物挖起，经提升机构传送到双层振动筛上，通过曲柄带动双层振动筛面做往复运动，筛掉尺寸小于0.26 cm以下的大部分土壤，收集大于0.6 cm以上和0.26～0.6 cm的平贝母于袋中。分土机构、输送机构和双层振动筛的动力由拖拉机动力输出轴通过万向节传递到平贝母收获机主传动锥齿箱上，锥齿箱输出轴带动分土机构，实现刮表层土。主动轴带动升运器转动和双层振动筛往复运动，输送和分离平贝母混合物。整机前段设有调节丝杠，用以调节挖掘铲挖掘深度；挖掘铲与机架铰接可调，实现挖掘铲角度调整；机架尾部设有调节螺栓，用以调节摇臂与机架的铰接点位置，实现振动筛面角度的调整；机架尾段和地轮连接臂之间通过调整螺栓，实现地轮高度的调整。转弯时，由于四轮拖拉机与平贝母药材收获机联结方式为后悬挂式，利用四轮拖拉机液压将平贝母收获机升起，拖拉机自行转弯。

图1 4B-1200A型平贝母药材收获机结构简图Fig.1 Structure diagram of 4B-1200A type Bulbus Fritillariae Ussuriensis medicinal material harvester

1.2 主要技术参数

4B-1200A型平贝母收获机主要技术参数如表1。

表1 4B-1200A型平贝母药材收获机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of 4B-1200A type Bulbus Fritillariae Ussuriensis medicinal materials harvester

2 主要机构及部件改进设计

2.1 分土机构

该分土机构是在4B-1200型[14]平贝母药材收获机筛下贝土输送螺旋基础上改进而成的。改进前，该螺旋由一根轴上焊接两段反向螺旋，动力靠螺旋轴与传动轴端之间的链传动，该机构存在螺旋端链轮和链条经常与土壤接触，磨损加剧，链传动使用寿命低且传动不够平稳等问题。针对上述问题，改进后，该分土机构如图2a所示，主要由螺旋轴、反向螺旋叶片、变速箱、螺旋外罩、轴承、轴承座等组成。螺旋与变速箱、轴承座连接方式如图2b、2c所示，螺旋的一端与中间变速箱输出轴键连接，另一端通过轴承、轴承座与机架连接，该机构避免了链传动与土壤接触带来的使用寿命降低问题，又可高速旋转，使平贝母表层覆盖土随螺旋叶片抛起并沿螺旋轴方向向两段移动，运动更加平稳，清理平贝母的表层覆盖土效果更好。改进的分土机构主要参数有螺旋外径、内径、螺距、螺旋倾角、单侧螺旋长度和螺旋转速。

图2 分土机构Fig.2 Soil separation mechanism

初选几何参数[15]：螺旋外径190 mm，内径60 mm，螺距60 mm，螺旋倾角30º，单侧螺旋长度为500 mm。

螺旋转速[16]的确定

式中ω1为表层土在螺旋叶片上的角速度，rad/s；r为螺旋叶片上表层土到旋转中心距离，m；m为螺旋叶片上表层土质量，kg；μ为螺旋叶片与表层土的摩擦系数；g为重力加速度，m/s2；α1为螺旋倾角，（º）。带入初选几何参数得：ω1≥10 rad/s，即螺旋最小转速为191 r/min，分土机构与拖拉机动力输出轴的最小降速比为27:100。

2.2 提升机构

提升机构是将挖掘铲挖掘起的平贝母混合物提升到一定的高度进入平贝母双层振动筛进行贝土分离，这有效地提高了双层振动筛的高度，解决了平贝母装袋位置过低问题，提升机构种类较多，一般地下作物机械化收获多采用链式提升装置[17-19]，鉴于平贝母尺寸大小不一，选用输送带方式进行提升，普通输送带倾角小（小于18°)，提升到一定高度占用整机空间较大，因此，采用大倾角皮带输送（倾角大于25°)。该提升机构主要由主动辊、从动辊和输送带组成，其主要参数包括主动辊直径D、输送带轮中心距L、横隔板高h、横隔板间隔l、输送带倾角δ、输送带宽度B和主动辊转速n，如图3所示。

图3 提升机构结构简图Fig.3 Lifting mechanism diagram

提升机构在提升平贝母混合物时，每个横隔板最大输送量如图3所示，其倾角θ为平贝母混合物的休止角，该输送带输送量的计算公式如下

式中Q为输送带单位时间内的输送量，m3/h；h为横隔板高，m；n为主动辊转速，r/min；B为输送带宽度，m；D为主动辊直径，m；l为横隔板间距，m；δ为输送带倾角，（°）；θ为平贝母混合物休止角，（°）。

按照平贝母收获机生产率最高值计算，提升机构参数取输送带宽为1.2 m，主动辊直径为0.11 m，输送带倾角取45°，平贝母混合物休止角取30°[20]，横隔板高为0.02 m，横隔板间距为0.15 m。

将上述已知量代入公式（2），得到n=100.9 r/min，取整得n=100 r/min，提升机构与拖拉机动力输出轴转速（720 r/min[21]）的最小降速比为5:36。

2.3 双层振动筛

按照农艺要求，需收起全部尺寸的平贝母并进行等级分级，故将4B-1200型平贝母收获机的单层筛和筛下贝土输送螺旋改为双层振动筛来满足上述需要。统计表明，当双层振动筛的下层筛筛孔直径不小于2.6 mm时，可收起全部尺寸的平贝母。改进后的双层振动筛由上筛面、下筛面和曲柄、摆杆机构组成。工作参数主要有筛孔尺寸、筛面倾角、筛面长度、筛面宽度、振动筛振幅和频率。

2.3.1 筛面几何参数的确定

根据药材收购的要求，成品平贝母按形状分主要有“桃形贝”和“平头贝”[22]，对应的尺寸为2.6～6 mm和大于6 mm 2个等级。如图4a、4b所示，筛面采用铁皮冲孔筛面，其上、下层筛面的筛孔尺寸分别为6 mm×40 mm和2.6 mm×40 mm 2种筛孔，该筛面优点是：减轻根须缠绕，减少平贝母机械破损率，同时，为了提高筛面的分净率，尽可能加长筛面长度，提高筛面的有效筛分面积，经调查，平贝母主产区使用的振动筛下层筛（筛面尺寸2.6 mm×40 mm）长1.2～1.6 m，上层筛（筛面尺寸6 mm×40 mm）长0.8～1.2 m。上下筛面倾角为3°～9°，筛面宽度1.3 m。

图4 筛面几何参数Fig.4 Geometrical parameters of screen surface

2.3.2 振动筛振幅的确定

为满足平贝母和土壤混合物既能透筛面又能顺利通过筛面，振动筛曲柄转速范围：240＜nAB＜535 r/min[23]，同时，为降低平贝母的破损率，要求平贝母混合物沿筛面上滑，且不跳离筛面，其条件[24-27]如图5所示。

图5 筛面平贝母混合物受力分析Fig.5 Force analysis of Fritillariae mixture on screen surface

1）沿筛面上滑的临界条件

式中Q1为平贝母混合物筛面往复振动的惯性力，N；F1为平贝母混合物与筛面之间的摩檫力，N；G为平贝母混合物的重力，N；α2为筛面倾角，（°）。

式中m1为平贝母混合物筛面质量，kg；r2为振动筛振幅，m；ω2振动筛曲柄角速度，rad/s;t为时间，s。

式中N为平贝母混合物筛面正压力，kg；φ为摩擦角，（°）；n1为沿筛面上滑振动筛曲柄转速，r/min。

求得临界转速

2）平贝母混合物不跳离筛面的临界条件：N≥0

求得临界转速

式中n2为不跳离筛面振动筛曲柄转速，r/min。

对于双层振动筛，曲柄转速范围

式（3）～（11）联立得：振动筛振幅为20 mm＜r2＜36 mm。

3 田间试验

3.1 试验条件

2016年6月在黑龙江省伊春市红星林业局进行样机田间收获试验。平贝母收获期田间状况调查情况如下：红星林业局平贝母种植主要有1、1.2和1.6 m 3种形式的垄宽，其中，垄宽1 200 mm（占70%），沟宽400 mm，垄高50 mm，覆土层平均厚度40 mm，平贝母和土壤混合层平均厚度40 mm，平贝母直径为3～20 mm，土壤含水率为18%，容重为1.26 g/cm3，土壤松散，无黏性，土粒黏结力适中。平贝母收获机配套动力为甬野324型拖拉机，功率为23.5 kW，作业速度为慢一档，1.6 km/h，如图6所示。

图6 改进样机及其田间试验Fig.6 Improved prototype and field experiment

3.2 试验方法

平贝母收获机的性能指标主要有损失率、损伤率、生产率和含杂率。考虑损失率、损伤率和生产率对平贝母经济效益影响十分明显，而含杂率影响不大，且收获后需用水清洗，因此，重点研究前3个性能指标。试验参照国家标准《农业机械试验条件测定方法的一般规定》（GB/T5262-2008）、《农业机械生产试验方法》（GB5667-2008）和其他地下经济作物收获机械的试验方法[28]，对比改进前后平贝母收获机损失率和损伤率 2 个指标，考核平贝母收获机分土、升运、贝土分离、分级装袋、传动等各部分及整机的性能；设计正交试验分析分净率的影响因素。

3.2.1 试验条件

试验条件：平贝母药材收获机的试验区分为2块，一块是平贝母药材收获机改进前试验区，另一块是改后试验区，2块试验区垄宽、沟宽、垄高、覆土层平均厚度和土壤条件均相同。每块试验区由稳定区、测定区、停车区组成。稳定区长度为10 m，测定区长度为20 m，测定区后有停车区，损失率、损伤率性能测定和分净率正交试验在测定区内进行，试验区内测定次数为一个往返，收获机在试验区内不改变工作状况。

3.2.2 指标测定方法

针对改进后的平贝母药材收获机，平贝母收集后，人工找出收获机没有挖掘出来的残留平贝母（对损伤平贝母，要分放），并称质量。人工找出所有损伤的平贝母，并称质量。人工找出透过筛面平贝母的质量。则损失率、损伤率和分净率计算如下：

式中W为平贝母总质量（W=W1+W2），kg；W1为挖掘出的平贝母质量，kg；W2为未挖掘出的平贝母质量，kg；W3为损伤的平贝母质量，kg；W4为透过筛面平贝母的质量，kg；W5为未透过筛面的平贝母质量，kg；T1为损失率，%；T2为损伤率，%；T3为分净率，%。

由于改进后的平贝母药材收获机增加了2.6 mm×40 mm的筛孔（下层筛），筛分变得困难，生产率有所降低，为完成既定的生产率和分净率（T3）要求，通过分析主要参数对分净率性能指标联合影响的规律，优选参数组合，确定双层振动筛的最佳结构和运动参数。本试验选取双层振动筛曲柄转速、筛面倾角和筛面长度3个因素，依据因素选正交试验设计[29-30]安排试验。每个试验因素选取3个水平分别为：振动筛曲柄转速250、400、550 r/min，筛面倾角3°、6°、9°和筛面长度为1.2、1.4、1.6 m，见表2。

表2 试验因素与水平Table 2 Experimental factors and levels

3.3 试验结果与分析

3.3.1 4B-1200A型平贝母药材收获机改进前后损失率和损伤率试验结果对比分析

试验结果表明：该机对平贝母收获的质量和适应性好。经黑龙江省农业机械鉴定站现场检测，其主要性能指标达到行业标准规定和要求，损失率（T1）、损伤率（T2）分别低于3.8%和2.9%，较改进前分别降低了1.1和1.2个百分点，主要原因是将三角形推土铲改为反向螺旋的方式，清理表层覆盖土并增加限深轮，使清理表层覆盖土更加平整、深度更加可控，同时，改进后的收获机去掉筛下分土机构，减小了筛下平贝母的损伤，降低了平贝母的损伤率。

平贝母药材收获机改进前后主要性能指标如表3所示。

表3 平贝母药材收获机改进前后主要性能指标Table 3 Main performance indexes of Bulbus Fritillariae Ussuriensis medicinal materials harvester before and after improvement

该机也存在一些问题：双层振动筛有待进一步完善，尤其是高速运动时，振动筛振动加剧，曲柄和摆杆与机架连接处和曲柄强度有待加强，其改进方法是采用加强筋得以固定，单曲柄改为双曲柄提高曲柄的强度。挖掘铲刚度低。上层筛振动过程中容易从筛面框架上脱离，需进一步加强，以提高工作的可靠性。

3.3.2 4B-1200A型平贝母药材收获机分净率试验方案与结果分析

平贝母药材收获机双层振动筛正交参数优选试验方案与结果见表4。

表4 试验方案与结果Table 4 Test scheme and results

分净率方差分析见表5可知，在95%置信度下A''、C''具有显著性，影响平贝母分净率指标的各因素主次排列顺序为A''＞C''＞B''，最优组合为A''3B''1C''3。

综上所述，影响平贝母分净率指标的各因素主次排列顺序为A''＞C''＞B''，最优组合为A''3B''1C''3，即振动筛曲柄转速为550 r/min、筛面倾角为3°和筛面长度为1.6 m。由表4可知，在最优组分净率达到95%，满足行业标准规定。

表5 分净率方差分析Table 5 Analysis of variance of screening rate

4 结 论

改进的4B-1200型平贝母药材收获机可一次完成清理表层覆盖土、贝土输送、贝土分离、分级装袋等作业，且工作平稳、可靠，收获的质量、适应性好。

该机分土机构由三角形推土铲改为反向螺旋机构，可有效的解决表层土滞留堆积的问题；提升机构和双层振动筛的应用解决了等级分级不够彻底和装袋位置过低的问题；四轮拖拉机的使用解决了转弯和手扶拖拉机动力不足的问题。对比试验表明，损失率、损伤率分别低于3.8%和2.9%，较改进前分别降低了1.1和1.2个百分点。下层振动筛最优组合为曲柄转速550 r/min、筛面倾角3°和筛面长度1.6 m，分净率达到95%，满足行业标准规定。该研究可为平贝母药材收获机的推广应用提供技术参考。

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Improved design and test of 4B-1200 type Bulbus Fritillariae Ussuriensis medicinal materials harvester

Song Jiang1,Liu Lihua2※,Wang Mi1,Zhang Jia1
(1.College of Engineering,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China;2. College of Agronomy,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China)

Bulbus Fritillariae Ussuriensis is herbaceous perennial of fritillaria,and its underground bulb has high medical value. Bulbus Fritillariae Ussuriensis is a valuable traditional medicine in China and it is favoured in Chinese herbal medicine market at home and abroad. The artificial cultivation of Bulbus Fritillariae Ussuirensis has a history of over 40 years. At present,Fritillariae harvest is an exceedingly laborious and time-consuming hand operation. Fritillaria harvest timeliness is very strong,and Fritillariae harvest is almost concentrated between June and July,and a lot of labors are hired. Under the current condition of high labor costs and labor shortage,the effective way of solving the above problem is to realize mechanization of Fritillaria harvest. However,the level of Fritillariae harvest mechanization is very low. The mechanized harvest method for Bulbus Fritillariae Ussuirensis mainly adopts semi-mechanization and combine-mechanization. Semi-mechanization refers to mechanical harvesting of the vibrating screen,and the remaining portion is artificially harvested. Combine-mechanization adopts tractors to pull Bulbus Fritillariae Ussuriensis. At present,the research is mainly focused on the former. The 4B-1200 bype Bulbus Fritillariae Ussuriensis harvester matched with a walking tractor is developed in this study. The machine can complete the tasks of surface soil scraping,mining and separation of Fritillariae Ussuriensis and soil mixture,cleaning undersize Bulbus Fritillariae Ussuriensis and soil mixture onto the ridge on both sides,and sieving Fritillariae bagging. These greatly reduce the labor intensity,reduce the labor cost,and improve the production efficiency. But there are some problems such as not flexible steering,surface soil accumulation,incomplete grade classification,low bagging location and walking tractor power shortage. Aimed at above problems,soil separation mechanism and vibration screen of Fritillariae medicinal materials harvester were improved,the lifting mechanism was added. Contrasting experiments of loss rate and damage rate were carried out before and after the improvement of Fritillariae medicinal materials harvester. The orthogonal experimental design analyzed the combined effect of vibration screen’s crank rotating speed,screen surface inclination and screen face length on the screening rate. Experiment showed that the improved machine was more coordinated,stable and reliable about cleaning surface soil covered,conveying and separating Fritillariae and soil,grading and bagging fritillaria. Harvest quality and adaptability were good. The loss rate and the damage rate were less than 3.8% and 2.9% respectively,and by 1.1% and 1.2% respectively compared with the harvester before the improvement. The indices were in accord with the industry standard regulations. Through the orthogonal contrast design,the optimum combination scheme was obtained:when the vibration screen’s crank rotating speed was 550 r/min,the inclination of screen surface is was 3°and the screen surface length was 1.6 m,the screening rate reached up to 95%. All the data were in accord with the industry standard regulations. The test results met the mechanized harvesting productivity requirements,too. The study provides the technical reference for the popularization and application of Fritillariae medicinal materials harvester.

harvesters;mechanization;design;improvement;Bulbus Fritillariae Ussuriensis;soil separation mechanism;lifting mechanism;double-layer vibration screen

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.006

S225.7+9

A

1002-6819(2017)-01-0045-07

宋 江，刘丽华，王 密，张 佳. 4B-1200型平贝母药材收获机的改进设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：45－51.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.006 http://www.tcsae.org

Song Jiang,Liu Lihua,Wang Mi,Zhang Jia. Improved design and test of 4B-1200 type Bulbus Fritillariae Ussuriensis medicinal materials harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):45－51.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.006 http://www.tcsae.org

2016-07-29

2016-11-25

黑龙江省教育厅面上项目（12541577）；黑龙江八一农垦大学校内培育课题资助计划项目（XZR2014-03）；黑龙江省教育厅重点实验室开放课题（Hljbyndgc2013005）；大庆市创新能力提升计划项目（scx2010-06-06）

宋 江，男，汉族，讲师，主要从事经济作物机械收获与加工研究。大庆 黑龙江八一农垦大学工程学院，163319。Email：songjiang_770313@163.com.

※通信作者：刘丽华，女，汉族，副教授，主要从事经济作物栽培研究。大庆黑龙江八一农垦大学农学院，163319。Email：llh1979_2001@163.com.