虎杖根系脱土滑梳式辊指的设计与试验

陈学深，马 旭,※2，武 涛，曾令超，李康毓，陈林涛

虎杖根系脱土滑梳式辊指的设计与试验

陈学深1，马 旭1,※2，武 涛1，曾令超1，李康毓1，陈林涛1

（1. 华南农业大学工程学院，广州 510642；2. 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

根系脱土是中药虎杖收获的重要环节，采用直线梳刷式脱土辊指实现根土分离极为有效，然而直辊与根系作用时，常出现相互勾连、扯拉等不良状况，致使脱土功耗显著增加，为此该文融入滑切方式，设计了一种曲线滑梳式脱土辊指。根据滑切理论，确定了辊指滑梳的临界条件，利用对数螺线方程建立了辊指梳刃的曲线方程，通过辊指的动力学分析，建立了辊指作业的功耗模型，确定了辊指转速、辊指作业长度、辊指滑切角为功耗的主要影响因素，并根据摩擦角与滑切角关系，利用Matlab软件得到摩擦角和滑切角与功耗的伪彩色能量图，确定功耗最小所对应的辊指滑切角为67°。进行功耗及脱净率试验，利用多目标优化设计方法对试验结果进行综合评价。结果表明：在辊指转速为350 r/min、辊指作业长度为30 mm、辊指滑切角为67°时，脱土辊指的作业性能较优，此时脱净率为93.03%，功耗为76.73 W。研究结果可为虎杖根土分离部件的结构改进设计和作业参数优化提供依据。

农业机械；药；收获；根土分离；滑切；梳刷；虎杖

0 引 言

中药虎杖属蓼科植物，具有祛风利湿、散瘀定痛、止咳化痰功效，近年药理研究发现，其含有的白藜芦醇具有抗艾滋病作用，掀起了虎杖研发热，也使种植规模大为提高[1-3]。但相应收获机具的研发滞后，特别是收获脱土环节，完全依靠效率低、强度大、成本高的人工方式，严重制约了虎杖药用规模化、产业化发展。因此，亟需解决虎杖根系的机械化脱土问题。

根土分离是中药虎杖收获、加工的关键环节，传统的根茎类药材根土分离，主要是将根茎与土壤一起收集，然后通过一系列的振动、筛分机构实现根土分离[4-12]。采用这种方法的装置结构复杂、效率低、功耗大，且作业对象多为根构简单的根茎类或块茎类药材。而虎杖根构复杂，主根、支根与土壤组成锚固固土方式，纵横交错的细小须根与土壤形成网络加筋固土方式，通过根系与土体间的摩擦、咬合、粘附等作用，使虎杖根系与土壤形成牢固的根土复合体[13-14]，这些根系犹如钢纤维对土体起到阻裂、桥联作用，从而提高土体的强度、增加土体的塑性和韧性，使传统的根土分离机械难以获得理想的分离效果。本课题组在文献[15]中采用直线梳刷式脱土辊指实现虎杖根土分离，虽可获得较好的根系脱净率，但因径直的梳刷辊指与根系的冲击、勾连、扯拉等负面影响，相对于曲线的滑梳辊指，在同等条件下，脱土功耗增加近80%。类似的根土复合体分离装置，还有玉米根茬土壤分离装置，如杨新义[16]采用碾压碎土滚筒与抖动杆条链实现根土分离；徐宝库[17]采用碾辊栅板去土机构实现对根土复合体的碾压、冲击、揉搓；Quan等[18-22]运用碾压辊与抖动升运链进行玉米根茬土壤分离；武涛等[23]采用双辊碾压脱土机构和双组柔性飞锤击打脱土机构联合作用进行玉米根茬土壤分离。以上脱土装置采用多级脱土模式，虽获得较高脱净率，但机构复杂、作业功耗较大、损伤率高，限制了此类装置的应用推广。

本文在文献[15]研究的基础上，将径直的梳刷辊指改为曲线的滑梳辊指，使脱土方式融合了滑切、梳刷作用，减少了辊指与细长根系的勾连、扯拉，缓和了辊指与粗壮根系的冲击，有效地提高了虎杖根土分离品质，降低了功耗。

1 整体结构与工作原理

设计的虎杖脱土试验装置，结构如图1所示。主要由变频调速系统1、电动机2、滑梳辊总成3、栅板4、滑梳辊指5、机架6、翻转辊总成7、扭矩传感器8和传动系统等组成。工作时，物料放置在滑梳辊与翻转辊之间的栅板上，栅板下方高速旋转的滑梳辊指伸出栅板对物料底部进行冲击、梳刷实现根土分离，栅板上方的翻转辊指的旋转运动对物料侧面有卷起、抬升作用，因两辊同向旋转，来自底部和侧面的作用力产生翻转力矩，使物料翻转的同时，实现逐层脱土。因梳指的曲线结构，物料从接触辊指到脱离辊指，会有一个明显向上抬升的过程，此过程产生的惯性作用可以缓和梳指与虎杖粗根的冲击；同时，减少与细根的相互勾连、扯拉，使物料的损伤、功耗都得到降低。梳指的结构特点，也使辊指在与物料接触作用时有一个明显向前推进的过程，此过程产生的惯性作用可使物料获得冲击、梳刷，实现根土分离；同时，使物料紧靠在翻转辊上，更有利于物料翻转。

图1 虎杖根系脱土试验装置结构图Fig.1 Structure diagram of roots-soil separating device of Polygonum cuspidatum

2 滑梳辊指结构参数设计

2.1 滑梳辊结构

滑梳辊为脱土核心部件，为保证滑梳效果，减小功耗，辊指轴向间距不易过密。同时，考虑物料个体大小差异及在机具上的作业空间，轴向布置了8排辊指；为保证辊指作业平稳，辊指周向布置排数应合理，过少会增大间歇作业冲击，过多也使功耗增加，本文根据文献[15]的前期试验基础，辊指周向布置4排，以轴向相邻2排辊指为一组，轴向相邻两组辊指在圆周上错开45°，结构如图2所示。此类螺旋布置结构可使辊指交替作用在物料上，使根系滑梳脱土更为平稳，功耗更小。

图2 滑梳辊总成结构图Fig.2 Structure diagram of slide-combing roller

2.2 滑梳辊指梳刃曲线方程的建立

为使辊指与物料滑梳平稳，降低作业功耗，采用等

滑切角刃口曲线作为辊指的梳刃。滑梳辊旋转中心为极坐标原点O，梳刃上的2点M、M'以及M在OM'上的投影E'所组成的三角形（如图3所示），满足公式（1）。

式中τ'为M'的极径与割线MM'的夹角，（°）；Δρ为M'与M的极径之差，mm。

当M趋于M'时，该两点的极角差Δθ趋于0，直线ME'趋近于弧ME，因此滑切角τ满足公式（2）。

式中ρ为刃口任一点的极径，mm；θ为梳刃任意两点间的极径夹角，（°）。由公式（2），解得梳刃等滑切角曲线的对数螺线方程为

式中ξ为积分常数。

图3 滑梳辊指曲线分析Fig.3 Curve analysis of slide-combing roller finger

根据对数螺线方程的性质，随着辊指长度（辊指根部到末端的曲线长度）的增加，曲率半径逐渐增大，辊指末端越趋于直线。按辊指与物料接触作用次序，接触点由辊指曲线部分逐渐向直线部分过渡，此结构缓冲了直线辊指与物料的直接作用，有利于降低功耗、增强作业稳定性。

2.3 辊指滑梳最小滑切角确定

物料受到滑梳辊指滑切作用时，更有利于缓冲与根系的直接冲击，降低功耗，但相对于直辊指的砍切，曲线辊指的滑切弱化了脱土强度。因此，需合理确定的滑切角范围，以保证脱土效果。

回转中心O与辊指曲线上任意点D及该点处的曲率中心OD组成的三角形，如图4所示。根据三角形正弦定理，满足如下关系化简得到

式中τ为D点的滑切角（梳刃上某点的速度矢量和梳刃曲线法平面之间的夹角[24]），（°）；r1为滑梳辊指曲线上任意点D的曲率半径，mm；α为回转中心与辊指曲线任意点D及该点处曲率中心OD所成的直线夹角，（°）；l为D点曲率中心与O点的距离，mm。

由式（5）得到最小滑切角公式为

图4 滑梳辊指梳刃曲线Fig.4 Combing blade curve of slide-combing roller finger

将上述任意滑切角代入公式（6），得到l和r1的确定关系，递增l值，可得到对应的r1值，l和r1又重新组建一个三角形，以此类推，通过对2组值组成的三角形簇进行旋转描点拟合，可确定辊指的曲线形状，如图5所示。

图5 滑梳辊指形状曲线生成示意图Fig.5 Spanning graph of curve of slide-combing roller finger

根据滑切理论，最小滑切角等于物料间的摩擦角，但虎杖根系为根土复合材料，具有各向异性特点，理论摩擦角应介于20°～36°[25-26]（木与钢、土与钢摩擦角），为了深入探讨滑切角对滑梳性能的影响，本机分别取摩擦角20°、25°、30°、35°采用图5的方法设计出具有不同滑切角的4种滑梳辊指。在物料含水率、辊指回转长度及转速相同的情况下进行脱土试验，借助高速摄像慢速回放功能量化辊指与根系勾连、扯拉发生的概率，发现滑切角超过30°时，物料在栅板上的脱土作业已相对平稳。因此，针对中药虎杖这种特殊的根土复合材料，选择最小滑切角为30°即可实现钢质辊指的滑梳脱土。

2.4 辊指滑梳最大滑切角确定

根据文献论述的结论，随滑切角递增，功耗呈先小后大变化趋势[27]。因此，需建立辊指滑梳功耗模型，寻找功耗转换点，约束滑切角的递增界限，进而确定辊指与物料作用的最大滑切角。

物料与滑梳辊指相互作用的受力如图6所示。

图6 滑梳辊指受力分析Fig.6 Force analysis of slide-combing roller finger

式中m为物料的质量，kg；g为重力加速度，m/s2；s为辊指长度，mm；φ是物料和辊指之间的摩擦角，（°）；L为辊指根部到末端的曲线段。

辊指与物料作用时，对滑梳辊指回转中心O，产生的总阻力矩Mr（N·m）为

式中dρ为辊指的有效击打半径，mm；r为辊的半径，mm。联立式（7）、（8）得到

单位时间产生的阻力功耗P满足

由式（9）、（10），得到功耗P与摩擦角φ、滑切角τ以及转速ω的函数关系

然而，通过常规代数方法，难以确定功耗与3个变量的关系，因此，采用数值解析方法，在转速ω一定的情况下，依次求解各摩擦角和滑切角组合下的功耗，并通过Matlab软件绘制出伪彩色能量图，通过颜色差别反映功耗大小，其中功耗数值以扭矩Mr的具体数值与该转速ω的乘积表达。如图7所示，随滑切角的逐渐增大，功耗呈现先减小后增大的变化趋势，此趋势与文献[27]的结论一致。根据滑梳的临界条件，当辊指与物料摩擦角为30°时，功耗最小所对应的滑切角为67°～77°，超过此范围梳刷阻力虽可减小，但在滑梳过程中物料相对于梳刃滑过的路径也相应增加，从而导致功耗有所上升；同时，相对而言较大的滑切角也弱化了辊指梳刃与物料的作用力，降低了脱土作业的效果。因此，滑切角取67º更有利于装置作业性能。

图7 功耗的伪彩色能量图Fig.7 Pseudo-color energy figure about relationship among energy consumption, friction angle and slide-cutting angle

通过以上分析，根据最小滑切条件及功耗最小所对应的滑切角，可确定滑切角最小值为30°，最大值为67°，最优滑切角设计应在此范围内，即可获得较好的脱净率，又不至功率消耗过大。

3 试验设计及结果分析

3.1 试验条件

试验地点为华南农业大学工程试验中心，试验材料取自广东省肇庆市怀集县冷坑镇虎杖种植基地。为适应脱土装置和作业要求，试验前去掉虎杖的茎叶，并将根块分割成适当大小；为控制损伤率，参考文献[15]的试验方法，将滑梳辊转速设定在580 r/min以下；同时，通过自然风嗮，使虎杖根系裹夹土壤的含水率在15%～20%之间，使之更有利于土壤松碎，实现根土分离[28]。

试验设备为自行研制的虎杖根土分离试验装置，试验样机如图8所示。脱土作业中承土盘放在输土链杆上用于计收根系脱落土壤的质量，辊指的转速由变频调速系统控制，扭矩由安装于试验台驱动轴上的扭矩传感器测量（型号：ZRN503，量程：±0～200 N·m，电源：±15 VDC，输出：10±5 kHz，北京中瑞能仪表技术有限公司）。

3.2 试验方法与指标选取

3.2.1 试验方法

根据滑梳辊指与物料作用分析，在翻转辊转速为200 r/min、作业时间为15 s的情况下，选取辊指转速、辊指滑切角、辊指作业长度（滑梳辊指伸出栅板的最大长度）为试验因素，并考虑各因素间的交互影响，采用有交互作用的正交试验方法设计试验，试验因素与水平如表1所示。试验中每60根虎杖为1组，数据取平均值，分别计算脱净率Y1、功耗Y2。试验时人工投放物料，通过变频器调节电动机转速，通过更换不同滑切角的辊指改变滑梳角度，通过调整栅板高度控制辊指作业长度。

表1 试验因素及水平Table1 Experimental factors and levels

3.2.2 试验指标选取

脱净率为装置脱去的土壤与投入装置前根系所包裹土壤的质量百分比，计算方法为

式中Y1为根系脱净率，%；W1为投入装置的根土复合体总质量，kg；W2为经装置脱土后含残余土壤的根系总质量，kg；W3为不含土壤的根系质量，kg。

为减小空转转速差异引起的功耗误差，实测功耗为在一定转速下整机作业功耗与该转速整机空转功耗的差值。根据材料力学可知，功耗Y2（W）、扭矩M（N·m）和转速nw（r/min）之间的关系为

3.3 结果与分析

试验结果如表2所示，方差分析如表3所示。

表2 正交试验结果Table2 Results of orthogonal experiment

表3 性能指标方差分析Table3 Variance analysis of performance indexes

方差分析表明：对于脱净率指标，在95%的置信度下，辊指转速和辊指作业长度影响极显著，辊指滑切角度影响显著，3个因素的交互项对脱净率影响均不显著。各因素对脱净率影响由大到小依次是：辊指转速＞辊指作业长度＞辊指滑切角＞辊指转速×辊指滑切角度＞辊指转速×辊指作业长度＞辊指作业长度×辊指滑切角度。对于功耗指标，在95%的置信度下，辊指转速、辊指滑切角度、辊指作业长度影响均极显著，3个因素的交互项对功耗影响均不显著。各因素对功耗影响由大到小依次是：辊指作业长度＞辊指转速＞辊指滑切角＞辊指转速×辊指滑切角度＞辊指转速×辊指作业长度＞辊指滑切角度×辊指作业长度。

3.3.2 多目标分析

为选取较优的因素水平组合，需兼顾脱净率以及功耗2个指标，因此采用模糊数学中的加权评分方法对2个指标进行综合评价[29-30]。考虑到脱净率和功耗2个指标的量纲不同，需对二者进行无量纲化处理，转换为指标隶属度值。

对于脱净率指标，采用升半正态分布映射

式中μ1(y1i)是脱净率的映射评分函数，值域为[0,1]，y1i是第i次试验脱净率的值，%；y1max是试验结果中脱净率的最大值，%，y1min是试验结果中脱净率的最小值，%，脱净率越大，评分越高。

对于功耗指标，采用降半正态分布映射

式中μ2(y2i)是功耗的映射评分函数，值域为[0,1]，y2i是第i次试验功耗的值，W；y2max是试验结果中功耗的最大值，W，y2min试验结果中功耗的最小值，W，功耗越低，评分越高。

2016年第39届国际标准化组织大会，国家主席习近平以“标准是人类文明进步的成果”为题向大会的召开发表贺信。贺信说道“标准是人类文明进步的成果。从中国古代的‘车同轨、书同文’，到现代工业规模化生产，都是标准化的生动实践。伴随着经济全球化深入发展，标准化在便利经贸往来、支撑产业发展、促进科技进步、规范社会治理中的作用日益凸显。标准已成为世界‘通用语言’。世界需要标准协同发展，标准促进世界互联互通。”[7]对于标准是人类文明进步的成果的新内涵论述，给出了标准及标准化概念内涵的新延伸，需要我们深入解读两种成果的关系。

根据式（14）和式（15）得到的隶属度值，可构成模糊关系矩阵Rr

本试验以脱净率大，功耗小为目标，由性能指标重要性，确定权重分配集W =[w1w2]T=[0.6 0.4]T，每组试验的综合加权评分矩阵Z表示为

综合评分结果为

将综合评分结果进行方差和极差分析，结果如表4和表5所示。

表4 综合评分方差分析Table4 Variance analysis of comprehensive evalualtion

表5 综合评分极差分析Table5 Range analysis of comprehensive evalualtion

方差分析表明，在95%的置信度下，辊指转速对综合指标影响具有极显著性，辊指作业长度、辊指滑切角度×辊指作业长度对综合指标影响具有显著性。极差分析表明，各因素对综合指标影响由大到小依次是：辊指转速＞辊指作业长度＞辊指滑切角度×辊指作业长度＞辊指转速×辊指作业长度＞辊指转速×辊指滑切角度＞辊指滑切角度。通过比较3个因素各水平指标的大小，得到最优参数组合为A3B3C1，即辊指转速为350 r/min，滑切角为67°，作业长度为30 mm，此时脱净率为93.03%，功耗为76.73 W。

4 结 论

1）设计了一种具有滑梳功能的辊指，有效缓和了辊指对物料的冲击、纠缠，使虎杖根系根土分离作业更加平稳、功耗更小。

2）根据滑切理论和试验分析，确立了辊指与物料滑梳的临界条件为滑切角大于30°，利用对数螺线方程建立辊指梳刃的曲线方程，通过动力学分析，建立了辊指作业的功耗模型，确定了影响作业功耗的主要因素为辊指转速、辊指长度、辊指滑切角，并根据辊指滑梳的功耗模型，得到功耗最小所对应的滑切角为67°。

3）影响综合指标的主次因素顺序为：辊指转速＞辊指作业长度＞辊指滑切角。最优组合参数为：辊指转速为350 r/min，滑切角为67°，辊指作业长度为30 mm。此时脱净率为93.03%，功耗为76.73 W。

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Design and experiment of slide-combing roller finger for Polygonum cuspidatum root-soil separation

Chen Xueshen1, Ma Xu1,2※, Wu Tao1, Zeng Lingchao1, Li Kangyu1, Chen Lintao1
(1. College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment(South China Agricultural University), Ministry of Education, Guangzhou 510642, China)

Root-soil separation is a critical link in Polygonum cuspidatum harvesting. It has been shown that combing machines are very useful for separating soil from root. However, it is a common occurrence during this process for Polygonum cuspidatum to be entangled by the machine, which leads to excessive energy consumption. In order to overcome the imperfections and defects of this kind of machine, a new roller finger for root-soil separation was designed. By applying the slide-cutting theory, the critical slide-cutting angle of the roller finger was calculated. Considering the friction coefficient between between Polygonum cuspidatum and roller finger, the slide-cutting angle was found to be more than 30°. By solving the differential equation and the logarithmic spiral equation, the curve equation of the roller finger was established in polar coordinates. With a mechanical model between Polygonum cuspidatum and roller finger set up, a function involving energy consumption, rotational speed of roller, length of roller finger and slide-cutting angle of the roller finger was obtained. It was found that the optimal slide-cutting angle varied in energy consumption with the difference of the coefficient of friction between Polygonum cuspidatum and roller finger. A pseudo-color energy figure about the relationship among consumption, angle of friction and angle of slide-cutting was shown with the MATLAB (Matrix Laboratory) software by the function derivation of the slide-cutting angle. It turned out that the optimal slide-cutting angle increased slowly as the coefficient of friction grew. Utilizing the curve, the maximal slide-cutting angle was obtained. The rotational speed of roller (Factor A), the slide-cutting angle (Factor B) and the length of roller finger (factor C) were selected as 3 factors of the orthogonal simulation experiment in order to explore their impact on the rate of soil-detachment and energy consumption. The priority order of the factors for the rate of soil-detachment was A ＞ C ＞ B ＞ A×B ＞ A×C ＞ B×C, and that for the energy consumption was C ＞ A ＞B ＞ A×B ＞ A×C ＞ B×C. The rotational speed of roller and the length of roller finger had an extremely profound effect on the rate of soil-detachment while the slide-cutting angle had a profound effect on it. Meanwhile, those 3 factors also had an extremely profound effect on the energy consumption. Although the 3 factors performed differently on the rate of soil-detachment and energy consumption, by utilizing a fuzzy comprehensive evaluation method, a comprehensive evaluation on the results of the rate of soil-detachment and energy consumption was carried out by the multi-objective optimization design method. Results reflected the important differences between the rate of soil-detachment and energy consumption, and a weight matrix was set for fuzzy calculation. According to the comprehensive evaluation, the sequence of the influence of the factors on the comprehensive result was A ＞ C ＞ B×C ＞ A×C ＞ A×B ＞ B, and the rotational speed of roller had an extremely profound effect on the comprehensive result while both the length of roller finger and the slide-cutting angle × length of roller finger had a profound effect on it. The results of fuzzy calculation showed that the optimal parameters were as follows: the rotational speed of roller of 350 r/min, the slide-cutting angle of 67°, and the length of roller finger of 30 mm, and under these conditions the rate of soil-detachment was 93.03% and the energy consumption was 76.73 W.

agricultural machinery; medicine; harvesting; root-soil separation; slide-cutting; combing; Polygonum cuspidatum

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.007

S225

A

1002-6819(2017)-05-0048-08

陈学深，马 旭，武 涛，曾令超，李康毓，陈林涛. 虎杖根系脱土滑梳式辊指的设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(5)：48－55.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.007 http://www.tcsae.org

Chen Xueshen, Ma Xu, Wu Tao, Zeng Lingchao, Li Kangyu, Chen Lintao. Design and experiment of slide-combing roller finger for Polygonum cuspidatum root-soil separation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 48－55. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.007 http://www.tcsae.org

2016-05-23

2016-12-20

国家自然科学基金资助项目（51175188）

陈学深，男，汉族，吉林省辽源人，博士，副教授，主要从事现代农业技术装备研究。广州 华南农业大学工程学院，510642。

Email：chenxs@scau.edu.cn.

※通信作者：马 旭，男，汉族，黑龙江哈尔滨人，教授，博士生导师，主要从事现代农业技术装备方面的研究。广州 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，510642。Email：maxu1959@scau.edu.cn中国农业工程学会高级会员：马 旭(E041200004S)