新型快速根茎类药材收获机的研制

丁建民

（山西省农业机械发展中心，山西 太原 030027）

0 引言

山西是根茎类中药材资源大省，也是全国根茎类中药材重要产区，中药材的种类、种植面积和产量均处于全国前列，恒山黄芪、晋东南黄芩、党参等品质上乘，自古以来就是农民的主要经济来源。2020 年2 月，山西省出台了《关于加快推进农产品精深加工十大产业集群发展的意见》，明确提出大力推动山西药材产业发展战略。目前，收获根茎类药材的机械化程度低，且收获机械并不成熟，收获效率低、损失大，收获机适用性不强、可靠性较差，因此研制新型快速根茎类药材收获机对提升中药材收获机械化水平，推动药材产业的规模化发展，切实助力农业增产、用户增收、农民脱贫，有很好的社会效益与经济效益。

1 目前根茎类中药材收获机现状

1.1 目前根茎类中药材收获机的结构特点

目前市场上常见的几类根茎类药材收获机主要有单/ 双链条式分离清选收获机、单/ 双振动筛式收获机、链条振动筛组合式收获机这3 类，都是由拖拉机提供动力，挖掘铲铲起土壤后，通过链筛或者振动筛分离土块向机身后抛出药材。

1.2 目前根茎类中药材收获机的技术缺陷

目前这几种结构的根茎类收获机在使用中存在许多不足，给用户带来不便，影响机具的推广应用，主要缺陷体现在以下几个方面。

1.2.1 作业效率低

根茎类药材收获需深入地面以下将土壤和药材铲起，工作负荷大、速度慢，对配套动力要求高、消耗大。特别是振动筛式分离清选收获机，在作业时通过振动冲击实现土壤的铲起、抖松和抛送作业，收获机振动幅度大，速度无法提升，冲击载荷对悬挂机架损伤较大。单行收获虽然能很好地避免这些问题，但是牺牲了作业效率，同时对两行间的作物带来一定的损伤，而药材损伤、断裂、破皮会直接影响药材的药效，进而影响药材品质，影响药材价格。

1.2.2 损失率高

根茎类药材是对主要药用部分根、根（块） 茎这一类药材统称，其种类庞杂且药用部位在土壤内分布并不稳定，有的药材可深入地下500 mm 以下，能否将更深处的药材挖掘出来是影响损失的主要因素，而药材与土壤的分离不彻底、分离后药材被土壤再次覆盖也是收获损失的重要部分，收1 遍覆土收获后埋根情况严重，收2 遍后又以须根、断根为主，耗油多、经济效益差。

1.2.3 可靠性、适用性差

根茎类药材收获时收获机工作负荷大、强度高，对收获机结构的牢固性、整体装配的合理性都有很高的要求，目前市面上药材收获机可靠性并不稳定，故障率高影响作业效率；根茎类中药材种类庞杂，药材种植模式、收获时间的差异及其在土壤内分布情况不稳定，都对机具的适用性提出了较高要求。

2 产品研制过程

为适应农业发展的新要求，加快药材收获机械化进程，突破收获机作业效率低、损失率高、可靠性、适用性差等问题结节，通过前期的技术调研，优化材料选择和工艺配套，研制出了4EYL- 170A/180A 两款新型快速根茎类药材收获机，并顺利通过了试验验证。

2.1 技术路线

新型快速根茎类药材收获机的设计围绕提高工作效率、减少损失、提升可靠性和适用性4 个方面展开。以下将从技术指标的预期及产品结构设计特点2 个方面介绍此次研发的技术路线。

2.1.1 预期性能指标

为突出此次研制的先进性，预估产品未来发展趋势，将新型快速根茎药材收获机的作业性能技术指标、可靠性、适用性较大纲规定有所提高[1]，设计产品的损失率为≤8%，可靠性、适用性为连续作业满一个作业季无严重、致命故障。

通过前期调研、查阅各类根茎类中药材的生长特性[2]，作物生长深度可以达到450 mm 以上，作为药用价值带来经济效益的部分往往在400～450 mm，从地面算起深度在300 mm 以内占总质量的80%～90%，在深度扩展到450 mm 时占总质量的90%～99%。同等幅宽下作业深度每增加10 mm 对机具的可靠性要求和油耗将会大幅增长。目前，收获机普遍可以达到350 mm 的作业深度。因此，从收获经济性、机具可靠性、损失率等方面综合考虑，将作业深度确定为400～500 mm。

统计各类根茎类中药材种植模式，目前对收获幅宽市场需求普遍都在1.5 m 以上，行距根据种植地气候、灌溉、地形略有不同，基本维持在300～400 mm。考虑到在适用行距范围内能收全、减少不对行收割带来的收获损失及其对药材的伤害，提高作业效率，因此确定1.7 m 和1.8 m 两种幅宽。

2.1.2 产品结构设计特点

样机通过三点悬挂机架与拖拉机悬挂点相连接，通过拖拉机液压悬挂系统实现切土角度的调节、作业深度的控制，其中最大入土深度可以达到400～500 mm。作业时由拖拉机万向轴传递动力至收获机中央变速箱，变速箱驱动轴分配动力至机身两侧，带动一级分离输送链条筛、二级分离输送链条，分段式切土平铲（平铲与两侧钢制内板共同组成切土区） 铲起切土区内作物和土壤送至一级分离输送链条筛，在筛内将土块与作物松动并将其输送至二级分离输送链条完成药材的分离抛送作业。

产品设计示意图见图1。

研发创新性地采用分段式平铲为挖掘铲，采用两级链条筛作为分离清选抛送装置，同时优化了挖掘铲入土角度，保障了产品的作业性能，提高了产品的可靠性和适用性。

在分析了大部分收获机的挖掘铲结构、以往故障情况后，决定采用加宽加厚式分段平铲，铲底部采用支撑钢架，固定铲的位置同时在作业时起到稳定平铲、分担作业负荷的作用。作业时不会出现以往整体式平铲、翼铲在铲中间载荷大易变形现象。提高了铲的整体稳定性，同时保护收获机钢架结构的可靠性。分段式平铲采用将以往的平铲分成4 段来分别下料加工、分别组装，铲在组装前又经过回火处理降低内部刚性，提高韧度，表面经过渗碳处理提高了铲面、铲尖的耐磨性。为保障装配的方便性及减轻铲的压强，加宽了铲面。维修时仅需更换损坏部分铲板，将铲放置在铲固定座上通过焊接与支座连接，不影响其他位置铲体，大大降低了维修的工时，提高了维修的可靠性。

市面上收获机入土角度并没有明确数值，而且同一生产企业的同一批 “铲角” 也并不固定。而入土角度又直接影响收获机作业时整机负荷、入土平稳性等。经过调研后，采用模拟试验方式最后确定合理入土角度。入土角度较以往有所降低，减少了入土阻力，提高了作业速度和工作平稳性。而且采用平铲支撑铲座，保证了出厂时角度的统一。

根茎类药材收获机分离清选型式分为输送链式分离清选筛和振动筛分离清选筛。其中振动筛式是通过对挖掘出来的泥土和药材进行往复式振动来达到输送、分离清选目的，对收获机和配套动力来说冲击负荷较大、对零部件（轴承、机架） 的要求高，长时间作业收获舒适性差、作业速度慢，此结构常用于低作业幅宽的收获机。而输送链式通过链条在运输泥土和药材时完成二者的分离清选，分离速度快，且可通过调整结构调整分离清选速度，而且收获后的药材不容易被泥土、土块覆盖，明茎明根率较高。因此，此次设计选定链条筛式分离清选，同时为保障机具的可靠性、兼顾链筛前部磨损大负荷强的特点，选用分段式两级链筛，前筛主要完成泥土和药材的输送、抖动疏松，第二级完成分离与清选抛送。

2.2 产品试制生产

对比现有收获机使用的钢材，考虑到钢材的强度、再加工性能，试验样机钢材选择优质合金钢，进行整板激光下料切割，保障整机的组装性能。挖掘铲使用优质弹簧钢下料后进行热处理，既满足挖掘铲的刚度和强度要求，又保证了长时间入土作业不易磨损。

4EYL- 170A 型首台样机完成后，考虑到产品的作业负荷较大，以往机型故障主要集中在机具强度上，因此进行强度测试。于2019 年7 月初在周边土壤高硬度、土层条件较复杂的地理条件下进行了数次强度测试，测试中未出现机架变形、铲尖损坏和运转不流畅现象，整体测试结果优于预期，经评估后产品设计通过强度测试。

对4EYL- 170A 型样机强度测试结果研究分析，总结产品生产流程，进一步改进产品设计，形成产品加工工艺卡、出厂检验要求。2019 年7 月底前每种型号研制了2 台样机，并通过技术认证，项目进入样机试验验证阶段。

2.3 试验验证过程

为充分考核收获机的产品质量， 对4EYL-170A/180A 两款新型快速根茎类收获机进行了性能试验考核、可靠性适用性考核。其中，性能试验按照DG/T 189—2019 《药材挖掘机》 中规定的试验测试方法，重点考核了两款产品的作业效率、挖掘深度、损失率。选择的地块能很好地代表收获机适用地区的种植模式、土壤条件，选择的作物能代表收获机广泛适用的品种。

可靠性适用性考核采用满作业季考核，将产品分发给使用用户进行为期一个作业季的满负荷考核。调查方式采用现场跟机考核和电话调查2 种方式相结合。

2.3.1 性能试验考核

2019 年11 月，分别在甘肃省临夏州永靖县王台镇进行了4EYL- 170A 型收获机黄芪的收获试验，在山西省万荣县皇甫乡进行了4EYL- 180A 型收获机丹参的收获试验，试验考核面积共26.67 hm2，收获作物为黄芪和丹参各13.34 hm2，作物叶茎提前经过灭茬处理。在试验地内选择10 个试验区按照大纲规定测试，采用4 个行程测试数据均值作为该测区的测试值。经过对4EYL- 170A/180A 机型各2 台样机的考核，该产品在测试区域损失率分别为2.8%，3.4%，优于产品设计时提出的技术要求。

各试验区损失率测试数据见表1。

表1 各试验区损失率测试数据/ %

通过在各试验区按照大纲规定选点测得挖掘深度最大值为510 mm，最小数值为409 mm，其他测量值在最大最小值范围内离散分布，均值为439，445 mm 完全达到了设计预期。挖掘深度数值的不同主要是各试验区土壤情况及作业时间段不同造成，在同一试验区内挖掘深度数值偏差范围10～20 mm，挖掘深度稳定，真正实现了在明示深度范围内想挖多深就挖多深，在同一深度范围内挖掘深度稳定，无明显偏差。

各试验区挖掘深度测试数据见表2。

表2 各试验区挖掘深度测试数据/ %

平均生产率为0.2 hm2/h，最大收获效率可达到0.28 hm2/h，在高速收获时前筛能很好地起到输送分离效果，后筛分离干净，无明显覆土情况出现，试验完成后两级链筛均未出现明显的损伤、运转不畅现象，能很好地保证可靠性。同时，性能试验对比了在相同地块同等幅宽未改进机型的性能数据，新型快速根茎类收获机性能指标达到设计预期。

收获机产品考核性能对照表见表3。

2.3.2 可靠性、适用性试验考核情况

在2 次试验考核完成后分别分析了作业的情况，对机具进行了局部调整。调整后将4EYL- 170A/180A 2 个机型共4 台样机投放万荣县周边药材收获机专业用户进行了为期2 个月一个作业季可靠性、适用性考核。考核期间考核人员分时段采取跟机收获，电话调查回访，对收获机作业情况进行汇总，总体评价良好，经济效益社会效益与同类机型相比进步十分明显。

表3 收获机产品考核性能对照表

3 结论

此次研制的2 款机型较国内同类产品有以下优点：

（1） 结构新颖独特。采用分段式平铲结构。组装方便、维修便捷、较以往的整体切土刀更换时需整体拆除、整体换装，维修的工时大大降低，配件的整体保障能力也有所提升。经过用户调查比较，分段式平铲的使用时间较以往同类机型提高了26%，维修时间较以往降低了40%，同时维修费用大幅降低。

链式输送分离筛通过分段式两级输送，前筛主要完成泥土和药材的输送、抖动疏松，第二级完成分离与清选抛送，收获速度能有效保证，提高了作业效率。作业时分离效果更好，收获后得药材不容易被泥土、土块覆盖，明茎明根率较高，经数据比较收获损失降低了5%，且收获后成品药材品质大幅提升，据试验地用户反映使用该款收获机后药材好卖，而且药材价格较高，大大提升了经济效益。

（2） 适用性好、可靠性高。新型快速根茎类药材收获机可对全国大部分地区不同作物、不同种植模式的根茎类药材进行收获[2]，整机不容易出现链条堵筛情况，机组作业速度快，可适用于马铃薯、红薯、花生、黄芹、远志、丹参、地黄、柴胡、板兰根、黄峰等多种中药材和薯类的挖掘，出净率高、挖掘深度大、破损率低。

（3） 具有良好的经济社会效益。该机型的研制可增加生产企业的经济与社会效益，可为区域经济发展创立一个新的亮点。该产品的推广将大大推进山西省药材收获机械化水平的发展，提升山西省农业现代化装备水平，提高农业生产效益。