根茎类药材收获机药土分离机构的研究现状

周春民， 张 华*， 刘小龙， 李 辉， 孙 伟， 李红岭， 张赟彪

(1.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070；2.新疆生产建设兵团第二师，新疆维吾尔自治区 库尔勒 841000)

在根茎类药材的收获过程中，传统的人工采收仍占很大比重，还有一些实现了半机械化收获。但这些机器只负责挖掘，在这个过程之后仍需要人工进行药土分离。后者与前者相比，可以一定程度上减少人工成本的投入。有关研究小组为了进一步降低生产费用，减少人工投入，降低生产成本，开发出了各种各样带药土分离机构的根茎类药材收获机，在一定程度上解决了根茎药材收获的一些难题。

中国的大宗根茎类药材主要有黄芪、党参、白芍、白术、三七、人参、丹参、黄芩和黄精等。它们均有着对我们不可或缺的功效与作用，例如清热燥湿、泻火解毒、祛痰、利咽、排脓等功效。同时，在我们强大的医疗技术支持下，可以加工成各种药品，不断提高人们的健康指数。而根茎类中药材收获设备的研究起步较晚，目前存在许多有待攻克的难题，需要每年投入大量人力成本到药材的收获过程中。农村青壮年人手不足，用工成本不断上涨的问题日益严重，需要我们加快步伐解决这些问题。然而解决这些问题最直接的方式就是加大对根茎类药材收获机械研制的投入，妥善解决根茎类药材收获过程中遇到的相关问题，不断去提升根茎类药材市场的相关利益，同时促进根茎类药材相关产业的发展，并引导越来越多的人投身于根茎类药材生产领域之中。

根茎类中药材的经济利益非常巨大，但是由于在收获过程中投入了大量的人力物力，导致其经济效益被很大地压缩，如果可以减少在收获过程中投入的人力物力，就可以增大根茎类中药材的经济利益空间，造福于大众。

1 国内外根茎类药材收获机现状

1.1 国外根茎类药材收获机现状

国外早在20世纪40年代就已经开始了对根茎类作物收获机器的研究，然而那时仅局限于研究一些短根茎类作物的机械化收获，现已在某些程度上完成了短根茎类作物收获向长根茎类作物的转化。美国、韩国、日本、意大利等国家都有着自己的根茎类作物收获机械，但主要收获萝卜、甜菜、大蒜、花生、土豆等，用作药材的收获机只是很小一部分。

例如，日本久保田公司生产制造的DCL-130型土豆收获机，美国KelleyManufac-turing公司基于KMC3376和KMC3374两机器的基础上研制出的新型花生联合收获机，美国CourtesyofLillistonMfg.Co.研制的LP-2型花生收获机，均是采用了比较先进工艺技术的机型，主要具备了结构较精妙、工作可靠性高等优势。美国的WSKang和MIDawelbeit除了对根茎类作物收获机的其他部件研究之外，还对主要工作部件进行过深层次地研究，其主要目标是在有条件的情况下，最大限度地减小阻力，对动力参数进行优化实验，得出犁铲电阻的影响因子是振动频率、振幅和机器的前进速度，通过其设计的实验可以减少20%～50%的牵引阻力。[1]但在国外，除韩国和日本外，很少有研究小组对长根茎类中药材收获机器进行系统深入的研究。

HN1254型大蒜收获机的优点主要在于能够高效、轻松、高质量的完成大蒜收获作业，该机是由韩国九宝达公司研制并生产的一种机型。DSA-1800TS型双层振动式跟紧类作物收获机的负荷较小，可用于收获土豆，大蒜，花生，洋葱等多种根茎类作物，该机由韩国ASM会社研究生产。DP-1450W根茎类作物收获机，可用于收获大蒜，洋葱，土豆，花生，生姜等多种根茎类作物，该机由大风公司研制并生产。BG-1400GN型根茎类作物收获机采用了偏心凸轮的前后振动方式，可以在很大程度上降低收获机械对作物的损伤，该机由公牛会社研制并生产。TC-1800GA型无振动根茎类作物收获机针对作物的不同特性对其进行了设计，该机通用性强，适用于收获多种不同类型的根茎类作物的收获，该机由太仓农机公司研制并生产。[2]

1.2 国内根茎类药材收获机现状

20世纪60年代以来，我国开始引进国外根茎类作物收获机，主要用于马铃薯、花生等一系列根茎类作物的机械化收获，但是大部分的根茎类作物依然是通过人工挖掘、捡拾或者用一些简陋的挖掘机械去挖掘然后人工捡拾等方式去收获。如果采用人工挖掘的方式去收获长根茎类药材的话，则需要平均挖掘50 cm以上的深沟才能达到收获的目的。自上世纪90年代，我国也开始对相关领域的机械进行研究，先后研发出了各种类型的根茎类药材收获机。例如4GJ-880型根茎类作物收获机，该机由河北省农业机械化研究所的贾素梅等人共同研发；4YW-160型根茎类药材收获机，该机由甘肃渭源的农机推广站研发并投入使用，但此类收获机械只能完成简单的挖掘功能，并不能实现相对完整的机械化收获。因此各相关机构也逐渐加大对根茎类药材收获机药土分离机构的研究与投入，不断达到提升根茎类药材收获机的工作效率、减小劳动强度等目标。[3]目前，跟土分离机构在马铃薯、花生等根茎类作物上有着更为完善的体现，其主要采用了抖土、振动以及击打等原理去实现跟土分离的目的。不过，该类机具如果应用至根茎类中药材的药土分离中还存在着许多问题，例如药土分离效果差，对药材的损伤程度大等一系列的问题。其虽然不能直接使用于根茎类药材的收获机械上，但是在一定程度上，为根茎类药材收获机的药土分离机构的研究提供了相关的理论基础和实践指导。

2 根茎类药材收获机药土分离机构研究现状

目前国内相关的农机科研单位和企业所研制、生产和销售的根茎类药材收获机械中，呈现出了多种多样的根茎类药材收获机械，分类方式众多，但是按照药土分离机构去进行划分，主要分为：杆条式升运筛式、振动带式以及筛式这三大类根茎类药材收获机。

2.1 杆条式升运筛式根茎类药材收获机

导向支撑链轮、升运链、拖链轮、抖动轮及驱动轮等共同构成杆条式升运筛，以分离根茎类药材与土壤混合物并尽可能减少对药材的损伤，然后将药材集中堆放或铺于垄上为最终目的。该类药土分离机构主要适用于黄芪、红芪、山药、三七等长根茎类中药材的一系列收获作业程序，该类药材根茎长度普遍可以达到35 cm以上，且分支较少较为整齐，便于整齐的铺放在杆条式升运筛上。杆条式输送带可以保证在输送带角度较大时，药土分离的同时仍然拥有良好的输送能力，提高工作效率，减少工作时间。抖动升运结构简图如图1所示。

甘肃农业大学张文杰等人研发的4Y-1200型深根茎类药材收获机如图2所示，采用了该药土分离机构。其工作时，首先由相关的装置去控制挖掘铲入土，然后通过限深调节装置去调节挖掘铲的挖掘深度，还可以根据药材种植环境去分析挖掘铲所需的最佳角度，保证在不同作业环境下挖掘铲可以达到最佳的入土角度，以减少收获机在收获过程中所受到的阻力。将土壤中的根茎类药材挖掘出来的同时使大块的土壤破碎，将破碎的土壤和根茎类药材混合物推送至该机的药土分离装置，经过药土分离装置药土分离后，土壤落至地面，药材随输送带输送到收集箱中进行集中收集，待药材收集箱收集满之后将药材进行集中堆放处理。[4]

图2 4Y-1200型深根茎类药材收获机1.悬挂架；2.变速器；3.限深调节装置；4.收集箱；5.限深轮；6.托带轮；7.中药材与土壤分离装置；8.抖动轮；9.挖掘铲；10.切刀；11.侧壁版

由昆明理工大学崔振猛等人研发的4SD-1700型悬挂式三七药材收获机如图3所示。使用前，通过三点悬挂的方式与拖拉机相连，针对其工作环境的土壤和三七的种植情况及其生长状况对其进行分析，然后对挖掘铲的角度去进行适当的调整，使其达到最适宜的工作状态。工作时其收获机的动力主要由拖拉机进行提供，挖掘铲将药材与土壤的混合物铲起，使药土混合物落至药土分离机构，达到药土分离的目的，在药土分离后通过收获机的收集挡板使三七根落至地面并形成条铺状，从而完成对三七根茎的挖掘收获。[5]

图3 4SD-1700型悬挂式三七药材收获机

2.2 振动带式根茎类药材收获机

振动带主要由主动抖动棍+双级链带构成，该药土分类机构不仅可以适用于对分支较少的长根茎类药材进行药土分类，同时也可以对分支较多的根茎类药材进行药土分离。[6]

4YC-14振动带式根茎类药材收获机如图4所示，采用该药土分离机构对药土混合物进行分离，该机由石河子大学的机械电气工程学院研制。其与大于120 kW的四轮拖拉机联合使用，完成对根茎类药材的挖掘，药土分离，并铺放于地表等待人工捡拾，完成药材的挖掘和药土分离作业。[7]

图4 4YC-14振动带式根茎类药材收获机1.分离系统；2.动力传动；3.机架；4.悬挂架；5.入土铲

2.3 筛式根茎类药材收获机

2.3.1 梳齿分离筛式根茎类药材收获机

梳齿式分离筛药土分离结构，主要是在挖掘铲后部设计有梳齿式分离栅条，以达到对药土混合物的简易分离，并将药材铺于地面，以便人工捡拾。4WGX-120/150型根茎类药材挖掘机如图5所示，采用了该药土分离机构，与拖拉机联合使用，由甘肃省农机推广站的盛国成等人研发。其主要由挖掘铲、机架、限深调节装置、药土分离机构等构成，可一次性完成根茎类药材的收获作业，主要适宜于在平原地区或着坡度较小的缓坡地区作业。[8-10]

图5 4WGX-120/150型根茎类药材挖掘机结构1.悬挂架；2.上加强拉杆；3.机架；4.挂耳；5.下加强拉杆；6.限深调节机构；7.矩形切割松土框架；8.挖掘深松铲；9.梳齿式分离栅

2.3.2 振动筛式根茎类药材收获机

振动筛式药土分离机构的主要工作部件是网状振动分离筛，使用该类药土分离机构的根茎类药材收获主要用于收获一些远志、丹参、地黄、柴胡、板兰根等类似的根茎类药材。接下来三种根茎类药材收获机如图6所示，均是采用的振动筛式药土分离机构的根茎类药材收获机。4Y-800型根茎类药材收获机主要由挖掘铲、机架、药土分离机构以及限深调节装置及悬挂装置等组成，是由民乐县开源农机制造有限公司研制，该机的配套动力在300 kW左右，挖掘深度在30 cm至40 cm之间。由福德农机制造有限公司研制的4UY系列根茎类药材收获机由挖掘铲、机架、药土分离装置以及行走限深轮构成，可一次性完成根茎类药材的收获过程。其中4UY-1000型根茎类药材收获机的配套动力为500 kW左右的拖拉机、挖掘深度在30 cm左右；4UY-1500药材收获机配套动力为750 kW左右的拖拉机、挖掘深度为30 cm左右。[11]

图6 振动筛式根茎类中药材收获机

2.3.3 滚筒筛式根茎类药收获机

滚筒筛式药土分离机构如图7所示，主要由螺旋导向板、提升板、筛网钢丝组成，并与鼓式升运器、爪轮式清理输送器配合使用，爪轮结构示意图如图8所示。该药土分离机构的筛选量大，其他一些影响因素对其的影响程度较小，例如土块板结的问题，土壤的湿度问题以及地里残留的石块或者茎叶等，同时也有着运转平稳、坚固耐用的特点。其主要根据药材的生长特性以及种植环境用来对半夏等类似药材进行药土分离。

图7 滚筒筛结构示意图1.螺旋导向板；2.提升板；3.筛网钢丝

图8 爪轮结构示意图

4SB-800型半夏收获机如图 9所示，所应用的分离机构就是滚筒筛式的分类机构，该机由山西农业大学的郑德聪等人共同研制，其通过大量实验和计算最终将滚筒筛的设计转速取：n=350 r/min，该收获机工作幅宽达800 mm，工作速度达13 km/h。[12]

图9 4SB-800型半夏收获机结构简图1.悬挂架；2.变速箱；3.传动装置；4.滚筒筛；5.爪轮式清理输送器；6.鼓式升运器；7.集料装置；8.行走轮；9.机架；10.带式输送器；11.挖掘铲

3 存在的问题和展望

根茎类药材收获机的作业效果受其工作环境影响较大，其主要有土壤的坚硬程度、湿度、挖掘的深度、以及拖拉机的行走速度等一系列影响因素，正因为有着这样复杂影响因素的存在，造成了根茎类药材收获机在作业时体现出的一系列问题。

药土分离机构有待完善，其问题主要表现在药土分类的时候药土分离不干净或者对药材有所损伤。对此我们应该合理优化药土分离机构，改变药土分离方式或者调整相关参数及机具，以达到更好的药土分离效果，并减少药材的损失。

传统根茎类药材收获机械缺少智能化设备的融入。在根茎类药材收获机工作时，其药土分离机构的振动频率对药土分离率、损伤率等有着重要影响，振动频率过高对药材会有所损伤，振动频率过低药土分离率又会降低，因此为根茎类药材收获机的药土分离机构定制一个作业环境检测装置便显得至关重要。在检测装置检测分析完成后，可以去控制它的振动频率达到提高药土分离率的同时降低药材损伤率。

通过对根茎类收获机的相关情况进行收集整理得知，传统根茎类药材收获机对药材的收集整理比较粗糙，例如有些机器药土分离结束后只会将药材铺放至地面，而有些机器则稍微好点会设计一个药材收集箱，待药材收集满之后进行集中堆放，但同样都较为杂乱，我们可以设置一个机构在药土分离后将其进行整理或者捆扎然后再进行收集，这样后期工作会更为方便。

4 小结

近年来，根茎类药材的需求市场和种植面积均在不断增大，但根茎类药材的产量却受到了一系列复杂因素的限制，在根茎类中药材收获作业的过程中需要投入大量的劳动力和其他资源，从而导致根茎类药材产业的利润空间在很大程度上被压缩，其对应的产品价格也随之升高，长此以往就会造成一个恶性循环，如果可以解决药材收获问题，经过一段时间则会形成一个良性循环，并不断促进相关产业的发展。为此，我们主要研究了根茎类药材收获机的药土分离机构，并对其相关资料进行收集整理，得出了根茎类药材收获机药土分离机构的研究现状，同时提出了根茎类药材收获机药土分离机构的研究重点与发展方向，旨在一定程度上为根茎类药材收获机药土分离机构的发展和应用提供理论依据和技术参考。