四川丘陵山区白芷机械化收获装置探析

蒋辉霞 万先起 李光辉 蒋金巧 罗 俊 王 林 徐 一 魏鼎才

（四川省农业机械研究设计院，四川成都 610066）

白芷作为四川道地药材中的典型代表之一，其应用范围非常广泛，不仅具有祛风散寒、活血排脓、生肌止痛、燥湿止带、降血压等药用价值[1]和减肥、美容、祛斑等美容美体价值[2-3]，还是药食同源的典型，可用于熬粥、煲汤、调味等，有很高的食用价值。白芷一般9月中旬至10月上旬播种，翌年7月中下旬采收。挖取过早会导致加工出的成品粉性不足；采收过迟，其根部会腐烂或重新发芽而消耗养分，影响产量和质量。应选择连续晴天进行采收，先将地上部分割除，然后细致地挖出全根，避免造成不必要的损失。目前，白芷的收获大部分依赖人工挖取，收获效率低。此外，收获季节雨水较多，白芷在挖取过程中被雨淋湿会导致黑心、霉烂[4]。因此，为有效促进当地白芷产业的发展，亟须突破相关技术瓶颈，研发一种白芷机械化收获装置。

本文针对白芷人工挖取效率低、挖取难度大的现状，在分析比较挖取作业工作原理的基础上，结合挖取白芷须满足破损率低、作业效率高、操作简单方便的需求，并综合考虑丘陵山区地形、地貌特点，对白芷机械化收获装置的主体结构进行了探索。白芷机械化收获装置需要满足作业效率高、损失率低、可靠性高、适用性强的要求和适用于四川丘陵山区不同土壤条件。经综合分析，采用拖拉机拖动白芷收获装置作业，由拖拉机后轴连接收获装置的传动机构并提供作业动力。收获装置主体结构由动力部分、挖取部分、筛分部分、行走部分和出料部分组成。

1 动力部分

四川丘陵山区白芷主产于遂宁、安岳、简阳、泸州等地，由于地处丘陵山区，地块小，并且很多还是坡地。拖拉机结构紧凑、转弯半径小，便于当地土块作业，故采用拖拉机作为拖动动力。

挖掘装置的挖掘动力采用拖拉机后轴连接白芷收获装置的变速箱，变速箱通过带轮输出动力到第一根旋转轴上，第一根旋转轴通过两级连杆机构将动力传输至挖掘铲，进行挖掘作业。

挖掘装置的筛分动力由第一根旋转轴通过第一级链条带动第二根旋转轴，第二根旋转轴经第二级链条传动，带动前传输带作业；同时，第二根旋转轴通过第二级链条带动第三根旋转轴，第三根旋转轴再经第三级链条传动和第四根旋转轴一起作业带动后传输带传动，进行筛分作业。

挖掘装置的行走部分动力设计为三点直联，保证挖掘装置平稳前行。

2 挖取部分

根茎类道地药材机械化收获的关键核心之一是其挖取技术及部件。四川丘陵山区不同的土壤类型、土壤含水率对挖取部分的技术要求各不相同，因而需要根据当地实际情况研制入土阻力小、动力消耗低、作业效率高的挖掘技术及部件。

2.1 挖掘铲整体设计

挖掘铲包括插刀、直角铁块、栅条等部件。栅条上设有向上弯曲的挂钩，插刀的前端部分较尖，有利于插入土层。刀片上沿轮廓设有直线凸起，防止土壤黏附在刀片上，并且刀片也有一定的入土角度，有利于减少入土阻力。挖掘铲底板上的直角铁块可防止土壤黏附在挖掘铲底板上，插刀后部的圆形栅条有利于小块土壤脱落，提高挖掘铲的抖土能力。此外，挖掘铲的宽度应当满足四川丘陵山区地形、地貌特点和白芷种植的需要。

2.2 材料和工艺

挖掘铲材料的选用应满足挖掘作业应力要求，并且具有良好的焊接性能和冷热加工性能，以方便制作加工。在加工过程中，采用适宜的加工工艺可提高挖掘铲防冲击、耐磨、耐腐蚀等机械性能，满足四川丘陵山区不同土壤条件作业和连续高强度作业的需求，从而提高挖掘铲的适用性。

2.3 挖掘减阻分析

四川丘陵山区土壤的耕作阻力因土质、土壤含水率不同而存在很大差异，尤其是轮式拖拉机附着力差，降低牵引阻力、充分发挥发动机效率至关重要。因此，开发研制深层挖掘减阻部件将成为实现白芷机械化收获的关键环节之一。

结合白芷挖掘过程中挖掘深度、明茎率、挖松率、伤损率等相关技术要求确定多种设计方案，利用相关专用软件分别建立不同形状的白芷挖掘铲三维模型。通过设置不同的入土角度，对其挖掘过程进行动态仿真。根据动态仿真结果得出不同的阻力大小，并找出适宜的入土角度，从而选择适宜的挖掘铲形状。通过专业软件对挖掘铲不同位置的应力进行分析，找出应力最集中的区域，从而在相应位置有针对性地采取加强措施，延长其使用寿命。

3 筛分部分

根茎类道地药材机械化收获的另一个关键核心是其筛分技术及部件。传统的筛分技术是将土壤和根茎类作物一起挖掘后通过振动实现分离，存在分离不彻底、堵塞等问题。本装置创新性地将土块进行了二次破碎，对白芷和土块进行了二次筛分，最终实现土块与白芷的有效分离，可满足当地白芷收获的需求。

3.1 整体设计

将白芷的根茎从土壤中铲出，连同土块一起放入振动筛。对包裹药材根茎的土块进行振动操作，筛掉一部分土块。振动后的土块和药材根茎被传送到前传输带上，再分离掉一部分土块。在前传输带传送的过程中，前压辊可以把大的土块碾压成小的土块，然后压辊对小土块进一步碾压。经过碾压处理后的土块和药材根茎被传送到后传输带上，压碎的土块经后传输带分离，使药材滑落到地面，以便作业人员收集。

3.2 传输带设计

3.2.1 前传输带。考虑丘陵山区土质条件和收获需求，将前传输带的传输链间隙设计得较宽，以便将挖掘好的药材和泥土在传输带上振动分离，实现初步筛选功能；同时，考虑设计间隙应小于白芷的最小尺寸，以避免振动过程中白芷被漏掉。

3.2.2 后传输带。后传输带的传输链间隙设计小于前传输链的间隙，以便将第一次振动分离的药材和泥土再次分离，实现细筛功能，以满足收集要求。

3.3 碎土部分设计

为了提高装置的作业效率和作业性能，该装置创新性地设计了二次碎土作业，并且第二次碎土的尺寸小于第一次碎土尺寸，提高了碎土效率。该机构主要由传输带上的前压辊和后压辊组成，前压辊和后压辊均采用圆形钢材制作，并且表面进行了打磨处理，以保证光滑，避免擦伤白芷表皮而降低白芷质量。前压辊与前传输带之间的距离设计得较大，便于粉碎较大的土块；后压辊与后传输带之间的距离设计得较小，便于粉碎较小的土块。此外，前压辊与前传输带、后压辊与后传输带之间的距离均应大于白芷的最大尺寸，使白芷根茎能顺利通过且不被压伤。

4 行走部分

行走部分的设计采用拖拉机作为牵引力拖动，白芷收获装置采用行走轮作支撑并滚动前行，便于行走和转弯作业；整体行走机构设计简单且易于更换；行走轮采用特殊工艺处理，提高了耐磨性和耐腐蚀性，从而延长了行走部分的使用寿命。

5 出料部分

经过二次筛分后，白芷根茎部分的泥土大部分被筛尽，白芷根茎部分经出料口直接滑落到地面，由作业人员统一整理收集。基于白芷收集方便、出料顺畅、减少堵塞的需求，出料口离地面的高度、出料口与水平线的角度设计应适中，保证滑落时不堵塞和伤害白芷根茎。出料部分的钢板表面应进行打磨，保证不伤害白芷根茎表皮、不影响白芷收获质量。

6 结语

为了提高本装置的机械性能，经技术方案分析、比较，确定了本装置各组成部分的结构设计和工艺处理。通过前部振动挖掘铲松土，有效减少了土壤阻力，二次筛分和碎土让白芷与土壤分离干净且不漏、不伤白芷。本装置集挖掘、碎土、分离等功能为一体，实用性强，为四川丘陵山区白芷或者根茎类药材收获提供了一定的参考，对根茎类药材的机械化发展起到了积极作用。