宋江，徐龍

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江省紅星農(nóng)場）

平貝母（Fritillaria ussuriensis Maxim）為百合科（Liliaceae）貝母屬FririllariaL.植物的鱗莖，味苦、甘，性微寒，具有清熱潤肺，化痰止咳功能[1]。平貝母是我國較為名貴的傳統(tǒng)大宗藥材，更是我國出口創(chuàng)匯的重要商品，在國內(nèi)外中藥材市場上頗受青睞。傳統(tǒng)平貝母藥材以野生為主，近幾十年來國內(nèi)出現(xiàn)人工栽培方式[2-3]。主產(chǎn)于黑龍江、吉林及遼寧等省的東部山區(qū)，與我國川貝母、浙貝母“三分天下”。統(tǒng)計資料表明[4-5]，2006年，全國平貝母種植面積為1.6 萬hm2，產(chǎn)量為2 萬t，2010年達到1.8 萬hm2，產(chǎn)量為2.4 萬t，分別比2006年增長12.5%和20%。然而，平貝母生產(chǎn)機械裝備，尤其是收獲機械，卻極為匱乏，根本無法滿足其規(guī)?；a(chǎn)之需求。

平貝母挖掘是平貝母收獲的重要環(huán)節(jié)，目前其機械化收獲水平非常低，大部分地區(qū)還主要依靠人工收獲，少數(shù)地區(qū)所使用的平貝母挖掘機僅僅實現(xiàn)了挖掘功能的半機械化作業(yè)，不能進行有效的推廣[6]，平貝母專用挖掘機在國內(nèi)還處于空白。國外發(fā)達國家由于沒有或種植面積小，尚無平貝母收獲機械方面的報道。

結(jié)合東北丘陵地帶的地形地貌和平貝母的種植模式，在考慮破損率和收凈率等因素的前提下，研制了手扶拖拉機懸掛的平貝母挖掘機，并在田間進行了樣機收獲性能試驗，確定樣機性能參數(shù)。

1 種植模式和結(jié)構(gòu)方案

1.1 種植模式

平貝母種植選用針闊混交林下發(fā)育的地帶性森林土壤，屬暗棕壤或砂壤，土壤有機質(zhì)含量高，質(zhì)地疏松，透氣性、透水性好，pH 值為6.4～6.8[7]。平貝母采用種子繁殖的種栽，秋季翻耕深度在25～30 cm；春季進行旋耕，旋耕深度在25～30 cm。平貝母作畦的規(guī)格為畦面寬約1.2 m，作業(yè)道寬度約40 cm，畦長因地塊而定，一般以15 m 左右為準(zhǔn)，畦高約20 cm。先丈量出畦床的位置，用米尺量好畦寬、作業(yè)道寬和畦長，在畦面的四角處釘上木樁，然后用尼龍繩按四角木樁系好。在作畦床時，當(dāng)畦床做好后，整平畦面，均勻施上一層3～4 cm 厚的已腐熟好的農(nóng)家肥料，然后撒上一層約3 cm 的細土，整平后輕壓，然后直播種子從鄰近畦床取用復(fù)土，覆蓋厚度4～6 cm 左右，最后在上面蓋上一層蓋頭糞2～3 cm，如圖1 所示。

圖1 平貝母種植模式Fig.1 Fritillaria Ussuriensis planting pattern

1.2 整機結(jié)構(gòu)及工作過程

針對平貝母種植模式，考慮到東北山區(qū)地形地貌及工作效率等因素，設(shè)計成手扶式平貝母挖掘機，平貝母挖掘機的鏈接框和手扶拖拉機尾端相連，動力由手扶拖拉機離合器皮帶輪傳遞到挖掘機主動皮帶輪，總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 平貝母挖掘機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structural drawings of Fritillaria Ussuriensis digger

整機主要由手扶拖拉機、傳動系統(tǒng)、分土機構(gòu)、起貝土機構(gòu)、貝土輸送機構(gòu)、貝土集收裝置和機體等部分組成[8]。該設(shè)備一次完成1 行平貝母的起收工作，具體功能及工作過程為：機具行進過程中，由分土機構(gòu)刮去表層土壤，并將表層土分到兩邊的壟溝，起貝土機構(gòu)松土并起收貝土，貝土輸送機構(gòu)將貝土輸送到集收裝置，并將收起的貝土成堆置于畦上，完成起收過程。

表1 技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of Fritillaria Ussuriensis digger

2 關(guān)鍵工作部件結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 分土機構(gòu)

分土機構(gòu)的主要作用是將平貝母上層的蓋頭糞和覆土層分到作業(yè)道上。根據(jù)上述平貝母種植模式和生產(chǎn)實際，該層厚度在5～8 cm，對于一般15 m 畦長，起土量在1 m3左右，可見起土量較大，這些土不將其分出來勢必增大機械化收獲等級篩分環(huán)節(jié)的壓力，影響篩分效率，因此有必要設(shè)計分土機構(gòu)。

該機構(gòu)主要由螺旋軸、反向螺旋葉片和螺旋殼體組成。

圖3 分土機構(gòu)Fig.3 Riffle splitter

2.1.1 挖掘鏟參數(shù)的確定

根據(jù)圖1，平貝母形狀尺寸和平貝母挖掘機結(jié)構(gòu)特點，分土機構(gòu)挖掘鏟設(shè)計為條形平面單鏟，鏟面呈條狀，可有效降低刮掉多余的貝土，影響收凈率。由于平貝母畦寬為1.2 m 和蓋頭糞、覆土層向兩側(cè)作業(yè)道分的特點，因此挖掘鏟的寬度為1.2 m。

挖掘鏟的工作參數(shù)主要包括挖掘深度和入土角α。挖掘深度取決于蓋頭糞和覆土層厚度，為避免鏟到和鏟傷平貝母鱗莖，挖掘深度需要小于蓋頭糞和覆土層厚度。分土深度在5～8 cm 范圍內(nèi)，挖掘鏟深度由尾輪高度來調(diào)整，分土調(diào)節(jié)深度可實現(xiàn)挖掘深度在0～8 cm 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。由于分土深度較淺，只要保證分出的土連續(xù)向兩側(cè)運動即可，根據(jù)平貝母貝土物理力學(xué)特性，入土角小于貝土休止角，理論分析及實踐表明[9-10]，入土角通常設(shè)置為 20 °～25 °。

2.1.2 螺旋機構(gòu)參數(shù)的確定

螺旋是平貝母分貝土部分的基本構(gòu)件，它是由軸和螺旋葉片組成的，螺旋葉片多由鋼板沖壓而成，然后將它們相互焊接起來，其厚度為4 mm。

按照貝母收獲機的行走速度為0～2 m ·s-1，按每天8 h 工作，每天工作量約為1 334 m2，則螺旋最大輸送量Q=13.44 m3。

由螺旋直徑計算公式[13]

式中：AZ——物料綜合特性系數(shù)；

Ψ——充填系數(shù)；

C——傾斜工作時輸送量校正系數(shù)；

ρ0——物料堆密度，t ·m-3；

Q——輸送能力，t ·h-1。

經(jīng)查表，式中 AZ=0.2，Ψ=0.2，物料堆密 ρ0=1.34，C=1。

取整得到：D=150mm

由螺旋輸量計算送公式[13]

式中：A——物料特性系數(shù)；

D——螺旋直徑。

得到螺旋的極限速度n≤101 轉(zhuǎn)·min-1，取整得，n=100 轉(zhuǎn)·min-1。

2.2 起貝土挖掘鏟

起貝土挖掘鏟和分土機構(gòu)均采用條形挖掘鏟，挖掘鏟的工作參數(shù)主要包括挖掘深度h 和入土角α。挖掘深度取決于畦床農(nóng)家肥料厚度和肥上細土厚度，為避免鏟到和鏟傷平貝母鱗莖，挖掘深度需要大于肥料厚度和肥上細土厚度。起貝土深度在4～6 cm范圍內(nèi)，挖掘鏟深度由尾輪高度來調(diào)整，分土調(diào)節(jié)深度可實現(xiàn)挖掘深度在0～6 cm 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。由于起貝土深度較淺，只要保證分出的土連續(xù)向輸送裝置上運動即可，根據(jù)平貝母貝土物理力學(xué)特性，入土角小于貝土休止角，理論分析及實踐表明[14-15]，入土角通常設(shè)置為 20 °～25 °。

圖4 挖掘鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.4 Structural parameters of digger spade

2.3 貝土輸送機構(gòu)

貝土輸送機構(gòu)主要由傳動滾筒和傳送帶組成。其工作參數(shù)主要包括傳送帶傾角、帶寬和傳送速度[16]。

試驗表明：貝土輸送機構(gòu)帶寬為1.2 m，輸送帶傾角為15°，輸送速度略大于行走速度。

2.4 限深機構(gòu)

該機械限深主要采用限深輪來實現(xiàn)，并采用隴上限深的方式[17]進行，限深輪直徑為100 mm，與機械的鏈接框連接。

3 挖掘機性能試驗及分析

3.1 試驗條件及方法

試驗地點：伊春市紅星區(qū)平貝母生產(chǎn)基地。

試驗基地環(huán)境條件：基地海拔279 m，地形為平地，灌排水條件良好。收獲期氣溫25 °C，土壤平均含水量39%，土壤類型為屬暗棕壤或砂壤。

試驗方法：每次試驗收獲距離為15 m，重復(fù)3次。分別記錄試驗所用時間，測出平貝母收獲重量、損傷重量和漏收重量等數(shù)據(jù)。

3.2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)經(jīng)計算獲得挖掘機的性能參數(shù)如表2 所示。

表2 平貝母挖掘機的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of Fritillaria Ussuriensis harvester

田間試驗表明，平貝母挖掘樣機收獲流暢，能夠滿足平貝母收獲的各項作業(yè)功能。經(jīng)觀察分析，損傷率主要來自于挖掘鏟對平貝母的鏟斷。同時該樣機在試驗過程中還發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）由于平貝母畦床在種植時蓋頭糞、覆土層、墊土層和底肥層厚度不均，致使分土鏟和起貝土鏟不能在分土和起貝土?xí)r存在分土厚度不均和漏起平貝母的問題，這也是造成平貝母損傷的重要原因之一。在后續(xù)的研究中，需要設(shè)計分土鏟和挖掘鏟自動調(diào)節(jié)裝置，保證挖掘質(zhì)量，進一步降低平貝母破損。

（2）由于土壤水分較大，分土機構(gòu)中的螺旋葉片出現(xiàn)黏土現(xiàn)象，嚴重影響該機器的分土能力。解決的措施是在分土機構(gòu)中增加刮土機構(gòu)，降低黏土量。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合平貝母種植模式，設(shè)計手扶式平貝母挖掘機，通過樣機試驗，該機械能夠完成平貝母的分土、起收、輸送等環(huán)節(jié)，收凈率為98%，損傷率為2%，總損失率為6%（損傷率和漏收率），生產(chǎn)率為0.14 hm2·h-1。

（2）分土機構(gòu)采用螺旋分土方式，可有效降低分土機構(gòu)占用整臺設(shè)備的空間；同時設(shè)置了分土機構(gòu)和起貝土機構(gòu)的挖掘鏟入土角和分土機構(gòu)螺旋旋轉(zhuǎn)速度、螺距等工作參數(shù)。

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