根茎类中药收割机的设计与研究.pdf
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1、南方论坛162023 年 11 月下South Forum根茎类中药收割机的设计与研究*张永军,柳晨,李凌鹏,敖淑楠,郭海军(兰州石化职业技术大学,甘肃 兰州 730000)摘要:【目的】解决利用固定式收割机收割根茎类中药材时,时常出现的各种问题,如碎土效果较差、入土阻力高、挖掘深度不足、功率损耗较大等。【方法】课题组利用理论计算和数据仿真方法,从挖掘装置的工作原理入手,全面分析振动式挖掘装置的工作效果、运动结构、挖掘铲参数等。并对设计的挖掘装置进行了运动学仿真,验证其是否符合规范要求。【结果】改良装置水平方向运动速度趋势与余弦函数曲线基本相同,垂直方向则属于正弦函数曲线。【结论】挖掘装置应用
2、锯齿形平面三角铲,入土角控制在20左右,工作深度大于500 mm,铲面长度为772 mm,运动结构采用四连杆结构,比较便于进行平面运行操作。关键词:中药材;振动式挖掘装置;模拟仿真;四连杆机构中图分类号:S225 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-3872.2023.22.005中药材具有药理作用温和、成分健康等特征,在预防慢性疾病方面有明显效果,甚至在整个医药学领域中占有至关重要的地位。随着中药材的药品价值被专业人员所证实,国内对中药材产品的需求量呈现逐年递增的趋势。据相关部门统计,2019年甘肃省中药材种植面积465万亩、产量130万t,已经成为我国北方中药材
3、主要集散地之一。但值得注意的是,随着中药材种植范围的进一步拓展,对中药材收割机械设备性能提出了更高的要求。由于很多中药材根部较为发达,主要生长在土壤深层位置,为了提高药材根茎的完整性,要合理控制挖掘深度,保证挖掘深度高于药材根深。而且,在挖掘中会出现大量杂草根茎和根茎混凝土,所以挖掘铲不仅要具备较强的入土性能,还要拥有破碎分离功能,避免出现土壤拥堵现象。针对上述问题,工作人员要全面分析根茎类中药材生长环境和生理特征,设计出振动式挖掘装置,在确保药材根茎完整性的基础上,合理控制挖掘阻力,全面提升碎土效果,降低机械能耗1。1 挖掘装置工作原理挖掘装置结构主要包括摆杆、挖掘铲支撑架、减速器、牵引架、
4、挖掘铲等结构,如图1所示。挖掘装置通常设置在整个设备的最前端,利用拖挂架连接牵引车,在减速机的输出轴上分别设置摆杆连接机架和挖铲支座,并在带轮上安装偏心轮,以确保挖铲支座与偏心轮的相互连接。掘进装置正常运转时,通过牵引车动力输出轴输出动力,通过减速机后,引导皮带轮运转,并在皮带轮引导下转动皮带轮上的偏心轮,使挖掘铲进行平面运动,并随牵引车前进工作,自主切割挖土。导体转子磁体转子调节机构负载端气隙电机端图1挖掘装置结构示意图2 挖掘铲设计2.1 挖掘铲结构设计站在运动形式的角度分析,挖掘铲主要包括振动式挖掘铲和固定式挖掘铲;从形状方面分析,挖掘铲主要分为平面三角挖掘铲和栅条挖掘铲,通常来说栅条挖
5、掘铲以振动式为主,平面三角挖掘铲是固定式。振动式栅条挖掘铲破碎分离效果较强,能避免挖掘过程出现拥堵问题,但其挖掘深度较浅,入土性能较差,在工作中时常出现挖断问题。而固定式三角挖掘铲具有较强的入土性能,挖掘深度远大于药材根部长度,但其破碎能力较弱,铲面容易附着大量茎土混合基金项目:2023年高校教师创新基金项目“侧输出式小型根茎类中药收获机的设计与研究”(2023B-278)作者简介:张永军(1990),男,甘肃会宁人,本科,讲师,研究方向为机械设计。2023 年 11 月下南方论坛17South Forum物,从而产生严重的拥堵问题2。通过分析,发现挖掘铲主要包括尾部U形导杆、铲刃、铲体等,其
6、中,其铲刃整体为锯齿形,由很多小型三角铲组成,依次固定在铲体上。在铲体后部设置U形导杆,不同导杆间距基本相同,工作中通过四杆机构带动整体挖掘装置运行,运动形式为振动式,能有效控制挖掘阻力,有利于挖掘机挖掘到更深的土壤,拓展和土壤的接触面积,全面提高其碎土能力,挖掘出大量茎土混合物。在U形导杆和铲面振动作用下,将土壤运输到地面,将药材根茎传输到分离装置中,保证初次分离操作流程顺利进行。2.2 挖掘铲数据确定2.2.1铲刃张角在采收药材的过程中,为了避免收割机上缠绕大量杂草根茎,造成刀刃存在安全隐患3。抢收时,工作人员要采取滑行切割的方式进行抢收。挖掘铲铲刃受力分析如图2所示,其中,R0表示铲刃承
7、受的茎土混合物压力;E 表示挖掘铲上的点位;P0表示铲刃所承受的挖掘阻力值;F0表示铲刃和茎土混合物的相互摩擦力。ER0P0F0图2挖掘铲铲刃受力分析因此,在应用滑切方式进行挖掘时,要满足如下要求:P0cos2F0 (1)分析上图,得到如下公式:290-(2)查阅相关试验数据可知,合理控制铲刃张角对提高机械设备工作性能有重要作用,如果铲刃张角过大,根本无法切割杂草根茎,会堵塞挖掘铲;如果铲刃张角较小,想要达到预期的挖掘宽度,就要拓展铲刃宽度,增加挖掘铲的挖掘阻力。通过公式(2),可知挖掘铲铲刃张角应小于94。2.2.2入土角挖掘铲入土角和挖掘铲入土性能、挖掘深度有直接关联。为了满足预期的挖掘效
8、果,使挖掘过程对药材所产生的影响最小,挖掘铲在工作中要合理控制入土角度,完整挖掘药材根茎,保证掘出物在铲面上进行均匀运动,保证其能顺利传输到挖掘铲后侧,避免其掉落,全面分析茎土混凝土的受力情况。根据入土角理论知识,工作人员要通过平衡方程,计算出挖掘铲运动作用力。Fcos-Ff-Gsin=0(3)FN-Gcos-Fsin=0试验显示:入土角和挖掘深度成正比,入土角越小,挖掘深度下降,挖掘阻力降低,随着入土性能的增强,会降低其碎土性能,甚至出现堵塞现象;相反,入土角越大,挖掘深度增加,挖掘阻力增加,降低入土性能,会增加其碎土性能。目前,入土角通常控制在25。2.2.3工作深度工作人员在利用人工挖掘
9、技术后,要全面分析根茎类中药材根茎实际分布情况,计算得到药材根茎分布范围控制在200 mm500 mm之间,且药材根须相互结合。因此,在收割过程中,工作人员要保证挖掘深度超过药材根茎最大深度,避免切断主根,给根茎的整体性带来严重影响,降低药材的药用价值,故挖掘铲最大入土深度应大于500 mm4。2.2.4工作长度目前,挖掘铲长度是由前端环节和后端环节组成的,其中,前端环节为挖掘铲刃部的铲体环节,主要作用是挖药材根茎,后端环节主要是U形导杆,通常用来运输茎土混合物,保证沿铲面向后输送茎土混凝土。用能量守恒定律来计算后端长度:L1=H1sin a (4)L2=H2sin a1 (5)计算得出:L1
10、=380 mm,挖掘铲总长度L=L1+L2=772 mm3 行走执行机构设计药材收获机的行走执行机构主要分为履带式和轮式两种,其中,在大型药材收获机上广泛使用的是轮式行走机构,其特点是速度快;履带式行走机构一般适用于中小型药材收割机,其特点是转弯半径小、灵活性高。同时,行走模块主要作用是采集收割机的转动速度和直线速度,包括机械液态控制元件和履带南方论坛182023 年 11 月下South Forum底盘,通过控制推杆和方向盘两个环节,对液压阀开关进行调节,确保两驱动轮转速达到药材收割机的使用需求5。4 挖掘装置运动学仿真4.1 建立仿真模型通过ADAMS软件仿真振动式挖掘铲,构建健全的三维实
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