黄政晖 ， 章勇杰 ， 宋源普 ， 倪忠进 ， 倪益华 ， 杨自栋 ， 温春雨

（浙江农林大学光机电工程学院，浙江 杭州 311300）

0 引言

浙贝母（拉丁学名：Fritillaria thunbergiiMiq.）是我国传统中药材之一[1-3]，贝母鳞茎具有几种药用性质，有镇咳、祛痰之效。在新冠肺炎疫情期间，含有浙贝母的金花清感颗粒在预防感染新冠中发挥了重要的作用[4-6]。

目前，由于浙贝母种植的环境条件比较苛刻，国内外关于浙贝母收获机械的研究颇少，收获方式主要为人工采收。但是马铃薯[7]、花生[8]等类似茎块类作物收获机研究较为成熟。马铃薯联合收获机的收获过程主要由挖掘、收获、分土、拾取、清洗、分选和装袋等环节组成[9]，因此课题组可以借鉴马铃薯机械化收获机具。

通过参考国内外茎块类作物收获机的优缺点[10-11]，课题组设计了一台浙贝母收获机，采用了升运链式分离装置，通过对升运链式分离装置运动特性的分析，确定了运动参数；同时通过样机试制进行田间试验，得到各个影响因素对收获指标的影响，并对各项参数进行优化，得到最优参数组合，并验证影响因素优化后试验结果与理论结果基本相同。

1 整体结构和工作原理

浙贝母收获机械通过三点悬挂与配套动力为14.5 kW的拖拉机相连。整机结构主要由牵引装置、挖掘铲、升运链式分离装置、传动系统、机架和地轮等组成，如图1所示。

图1 收获机结构示意图

作业时，收获机由小型四轮拖拉机提供动力，通过拖拉机的液压系统控制合适的入土深度，再经过升运链式贝土分离装置的抖动、输送，将大部分土壤和夹杂物筛落，筛选完的浙贝母通过升运链的抛掷被抛于垄面之上便于后期的捡拾和收集。

2 升运链式分离装置总体结构设计

采用杆条升运链式贝土分离装置，通过链条的抖动和振动器的振动，使土壤、茎秆和杂草等杂质通过杆条之间的间隙从贝土分离装置中漏下，进行贝土的分离，最后将浙贝母抛至于地面，安装时与挖掘铲水平距离相距30 mm，防止浙贝母混合物挖掘起来后直接落于地面。其主要参数包括长度、宽度、线速度和杆条间距等，其结构简图如图2所示。

图2 输送分离装置结构简图

2.1 升运链工作宽幅设定

结合实地测量可得，挖掘铲的宽度为B=800 mm，为了整个机器的协调安装及流畅运行，升运链与机架侧板之间留有15 mm左右的间隙，则确定贝土分离装置的工作宽幅为770 mm。升运分离装置的杆条直径一般为9 mm～11 mm，贝土混合物与杆条的接触为面接触，杆条直径越大，接触面积越大。为增大杆条与贝土混合物接触面积，增强分离效果，选用直径为11 mm，材料为45钢的杆条作为本研究中的升运链杆条。对浙贝母几何尺寸的测定，其三个方向上的平均尺寸分别为36.63 mm，32.74 mm，19.43 mm，为了分离装置能有效筛分贝土混合物使土壤落下，设计杆条间距为30 mm。

2.2 振动器装置

采用主动振动器，将两个半径为80 mm的振动轮安装在厚度为5 mm支座上，分别在轴的两端将支座通过螺栓连接安装在旋转轴。其结构如图3所示。

图3 主动振动器结构图

3 输送分离装置的运动特性

升运链式分离装置的运动分析可从分离装置的自身运动特性和在分离装置上的贝土混合物的运动两方面展开。升运链式分离装置的结构参数直接关系到贝土混合物的运动状态，进而影响分离和收获效果，振动器将振动叠加，使原本的单一运动变为复杂的复合运动，进而改变了在升运链上的贝土混合物的运动，最终完成贝土分离作业，如图4所示。

图4 升运链运动分析图

通过振动器周期转动带动升运链在垂直链面方向上下往复振动，近似为简谐运动，以垂直于链面的方向为位移的正方向，取升运链振动初始振动点为位移零点，得位移与时间方程：

式中，S为升运链在垂直于筛面方向的位移距离，mm；A为振动轮轴线中心距，mm；β为初相位角，°；ω为抖动器角速度，rad/s；t为时间，s。

通过位移方程对时间t进行求导，可以得到速度方程：

式中，v为升运链垂直于筛面的速度，m/s。

通过速度方程对时间t进行求导，可以得到加速度方程：

式中，a为升运链垂直于筛面的加速度，m/s2。

在升运链工作过程中振动器振动产生的频率和升运链振动的频率相同，因此升运链振动频率和角度的关系为：

式中，f为振动器的频率，Hz。

将公式（4）代入公式（2）和（3）得：

由上式（5）可知振动器工作时对升运链产生的振幅和频率，对升运链垂直链方向上速度、加速度的影响关系。

3.1 升运链线速度的确定

为了使贝土混合物能够在升运链上顺利输送和筛分，同时不产生壅土和堵塞现象，收获时升运链线速度应大于机具前进速度。因此，机具前进速度与升运链线速度之间的关系式为：

式中，λ为速度系数；v为升运链线速度，m/s；vs为浙贝母收获机具前进速度，m/s。

速度系数λ一般取值为0.8～2.5，根据本次设计所针对的土壤类型，取速度系数λ=1.30，通过前期收获试验测得收获速度为0.6 m/s～1.5 m/s，升运链线速度范围为0.8 m/s～2 m/s，取v=1.4 m/s。

3.2 升运链倾角的确定

贝土混合物在升运链上运动时的受力分析如图5所示，其受力包括混合物本身的重力G、升运链对混合物的支撑力FN、混合物与升运链杆条之间的摩擦力f。

图5 贝土混合物受力分析

贝土混合物沿着升运链筛面向后运动的受力方程为：

式中，FN为贝土混合物对升运链压力，N；m为贝土混合物质量，kg；g为重力加速度，m/s2；α为升运链倾角，°；FX为混合物受到的线速度方向合力，N；f为混合物与升运链杆条之间的摩擦力，N；a为混合物沿升运链运动的加速度，m/s2。

贝土混合物与升运链杆条的静摩擦因数为μ，本次μ取0.60，可得：

在收获过程中，贝土混合物经过振动器跃起碰撞后被输送至机具后方，此时浙贝母在速度方向的合力应该与升运链线速度方向是一样的，则：

将μ代入，得到升运链倾角α≤31.0°。

在升运链倾角的设计过程中，升运链的倾角应等于或者略大于挖掘铲倾角。二阶挖掘铲安装倾角为20.0°，因此升运链倾角α≥20.0°。综上所述，本文设计的升运链分离装置倾角为20.0°≤α≤31.0°。工作过程中可通过拖拉机悬挂液压杆对倾角进行改变。

3.3 振动器工作参数确定

通过振动器的振动作用[12]，使得贝土混合物向上跃起离开升运链表面，此时贝土混合物受到的摩擦力为f1，垂直于链面向上的惯性力W1，和对升运链的压力FN。贝土混合物被抛离升运链时的受力分析如图6所示。

图6 跃起过程受力分析

当贝土混合物被抛离升运链表面时，其对升运链的压力FN为零，此时可以建立方程：

式中，m1为贝土混合物质量，kg；α为升运链安装倾角，°；g为重力加速度，m/s2；a为竖直方向加速度，m/s2。

将公式（5）代入公式（10），当加速度取最大时，得：

对混合物的跃起过程进行运动学分析，如图7所示。

图7 贝土混合物跃起过程运动学分析

要完成贝土混合物在升运链上的输送，贝土混合物在升运链线速度方向的分速度大于机具的分速度。则可得：

式中，v为升运链线速度，m/s；v0为浙贝母收获机具前进速度，m/s。

贝土混合物跃起的最大高度为：

式中，v1为贝土混合物在垂直方向的分速度，m/s。

由于振动器的作用，当升运链垂直方向速度达到极限时，则：

通过查阅文献和抛落试验可知，浙贝母被抛起落于金属表面高度应小于250 mm，小型四轮拖拉机的收获速度0.6 m/s～1.5 m/s，升运链倾角为20.0°≤α≤31.0°，且ω=2πf。由上式代入计算得：

本文设计的振动器为主动型，由驱动轮侧链轮带动，其转速为n，根据频率计算公式，可得振动器工作频率为：

式中，Z为振动器凸顶数，根据选型Z=2；n为振动器输入轴转速，r/min。

振动器的频率范围为3 Hz～12 Hz，确定其频率为8 Hz。将f=8 Hz，Z=2代入上式（16）计算，可计算得振动器的转速n=240 r/min。

3.4 升运链长度的确定

通过土块破碎的运动分析，进而得出与试验示范地土壤特性相匹配的升运链长度。将土壤理想化为一个球体，其破裂过程的受力分析如图8所示。

图8 土壤破裂过程的分析

在破裂过程中，其所受破裂力矩应大于其内力的吸附力矩，此时才能保证土壤被破碎[13]，得：

其中：

式中，W3、W4为破碎球体所受惯性力，N；F3、F4为土壤粘结力，N；f3、f4为土壤所受周围物体作用力，N；h1、h2为两半球质心与土壤断裂面的垂直距离，mm；m3、m4为破裂球体质量，kg；h3、h4为P点与两半球体质心S3、S4之间的水平距离，mm；G3、G4为两半球体的重力，N；H为土壤质心与碰撞点之间的垂直距离，mm。

在分离过程中，由于贝土混合物之间产生碰撞较小，故忽略不计，得到土壤破碎所需的破碎力矩和升运链对土壤产生破碎力矩的关系式为：

设球体土壤理想模型半径为R，根据球体几何关系可得：

其中，土壤破碎难易程度与断裂面面积和黏聚力正相关，则土壤粘结力的计算公式为：

式中，c为土壤黏聚力[14]，kPa；S为土壤断裂面面积，cm2。

土壤的重力：

式中，γ为土壤容量，g/cm3；V为土壤容积，cm3。

将公式（5）（18）（20）（21）代入公式（19），加速度取峰值的数值，此时升运链运动时产生最大破碎力矩为：

忽略土壤所受周围物体的作用力，简化公式可得：

式中，Ei为升运链抖振动一次对土壤产生的冲击，E为土壤彻底破碎所需要的能量[15-16]。因此，土壤破碎需要振动的次数为：

一般土壤耕作层容量为1.0 g/cm3～1.4 g/cm3，收获时由于土壤中含有浙贝母，因此取γ=1.3 g/cm3。取c=16 kPa。本文设计的杆条间距为30 mm，贝土混合物的半径取大于浙贝母三轴尺寸的最大值，则R=20 mm。代入计算可得ni=15.38，取整数ni=16，即振动器简谐运动经过ni/2个周期。则土壤破碎过程需要经过的最短长度为：

式中，T为振动器简谐运动的周期，s。

上述计算可得浙贝母收获机升运链的线速度一般取0.8 m/s～2 m/s。根据计算，取得土壤破碎过程所经过的长度为1.4 m，即需要升运链长度为1.4 m。

3.5 传动系统设计

浙贝母收获机与机组配套使用的拖拉机的后输出轴的输出转速为540 r/min，故收获机械的动力传动系统如图9所示。

图9 动力传输系统

齿轮箱为动力传输系统中的核心部件，齿轮箱为一大一小锥齿轮正交传动，进行变速，一对锥齿轮均采用45钢。为实现齿轮箱的减速工作，通过升运链和振动的转速来对两齿轮进行设计：

式中，i为锥齿轮传动比，通常为1～3；n1为大锥齿轮转速（拖拉机后输出轴转速），n1=540 r/min；n2为小锥齿轮转速，r/min；v为升运链线速度，v=1.4 m/s；D为主动轮直径，设计D=0.2 m。

根据主动轮的半径和升运链线速度可得：n3=134 r/min。

根据公式，可得i1=4.03＞3，大于锥齿轮通常的取值范围，故不符合。因此需要通过齿轮箱进行减速，根据GB/T 12369—1990《直齿及斜齿锥齿轮基本齿廓》，设定直齿圆锥齿轮传动比为i1=2＜3，此时根据上述计算，振动器的转速为n4=240 r/min，则可得：

4 田间试验

4.1 试验指标和试验因素

本次田间收获试验根据DB33/T 532—2014《浙贝母生产技术规程》中的相关规定进行。根据浙贝母收获作业质量考核项目指标，探究各个影响因素对浙贝母收获质量结果的影响，分析试验结果，确定最佳组合参数，试验示范区作业情况如图10所示。

图10 浙贝母试验区作业情况

为了确保田间试验的准确性，随机取几段长度为10 m的试验段，以确保测量准确、记录方便，利于数据分析。

收获机作业后，记录挖掘出来的浙贝母数量a，再由人工在收获地进行漏挖检查，漏挖数量为b，代入公式测定挖净率：

在收获的浙贝母数量a中进行破损检查，破损浙贝母个数数量c（浙贝母鳞茎破损定义：表皮缺损超过0.5 cm2或者浙贝母体积缺损五分之一以上），代入公式测定破损率：

4.2 田间试验

2020年5月中旬在浙江省磐安县迎宾家庭农场进行了田间收获试验，如图11所示。试验的具体条件测定按GB/T 5262—2008《农业机械试验条件 测定方法的一般规定》进行测定，测定结果如下：种植田的垄长约为4 000 mm，垄距约1 000 mm，垄高约250 mm，土壤类型为砂质土壤，土壤含水率为21%～30%。浙贝母垄播株距约为100 mm，贝母埋深约为50 mm。浙贝母收获机配套作业功率为14.5 kW，通过三点悬挂相连接。

图11 田间收获

4.3 试验方案及结果

4.3.1 试验方案

采用二次正交旋转组合试验方案安排影响因素试验组合，以浙贝母挖净率v和破损率w为试验指标。浙贝母收获质量的主要影响因素为机具前进速度x1、升运链倾角x2、振动器振幅x3。正交试验因素及水平表如表1所示。试验方案共包含17组试验组合，田间试验结果如表2所示。

表1 正交试验因素及水平表

表2 试验方案与试验结果

4.3.2 试验结果分析

利用Design-Expert 8.0.6软件对表2试验结果进行二次回归拟合分析计算，建立浙贝母挖净率v和破损率w对机具前进速度x1、升运链倾角x2和振动器振幅x3这3个自变量的三元二次回归方程。

通过对比试验数据的分析和拟合，挖净率v回归模型方差分析如表3所示。

由表3可知，对于试验指标浙贝母挖净率v的影响因素，其中升运链倾角x2、振动器振幅x3、机具前进速度的二次项x12对挖净率v的影响是极显著的（P＜0.01）；机具前进速度和升运链倾角的交互项x1x2、机具前进速度和振动器振幅的交互项x1x3、升运链倾角和振动器振幅的交互项x2x3和振动器振幅的二次项x23对挖净率v的影响显著（0.01＜P＜0.05）；升运链倾角的二次项x22对挖净率v的影响较显著（0.05＜P＜0.1）；其余因素为影响不显著（P＞0.1）。剔除不显著的回归项，得到方程式如下：

浙贝母挖净率：

通过对比试验数据的分析和拟合，破损率w回归模型方差分析如表4所示。

由表4可知，对于试验指标浙贝母破损率w的影响因素，其中机具前进速度x1、升运链倾角x2、机具前进速度的二次项x12对破损率w的影响是极显著的（P＜0.01）；升运链倾角的二次项x22、振动器振幅的二次项x32对破损率w的影响显著（0.01＜P＜0.05）；振动器振幅x3对破损率w的影响较显著（0.05＜P＜0.1）；其余因素为影响不显著（P＞0.1）。对于损伤率w的回归模型，x1x2、x1x3和x2x3回归项为不显著。剔除不显著的回归项，优化后得到各因素对破损率w影响的回归方程如下：

通过表3以及表4可以看出，建立的响应模型中的浙贝母挖净率v和破损率w显著水平P均小于0.05，属于显著；剔除不显著影响因素后挖净率和破损率回归模型方差模型失拟项都大于0.05，则回归方程拟合程度较好，且决定系数R2的值分别为0.977 2和0.989 1，表示回归模型与实际情况拟合程度超过97%。综上所述，建立的响应模型可以用于优化浙贝母收获机械的参数。

表3 挖净率v回归模型分析

表4 破损率w回归模型分析

根据回归方程和试验结果方差分析表可知，各个因素对浙贝母挖净率的影响效果的主次顺序为振动器振幅x3＞升运链倾角x2＞升运链倾角和振动器振幅x2x3＞机具前进速度和升运链倾角x1x2＞机具前进速度和振动器振幅x1x3；各个因素对浙贝母破损率的影响效果的主次顺序为机具前进速度x1＞升运链倾角x2＞振动器振幅x3。

4.3.3 响应曲面分析

通过Design-Expert 8.0.6软件对数据的处理，得出机具前进速度x1、升运链倾角x2和振动器振幅x3影响因素之间的交互作用对挖净率v试验指标影响的响应曲面，结果如图12、图13、图14所示。

图12 x1x2交互作用对浙贝母挖净率影响效果分析

图13 x1x3交互作用对浙贝母挖净率影响效果分析

图14 x2x3交互作用对浙贝母挖净率影响效果分析

由图12、图13、图14的效果响应曲面图可得，其规律与回归模型方程分析结果一致。当升运链倾角和振动器振幅保持不变时，挖净率从中心向两端逐渐减小，得出最佳机具前进速度范围为0.70 m/s～0.90 m/s；当升运链倾角和机具前进速度保持不变，振动器振幅不断增大时，贝土混合物在升运链上抛出高度更高，碰撞效果更好，挖净率随之增大，得出挖净率与振动器振幅呈正相关；当机具前进速度和振动器振幅保持固定值时，升运链倾角越大，贝土混合物回流现象越明显，升运链倾角越小，贝土混合物分离效果越差，因此得到最佳升运链倾角的范围为22°～26°。

机具前进速度x1、升运链倾角x2和振动器振幅x3影响因素之间的交互作用对破损率w试验指标影响的响应曲面，结果如图15、图16、图17所示。

由图15、图16、图17的效果响应曲面图可得，其规律与回归模型方程分析结果一致。对破损率的影响趋势为机具前进速度越慢，升运链倾角越小，振动器振幅保持一定时，浙贝母的破损率最低。主要原因是机具前进速度越快和升运链倾角越大时，浙贝母离开升运链抛向地面的冲击越大，容易导致浙贝母破碎。

图15 x1x2交互作用对浙贝母破损率影响效果分析

图16 x1x3交互作用对浙贝母破损率影响效果分析

图17 x2x3交互作用对浙贝母破损率影响效果分析

4.3.4 参数优化验证

通过机具前进速度x1、升运链倾角x2和振动器振幅x3交互因素对浙贝母挖净率、破损率的响应曲面分析，得出各个影响因素对响应值的影响规律。然后通过Design-Expert软件的Optimization功能，对各项参数进行优化，作出最佳调整。即当机具前进速度为0.738 m/s、升运链倾角为21.36°，振动器振幅为57.81 mm时，浙贝母挖净率v为96.39%，破损率w为3.01%。此时综合指标最大，符合浙贝母收获质量要求。如表5所示。

表5 优化参数组合表

借鉴软件分析得出的最优解，根据实际生产加工过程，最终确定本文设计的浙贝母收获机在完成收获作业时，取机具前进速度为0.75 m/s，升运链倾角安装为22°，振动器振幅为60 mm。将以上因素水平进行验证，其中测量结果为测量结果的平均值，与质量要求进行结果对比。

验证试验结果表明，修正因素水平后的浙贝母收获机其挖净率为96.05%，破损率为3.52%；挖净率的实际值与软件分析值的相对误差为0.3%，破损率的实际值与软件分析值的相对误差为16%，但破损率仍≤5%，证明了样机的正确性和准确性。

5 结论

1）设计了一种升运链式分离装置，并通过对分离装置的运动特性以及升运链上贝土混合物的运动状态进行分析，确定了升运链式分离装置的工作参数范围和结构参数范围。

2）分析影响贝土分离效果的主要因素，通过二次正交旋转试验对升运链式分离装置性能进行研究，根据田间试验结果，建立各因素与挖净率和破损率之间的数学模型；分析试验数据后通过软件参数优化得到最佳参数组合范围，并验证影响因素优化后试验结果与理论结果基本相同。试验结果表明：机具前进速度为0.75 m/s，升运链倾角安装为22°，振动器振幅为60 mm时，浙贝母收获机挖净率为96.05%，破损率为3.52%，证明了样机的正确性和准确性。