岳元滿，何存財，吳勁鋒，范開欣，楊小平，萬芳新

(甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

甘草系豆科多年生草本植物，根莖粗壯直徑可達1～2 cm。甘草根可以調(diào)和各類藥物，也可單獨作為藥物使用，具有清熱、解毒、止咳、腕腹等功用[1-5]。此外，甘草對于沙漠區(qū)域有防風固沙的功能，也是旱區(qū)的重要植物[6]。近年來，人工種植甘草的產(chǎn)量和銷量顯著提高，截至2019年，甘肅省中草藥種植面積約為460萬畝，標準化種植面積達180萬畝，其中甘草種植面積約占40%，均居全國第一位[7]

甘草生長周期一般為2-3年，在秋季9月下旬至10月初收獲，3-4年為最佳挖掘期，此時甘草粗長、皮細密、色棕紅、粉性足、斷面黃白色、味甘甜。但這時甘草根深入土壤，加大了甘草挖掘的難度與工作強度。國內(nèi)目前已研發(fā)出多款甘草挖掘機，并進行了相應的試驗與理論研究。但這些設備在實際作業(yè)過程仍存在甘草與土塊分離不徹底、損傷率高等問題?，F(xiàn)有甘草挖掘機挖掘效果不佳，影響了甘草收獲全程機械化的進程，制約了產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展[8]。因此，研究一種實用、高效的莖土分離裝置，對提高甘草收獲全程機械化水平和甘草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

1 莖土分離裝置結構設計

1.1 整機結構與工作原理

自主研制的甘草挖掘機主要由碎土機構、挖掘鏟、振動機構、傳送機構、收集系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)等組成，甘草挖掘機結構簡圖如圖1所示。

圖1 甘草挖掘機結構簡圖1.收集箱；2.液壓馬達Ⅲ；3.傳送帶；4.振動器；5.連桿Ⅰ；6.搖桿；7.連桿Ⅱ；8.挖掘鏟；9.液壓閥；10.閥塊；11.液壓泵；12.懸掛系統(tǒng)；13.變速箱；14.蓄能罐；15.機架

工作時，拖拉機動力通過變速箱輸出軸傳送給液壓泵，通過液壓泵將機械能轉化為流體動能，帶動液壓馬達工作。液壓馬達驅動軸上的偏心輪旋轉，偏心輪帶動搖桿運動，搖桿帶動連桿運動，振動器在連桿的運動激勵下產(chǎn)生振動，實現(xiàn)對土塊的破碎。挖掘鏟將土壤與甘草鏟起后通過振動器的振動作用向后輸送，振動器尾部的甘草落入傳送帶，傳送帶將甘草傳送至收集箱。甘草收集的速率取決于甘草挖掘機作業(yè)時的速度和莖土分離的效率。

1.2 莖土分離裝置與工作原理

安裝在甘草挖掘機中部的莖土分離裝置是甘草挖掘機的核心組成部分，如圖2所示。莖土分離裝置主要由側板、斗板、柵條、振動器等機構組成。作業(yè)時，搖桿運動帶動振動器高頻率小幅度振動，振動器的振動使莖土復合體中的土塊從柵條上掉落。為了提高分離效率，在莖土分離裝置的兩個側板上安裝一組碎土輥，碎土輥與柵條的間隙由液壓馬達控制。碎土輥可對柵條上運動的莖土復合體進行擠壓、揉搓等作用，使土塊與甘草分離。為了提高分離效率與效果，降低根莖的損傷率，采用一組碎土輥并排安裝。

圖2 莖土分離機構1.側板；2.斗板；3.碎土輥；4.柵條；5.偏心輪；6.搖桿

2 莖土分離裝置運動仿真分析

2.1 仿真參數(shù)設置

在ADAMS中進行運動學仿真，分析甘草挖掘機莖土分離裝置中振動機構的運動規(guī)律[9-10]。首先在莖土分離裝置振動機構上確定三個測量點，依次為后端點、前端點和質(zhì)心，測量點的位置如圖3所示。

圖3 振動機構測量點分布

為了方便觀察莖土分離裝置振動機構的運動特性，需要確定合適的模型仿真終止時間和數(shù)據(jù)點的多少[11]。設置仿真終止時間為0.5 s，求解步數(shù)為100，軸轉速為300 r/min，篩面長度為2 030 mm，篩面傾角25°。

2.2 仿真結果分析

在ADAMS軟件中進行運動仿真求解，通過ADAMS后處理模塊對運動仿真結果進行處理生成運動曲線圖，通過運動曲線圖結合運動仿真結果在Matrix Laboratory軟件中進行數(shù)據(jù)分析處理，得到參數(shù)見表1。

圖4為莖土分離裝置振動機構上三個測量點的合位移曲線。從圖中可以看出，曲線A和曲線B、C的波峰與波谷相差半個運動周期，曲線B和曲線C的波峰與波谷基本相同。由圖4分析計算得出最大振幅為40.30 mm，最小振幅為20.12 mm，振動機構質(zhì)心的振幅為20.34 mm。振動幅度最大部分為莖土分離裝置振動機構的最前端。由以上結論可知，莖土分離裝置作業(yè)時，為了保證甘草莖土復合體順利向甘草挖掘機后方移動，應適當減小合位移，此時也可以提高分離的效率。

表1 振動機構運動特性

測量點平均加速度/mm·s-2振動幅度/mm加速度/mm·s-2線速度/mm·s-1質(zhì)心26 89020.343 047～43 3563.50～1 398.6前端點25 74439.292 311～41 5693.39～1 347.2后端點30 76120.134 568～51 6983.73～1 580.4

圖4 振動機構合位移

圖5為甘草挖掘機莖土分離裝置振動機構上三個測量點在水平方向上的位移曲線。由圖5可以看出，從振動機構前端點到后端點的位移不斷增加，這可使振動機構后端的莖土復合體以較快的速度進入輸送機構，以減輕莖土復合體在振動機構后端與輸送機構交接處的堵塞，從而增加甘草的輸送速率，提高甘草挖掘機的工作效率。

圖6為甘草挖掘機莖土分離裝置振動機構三個測量點的合速度變化曲線。由圖6可以看出，前端點、后端點以及質(zhì)心的合速度變化基本相同，從前端點到后端點速度依次增加，這就使得甘草在振動機構上以較快的速度通過，提高了甘草收獲的效率。其中質(zhì)心的速度變化范圍為3.50～1 398.60 mm/s。

圖7為甘草挖掘機莖土分離裝置振動機構三個測量點的加速度變化曲線。由圖7可以看出，質(zhì)心的運動加速度范圍為2 830.8～39 875.4 mm/s2，在甘草根土復合體不拋離振動篩的情況下，振動篩質(zhì)心的加速度范圍為3 047.9～43 356 mm/s2，質(zhì)心的最小加速度低于最佳范圍的下限。

圖5 振動機構水平方向位移

圖6 振動機構合速度

圖7 振動機構加速度

圖8為甘草挖掘機莖土分離裝置振動機構質(zhì)心在x方向和y方向速度的分量變化曲線。由圖8可以看出，x方向速度分量與y方向速度分量的變化趨勢及峰谷基本一致。x方向的速度變化范圍為-950.10～887.01 mm/s)；y方向的速度變化范圍為-1 026.4～952.82 mm/s)?？梢钥闯?，質(zhì)心在y方向的速度極值更大，這說明在工作過程中甘草根土復合體具有向上的趨勢，更有助于莖土分離。

圖8 振動機構質(zhì)心x、y方向的速度分量

3 結論

(1)針對自主研制的甘草挖掘機，設計了一種振動式莖土分離裝置。為了減輕小振幅時分離效果不佳的問題，在右側板上安裝了充氣輥，以加強分離效果。

(2)利用ADAMS軟件對莖土分離裝置振動機構進行了運動學仿真，結果表明：莖土分離裝置振動機構質(zhì)心的振幅為20.34 mm，質(zhì)心的速度范圍為3.50～1 398.6 mm/s，質(zhì)心的加速度范圍為3 047～43 356 mm/s2。仿真結果表明該機構的設計及參數(shù)選擇可有效實現(xiàn)甘草莖土分離，為進一步優(yōu)化整機結構提供了理論依據(jù)。