黃政暉 ， 章勇杰 ， 宋源普 ， 倪忠進 ， 倪益華 ， 楊自棟 ， 溫春雨

（浙江農林大學光機電工程學院，浙江 杭州 311300）

0 引言

浙貝母（拉丁學名：Fritillaria thunbergiiMiq.）是我國傳統(tǒng)中藥材之一[1-3]，貝母鱗莖具有幾種藥用性質，有鎮(zhèn)咳、祛痰之效。在新冠肺炎疫情期間，含有浙貝母的金花清感顆粒在預防感染新冠中發(fā)揮了重要的作用[4-6]。

目前，由于浙貝母種植的環(huán)境條件比較苛刻，國內外關于浙貝母收獲機械的研究頗少，收獲方式主要為人工采收。但是馬鈴薯[7]、花生[8]等類似莖塊類作物收獲機研究較為成熟。馬鈴薯聯(lián)合收獲機的收獲過程主要由挖掘、收獲、分土、拾取、清洗、分選和裝袋等環(huán)節(jié)組成[9]，因此課題組可以借鑒馬鈴薯機械化收獲機具。

通過參考國內外莖塊類作物收獲機的優(yōu)缺點[10-11]，課題組設計了一臺浙貝母收獲機，采用了升運鏈式分離裝置，通過對升運鏈式分離裝置運動特性的分析，確定了運動參數；同時通過樣機試制進行田間試驗，得到各個影響因素對收獲指標的影響，并對各項參數進行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數組合，并驗證影響因素優(yōu)化后試驗結果與理論結果基本相同。

1 整體結構和工作原理

浙貝母收獲機械通過三點懸掛與配套動力為14.5 kW的拖拉機相連。整機結構主要由牽引裝置、挖掘鏟、升運鏈式分離裝置、傳動系統(tǒng)、機架和地輪等組成，如圖1所示。

圖1 收獲機結構示意圖

作業(yè)時，收獲機由小型四輪拖拉機提供動力，通過拖拉機的液壓系統(tǒng)控制合適的入土深度，再經過升運鏈式貝土分離裝置的抖動、輸送，將大部分土壤和夾雜物篩落，篩選完的浙貝母通過升運鏈的拋擲被拋于壟面之上便于后期的撿拾和收集。

2 升運鏈式分離裝置總體結構設計

采用桿條升運鏈式貝土分離裝置，通過鏈條的抖動和振動器的振動，使土壤、莖稈和雜草等雜質通過桿條之間的間隙從貝土分離裝置中漏下，進行貝土的分離，最后將浙貝母拋至于地面，安裝時與挖掘鏟水平距離相距30 mm，防止浙貝母混合物挖掘起來后直接落于地面。其主要參數包括長度、寬度、線速度和桿條間距等，其結構簡圖如圖2所示。

圖2 輸送分離裝置結構簡圖

2.1 升運鏈工作寬幅設定

結合實地測量可得，挖掘鏟的寬度為B=800 mm，為了整個機器的協(xié)調安裝及流暢運行，升運鏈與機架側板之間留有15 mm左右的間隙，則確定貝土分離裝置的工作寬幅為770 mm。升運分離裝置的桿條直徑一般為9 mm～11 mm，貝土混合物與桿條的接觸為面接觸，桿條直徑越大，接觸面積越大。為增大桿條與貝土混合物接觸面積，增強分離效果，選用直徑為11 mm，材料為45鋼的桿條作為本研究中的升運鏈桿條。對浙貝母幾何尺寸的測定，其三個方向上的平均尺寸分別為36.63 mm，32.74 mm，19.43 mm，為了分離裝置能有效篩分貝土混合物使土壤落下，設計桿條間距為30 mm。

2.2 振動器裝置

采用主動振動器，將兩個半徑為80 mm的振動輪安裝在厚度為5 mm支座上，分別在軸的兩端將支座通過螺栓連接安裝在旋轉軸。其結構如圖3所示。

圖3 主動振動器結構圖

3 輸送分離裝置的運動特性

升運鏈式分離裝置的運動分析可從分離裝置的自身運動特性和在分離裝置上的貝土混合物的運動兩方面展開。升運鏈式分離裝置的結構參數直接關系到貝土混合物的運動狀態(tài)，進而影響分離和收獲效果，振動器將振動疊加，使原本的單一運動變?yōu)閺碗s的復合運動，進而改變了在升運鏈上的貝土混合物的運動，最終完成貝土分離作業(yè)，如圖4所示。

圖4 升運鏈運動分析圖

通過振動器周期轉動帶動升運鏈在垂直鏈面方向上下往復振動，近似為簡諧運動，以垂直于鏈面的方向為位移的正方向，取升運鏈振動初始振動點為位移零點，得位移與時間方程：

式中，S為升運鏈在垂直于篩面方向的位移距離，mm；A為振動輪軸線中心距，mm；β為初相位角，°；ω為抖動器角速度，rad/s；t為時間，s。

通過位移方程對時間t進行求導，可以得到速度方程：

式中，v為升運鏈垂直于篩面的速度，m/s。

通過速度方程對時間t進行求導，可以得到加速度方程：

式中，a為升運鏈垂直于篩面的加速度，m/s2。

在升運鏈工作過程中振動器振動產生的頻率和升運鏈振動的頻率相同，因此升運鏈振動頻率和角度的關系為：

式中，f為振動器的頻率，Hz。

將公式（4）代入公式（2）和（3）得：

由上式（5）可知振動器工作時對升運鏈產生的振幅和頻率，對升運鏈垂直鏈方向上速度、加速度的影響關系。

3.1 升運鏈線速度的確定

為了使貝土混合物能夠在升運鏈上順利輸送和篩分，同時不產生壅土和堵塞現象，收獲時升運鏈線速度應大于機具前進速度。因此，機具前進速度與升運鏈線速度之間的關系式為：

式中，λ為速度系數；v為升運鏈線速度，m/s；vs為浙貝母收獲機具前進速度，m/s。

速度系數λ一般取值為0.8～2.5，根據本次設計所針對的土壤類型，取速度系數λ=1.30，通過前期收獲試驗測得收獲速度為0.6 m/s～1.5 m/s，升運鏈線速度范圍為0.8 m/s～2 m/s，取v=1.4 m/s。

3.2 升運鏈傾角的確定

貝土混合物在升運鏈上運動時的受力分析如圖5所示，其受力包括混合物本身的重力G、升運鏈對混合物的支撐力FN、混合物與升運鏈桿條之間的摩擦力f。

圖5 貝土混合物受力分析

貝土混合物沿著升運鏈篩面向后運動的受力方程為：

式中，FN為貝土混合物對升運鏈壓力，N；m為貝土混合物質量，kg；g為重力加速度，m/s2；α為升運鏈傾角，°；FX為混合物受到的線速度方向合力，N；f為混合物與升運鏈桿條之間的摩擦力，N；a為混合物沿升運鏈運動的加速度，m/s2。

貝土混合物與升運鏈桿條的靜摩擦因數為μ，本次μ取0.60，可得：

在收獲過程中，貝土混合物經過振動器躍起碰撞后被輸送至機具后方，此時浙貝母在速度方向的合力應該與升運鏈線速度方向是一樣的，則：

將μ代入，得到升運鏈傾角α≤31.0°。

在升運鏈傾角的設計過程中，升運鏈的傾角應等于或者略大于挖掘鏟傾角。二階挖掘鏟安裝傾角為20.0°，因此升運鏈傾角α≥20.0°。綜上所述，本文設計的升運鏈分離裝置傾角為20.0°≤α≤31.0°。工作過程中可通過拖拉機懸掛液壓桿對傾角進行改變。

3.3 振動器工作參數確定

通過振動器的振動作用[12]，使得貝土混合物向上躍起離開升運鏈表面，此時貝土混合物受到的摩擦力為f1，垂直于鏈面向上的慣性力W1，和對升運鏈的壓力FN。貝土混合物被拋離升運鏈時的受力分析如圖6所示。

圖6 躍起過程受力分析

當貝土混合物被拋離升運鏈表面時，其對升運鏈的壓力FN為零，此時可以建立方程：

式中，m1為貝土混合物質量，kg；α為升運鏈安裝傾角，°；g為重力加速度，m/s2；a為豎直方向加速度，m/s2。

將公式（5）代入公式（10），當加速度取最大時，得：

對混合物的躍起過程進行運動學分析，如圖7所示。

圖7 貝土混合物躍起過程運動學分析

要完成貝土混合物在升運鏈上的輸送，貝土混合物在升運鏈線速度方向的分速度大于機具的分速度。則可得：

式中，v為升運鏈線速度，m/s；v0為浙貝母收獲機具前進速度，m/s。

貝土混合物躍起的最大高度為：

式中，v1為貝土混合物在垂直方向的分速度，m/s。

由于振動器的作用，當升運鏈垂直方向速度達到極限時，則：

通過查閱文獻和拋落試驗可知，浙貝母被拋起落于金屬表面高度應小于250 mm，小型四輪拖拉機的收獲速度0.6 m/s～1.5 m/s，升運鏈傾角為20.0°≤α≤31.0°，且ω=2πf。由上式代入計算得：

本文設計的振動器為主動型，由驅動輪側鏈輪帶動，其轉速為n，根據頻率計算公式，可得振動器工作頻率為：

式中，Z為振動器凸頂數，根據選型Z=2；n為振動器輸入軸轉速，r/min。

振動器的頻率范圍為3 Hz～12 Hz，確定其頻率為8 Hz。將f=8 Hz，Z=2代入上式（16）計算，可計算得振動器的轉速n=240 r/min。

3.4 升運鏈長度的確定

通過土塊破碎的運動分析，進而得出與試驗示范地土壤特性相匹配的升運鏈長度。將土壤理想化為一個球體，其破裂過程的受力分析如圖8所示。

圖8 土壤破裂過程的分析

在破裂過程中，其所受破裂力矩應大于其內力的吸附力矩，此時才能保證土壤被破碎[13]，得：

其中：

式中，W3、W4為破碎球體所受慣性力，N；F3、F4為土壤粘結力，N；f3、f4為土壤所受周圍物體作用力，N；h1、h2為兩半球質心與土壤斷裂面的垂直距離，mm；m3、m4為破裂球體質量，kg；h3、h4為P點與兩半球體質心S3、S4之間的水平距離，mm；G3、G4為兩半球體的重力，N；H為土壤質心與碰撞點之間的垂直距離，mm。

在分離過程中，由于貝土混合物之間產生碰撞較小，故忽略不計，得到土壤破碎所需的破碎力矩和升運鏈對土壤產生破碎力矩的關系式為：

設球體土壤理想模型半徑為R，根據球體幾何關系可得：

其中，土壤破碎難易程度與斷裂面面積和黏聚力正相關，則土壤粘結力的計算公式為：

式中，c為土壤黏聚力[14]，kPa；S為土壤斷裂面面積，cm2。

土壤的重力：

式中，γ為土壤容量，g/cm3；V為土壤容積，cm3。

將公式（5）（18）（20）（21）代入公式（19），加速度取峰值的數值，此時升運鏈運動時產生最大破碎力矩為：

忽略土壤所受周圍物體的作用力，簡化公式可得：

式中，Ei為升運鏈抖振動一次對土壤產生的沖擊，E為土壤徹底破碎所需要的能量[15-16]。因此，土壤破碎需要振動的次數為：

一般土壤耕作層容量為1.0 g/cm3～1.4 g/cm3，收獲時由于土壤中含有浙貝母，因此取γ=1.3 g/cm3。取c=16 kPa。本文設計的桿條間距為30 mm，貝土混合物的半徑取大于浙貝母三軸尺寸的最大值，則R=20 mm。代入計算可得ni=15.38，取整數ni=16，即振動器簡諧運動經過ni/2個周期。則土壤破碎過程需要經過的最短長度為：

式中，T為振動器簡諧運動的周期，s。

上述計算可得浙貝母收獲機升運鏈的線速度一般取0.8 m/s～2 m/s。根據計算，取得土壤破碎過程所經過的長度為1.4 m，即需要升運鏈長度為1.4 m。

3.5 傳動系統(tǒng)設計

浙貝母收獲機與機組配套使用的拖拉機的后輸出軸的輸出轉速為540 r/min，故收獲機械的動力傳動系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 動力傳輸系統(tǒng)

齒輪箱為動力傳輸系統(tǒng)中的核心部件，齒輪箱為一大一小錐齒輪正交傳動，進行變速，一對錐齒輪均采用45鋼。為實現齒輪箱的減速工作，通過升運鏈和振動的轉速來對兩齒輪進行設計：

式中，i為錐齒輪傳動比，通常為1～3；n1為大錐齒輪轉速（拖拉機后輸出軸轉速），n1=540 r/min；n2為小錐齒輪轉速，r/min；v為升運鏈線速度，v=1.4 m/s；D為主動輪直徑，設計D=0.2 m。

根據主動輪的半徑和升運鏈線速度可得：n3=134 r/min。

根據公式，可得i1=4.03＞3，大于錐齒輪通常的取值范圍，故不符合。因此需要通過齒輪箱進行減速，根據GB/T 12369—1990《直齒及斜齒錐齒輪基本齒廓》，設定直齒圓錐齒輪傳動比為i1=2＜3，此時根據上述計算，振動器的轉速為n4=240 r/min，則可得：

4 田間試驗

4.1 試驗指標和試驗因素

本次田間收獲試驗根據DB33/T 532—2014《浙貝母生產技術規(guī)程》中的相關規(guī)定進行。根據浙貝母收獲作業(yè)質量考核項目指標，探究各個影響因素對浙貝母收獲質量結果的影響，分析試驗結果，確定最佳組合參數，試驗示范區(qū)作業(yè)情況如圖10所示。

圖10 浙貝母試驗區(qū)作業(yè)情況

為了確保田間試驗的準確性，隨機取幾段長度為10 m的試驗段，以確保測量準確、記錄方便，利于數據分析。

收獲機作業(yè)后，記錄挖掘出來的浙貝母數量a，再由人工在收獲地進行漏挖檢查，漏挖數量為b，代入公式測定挖凈率：

在收獲的浙貝母數量a中進行破損檢查，破損浙貝母個數數量c（浙貝母鱗莖破損定義：表皮缺損超過0.5 cm2或者浙貝母體積缺損五分之一以上），代入公式測定破損率：

4.2 田間試驗

2020年5月中旬在浙江省磐安縣迎賓家庭農場進行了田間收獲試驗，如圖11所示。試驗的具體條件測定按GB/T 5262—2008《農業(yè)機械試驗條件 測定方法的一般規(guī)定》進行測定，測定結果如下：種植田的壟長約為4 000 mm，壟距約1 000 mm，壟高約250 mm，土壤類型為砂質土壤，土壤含水率為21%～30%。浙貝母壟播株距約為100 mm，貝母埋深約為50 mm。浙貝母收獲機配套作業(yè)功率為14.5 kW，通過三點懸掛相連接。

圖11 田間收獲

4.3 試驗方案及結果

4.3.1 試驗方案

采用二次正交旋轉組合試驗方案安排影響因素試驗組合，以浙貝母挖凈率v和破損率w為試驗指標。浙貝母收獲質量的主要影響因素為機具前進速度x1、升運鏈傾角x2、振動器振幅x3。正交試驗因素及水平表如表1所示。試驗方案共包含17組試驗組合，田間試驗結果如表2所示。

表1 正交試驗因素及水平表

表2 試驗方案與試驗結果

4.3.2 試驗結果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對表2試驗結果進行二次回歸擬合分析計算，建立浙貝母挖凈率v和破損率w對機具前進速度x1、升運鏈傾角x2和振動器振幅x3這3個自變量的三元二次回歸方程。

通過對比試驗數據的分析和擬合，挖凈率v回歸模型方差分析如表3所示。

由表3可知，對于試驗指標浙貝母挖凈率v的影響因素，其中升運鏈傾角x2、振動器振幅x3、機具前進速度的二次項x12對挖凈率v的影響是極顯著的（P＜0.01）；機具前進速度和升運鏈傾角的交互項x1x2、機具前進速度和振動器振幅的交互項x1x3、升運鏈傾角和振動器振幅的交互項x2x3和振動器振幅的二次項x23對挖凈率v的影響顯著（0.01＜P＜0.05）；升運鏈傾角的二次項x22對挖凈率v的影響較顯著（0.05＜P＜0.1）；其余因素為影響不顯著（P＞0.1）。剔除不顯著的回歸項，得到方程式如下：

浙貝母挖凈率：

通過對比試驗數據的分析和擬合，破損率w回歸模型方差分析如表4所示。

由表4可知，對于試驗指標浙貝母破損率w的影響因素，其中機具前進速度x1、升運鏈傾角x2、機具前進速度的二次項x12對破損率w的影響是極顯著的（P＜0.01）；升運鏈傾角的二次項x22、振動器振幅的二次項x32對破損率w的影響顯著（0.01＜P＜0.05）；振動器振幅x3對破損率w的影響較顯著（0.05＜P＜0.1）；其余因素為影響不顯著（P＞0.1）。對于損傷率w的回歸模型，x1x2、x1x3和x2x3回歸項為不顯著。剔除不顯著的回歸項，優(yōu)化后得到各因素對破損率w影響的回歸方程如下：

通過表3以及表4可以看出，建立的響應模型中的浙貝母挖凈率v和破損率w顯著水平P均小于0.05，屬于顯著；剔除不顯著影響因素后挖凈率和破損率回歸模型方差模型失擬項都大于0.05，則回歸方程擬合程度較好，且決定系數R2的值分別為0.977 2和0.989 1，表示回歸模型與實際情況擬合程度超過97%。綜上所述，建立的響應模型可以用于優(yōu)化浙貝母收獲機械的參數。

表3 挖凈率v回歸模型分析

表4 破損率w回歸模型分析

根據回歸方程和試驗結果方差分析表可知，各個因素對浙貝母挖凈率的影響效果的主次順序為振動器振幅x3＞升運鏈傾角x2＞升運鏈傾角和振動器振幅x2x3＞機具前進速度和升運鏈傾角x1x2＞機具前進速度和振動器振幅x1x3；各個因素對浙貝母破損率的影響效果的主次順序為機具前進速度x1＞升運鏈傾角x2＞振動器振幅x3。

4.3.3 響應曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對數據的處理，得出機具前進速度x1、升運鏈傾角x2和振動器振幅x3影響因素之間的交互作用對挖凈率v試驗指標影響的響應曲面，結果如圖12、圖13、圖14所示。

圖12 x1x2交互作用對浙貝母挖凈率影響效果分析

圖13 x1x3交互作用對浙貝母挖凈率影響效果分析

圖14 x2x3交互作用對浙貝母挖凈率影響效果分析

由圖12、圖13、圖14的效果響應曲面圖可得，其規(guī)律與回歸模型方程分析結果一致。當升運鏈傾角和振動器振幅保持不變時，挖凈率從中心向兩端逐漸減小，得出最佳機具前進速度范圍為0.70 m/s～0.90 m/s；當升運鏈傾角和機具前進速度保持不變，振動器振幅不斷增大時，貝土混合物在升運鏈上拋出高度更高，碰撞效果更好，挖凈率隨之增大，得出挖凈率與振動器振幅呈正相關；當機具前進速度和振動器振幅保持固定值時，升運鏈傾角越大，貝土混合物回流現象越明顯，升運鏈傾角越小，貝土混合物分離效果越差，因此得到最佳升運鏈傾角的范圍為22°～26°。

機具前進速度x1、升運鏈傾角x2和振動器振幅x3影響因素之間的交互作用對破損率w試驗指標影響的響應曲面，結果如圖15、圖16、圖17所示。

由圖15、圖16、圖17的效果響應曲面圖可得，其規(guī)律與回歸模型方程分析結果一致。對破損率的影響趨勢為機具前進速度越慢，升運鏈傾角越小，振動器振幅保持一定時，浙貝母的破損率最低。主要原因是機具前進速度越快和升運鏈傾角越大時，浙貝母離開升運鏈拋向地面的沖擊越大，容易導致浙貝母破碎。

圖15 x1x2交互作用對浙貝母破損率影響效果分析

圖16 x1x3交互作用對浙貝母破損率影響效果分析

圖17 x2x3交互作用對浙貝母破損率影響效果分析

4.3.4 參數優(yōu)化驗證

通過機具前進速度x1、升運鏈傾角x2和振動器振幅x3交互因素對浙貝母挖凈率、破損率的響應曲面分析，得出各個影響因素對響應值的影響規(guī)律。然后通過Design-Expert軟件的Optimization功能，對各項參數進行優(yōu)化，作出最佳調整。即當機具前進速度為0.738 m/s、升運鏈傾角為21.36°，振動器振幅為57.81 mm時，浙貝母挖凈率v為96.39%，破損率w為3.01%。此時綜合指標最大，符合浙貝母收獲質量要求。如表5所示。

表5 優(yōu)化參數組合表

借鑒軟件分析得出的最優(yōu)解，根據實際生產加工過程，最終確定本文設計的浙貝母收獲機在完成收獲作業(yè)時，取機具前進速度為0.75 m/s，升運鏈傾角安裝為22°，振動器振幅為60 mm。將以上因素水平進行驗證，其中測量結果為測量結果的平均值，與質量要求進行結果對比。

驗證試驗結果表明，修正因素水平后的浙貝母收獲機其挖凈率為96.05%，破損率為3.52%；挖凈率的實際值與軟件分析值的相對誤差為0.3%，破損率的實際值與軟件分析值的相對誤差為16%，但破損率仍≤5%，證明了樣機的正確性和準確性。

5 結論

1）設計了一種升運鏈式分離裝置，并通過對分離裝置的運動特性以及升運鏈上貝土混合物的運動狀態(tài)進行分析，確定了升運鏈式分離裝置的工作參數范圍和結構參數范圍。

2）分析影響貝土分離效果的主要因素，通過二次正交旋轉試驗對升運鏈式分離裝置性能進行研究，根據田間試驗結果，建立各因素與挖凈率和破損率之間的數學模型；分析試驗數據后通過軟件參數優(yōu)化得到最佳參數組合范圍，并驗證影響因素優(yōu)化后試驗結果與理論結果基本相同。試驗結果表明：機具前進速度為0.75 m/s，升運鏈傾角安裝為22°，振動器振幅為60 mm時，浙貝母收獲機挖凈率為96.05%，破損率為3.52%，證明了樣機的正確性和準確性。