陶桂香 張紫恒 衣淑娟 夏春龍 馬永財(cái)

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319)

0 引言

板藍(lán)根是我國(guó)傳統(tǒng)常用中藥材，其藥用價(jià)值較高[1]。近年來，隨著市場(chǎng)需求量的增加，板藍(lán)根的種植面積也在逐年擴(kuò)大[2]。但其收獲方式卻相對(duì)落后，主要靠人工挖掘收獲為主，勞動(dòng)量大，工作效率低[3]。因其本身具有主根粗壯發(fā)達(dá)，側(cè)根盤根錯(cuò)節(jié)，整體不規(guī)則，脆性大，根長(zhǎng)等特點(diǎn)，現(xiàn)有根莖類作物收獲機(jī)械[4-8]均無(wú)法滿足板藍(lán)根的收獲要求。其中根土分離裝置作為板藍(lán)根收獲機(jī)核心部件，其工作性能直接影響板藍(lán)根收獲機(jī)整機(jī)的工作性能[9]，是板藍(lán)根機(jī)械化收獲關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于根土分離裝置的研究主要集中在馬鈴薯、花生、玉米根茬等[10-14]，多采用抖動(dòng)、碾壓、揉搓、振動(dòng)沖擊等方式實(shí)現(xiàn)根土分離。目前，國(guó)外尚未見有關(guān)板藍(lán)根收獲機(jī)根土分離裝置的研究報(bào)道，國(guó)內(nèi)關(guān)于板藍(lán)根收獲機(jī)根土分離裝置的研究亦較少，但也取得了一些研究成果，如王薇[15]研制的板藍(lán)根收獲機(jī)根土分離裝置采用輸送鏈機(jī)構(gòu)與浮動(dòng)式碾壓輥組合形式，可實(shí)現(xiàn)根土分離與輸送作業(yè)，又可避免將土壤壓實(shí)出現(xiàn)堵塞情況，但該分離裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在工作過程中故障率較高，分離后板藍(lán)根根莖傷損率高；杜華波等[16]發(fā)明了一種林下種植板藍(lán)根的收獲裝置，采用帶有通孔的篩板對(duì)根土混合物進(jìn)行抖動(dòng)式分離，但該分離裝置篩面通孔易被堵塞，篩分效果較差；黃英群[17]發(fā)明了一種板藍(lán)根收獲機(jī)，該機(jī)采用振動(dòng)網(wǎng)篩來完成根土分離作業(yè)，但該分離裝置在篩分過程中板藍(lán)根易纏掛于網(wǎng)篩，導(dǎo)致土壤透篩性弱，篩分后根土分離率低。

針對(duì)上述問題，本文針對(duì)黑龍江地區(qū)砂壤土，板藍(lán)根的種植模式為單壟四行條件下，設(shè)計(jì)一種組合擺動(dòng)式根土分離裝置，通過對(duì)篩分過程中組合式篩面根土復(fù)合體的動(dòng)力學(xué)分析，明確影響根土分離效果的主要因素及參數(shù)范圍，通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，確定組合擺動(dòng)式板藍(lán)根根土分離裝置最優(yōu)參數(shù)組合，并在優(yōu)化參數(shù)組合條件下與現(xiàn)有全篩條式篩面和全篩板式篩面進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)，為板藍(lán)根收獲機(jī)根土分離裝置的優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

板藍(lán)根收獲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該收獲機(jī)主要由機(jī)架、傳動(dòng)裝置、根土分離裝置、挖掘裝置等組成。機(jī)架采用三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)連接；傳動(dòng)裝置采用皮帶傳動(dòng)；根土分離裝置為擺動(dòng)式，主要包括組合式篩面、連桿擺桿機(jī)構(gòu)、偏心機(jī)構(gòu)、分離篩尾柵、分離篩驅(qū)動(dòng)軸等，結(jié)構(gòu)如圖2所示；挖掘裝置主要由直立式側(cè)切刀與V型平面挖掘鏟構(gòu)成。該機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

圖1 板藍(lán)根收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of Radix isatidi harvester1.機(jī)架 2.傳動(dòng)裝置 3.根土分離裝置 4.挖掘裝置

圖2 組合擺動(dòng)式根土分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of combined swing root-soil separation device1.組合式篩面 2.連桿擺桿機(jī)構(gòu) 3.偏心機(jī)構(gòu) 4.分離篩驅(qū)動(dòng)軸 5.分離篩尾柵

表1 板藍(lán)根收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of Radix isatidi harvester

1.2 工作原理

拖拉機(jī)通過動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)收獲機(jī)組前進(jìn)，工作時(shí)，挖掘鏟掘出的整株板藍(lán)根、雜草及土壤等混合物，沿鏟面向后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入根土分離裝置，在篩面往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，首先與篩面前端的橫縱篩條發(fā)生碰撞，利用其良好的碎土能力，將土壤疏松，部分被疏松的土壤通過篩條間隙落下，篩面上剩余的根土混合物等被輸送至分離篩中后部，篩板設(shè)計(jì)有傾斜擋板，可以防止板藍(lán)根莖葉與篩面發(fā)生纏掛等，能夠保證土壤順利透篩以及板藍(lán)根向后輸送順暢，最終大部分土壤通過篩面上的篩孔落至地面，實(shí)現(xiàn)根土分離。

2 根土分離裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 組合式篩面

目前根土分離裝置常用篩面形式分為篩條式篩面和篩板式篩面，其中篩條式篩面在篩面中后部位置土壤量減少時(shí)，板藍(lán)根易纏掛于篩面，不僅堵塞篩孔，降低土壤透篩性，而且整株板藍(lán)根易從篩孔漏下，同時(shí)在篩分過程中對(duì)板藍(lán)根的撞擊損傷大，但是篩條式篩面碎土能力強(qiáng)；篩板式篩面與根土混合物為面接觸，與篩條式篩面相比，碎土能力較弱，但能夠防止板藍(lán)根纏掛篩面，且對(duì)板藍(lán)根的撞擊損傷小。綜合考慮二者優(yōu)缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了組合式篩面，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 組合式篩面整體結(jié)構(gòu)圖及局部視圖Fig.3 Overall structure drawing and partial view of combined sieve surface1.縱向篩條 2.橫向篩條 3.篩面框架 4.螺栓孔 5.篩板

該裝置主要由縱向篩條、橫向篩條、篩板、篩面框架等組成。其中組合式篩面前部由橫、縱篩條構(gòu)成，縱篩條位于橫篩條的上部，篩孔呈矩形，該部分主要利用其碎土能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，將挖掘鏟輸送來的根土混合物疏松，便于后續(xù)篩分作業(yè)；篩面中后部由橫向平行等距排列的篩板組成，其中篩板由篩面板和傾斜擋板兩部分組成，篩板單體結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中篩板上傾斜擋板的設(shè)計(jì)，一方面能夠防止篩分過程中板藍(lán)根纏掛篩面，減少堵塞篩孔及漏根現(xiàn)象；另一方面能夠減少被篩分土壤的后拋現(xiàn)象；篩板上篩面板的設(shè)計(jì)能夠降低對(duì)板藍(lán)根的撞擊損傷。

圖4 篩板單體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Single schematic of sieve plate1.篩面板 2.傾斜擋板

依據(jù)板藍(lán)根產(chǎn)量及現(xiàn)有類似結(jié)構(gòu)機(jī)型的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、整機(jī)尺寸要求等[18-19]，取篩面長(zhǎng)度為1 200 mm，其中篩條段長(zhǎng)400 mm，篩板段長(zhǎng)800 mm。為使掘出的板藍(lán)根從挖掘鏟到分離篩順利過渡，要求分離篩寬度比挖掘鏟鏟寬略大一些，鏟寬依據(jù)板藍(lán)根種植模式(圖5)設(shè)計(jì)為600 mm，因此本文設(shè)計(jì)分離篩的寬度為650 mm。篩條采用截面直徑為10 mm鋼條，篩板采用厚度為3 mm鋼板，傾斜擋板長(zhǎng)為50 mm，篩面板長(zhǎng)為30 mm，彎折角為140°。

圖5 板藍(lán)根種植模式簡(jiǎn)圖Fig.5 Planting pattern of Radix isatidi

篩孔尺寸的確定要考慮板藍(lán)根輪廓的平均尺寸，由于板藍(lán)根外形的不規(guī)則性，為了得到其輪廓尺寸，將板藍(lán)根的葉部和根部輪廓近似看作圓柱體，如圖6所示。根據(jù)實(shí)際測(cè)量值統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，單株板藍(lán)根葉部輪廓高度h1、葉部輪廓直徑d1、根部輪廓高度h2、根部輪廓直徑d2分布范圍分別為：220～260 mm、200～250 mm、250～350 mm、35～125 mm。根據(jù)根土分離要求同時(shí)保證板藍(lán)根不會(huì)從篩條間隙落下，要求橫向篩條間隙小于板藍(lán)根輪廓高度的最小值，縱向篩條間隙小于板藍(lán)根輪廓直徑的最小值。本文設(shè)計(jì)橫向篩條間隙為200 mm，縱向篩條間隙及篩板間隙為30 mm。

圖6 板藍(lán)根輪廓圖Fig.6 Outline of Radix isatidi

2.2 偏心機(jī)構(gòu)

偏心機(jī)構(gòu)是板藍(lán)根收獲機(jī)擺動(dòng)式根土分離裝置的關(guān)鍵部件，用來調(diào)節(jié)曲柄半徑(偏心距)，其性能直接影響根土分離效果。主要由2個(gè)半徑相同并帶有螺栓孔的圓盤組成，如圖7所示。內(nèi)圓盤與分離篩驅(qū)動(dòng)軸偏心焊接，外圓盤與連桿銷軸偏心焊接，內(nèi)外圓盤利用螺栓同心固定，通過不同螺栓孔的匹配形成不同的安裝方式，實(shí)現(xiàn)曲柄半徑的改變。曲柄半徑越大，篩面的振幅越大，分離篩碎土效果越好，土壤透篩性增強(qiáng)，但是對(duì)板藍(lán)根的撞擊損傷增加。因此根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)確定曲柄半徑r為15～25 mm。

圖7 偏心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic of eccentric mechanism1.連桿銷軸 2.外圓盤 3.螺栓孔 4.內(nèi)圓盤 5.分離篩驅(qū)動(dòng)軸

2.3 連桿擺桿機(jī)構(gòu)

連桿擺桿機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)分離篩篩面傾角變化的主要機(jī)構(gòu)，直接影響根土分離的效果，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。該機(jī)構(gòu)一端與偏心機(jī)構(gòu)外圓盤銷軸連接，另一端與前擺桿上的銷軸連接，組成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；前、后擺桿兩端分別與機(jī)架上、篩架上銷軸連接，組成雙搖桿機(jī)構(gòu)。分離篩兩側(cè)連桿擺桿機(jī)構(gòu)對(duì)稱分布，其中后擺桿主要由一對(duì)旋向相反的螺桿和螺套組成，通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺套可以調(diào)節(jié)后擺桿長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)分離篩篩面傾角的變化。依據(jù)文獻(xiàn)[3]，常用板藍(lán)根收獲機(jī)篩面傾角α調(diào)節(jié)范圍為10°～20°，本文設(shè)計(jì)后擺桿長(zhǎng)度為450～570 mm?？紤]收獲機(jī)各部件的裝配關(guān)系和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性，設(shè)計(jì)前擺桿長(zhǎng)度為350 mm，連桿長(zhǎng)度為400 mm。

圖8 連桿擺桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Diagram of connecting rod and swing bar mechanism1.前擺桿 2.連桿 3.后擺桿

3 根土復(fù)合體動(dòng)力學(xué)分析與參數(shù)確定

3.1 篩面物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選擇與擺動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

組合式篩面及根土復(fù)合體的運(yùn)動(dòng)情況直接影響篩面的篩分性能與輸送能力，因此需要對(duì)篩面及根土復(fù)合體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定影響根土復(fù)合體相對(duì)篩面運(yùn)動(dòng)的主要參數(shù)，為組合擺動(dòng)式根土分離裝置參數(shù)的選取提供理論依據(jù)。

根土復(fù)合體相對(duì)篩面主要有靜止、正向滑動(dòng)(與機(jī)具前進(jìn)方向相反)、反向滑動(dòng)(與機(jī)具前進(jìn)方向相同)以及拋擲等4種基本運(yùn)動(dòng)形式。借鑒經(jīng)典篩分理論[20-22]，可將根土復(fù)合體相對(duì)篩面的運(yùn)動(dòng)分為2類：往復(fù)滑動(dòng)和拋擲運(yùn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的組合擺動(dòng)式板藍(lán)根根土分離裝置的作業(yè)要求為：通過拋擲高度和拋擲次數(shù)來實(shí)現(xiàn)土壤破碎，同時(shí)在確保篩分效果的前提下，能夠及時(shí)地將分離后的板藍(lán)根、土壤、雜草等輸送至分離篩尾部。因此，根土復(fù)合體相對(duì)篩面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確定為拋擲運(yùn)動(dòng)。

為便于分析，建立慣性坐標(biāo)系XOY，其中X軸為篩面的擺動(dòng)方向，Y軸垂直于篩面的擺動(dòng)方向；非慣性坐標(biāo)系x′oy′固聯(lián)于篩面上，x′軸為篩面切線方向，y′軸為篩面法線方向，如圖9所示。

圖9 根土復(fù)合體相對(duì)篩面拋擲運(yùn)動(dòng)時(shí)受力分析Fig.9 Force analysis of root-soil complex during throwing motion relative to sieve surface

根土復(fù)合體在篩面上的運(yùn)動(dòng)是由擺動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，篩面任意一點(diǎn)在篩面擺動(dòng)方向的位移方程可表示為

X=rsin(ωt)+vct/cos(α+β)

(1)

求導(dǎo)可得篩面任意一點(diǎn)在擺動(dòng)方向速度、加速度方程表達(dá)式為

vX=rωcos(ωt)+vc/cos(α+β)

(2)

aX=-rω2sin(ωt)

(3)

式中X——篩面任意一點(diǎn)在擺動(dòng)方向的位移，m

ω——曲柄角速度，rad/s

t——工作運(yùn)行時(shí)間，s

vc——機(jī)車前進(jìn)速度，m/s

α——篩面傾角，(°)

β——篩面擺動(dòng)方向角，(°)

vX——篩面任意一點(diǎn)在擺動(dòng)方向速度，m/s

aX——篩面任意一點(diǎn)在擺動(dòng)方向加速度，m/s2

由式(2)、(3)可知，當(dāng)根土復(fù)合體相對(duì)篩面做拋擲運(yùn)動(dòng)時(shí)，篩面任意一點(diǎn)在擺動(dòng)方向速度vX、加速度aX的擺動(dòng)幅度與曲柄半徑r、曲柄角速度ω有關(guān)，為后續(xù)篩面及根土復(fù)合體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。

3.2 根土復(fù)合體動(dòng)力學(xué)分析

在實(shí)際作業(yè)過程中，由于擺動(dòng)篩面物料主要是由板藍(lán)根、土壤、雜草等組成的根土復(fù)合體混合物，所以篩上物在運(yùn)動(dòng)時(shí)必然伴隨各物質(zhì)間的相互擠壓、碰撞以及自身的翻滾[23-24]。這些相互作用具有隨機(jī)性、不確定性，給篩上根土復(fù)合體的動(dòng)力學(xué)分析帶來了困難，為便于分析，做如下假設(shè)：①忽略土壤中板藍(lán)根的彈性和相互牽連及空氣對(duì)篩上物料的運(yùn)動(dòng)阻力。②忽略根土復(fù)合體間的相互碰撞及自身的翻滾，將其個(gè)體視為自由質(zhì)點(diǎn)。

假設(shè)組合式篩面上有一質(zhì)量為m的整株板藍(lán)根與土的復(fù)合體，發(fā)生拋擲運(yùn)動(dòng)被拋起時(shí)，復(fù)合體受到重力G和慣性力FI，如圖9所示。

由圖9可知，根土復(fù)合體相對(duì)篩面上產(chǎn)生拋擲運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性力、重力沿篩面法向分力的合力表達(dá)式FIy′-Gy′>0，其中Gy′>0，則FIy′>0，此時(shí)慣性力FI的方向沿X軸負(fù)向，則FI<0，aX>0。由式(3)可知，當(dāng)aX>0時(shí)，則-1≤sin(ωt)<0，此時(shí)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)至第Ⅱ、Ⅲ象限，則根土復(fù)合體相對(duì)篩面發(fā)生拋擲運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式為

-FIsinβ-Gcosα>0

(4)

式中m——整株板藍(lán)根質(zhì)量，kg

n——曲柄轉(zhuǎn)速，r/min

整理、化簡(jiǎn)式(4)得

(5)

3.3 根土復(fù)合體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根土復(fù)合體脫離篩面瞬間，其運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與篩面運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)相等，即根土復(fù)合體的起點(diǎn)A處初速度vA=vX、初加速度aA=aX。并且根土復(fù)合體在脫離篩面瞬間，其慣性力、重力沿篩面法向方向分力的合力表達(dá)式FIy′+Gy′=0，即

FIsinβ-Gcosα=0

(6)

aAsinβ=-gcosα

(7)

結(jié)合式(3)得

(8)

由于sin2(ωt)+cos2(ωt)=1，將式(2)、(8)代入，整理化簡(jiǎn)得根土復(fù)合體的起點(diǎn)A處初速度vA為

(9)

以根土復(fù)合體拋出點(diǎn)A為原點(diǎn)，x軸沿水平方向，y軸沿豎直方向建立直角坐標(biāo)系，如圖10所示。根土復(fù)合體脫離篩面后做初速度為vA的斜上拋運(yùn)動(dòng)，其拋物線軌跡方程為

圖10 根土復(fù)合體拋擲運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.10 Trajectory diagram of throwing motion of root-soil complex

(10)

根土復(fù)合體彈跳一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示，由圖10可知，落點(diǎn)B處水平x軸方向位移xB為

(11)

根土復(fù)合體在拋擲運(yùn)動(dòng)過程中，水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，故其自拋起至落回篩面所需的時(shí)間t為

(12)

(13)

聯(lián)合式(9)、(13)得

(14)

(15)

則擺動(dòng)式分離篩加速度比Kv的最大值為

(16)

綜合以上分析可知，本文設(shè)計(jì)的板藍(lán)根收獲機(jī)擺動(dòng)式分離篩加速度比為1

為了獲得擺動(dòng)方向角對(duì)根土分離效果的影響程度，在篩面傾角α為14°、曲柄半徑r為23 mm、曲柄轉(zhuǎn)速n為440 r/min，篩面擺動(dòng)方向角β分別取20°、21°、22°、23°、24°、25°的條件下，以篩面擺動(dòng)方向角β為試驗(yàn)因素對(duì)樣機(jī)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，結(jié)果表明篩面擺動(dòng)方向角β對(duì)根土分離效果影響較小。

通過預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，篩面傾角α主要影響篩面根土混合物的輸送速度，篩面傾角α越大，輸送速度越小，根土分離效果越好，但根土分離效率會(huì)降低，另外會(huì)出現(xiàn)堆積現(xiàn)象；曲柄半徑r主要影響根土混合物與篩面的撞擊力，曲柄半徑r越大，撞擊力越大，根土分離效果越好，但對(duì)板藍(lán)根撞擊損傷率增加；曲柄轉(zhuǎn)速n主要影響篩面根土混合物與篩面的撞擊頻率，曲柄轉(zhuǎn)速n越大，撞擊頻率越大，根土分離效果越好，但板藍(lán)根的撞擊損傷率增加。

基于以上分析，確定影響板藍(lán)根收獲機(jī)擺動(dòng)式根土分離裝置篩分性能的主要因素為：篩面傾角α、曲柄半徑r以及曲柄轉(zhuǎn)速n。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

2020年10月，在黑龍江省齊齊哈爾市泰來縣板藍(lán)根種植基地進(jìn)行田間根土分離試驗(yàn)。以本文所開發(fā)的板藍(lán)根收獲機(jī)為試驗(yàn)機(jī)型(圖1)，配套動(dòng)力為雷沃歐豹M404-E型輪式拖拉機(jī)，其功率為29.4 kW，作業(yè)速度為0.8 m/s，挖掘深度為350 mm。試驗(yàn)地土壤類型為沙壤土，板藍(lán)根種植方式為壟作，試驗(yàn)區(qū)的壟長(zhǎng)大于500 m，壟距為600 mm，壟高為150 mm，耕作層土壤含水率為9.19%～15.03%。品種為大青葉型板藍(lán)根，株距30～50 mm，生長(zhǎng)深度為250～350 mm。

試驗(yàn)測(cè)區(qū)長(zhǎng)度100 m，兩端穩(wěn)定區(qū)長(zhǎng)度均為15 m。試驗(yàn)時(shí)，在每個(gè)試驗(yàn)測(cè)區(qū)隨機(jī)選3個(gè)小區(qū)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，取平均值。每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)3 m，寬度為機(jī)器的作業(yè)幅寬，試驗(yàn)過程中通過改變后擺桿長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)篩面傾角α，改變拖拉機(jī)輸出軸擋位和收獲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中帶輪傳動(dòng)比來調(diào)節(jié)曲柄轉(zhuǎn)速n，改變偏心機(jī)構(gòu)內(nèi)外偏心圓盤螺栓孔安裝方式來調(diào)節(jié)曲柄半徑r。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照GB/T 5667—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》中規(guī)定的試驗(yàn)方法，以根土分離率W1和根莖傷損率W2作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)根土分離率

根土分離率是衡量樣機(jī)脫土性能的關(guān)鍵參數(shù)，定義為樣機(jī)脫去的土壤占投入樣機(jī)前根茬所包裹土壤質(zhì)量的百分比，計(jì)算公式為

(17)

式中M1——投入樣機(jī)的根土復(fù)合體總質(zhì)量，kg

M2——經(jīng)樣機(jī)脫土后含殘余土壤的根莖總質(zhì)量，kg

M3——不含殘余土壤的根莖凈總質(zhì)量，kg

(2)根莖傷損率

傷損根莖是指根莖在脫土過程中被碾碎或擊碎成小塊的部分，傷損率計(jì)算公式為

(18)

式中M——測(cè)區(qū)內(nèi)所有根莖總質(zhì)量，kg

M4——被碾壓或擊打成小塊的根莖質(zhì)量，kg

4.3 試驗(yàn)因素

為了更好地優(yōu)化參數(shù)以及確定試驗(yàn)因素之間的交互性，根據(jù)理論分析確定的影響根土分離效果的主要參數(shù)及范圍，采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)，因素編碼如表2所示，取括號(hào)中近似值。試驗(yàn)各因素水平的標(biāo)定如圖11所示。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Test factors and codes

圖11 試驗(yàn)各因素水平的標(biāo)定Fig.11 Calibration of each factor and level

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示，其中x1、x2、x3分別為篩面傾角、曲柄轉(zhuǎn)速和曲柄半徑的編碼值。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test scheme and results

4.4.1回歸分析與顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到根土分離率W1和根莖傷損率W2回歸方程，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

(1)根土分離率回歸模型建立與顯著性分析

(19)

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示，失擬P=0.156 2，不顯著(P>0.1)，證明不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系，分析結(jié)果合理。方差分析得出各因素對(duì)根土分離率W1影響的顯著性由大到小依次為：曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角、曲柄半徑。

(2)根莖傷損率回歸模型建立與顯著性分析

(20)

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示，失擬P=0.546 0，不顯著(P>0.1)，證明不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系，分析結(jié)果合理。方差分析得出各因素對(duì)根莖傷損率W2影響的顯著性由大到小依次為：曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角、曲柄半徑。

表5 根莖傷損率方差分析Tab.5 Variance analysis for damage rate of rhizome

4.4.2響應(yīng)曲面分析

由表4、5可知，交互作用項(xiàng)曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角對(duì)試驗(yàn)性能指標(biāo)根土分離率、根莖傷損率影響均為極顯著，其余交互作用項(xiàng)影響均不顯著，故分析交互作用項(xiàng)曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角對(duì)試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響。通過Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角交互作用對(duì)根土分離率和根莖傷損率的響應(yīng)曲面，如圖12所示。

表4 根土分離率方差分析Tab.4 Variance analysis for root-soil separation rate

圖12a為曲柄半徑位于中心水平(20 mm)時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角交互作用對(duì)根土分離率W1影響的響應(yīng)曲面，由圖可知，當(dāng)篩面傾角一定時(shí)，根土分離率隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速一定時(shí)，根土分離率隨著篩面傾角的增加呈先增大后逐漸趨于平緩的趨勢(shì)。

圖12b為曲柄半徑位于中心水平(20 mm)時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)速和篩面傾角交互作用對(duì)根莖傷損率W2影響的響應(yīng)曲面，由圖可知，當(dāng)篩面傾角一定時(shí)，根莖傷損率隨著曲柄轉(zhuǎn)速的增加而增加，但是變化較緩慢；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速一定時(shí)，根莖傷損率隨著篩面傾角的增加呈先減少后逐漸增加的趨勢(shì)。

圖12 試驗(yàn)因素交互作用對(duì)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面Fig.12 Response surface of influence of test factors on index

分析其變化原因?yàn)椋弘S著篩面傾角的逐漸增大，掘出的根土混合物沿篩面向后輸送速度變慢，掘出的大部分土壤在分離篩前中部被篩下，根土分離率逐漸變大并趨于穩(wěn)定，而篩分后的板藍(lán)根被輸送到分離篩后部時(shí)由于缺乏土壤的緩沖保護(hù)，導(dǎo)致根莖傷損率變大。

4.5 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

4.5.1參數(shù)優(yōu)化

為尋求板藍(lán)根收獲機(jī)擺動(dòng)式根土分離裝置最佳篩分性能的工作參數(shù)組合，采用多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化方法，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化功能，對(duì)2個(gè)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解。遵循提高根土分離率、降低根莖傷損率的原則，結(jié)合各試驗(yàn)因素的邊界條件，構(gòu)建非線性規(guī)劃參數(shù)模型為

(21)

通過優(yōu)化求解，得出當(dāng)篩面傾角α為14.94°，曲柄轉(zhuǎn)速n為440.00 r/min，曲柄半徑r為19.95 mm時(shí)，根土分離裝置篩分性能最佳，此最優(yōu)參數(shù)組合下根土分離率為97.19%、根莖傷損率為2.66%。

4.5.2驗(yàn)證試驗(yàn)

2020年10月，在黑龍江省齊齊哈爾市泰來縣板藍(lán)根種植基地進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，設(shè)備作業(yè)效果如圖13所示。為便于實(shí)際應(yīng)用，對(duì)工作參數(shù)優(yōu)化理論值進(jìn)行圓整，即工作參數(shù)設(shè)置為篩面傾角為15°，曲柄轉(zhuǎn)速為440 r/min，曲柄半徑為20 mm。進(jìn)行5次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)5次試驗(yàn)結(jié)果取平均值，結(jié)果如表6所示。

圖13 設(shè)備作業(yè)效果Fig.13 Working effects of equipment

表6 模型預(yù)測(cè)值與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.6 Comparison of model prediction and validation test results %

由表6可知，實(shí)際試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值基本吻合，相對(duì)誤差均小于5%，表明篩分性能回歸模型合理性、可靠性較高。與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 3481—2019《根莖類中藥材收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》對(duì)比可知，根土分離率、根莖傷損率均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5.3對(duì)比試驗(yàn)與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的組合擺動(dòng)式板藍(lán)根根土分離裝置性能，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，將其與現(xiàn)有的全篩條式根土分離裝置、全篩板式根土分離裝置進(jìn)行性能比較。

與4.5.2節(jié)相同條件下，分別將全篩條式根土分離裝置與全篩板式根土分離裝置掛接在擺動(dòng)式板藍(lán)根收獲機(jī)上，各進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，取平均值，試驗(yàn)步驟與方法同上，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 不同篩面試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.7 Contrast experiment results of different sieve surfaces %

由表6、7可知，3種類型的篩面在板藍(lán)根收獲機(jī)作業(yè)條件相同時(shí)，篩條-篩板組合式、全篩條式、全篩板式根土分離率分別為96.09%、90.50%、92.93%；根莖傷損率分別為2.75%、6.20%、3.71%，可見篩條-篩板組合式效果優(yōu)于其他兩種篩面形式。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了組合擺動(dòng)式板藍(lán)根根土分離裝置，通過對(duì)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及篩分過程中組合式篩面根土復(fù)合體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，確定了影響篩分性能的主要因素和范圍。

(2)采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法，建立了以篩面傾角、曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄半徑為試驗(yàn)因素，以根土分離率、根莖傷損率為評(píng)價(jià)指標(biāo)的二次回歸模型，得到了各因素對(duì)根土分離率的影響程度由大到小依次為曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角、曲柄半徑；各因素對(duì)根莖傷損率的影響程度由大到小依次為曲柄轉(zhuǎn)速、篩面傾角、曲柄半徑。

(3)采用響應(yīng)面組合試驗(yàn)法對(duì)組合擺動(dòng)式板藍(lán)根根土分離裝置的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使用 Design-Expert軟件對(duì)根土分離率、根莖傷損率的回歸方程進(jìn)行優(yōu)化求解，結(jié)果表明在篩面傾角為14.94°、曲柄轉(zhuǎn)速為440 r/min、曲柄半徑為19.95 mm時(shí)，模型得到的根土分離率為97.19%，根莖傷損率為2.66%。對(duì)試驗(yàn)條件圓整后進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得出試驗(yàn)結(jié)果為根土分離率為96.09%，根莖傷損率為2.75%。與預(yù)測(cè)值相近，說明所建模型合理。

(4)在優(yōu)化參數(shù)組合條件下，進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，篩條-篩板組合式篩面篩分性能優(yōu)于全篩條式篩面和全篩板式篩面。