于慶旭，曹光喬，陳彬，劉燕，龔艷，陳小兵

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

經(jīng)濟(jì)作物主要包括油料、茶葉、糖料和中藥材等，在人們的日常生活中扮演著重要角色，對整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用。中藥材作為特種經(jīng)濟(jì)作物，其經(jīng)濟(jì)效益較高，不僅可以起到脫貧攻堅(jiān)、鄉(xiāng)村振興作用，而且中藥材在疫情防治中起到了顯著作用，中藥材行業(yè)迎來發(fā)展新機(jī)遇[1]。我國是中醫(yī)藥發(fā)源地，中藥在我國已經(jīng)有千年歷史。全球?qū)χ兴幉牡男枨笾鹉暝鲩L，其中根莖類中藥材品種在流通市場占比最高，2021年11月份中藥材市場共監(jiān)測1 445個(gè)品規(guī)種類的中藥材，其中根莖類中藥材共440個(gè)，占比最高達(dá)30.45%[2]。收獲是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，我國根莖類中藥材收獲機(jī)械化水平較低、生產(chǎn)效率低，嚴(yán)重制約了根莖類中藥材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中藥材收獲機(jī)的需求日漸加劇，根莖類中藥材收獲機(jī)械化水平的提高，對緩解農(nóng)村勞動(dòng)力和提高藥農(nóng)收入具有重要的意義。本文針對根莖類中藥材主要種植現(xiàn)狀，簡述我國根莖類中藥材收獲機(jī)械化應(yīng)用現(xiàn)狀，以及關(guān)鍵部件挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)研究情況，分析根莖類中藥材收獲機(jī)械化存在的問題和發(fā)展趨勢，為我國根莖類中藥材收獲機(jī)的研究提供參考，以促進(jìn)根莖類中藥材收獲機(jī)械化水平的提高。

1 我國中藥材種植現(xiàn)狀

中藥材發(fā)源于野生資源，但隨著社會(huì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，野生中藥材資源越來越少，已經(jīng)無法滿足社會(huì)的需求，隨著中藥材馴化種植，目前人工栽培種植的中藥材已成為了中藥主要來源[3]。中藥材從野生為主到栽培為主，從零星分布到大面積連片種植，中藥材種植面積呈現(xiàn)連年持續(xù)增長的態(tài)勢，2011—2020年中藥材種植面積如圖1所示。據(jù)國家中藥材產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系統(tǒng)計(jì)，2020年全國中藥材種植總面積為5 864 khm2，我國每個(gè)省(區(qū)、市)幾乎都種植中藥材，由于各地區(qū)地理環(huán)境及氣候不同，中藥材的種植品種各異，中藥材種植面積也不均衡，云南、貴州、四川的種植面積分別為582 khm2、474 khm2、467 khm2，河南、湖南、廣東、廣西、甘肅5個(gè)省份種植面積在300～333 khm2，山西、山東、湖北3個(gè)省份種植面積在200～267 khm2，陜西、河北、遼寧、吉林、黑龍江、安徽、江西、海南、重慶9個(gè)省份種植面積在133～533 khm2，內(nèi)蒙古、江蘇、新疆3個(gè)省份種植面積在67～133 khm2[4]；2019年有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的59種常用大宗中藥材種植總面積為1 364 khm2，12種中藥材種植面積突破33 khm2，其中黃芪、丹參等根莖類中藥材種植面積超過67 khm2，黃芩、黨參、當(dāng)歸、柴胡、山茱萸、苦參等根莖類中藥材種植面積超過33 khm2[5]。為了進(jìn)一步提升中藥材的質(zhì)量，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家藥品監(jiān)督管理局、國家中醫(yī)藥管理局印發(fā)了《全國道地藥材生產(chǎn)基地建設(shè)規(guī)劃(2018—2025)》，道地藥材是指某個(gè)地區(qū)特有的傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)效佳藥材，目前我國有7大道地藥材產(chǎn)區(qū)，分別為東北、華北、華東、華中、華南、西南和西北道地藥材產(chǎn)區(qū)。

圖1 2011—2020年中藥材種植面積Fig. 1 Planting area of Chinese herbal medicine from 2011 to 2020

2 根莖類中藥材收獲機(jī)械化應(yīng)用現(xiàn)狀

根及根莖類中藥材通常簡稱為根莖類中藥材，是指主要入藥部分(根部、根莖、鱗莖等)生長于土壤下的中藥材，不同根莖類中藥材因其品種、生長環(huán)境等因素的影響，具有不同的形狀長度、生長深度，根據(jù)形狀長度可以劃分為長根莖類、短根莖類和塊狀根莖類等，根據(jù)生長深度可分為淺根莖類(生長深度小于20 cm)、中根莖類(生長深度20～40 cm)和深根莖類(生長深度大于40 cm)[6]。目前根莖類中藥材分純?nèi)斯な斋@、半機(jī)械化收獲和機(jī)械化收獲3種，丘陵山區(qū)生產(chǎn)的根莖類中藥材還主要依靠人工收獲；半機(jī)械化收獲是采用改裝的犁具等進(jìn)行挖掘翻土，再進(jìn)行人工根土分離和收集作業(yè)，鏵犁式中藥材收獲機(jī)有4GJ-700型、4Y-300型、4Y-30型和4UY-20型等[7]；機(jī)械化收獲是指使用機(jī)械完全代替人工完成根莖類藥材的挖掘、根土分離和收集等作業(yè)，機(jī)械化收獲分為分段收獲和聯(lián)合收獲。目前根莖類中藥材收獲機(jī)分為挖掘機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)。挖掘機(jī)是指完成根莖類中藥材挖掘，并將根莖與土壤分離、鋪放或集條于地表的機(jī)具，收獲性能指標(biāo)要求明莖率≥90%、深松率≥95%、傷損率≤5%；聯(lián)合收獲機(jī)是指完成根莖類中藥材挖掘，并將根莖與土壤分離、分級(jí)、收集等的機(jī)具，按結(jié)構(gòu)型式分為牽引式、懸掛式和自走式，收獲性能指標(biāo)要求挖凈率≥95%、傷損率≤7%[8]。

目前國內(nèi)中藥材收獲機(jī)生產(chǎn)企業(yè)較多，主要集中在河北省、山東省和甘肅省等地區(qū)，市場上主要是中小型的根莖類中藥材收獲機(jī)，其中挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低，市場占比份額較大，應(yīng)用范圍較廣，可實(shí)現(xiàn)對黨參、黃芪、黃芩、丹參、桔梗、天花粉、白芷、辣根、板藍(lán)根等多種根莖類中藥材的挖掘收獲，但針對深根莖中藥材還依然存在挖掘阻力大、功率損耗大、挖掘深度不夠、收凈率低和破損率高等現(xiàn)象；自走式聯(lián)合收獲機(jī)是未來發(fā)展的趨勢，但其機(jī)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高，價(jià)格昂貴，市場占比份額相對較少，目前主要用于收獲貝母、元胡、半夏、太子參等淺根莖類中藥材。

3 根莖類中藥材收獲機(jī)械化研究現(xiàn)狀

中藥材主要種植于我國，國外針對根莖類中藥材收獲機(jī)械化的研究較少，韓國、美國、加拿大和俄羅斯主要針對高麗參、西洋參等淺根莖類中藥材的收獲機(jī)進(jìn)行研究[9]，日本研發(fā)了幾款深根莖中藥材收獲機(jī)，其中日本苫米地技研工業(yè)株式會(huì)社發(fā)明了一款TG系列牛蒡收獲機(jī)[10]，日本株式會(huì)社小松制作所研制了一款YCD-60PM型鋸齒式山藥收獲機(jī)[11]。

目前國內(nèi)大量學(xué)者對根莖類中藥材收獲機(jī)進(jìn)行了研究，陳威[12]研制了一臺(tái)自走式太子參聯(lián)合收獲機(jī)，針對挖掘鏟和振動(dòng)篩進(jìn)行試驗(yàn)研究，采凈率和破損率可達(dá)到96.56%、6.12%，可用于丘陵山區(qū)太子參收獲作業(yè)；李增璽[13]研制了一臺(tái)百合收獲機(jī)，針對挖掘鏟和升運(yùn)器進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，得到最佳工作參數(shù)組合，損失率和損傷率分別為2.31%、1.82%，可適用于東北地區(qū)百合種植模式；宋江等[14]針對東北地區(qū)貝母種植模式，改進(jìn)了4B-1200型平貝母藥材收獲機(jī)，將損失率和損傷率分別降低至3.8%、2.9%；何曉芬[15]研究設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型折耳根收獲機(jī)，針對挖掘鏟和輸送分離裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以適合我國西南方山區(qū)、丘陵地區(qū)小面積土地的折耳根收獲使用；張文杰[16]針對西北道地產(chǎn)區(qū)，研究設(shè)計(jì)一臺(tái)4Y-1200型藥材收獲機(jī)，可適應(yīng)于黃芪、紅芪、黨參、甘草等深根莖類藥材的收獲；謝新亞[17]研究設(shè)計(jì)了一種適合新疆地區(qū)甘草種植模式的甘草收獲機(jī)，可一次性完成甘草的挖掘、輸送、分離、鋪地等作業(yè)；昆明理工大學(xué)張兆國教授團(tuán)隊(duì)[18-22]研發(fā)了懸掛式、牽引式和自走式等多款三七收獲機(jī)，可適用于云南丘陵山區(qū)、溫室工廠等不同場景的三七收獲作業(yè)。

目前主要參考馬鈴薯、胡蘿卜、花生等收獲機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，通過試驗(yàn)研究挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)，提高根莖類中藥材收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量，以適用于不同地區(qū)、不同種植農(nóng)藝要求的根莖類中藥材收獲作業(yè)。根莖類中藥材收獲機(jī)主要由機(jī)架、挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、收集機(jī)構(gòu)等組成，根莖類中藥材收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，其中挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)為主要關(guān)鍵部件。隨著自動(dòng)化、智能化農(nóng)機(jī)的發(fā)展，根莖類中藥材收獲機(jī)也將增加自動(dòng)化、智能化技術(shù)，關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)將隨作業(yè)條件自適應(yīng)調(diào)控，提高根莖類中藥材收獲機(jī)的普適性。

圖2 根莖類中藥材收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 2 Structure diagram of Rhizome Chinese herbal medicine harvester1.挖掘機(jī)構(gòu) 2.分離機(jī)構(gòu) 3.輸送機(jī)構(gòu) 4.收集機(jī)構(gòu) 5.機(jī)架

3.1 挖掘機(jī)構(gòu)研究

許多根莖類中藥材的根系發(fā)達(dá)，分布于土壤深層，根系與土壤形成團(tuán)聚體，根系起到加強(qiáng)筋作用，增強(qiáng)土壤抗剪切強(qiáng)度和根土分離難度[23]，為了保證根莖類中藥材的完整性，挖掘機(jī)構(gòu)的作業(yè)深度須大于藥材最大根深，在挖掘過程中會(huì)產(chǎn)生大量的根土混合物以及雜草，要求挖掘機(jī)構(gòu)不僅具有較大的作業(yè)深度和良好的入土性能，同時(shí)還需具有一定的土壤破碎分離功能[24]。

3.1.1 挖掘鏟

挖掘鏟對土壤直接施加作用力，將堅(jiān)實(shí)的土壤破碎、疏松和將團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞，起到切削、破碎土壤作用，避免大量土垡造成擁堵現(xiàn)象，同時(shí)降低挖掘阻力，因此挖掘鏟直接關(guān)系到收獲質(zhì)量。為了適應(yīng)各地區(qū)不同的挖掘條件，我國各地科研機(jī)構(gòu)研發(fā)出眾多類型的挖掘鏟以適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和挖掘條件，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[17-18, 24-27]，依據(jù)挖掘鏟平面形狀可分為平面鏟、曲面鏟、叉齒鏟和組合鏟等，挖掘鏟類型如圖3所示。

圖3 挖掘鏟類型Fig. 3 Shovel type

王鋒等[28]針對機(jī)收黃芪時(shí)三角平面鏟挖掘效果不佳且易損壞問題，通過仿真試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，研究確定三角平面鏟最優(yōu)傾角；陳威等[29]針對太子參聯(lián)合收獲機(jī)的三角平面鏟，進(jìn)行理論計(jì)算、仿真計(jì)算和土槽試驗(yàn)研究，確定工作性能較優(yōu)的參數(shù)組合。目前主要將螻蛄、巨蜥、砂魚蜥、穿山甲、狗獾、黃毛鼠、鼴鼠等作為仿生原型，研制不同類型仿生鏟；周夢淵[30]針對黃芪機(jī)收研發(fā)一種仿生挖掘鏟，選用螻蛄前足爪趾作為仿生對象，進(jìn)行了仿生學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過仿真試驗(yàn)對比，優(yōu)化后鏟片的最大應(yīng)力、形變量都有所下降；郎沖沖等[31]針對三七種苗挖掘鏟挖掘阻力大、碎土性能與減黏性差等問題，運(yùn)用仿生學(xué)原理，對穿山甲前爪中趾和鱗片進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將仿生鏟表面設(shè)計(jì)成有凸起的楔形鏟面，設(shè)計(jì)一種三七種苗仿生挖掘鏟。昆明理工大學(xué)張兆國團(tuán)隊(duì)[32-33]為解決挖掘鏟前易壅土的問題，設(shè)計(jì)了一種組合式挖掘鏟，在不同作業(yè)速度和挖掘深度條件下，組合鏟的水平和垂直阻力皆小于傳統(tǒng)挖掘鏟，可降低三七收獲機(jī)工作能耗和阻力。

平面鏟構(gòu)造相對簡單、緊湊、實(shí)用、便于制造，且入土容易，目前應(yīng)用最廣；曲面鏟一般結(jié)合仿生技術(shù)，鏟面的曲面特征仿制動(dòng)物挖掘器官表面，起到減黏降阻效果，同時(shí)提高使用壽命，但表面特征及制造工藝復(fù)雜；叉齒鏟入土容易，減小了鏟面與土壤的接觸面積，可減小挖掘阻力及牽引阻力，且易于碎土和分離土壤，但可靠性較差，容易折斷叉齒和折彎柵條等；組合鏟具有良好的碎土分離效果，減少挖掘阻力并降低鏟前壅土，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著加工制造技術(shù)的進(jìn)步，根莖類中藥材挖掘作業(yè)深度和作業(yè)速度等要求不斷提高，對于深根莖中藥材，需克服挖掘過程中易壅土、挖掘阻力大等缺點(diǎn)，結(jié)合仿生技術(shù)的組合挖掘鏟將成為趨勢。

3.1.2 挖掘機(jī)構(gòu)

挖掘機(jī)構(gòu)依據(jù)挖掘鏟運(yùn)動(dòng)形式分固定式、驅(qū)動(dòng)式和組合式等。固定式挖掘機(jī)構(gòu)與機(jī)架部件組成剛性連接，一般主要由挖掘鏟和鏟架構(gòu)成；驅(qū)動(dòng)式挖掘機(jī)構(gòu)工作時(shí)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，挖掘鏟在動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等；組合式挖掘機(jī)構(gòu)包含兩種或兩種以上不同類型的挖掘機(jī)構(gòu)。

固定式挖掘機(jī)構(gòu)和振動(dòng)式挖掘機(jī)構(gòu)應(yīng)用于根莖類中藥材收獲較多，旋轉(zhuǎn)式挖掘機(jī)構(gòu)和組合式挖掘機(jī)構(gòu)相對較少，有研究將旋轉(zhuǎn)式挖掘機(jī)構(gòu)應(yīng)用于馬鈴薯收獲[34]。朱昊杰[35]新設(shè)計(jì)了一種適用于元胡的固定式挖掘機(jī)構(gòu)，收獲作業(yè)前可調(diào)節(jié)不同的入土角，通過EDEM離散元仿真研究在不同入土角和不同作業(yè)速度的挖掘阻力情況。振動(dòng)式挖掘方式是一種有效降低阻力的途徑，國內(nèi)外研究者通過理論分析和試驗(yàn)研究了振動(dòng)式挖掘方式的減阻機(jī)理，可分為強(qiáng)迫式和自激式兩種振動(dòng)方式[36-39]。

淺根莖類中藥材收獲機(jī)主要采用固定式挖掘機(jī)構(gòu)，固定式挖掘機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造及維修容易、可靠性較高，依然存在挖掘深度不足、入土阻力大、功率損耗嚴(yán)重、碎土效果差等問題；深根莖類中藥材收獲機(jī)主要采用強(qiáng)迫振動(dòng)式挖掘機(jī)構(gòu)，可有效減小挖掘阻力，具有良好的碎土分離效果；目前組合式挖掘機(jī)構(gòu)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難，能夠適應(yīng)多種挖掘環(huán)境，未來可用在自走式聯(lián)合收獲機(jī)上，適用于深根莖類中藥材收獲。

3.2 分離機(jī)構(gòu)研究

分離機(jī)構(gòu)同時(shí)具有輸送作用，作業(yè)時(shí)需承受的載荷較大，據(jù)研究馬鈴薯收獲機(jī)要分離的土壤達(dá)70%～80%[12, 40]，許多根莖類中藥材的挖掘深度遠(yuǎn)大于馬鈴薯，土壤喂入量較大，因此對根莖類中藥材分離機(jī)構(gòu)的性能要求更高。目前根莖類收獲機(jī)上廣泛采用的分離機(jī)構(gòu)類型有升運(yùn)鏈?zhǔn)?、分離篩式、滾筒式等。

3.2.1 升運(yùn)鏈?zhǔn)?/p>

升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x機(jī)構(gòu)也稱作為桿條式升運(yùn)器，主要由桿條、鏈條和振動(dòng)器等組成，依據(jù)鏈條結(jié)構(gòu)型式，可分為鏈桿式、鉤桿式以及帶桿式等。李增璽[13]針對百合輸送分離時(shí)損傷現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種帶桿式升運(yùn)器，通過離散元仿真進(jìn)行損傷機(jī)理研究，明確機(jī)具的前進(jìn)速度、升運(yùn)器帶速以及升運(yùn)器傾角等工作參數(shù)范圍。申世龍等針對丹參機(jī)械化收獲，設(shè)計(jì)一種鏈桿式清土輸送裝置，為了增加輸送鏈的清土效果，設(shè)計(jì)有振動(dòng)鏈輪，以實(shí)現(xiàn)輸送鏈的振動(dòng)，可將挖掘后的丹參實(shí)現(xiàn)參土分離，同時(shí)將丹參輸送至輸送裝置中。目前升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x機(jī)構(gòu)的理論研究較多，技術(shù)較成熟，其具有較強(qiáng)的分離能力，并在傾角較大時(shí)仍具有良好的輸送能力，被廣泛使用，但使用過程中磨損速度快，部件易于損壞，從而造成機(jī)器故障率較高。

3.2.2 分離篩式

分離篩式分離機(jī)構(gòu)主要由分離篩和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，分離篩的種類較多，依據(jù)分離篩的運(yùn)動(dòng)形式可分為振動(dòng)式、擺動(dòng)式等，依據(jù)篩面結(jié)構(gòu)形式可分為桿條篩、鋸齒篩、編織篩和組合篩等。馬川等[41]研發(fā)的平貝收獲機(jī)采用偏心輪式振動(dòng)分離篩，通過對振動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用Matlab優(yōu)化工具箱對振動(dòng)機(jī)構(gòu)核心參數(shù)偏心輪的轉(zhuǎn)速和半徑進(jìn)行優(yōu)化，降低平貝機(jī)械化收獲損傷率；張澤璞[11]針對板藍(lán)根機(jī)械收獲，設(shè)計(jì)了一種具有篩條—篩板組合式篩面的擺動(dòng)式根土分離篩，并對其關(guān)鍵部件偏心機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)、組合式篩面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析根土復(fù)合體相對篩面正向滑動(dòng)、相對篩面反向滑動(dòng)、相對篩面發(fā)生拋擲運(yùn)動(dòng)的條件，研究得到影響收獲效果的主要因素為篩面傾角、曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄半徑。振動(dòng)式分離篩結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，在根莖類收獲機(jī)上經(jīng)常被使用，擺動(dòng)式分離篩存在慣性力平衡不足的問題[42]，但其承受載荷大、碎土性能較強(qiáng)和分離性能較好等，能把篩面上的混合物快速向分離篩尾部輸送，其輸送效率較高。

3.2.3 滾筒式

滾筒式分離機(jī)構(gòu)具有受力均勻、故障率低、使用壽命長和能量消耗少等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造困難[34, 43]。王密[44]設(shè)計(jì)了一種帶有揚(yáng)料板的滾筒式分離機(jī)構(gòu)，用于平貝母機(jī)械化收獲，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)滾筒的無級(jí)調(diào)速，滾筒篩內(nèi)裝有一定角度的揚(yáng)料板，不僅有利于物料在滾筒內(nèi)向后輸送，而且還能起到翻轉(zhuǎn)物料的作用。滾筒篩分離機(jī)構(gòu)可適用于短根莖類、塊狀根莖類中藥材，但需在含水率和粘黏性較低的土壤中進(jìn)行篩分作業(yè)。

3.3 輸送機(jī)構(gòu)研究

輸送機(jī)構(gòu)主要作用是輸送轉(zhuǎn)移物料，可附帶分離和分級(jí)功能，在薯類、花生等聯(lián)合收獲機(jī)應(yīng)用較多，且技術(shù)較成熟，根據(jù)輸送級(jí)數(shù)可分為一級(jí)輸送、二級(jí)輸送和多級(jí)輸送[45]，根莖類中藥材的輸送機(jī)構(gòu)參考薯類輸送機(jī)構(gòu)改進(jìn)或直接引用，主要有網(wǎng)帶輸送式、刮板輸送式、輥筒輸送式等。陳威[12]研發(fā)的太子參聯(lián)合收獲機(jī)選用網(wǎng)帶輸送式輸送機(jī)構(gòu)，網(wǎng)帶的兩側(cè)為鏈條，鏈條與傳動(dòng)軸上的鏈輪相配合進(jìn)行傳動(dòng)，調(diào)節(jié)輸送網(wǎng)帶的松緊度，在工作過程中網(wǎng)帶能夠產(chǎn)生一定自激振動(dòng)，有利于進(jìn)一步將細(xì)小土粒分離，研究表明最佳傾角在20°～30°。刮板輸送式依據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為帶式刮板輸送式和鏈條刮板輸送式，王密等針對4B-1200型平貝母機(jī)械收獲過程中，黏濕土壤易進(jìn)入帶式刮板輸送機(jī)構(gòu)的輸送帶內(nèi)側(cè)，引起側(cè)滑和堆土現(xiàn)象，重新設(shè)計(jì)了一種鏈條刮板式反向升運(yùn)器，通過理論分析的方法確定了升運(yùn)器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，傾角為45°，線速度0.26 m/s，升運(yùn)效率提升了2倍。謝新亞[17]針對新疆地區(qū)甘草機(jī)械化收獲，設(shè)計(jì)一種輥筒輸送機(jī)構(gòu)，由傳動(dòng)鏈輪、輸送輥筒、機(jī)架和鏈輪護(hù)殼等組成，其中輸送輥筒周向均布安裝4排刮板及釘齒，釘齒與刮板成45°夾角焊接，起到破碎土壤和向上輸送甘草作用，經(jīng)過理論計(jì)算和試驗(yàn)分析得到最佳機(jī)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)：輥筒直徑 60 mm、傾角為15°、輥筒轉(zhuǎn)速255 r/min。

對于不同物理特性和形狀尺寸的根莖類中藥材可采用不同形式的輸送機(jī)構(gòu)，需保證輸送效率，同時(shí)防止中藥材與輸送機(jī)構(gòu)纏繞，造成根莖類中藥材損傷。目前短根莖類和塊狀根莖類等一般采用網(wǎng)帶輸送式、刮板輸送式等，長根莖類中藥材一般采用刮板輸送式、輥筒輸送式等。

4 存在問題

目前國內(nèi)學(xué)者對根莖類中藥材收獲機(jī)進(jìn)行了大量的研究，中藥材收獲機(jī)械化還處于起步階段，根莖類中藥材與主要糧食作物的收獲機(jī)械化水平相差較大，在根莖類中藥材收獲機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，依然存在挖掘阻力較大、收凈率低和破損率高等現(xiàn)象，制約收獲機(jī)械化水平的因素較多且復(fù)雜，主要存在以下問題。

1) 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合程度不足。根莖類中藥材的品種繁多，即便相同品種在不同地區(qū)的種植方式和農(nóng)藝要求也不同，有直播、移栽種植方式，有半覆膜、全覆膜、膜上栽培、膜側(cè)栽培、開溝、起畦和起壟等農(nóng)藝要求，導(dǎo)致機(jī)械化收獲的要求也各異，給配套收獲機(jī)械帶來較大難度。

2) 聯(lián)合收獲機(jī)械的研發(fā)積極性不高。根莖類中藥材主要種植丘陵山區(qū)、零散地塊等，受地理環(huán)境的影響及制約，主要以手扶拖拉機(jī)等動(dòng)力機(jī)具配套微小型收獲機(jī)具作業(yè)，通用聯(lián)合收獲機(jī)械無法施展，企業(yè)研發(fā)根莖類中藥材收獲機(jī)的積極性不高。

3) 收凈率和破損率缺乏系統(tǒng)性研究。由于各地區(qū)的土壤物理特性不同，土壤—根系的團(tuán)聚體的物理力學(xué)參數(shù)和模型不同，不同根莖類中藥材、土壤和機(jī)械之間的相互作用機(jī)理尚不明確，收凈率和破損率在挖掘作業(yè)和分離作業(yè)中缺乏系統(tǒng)性研究，在機(jī)械化收獲過程中收凈率和破損率的關(guān)鍵影響因素尚不明確。

4) 收獲作業(yè)的智能調(diào)控技術(shù)缺乏研究。對不同地區(qū)、不同品種根莖類中藥材的挖掘機(jī)構(gòu)和分離機(jī)構(gòu)的作業(yè)參數(shù)要求不同，現(xiàn)有挖掘機(jī)構(gòu)無法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)挖掘鏟角度、深度和速度等作業(yè)參數(shù)，以降低工作阻力，分離機(jī)構(gòu)無法根據(jù)根土喂入量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率、速度等作業(yè)參數(shù)，以提高分離效果，目前尚未對不同根莖類中藥材收獲作業(yè)參數(shù)的智能調(diào)控技術(shù)進(jìn)行研究，主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)判斷收獲機(jī)具的作業(yè)參數(shù)。

5 發(fā)展趨勢

隨著小地塊集中連片，逐步擴(kuò)大中藥材種植面積，正在由人工收獲和半機(jī)械化收獲向機(jī)械化收獲轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)挖掘機(jī)向聯(lián)合收獲機(jī)發(fā)展，目前需突破中藥材農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的關(guān)鍵技術(shù)，提高收獲機(jī)的田間作業(yè)適應(yīng)能力，最終逐步向智能化聯(lián)合收獲機(jī)發(fā)展。

1) 挖掘機(jī)構(gòu)向低耗深挖技術(shù)發(fā)展，針對深根莖挖掘收獲的挖掘深度不夠、挖掘阻力大和功耗損耗嚴(yán)重等問題，進(jìn)一步研究土壤切削破碎、挖掘機(jī)構(gòu)功率損耗等機(jī)理，研發(fā)融合仿生技術(shù)、振動(dòng)減阻技術(shù)的組合式深挖機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低耗深挖新技術(shù)。

2) 分離機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)向柔性低損技術(shù)發(fā)展，針對不同土壤和根莖類中藥材的物理特性，進(jìn)一步分析分離機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)等損傷占比，加大機(jī)械化收獲過程中根莖類中藥材損傷機(jī)理的研究，研發(fā)各機(jī)構(gòu)的柔性收獲關(guān)鍵技術(shù)，以降低機(jī)械收獲的破損率。

3) 收獲整機(jī)向智能調(diào)控技術(shù)發(fā)展，針對不同種植模式和作業(yè)環(huán)境，收獲機(jī)集成基于北斗導(dǎo)航的智能調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)等自適應(yīng)調(diào)控技術(shù)，以適應(yīng)不同根莖類藥材、不同地區(qū)地形和不同田間環(huán)境的機(jī)械收獲作業(yè)。