三七收獲機組合式挖掘鏟設計與試驗

，，，

（1.昆明理工大學現代農業工程學院，云南昆明650500；2.昆明市農業機械化技術學校，云南昆明650034）

三七收獲機組合式挖掘鏟設計與試驗

張 丹1，張兆國1，曹永輝2，王法安1

（1.昆明理工大學現代農業工程學院，云南昆明650500；2.昆明市農業機械化技術學校，云南昆明650034）

為解決三七機械化收獲易產生的挖掘鏟前壅土問題，在不降低收獲率的前提下設計了一種由三角平面鏟和土壤破碎鏟組成的新型組合式挖掘鏟，并對該挖掘鏟進行了研究.利用Design Ex pert8.0.6軟件進行了回歸分析與響應曲面分析，確定了該挖掘鏟的結構和最優工作參數：鏟面傾角20°，入土隙角12°，作業速度0.75 m·s－1.田間試驗表明收獲率達到98.38%，驗證了回歸模型的正確性，滿足作業要求.通過對組合式挖掘鏟與普通挖掘鏟的挖掘收獲效果進行對比試驗，結果表明組合式挖掘鏟在收獲率與鏟前壅土方面有著更好的性能，更加適合三七收獲.

收獲機；三七；土壤破碎；組合式挖掘鏟；試驗

三七屬五加科多年生人參類植物，是我國特有名貴根莖類中藥材［1－2］.目前，三七大部分采挖仍使用傳統的人工采挖方式，采挖效率低下，勞動強度很大［3］.因此，開展三七機械化收獲和收獲技術的研究是迫切需要的.挖掘鏟作為三七收獲機的關鍵部件，其形態結構、幾何參數將直接影響著機械性能以及收獲效果.近年來，國內學者開展了相關研究［4－7］，取得了較好效果.魏宏安等［8］為4UFD 1400馬鈴薯聯合收獲機設計了一種縱向剖面呈“～”形，分體式三階平面組合結構挖掘鏟，提高了入土和碎土能力.鄭德聰等［9］考慮半夏種植密度過大，不宜進行行對行收獲，采用整體式挖掘鏟，提高收獲率.楊然兵等［10］為解決平作花生聯合收獲易產生挖掘鏟前壅土的問題，研制了一種動力圓盤挖掘裝置，田間作業試驗效果較好.然而在三七實際收獲過程中，現有的挖掘鏟有著諸多影響作業效率和質量的問題.若采用平面鏟進行挖掘，由于三七的種植幅寬和種植密度較大，并且土壤表面上覆蓋有大量松針葉［11］，會導致機器挖掘阻力大，壅土現象嚴重，挖掘效率低.三七多為丘陵山區小塊面積地帶種植［11］，三七收獲機應盡量簡單可靠且便于運輸，如采用其他挖掘裝置去代替挖掘鏟，會增加整機動力消耗和整機的復雜性，以及降低裝置的可靠性.

本研究針對以上實際問題設計一種新型組合式挖掘鏟，并擬利用響應曲面法以收獲率為響應值對組合式挖掘鏟關鍵因素進行優化，采用模型驗證與對比試驗檢驗組合式挖掘鏟在滿足三七收獲率的前提下，是否降低壅土嚴重的問題.旨在為塊莖類作物挖掘鏟的設計提供參考.

1 總體結構方案設計

1.1 三七種植與收獲模式

三七主要在土質疏松、排灌方便、保濕且要8年內未種過三七的土壤中種植，并用大量的松針葉覆蓋裸露墑面.三七種植采用壟作，如圖1所示.行距95～105 mm，株距140～150 mm，溝寬300～400 mm，壟頂寬1 500～1 600mm，壟底寬1 600～1 700mm，壟高100～160 mm，普通三七的生長深度150 mm，最大生長深度200 mm.挖掘鏟的收獲寬度大約1 700 mm，一次作業可收獲一壟十行作物.

圖1 三七種植模式示意圖

1.2 總體結構與工作原理

組合式挖掘鏟結構如圖2所示，主要由三角平面鏟、土壤破碎鏟、鏟架組成，三角平面鏟與土壤破碎鏟交錯排列，土壤破碎鏟尖位置比三角平面鏟鏟尖靠前約60 mm.整個裝置通過螺栓與機架剛性連接.工作時，拖拉機牽引三七收獲機前進，組合式挖掘鏟中的土壤破碎鏟先行破土，疏松土壤，同時土壤破碎鏟將其周圍三七和部分土壤推動至兩個土壤破碎鏟間形成的一個通道內（文中約定為推七能力），即三角平面鏟的挖掘范圍，然后三角平面鏟完成挖掘收獲.

圖2 組合挖掘鏟結構簡圖

2 組合式挖掘鏟設計與參數確定

2.1 三角平面鏟的設計

三角平面鏟作為組合挖掘鏟的主要工作部件，必須保證能順利將三七鏟起，且要減小入土阻力.為此將對鏟刃張角γ0、鏟面傾角α、鏟體寬度b與鏟體長度L等主要參數進行設計，如圖3所示.

圖3 三角平面鏟的特性圖

2.1.1 鏟刃張角參數的確定

三角平面鏟張角大小直接影響到挖掘阻力的大小.當鏟面張角過大時，三角平面鏟工作時三七的莖葉、雜草等雜物不易被切斷，形成很大的阻力，因此需要控制鏟刃張角，使三七莖葉、雜草等雜物能夠沿鏟刃邊緣順利滑移，起到減小挖掘阻力的目的.鏟刃受力分析如圖3a所示.若鏟刃邊緣所受的莖葉、雜草以及土壤的總阻力為F，鏟刃前進作用力為P0，滿足F＜P1時，鏟刃不會產生壅土和雜草纏刃現象.則易得

式中 φmax為莖葉、雜草和土壤對鋼的最大摩擦角.土壤對鋼的摩擦系數為0.577～0.721，莖葉對鋼的摩擦系數為0.95～0.98，故只要滿足莖葉對鋼的摩檫系數即可，計算得γ0＜120°可滿足要求，本設計采用γ0＝90°.

2.1.2 鏟面傾角參數

鏟面傾角的選擇標準是將三七與泥土的混合物沿鏟面上升到一定高度時，其掘起物不會落下，并且使挖掘物能順利運送到后面升運裝置上.鏟面上掘起物受力分析如圖3c所示.計算式如下：

式中：P為掘起物移動所需力；α為鏟面傾角；G為掘起物的重力；F為土壤與鏟的摩擦力；FN為挖掘鏟對掘起物的支反力；μ為土壤對挖掘鏟的摩擦系數.

三角平面鏟在A A的直線處折彎，即為二階面，二階面形成的鏟面曲折變化，可使通過的三七與土壤的混合物有劈裂、剪切、折斷的效果［12－13］.二階面的兩個鏟面傾角α1和α2都滿足式（5），α1較小有利于滑切與雜物自清，減小起土阻力.α2較大有利于碎土要求以及掘起的高度.一階鏟面傾角α1略小于二階鏟面傾角α2［14］，并且還要保證兩個傾角之間的差值不能過大或者過小，差值過大鏟面碎土能力有所提高但會導致阻力迅速增大，差值過小阻力相對較小但碎土能力不夠.故10°≤α1≤20°，本設計中α2＝α1＋5°.

2.1.3 鏟面總長參數的確定

平面鏟長度不能過大也不能過小，過大會引起掘起物的堆積、翻轉或回流，過小則會使土塊還沒來得及破碎就被運送到升運裝置上且不易被振動碎裂，也使得升運裝置上的動力消耗急劇增加.二階平面鏟長度如圖3b所示，有如下公式：

由農藝可知，h＝140～200 mm時才能將三七完全挖出，且不損壞三七.一階鏟面高度h1占總高度h的1／5～1／4時，可以使掘起物恰好落到升運鏈上且確保其后能被順利輸送，避免土壤堆積，同時也使整機重心更加靠前.在滿足上式的條件下并參考其他根莖類的挖掘鏟，取總長L約400 mm.

2.1.4 鏟體寬度參數的確定

二階平面鏟為主要的工作部件，本設計中采用二階平面鏟正對三七塊根的采挖方式［15］，平面鏟的行進方向與三七塊根的生長方向平行.寬度要能將一株最大尺寸的三七完整挖出，三七塊根近似為一個圓柱體，其最大長度和直徑分別為82.24 mm和32.95 mm.實際挖掘寬度略大于理論寬度，因此取鏟寬b為90 mm.

2.2 土壤破碎鏟的設計

土壤破碎鏟有著降低挖掘阻力，減小壅土程度并輔助三角平面鏟挖掘三七的功能.結構如圖4所示.土壤破碎鏟為三棱楔［16］，其主要參數有翼張角γ1，入土角β，入土隙角β0，鏟胸升角β1，翻土角β2和鏟翼寬c.

圖4 土壤破碎鏟的結構簡圖

2.2.1 翼寬與翼張角參數的確定

由于三角平面鏟采用正對三七塊根的采挖方式，根據三七的種植株距，且土壤破碎鏟位于二階平面鏟之間，易得鏟翼寬度不大于二階平面鏟間的間隙，即

在滿足上式的前提下且考慮挖掘鏟整體的緊湊取鏟翼寬c為58 mm.選擇翼張角的值主要根據是使雜草根莖沿破碎鏟刃口滑動，避免纏繞破碎鏟.其值可參考二階平面鏟的張角的設計，但由于鏟翼寬的限制，故選定翼張角γ1為48°.

2.2.2 入土隙角參數

入土隙角β0為土壤破碎鏟底面與地面之間的夾角，有利于土壤破碎鏟入土.β0過小導致推七能力降低，過大導致挖掘阻力增加并加劇壅土量.入土隙角在5°～15°范圍內可滿足工作要求.

2.2.3 最小入土角與鏟胸升角參數

入土角為破碎鏟工作面與地面之間的夾角.文中入土角的設計與圓弧刃口型開溝器刃口相似，為圓弧設計，如圖5所示，從O點開始沿著圓弧向上的點的切線斜率會不斷增加，即入土角角度不斷變大，當到達A點時入土角角度不發生改變即變為鏟胸升角.初始起土角較小便于減小起土阻力，而較大的鏟胸升角便于側翻土.為方便確定入土角與鏟胸升角參數的最小值取入土隙角β0為5°，故其關系與范圍為25°≤β≤β1≤65°，結構如圖5所示.

圖5 入土角與鏟胸升角示意圖

入土隙角β0為5°時，入土角為最小值25°.假設弧線O點為坐標原點，A點的縱坐標為入土角變化為鏟胸升角的臨界高度值，其大小約為三七主根系在土壤中所占高度，取值50 mm，A點橫坐標取值不能使β1大于65°，擬取值60 mm.故弧線上兩點坐標為O（0，0），A（60，50）.因此，假設OA圓弧線的方程為

式中：a，d為圓心O′的橫縱坐標；R為圓半徑，mm.將O，A兩點坐標帶入上式，初始入土角β取為25°，故

在OA圓弧又有以下性質：

由上式易得β1＝55°，滿足要求，最小入土角β與最小鏟胸升角β1分別為25°和55°.

2.2.4 翻土角參數的確定

3 田間性能試驗與分析

試驗于2016年1月12號在云南省文山州丘北縣白色姑村文山七丹藥業股份有限公司GAP三七種植基地使用4QD 170型三七收獲機進行.三七收獲期間的田間狀況調查如下：三七平均壟寬1 690 mm，平均壟高150 mm，三七的直徑為5～32 mm，三七和土壤混合層平均厚度為40～50 mm，土壤含水率為15.3%，容重為1.32 g·cm－3，土壤松散，黏性較小，土粒黏結力適中.為保證三七能完整挖出不被損傷，組合式挖掘鏟挖掘深度固定為200 mm，試驗裝置及試驗現場如圖6所示.

圖6 裝置試驗現場圖

3.1 試驗設計

為探討組合式挖掘鏟關鍵參數對三七挖掘的影響，進行二次正交旋轉組合試驗.試驗主要參數：三角平面鏟鏟面傾角、土壤破碎鏟入土隙角以及組合式挖掘鏟作業速度.試驗參數調整方案：①三角平面鏟鏟面傾角以二階面的第二個鏟面中的傾角α2為基準測試參數，組合式挖掘鏟與機器機架上不同位置的螺栓孔固定進行鏟面傾角的調節.②三角平面鏟與土壤破碎鏟的相對位置制作多個組合式挖掘鏟以調整土壤破碎鏟入土隙角.③通過拖拉機的行進速度調整組合式挖掘鏟的作業速度.各因素進行水平編碼如表1所示.

表1 因素水平編碼

3.2 挖掘率模型的建立與檢驗

三七挖掘率是衡量組合挖掘鏟性能最關鍵的參數，故本次試驗的響應值為挖掘率Y（在滿足挖掘率的前提下，對壅土程度作對比分析）.試驗方案及試驗結果如表2所示.

表2 試驗方案和結果

試驗后用Design Expert8.0.6軟件對數據進行處理，建立了回歸方程與優化方案，得到鏟面傾角、入土隙角、作業速度、對挖掘率Y的二次多元的回歸方程為

對上述回歸模型中各項回歸系數進行F檢查和方差分析，挖掘率方差分析的結果如表3所示.

表3 挖掘率的二次項模型方差分析

通過比較F值的大小可得到，影響挖掘率的因素由大到小為入土隙角、鏟面傾角、作業速度.

3.3 響應曲面分析

通過顯著性檢驗結果，交互作用對挖掘率影響顯著僅僅為x1x2.根據回歸模型式（14）且將作業速度控制在0水平，取值為0.8 m·s－1，如圖7所示.

總之，碳市場是個復雜、系統、長期的工程，它的發展必然是漸進的。合理有序發展碳市場有助于我國低成本實現減排目標，亦有助于國際談判與合作，體現出我國爭做全球氣候治理貢獻者和引領者的擔當，最終助力于全球應對氣候變化、實現低碳發展。

圖7 入土隙角與鏟面傾角對挖掘率的影響響應曲面

隨著鏟面傾角和入土隙角的增大，挖掘率先增大后減小，當鏟面傾角和入土隙角增大到一定程度時，部分三七與土壤混合物在未達到升運裝置上提前回落，致使挖掘率呈下降趨勢.從圖中的等高線看出，挖掘率沿入土隙角方向的變化速率比鏟面傾角方向的變化速率快，即入土隙角對挖掘率的影響大于鏟面傾角對挖掘率的影響.入土隙角在9°～11°，鏟面傾角在19°～21°時，組合式挖掘鏟的挖掘率高.

3.4 參數優化

為進一步優化組合式挖掘鏟的挖掘作業性能，使用Design Expert8.0.6軟件的尋優功能對組合式挖掘鏟進行優化.RSM預測尋優因數的取值范圍區間分別為鏟面傾角15°～25°，入土隙角5°～15°，作業速度0.60～1.00 m·s－1.其參數優化結果為鏟面傾角20°，入土隙角12°，作業速度0.75 m·s－1，挖掘率98.69%.

4 模型驗證與對比試驗

在滿足收獲率的前提下，機器壅土程度也對三七收獲機作業效率有著很大的影響.故采用參數優化后的組合式挖掘鏟和普通挖掘鏟進行模型驗證與對比試驗.普通挖掘鏟采用多鏟，為了有參照性，普通挖掘鏟鏟型選用本設計的三角平面鏟.

4.1 試驗方法

在實際生產中沒有成熟的三七收獲機，故仍使用4QD 170型三七收獲機，并通過更換兩種挖掘鏟來進行試驗.選取4QD 170三七收獲機前進速度為0.75 m·s－1，挖掘深度為200 mm，兩種鏟鏟面傾角都為20°，組合式挖掘鏟入土隙角為12°.各測試指標計算方法如下.

1）挖掘率.三七挖掘率是衡量組合挖掘鏟性能最關鍵的參數.其定義為挖掘鏟挖出的三七質量與未挖前三七總質量百分比.三七挖掘率計算方法為

式中：Y1為三七挖掘率，%；W1為掉落在地面上三七的總質量，kg；W2為收獲機停止作業時仍在升運裝置上三七的總質量，kg；W3為殘留在土壤中三七的總質量，kg.

2）有效作業距離.壅土一般是指收獲機在作業行進當中挖掘部件及其鄰近區域發生土壤滯留、壅堵造成機組無法完成正常收獲作業的現象.三七種植時往往需要覆蓋一層厚厚的松針葉［10］，用挖掘鏟進行收獲作業時較其他根莖類作物更容易引起壅土.本測試指標用三七收獲機開始能正常完成收獲作業到產生壅土現象無法作業的作業距離來衡量壅土程度.為方便測試，選用100 m為機組最大作業距離，當超過此距離有效作業距離用MAX表示，統計時按照100 m計算.有效作業距離計算方法如下：

式中：S為有效作業距離，m；L為挖掘鏟開始入土到壅土無法作業的距離，m；L0為挖掘鏟開始入土到開始穩定正常作業的距離，m；

4.2 試驗結果

根據以上分析，由人工觀察收獲情況并記錄計算三七在收獲后的挖掘率與有效作業距離，試驗結果見表4.

表4 對比試驗結果

由表4可以看出組合式挖掘鏟挖掘率為98.38%，挖掘率比較穩定，預測值與試驗結果很接近，驗證了模型優化的準確性.表中普通挖掘鏟挖掘率為98.04%也有很高的收獲率，但挖掘率不穩定，波動較大.

由表4還可以看出，組合式挖掘鏟的有效作業距離為93.1 m，遠大于普通挖掘鏟的62.8 m，證明組合式挖掘鏟壅土現象明顯低于普通挖掘鏟.這是由于組合式挖掘鏟中三角平面鏟間的迎土面由土壤破碎鏟所代替，土壤破碎鏟有破碎土壤減阻的作用，改善了三角平面鏟挖掘時的土壤條件，同時又較普通挖掘鏟減少了挖掘部件數量，掘起的土壤更少.故組合式挖掘鏟有效作業距離要遠大于普通挖掘鏟.

5 結 論

1）針對三七農藝要求，在滿足較高的收獲率且減輕壅土現象的問題下，設計了一種新型組合式挖掘鏟，并通過試驗驗證該組合式挖掘鏟的可行性.

2）建立了以挖掘率為響應值的回歸模型，分析得出了各因素對收獲率影響的主次順序為入土隙角、鏟面傾角、作業速度.通過模型中交互作用有顯著影響的因素，進行響應曲面分析，得出了鏟面傾角與入土隙角對挖掘率的變化規律.應用所建模型優化得到了最佳作業參數：鏟面傾角20°、入土隙角12°、作業速度0.75 m·s－1.田間試驗挖掘率達到98.38%，與模型優化結果相近，滿足作業要求.

3）組合式挖掘鏟較普通挖掘鏟挖掘率更加穩定，組合式挖掘鏟的有效作業距離為93.1 m，普通挖掘鏟為62.8 m.組合式挖掘鏟壅土現象要遠遠低于普通挖掘鏟，但與土壤、三七動力學特性更為復雜，適應性與可靠性還需要進一步驗證.

（References）

［1］ 盧汝梅，黃志其，李兵，等.三七化學成分［J］.中國實驗方劑學雜志，2016，22（7）：62－64.LU R M，HUANG Z Q，LIB，et al.Chemical consti tuents of notoginseng radix et rhizoma［J］.Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae，2016，22（7）：62－64.（in Chinese）

［2］ 熊敏琪，陳瑜，張騰.三七皂苷臨床應用的基礎研究進展［J］.中醫藥信息，2014，31（3）：119－124.XIONG M Q，CHEN Y，ZHANG T.Basic research ofPanax notoginsengsaponins in clinical application［J］.Information on Traditional Chinese Medicine，2014，31（3）：119－124.（in Chinese）

［3］ 武占東.基于TRIZ理論的三七收獲工藝及收獲機仿真研究［D］.昆明：昆明理工大學，2015.

［4］ SHMULEVICH I，ASAF Z，RUBINSTEIN D.Interaction between soil and a wide cutting blade using the discrete elementmethod［J］.Soil＆Tillage Research，2007，97（1）：37－50.

［5］ ABO ELNOR M，HAMILTON R，BOYLE JT.Simulation of soilblade interaction for sandy soilusing advanced 3D finite element analysis［J］.Soil and Tillage Research，2004，75（1）：61－73.

［6］ TSUJI T，NAKAGAWA Y，MATSUMOTO N，et al.3D DEM simulation of cohesive soil pushing behavior by bulldozer blade［J］.Journal of Terramechanics，2012，49（3）：37－47.

［7］ KARMAKAR S，KUSHWAHA R L.Dynamic modeling of soil tool interaction：an overview from afluid flow per spective［J］.Journal of Terramechanies，2006，43（4）：411－425.

［8］ 魏宏安，王蒂，連文香，等.4UFD 1400型馬鈴薯聯合收獲機的研制［J］.農業工程學報，2013，29（1）：11－17.WEIH A，WANG D，LIANW X，et al.Development of 4UFD 1400 type potato combine harvester［J］.Transac tions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29（1）：11－17.（in Chinese）

［9］ 鄭德聰，趙美香，陳恭良，等.4SB 800型半夏收獲機的設計［J］.農業工程學報，2007，23（10）：141－144.ZHENG D C，ZHAOM X，CHEN G L，et al.Design of 4SB 800 harvesting machine for pinellia ternate breit［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2007，23（10）：141－144.（in Chinese）

［10］ 楊然兵，范玉濱，尚書旗.動力圓盤式花生挖掘裝置的設計與效果試驗［J］.農業工程學報，2014，30（10）：29－36 YANG R B，FAN Y B，SHANG SQ.Design and effect test of dynamic disk digging equipment of peanut com bine［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricul tural Engineering，2014，30（10）：29－36.（in Chinese）

［11］ 崔秀明，朱艷.三七實用栽培技術［M］.福州：福建科學技術出版社，2013.

［12］ MCKYES E，ALI O S.The cutting of soil by narrow blades［J］.Journal of Terramechanics，1977，14（2）：43－58.

［13］ ITOM，SAKAIK，HATA S，et al.Damage to the surface of potatoes from collision［J］.Transactions of the ASAE，1994，37（5）：1431－1435.

［14］ 劉俊峰，楊欣，馬躍進，等.4U 1A型馬鈴薯收獲機的設計［J］.農業機械學報，2004，35（3）：181－186.LIU JF，YANG X，MA Y J，etal.Design of4U 1A type potato harvester［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2004，35（3）：181－186.（in Chinese）

［15］ 趙菲菲.牽引式三七收獲機的設計與試驗［D］.昆明：昆明理工大學，2016.

［16］ 張孝安.農業機械設計手冊［K］.北京：中國農業科學技術出版社，2007.

Design and experiment on combined digging shovel of Panax notoginseng harvester

ZHANG Dan1，ZHANG Zhaoguo1，CAO Yonghui2，WANG Faan1
（1.College of Modern Agricultural Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650500，China；2.Kunming Agricultural Mechanization Technology School，Kunming，Yunnan 650034，China）

To solve the soil heap problem before digging shovel ofPanax notoginsengmechanical harvesting，a new type of combined digging shovel with triangular plane shovel and soil crushing shovel was designed and investigated under the premise of not reducing harvest rate.The regression analysis and the response surface analysis were conducted by Design Expert 8.0.6 Software.The structure and the optimum working parameters of the combined digging shovelwere determined with shovel surface angle of 20°，buried gap angle of 12°and operation speed of 0.75 m·s－1.The results of field experiment show that the yield rate is 98.38%，and the correctness of regression model is verified to meet the operation requirements.The harvest effect comparison of the combined digging shovel with the common digging shovel shows that the combined digging shovel is more suitable forPanax notoginsengharvesting with better performance of harvest rate and problem solving of soil heap before digging shovel.

harvester；Panax notoginseng；soil crushing；combined digging shovel；experiment

10.3969／j.issn.1671－7775.2018.01.007

S225.7

A

1671－7775（2018）01－0038－07

張 丹，張兆國，曹永輝，等.三七收獲機組合式挖掘鏟設計與試驗［J］.江蘇大學學報（自然科學版），2018，39（1）：38－44.

2016－12－01

云南省重點新產品開發項目（2014BC007）

張 丹（1990—），男，湖北宜昌人，碩士研究生（443037720＠qq.com），主要從事農業機械裝備設計與制造的研究.

張兆國（1966—），男，山東單縣人，教授，博士生導師（通信作者，zhaoguozhang＠163.com），主要從事農業機械裝備設計與制造的研究.

（責任編輯 祝貞學）