深根茎类中药材挖掘与分离机构的工作原理与关键技术研究

我国是中药材种植和出口大国，特别是甘草、黄芪、防风等深根茎中药材，其发展扩种的瓶颈在于手工收获时用工量大，采用机械收获时挖掘阻力大、功耗高、根土分离效果差, 药材破损率高、品质低，经济效益差，亟需开展减阻挖掘、根土分离机构的工作机理研究。本项目研究双重振动减阻挖掘系统工作原理，建立挖掘阻力离散元分析模型，分析振动幅频特性、挖掘铲参数对挖掘阻力的影响规律。研究柔性双棘辊与栅条链输送机构的结构与运动参数，以及旋转弹性网、柔性仿生打击锤和振动筛的工作机理，建立根土输送和分离效果的评价模型，运用EDEM离散元软件，分析在振动作用下中药材的无损伤输送，以及与土块和石块的低损伤高效分离。通过模型优化，运动仿真和试验分析，揭示深根茎中药材收获过程中的挖掘、输送和分离规律，提出设计方法。研制出性能优良的新型减阻挖掘、柔性输送和低损伤分离装置，为深根茎中药材及根茎类作物收获机械的研制提供科学的理论依据。

深根茎类药材根系入土深、生理层构复杂、固土机理多样，现有的技术及装备难以解决挖掘阻力大、输送效率低、根土分离效果差等技术瓶颈，制约了机械化收获的发展。项目组在4年的科研基础上，针对深根茎类药材特有的生理特征，提出一套“双重振动减阻、双级柔性输送、复式根土分离”的新模式，为机械化收获提供了基础。.采用试验方法获得典型深根茎药材的物理特性，为挖掘、输送与根土分离部件的研究奠定了初步基础。基于双杆机构建立了双重振动挖掘机构的实体模型，通过动力学仿真，量化振动位移及加速度值；田间试验表明，在总功耗基本保持不变的情况下，振动与无振动挖掘机构相比，能有效减少牵引阻力达10%～20%。剖析了双级振动柔性输送的工作机理，建立了抛掷、正向和反向滑行等运移过程的理论模型，并对影响因素进行曲线拟合，优化了工作参数，为药材收获机柔性输送部件参数优化提供理论参考依据；田间试验表明，在挖深25cm，前进速度为0.53m/s，振动频率为5Hz，可以达到较好的挖掘、输送和部分根土分离效果。.针对深根茎类中药材根土分离的技术难题，从根系加筋、锚固等固土机理入手，对固结壤体属性予以类别，引入介观尺度，采用EDEM软件建立对应的离散元模型，根据壤体颗粒间的场变化和断裂力链数量、生成及分布规律，从细观角度揭示脱土部件结构及脱土方式与土壤破碎程度、失效形式之间的内在联系。.在此基础上，搭建根土分离性能动态分析试验台，根据性能指标，进行多目标优化分析，揭示脱土、翻转、运移作业对脱土性能指标的交互耦合关系，研制实现不同根茎类中药材的脱土装置，验证了碾压、抛扔、击打、旋梳等单一及交互脱土方式对壤体的破坏规律。试验表明，所研制的根土分离装置能满足实际生产要求。项目运行期间，发表论文11篇（EI收录4篇），申报专利5件（已获发明专利1件、实用新型2件），培养研究生毕业获学位2人（博士1人）；通过根茎类中药材挖掘、输送与根土分离等过程的机理分析，完成深根茎类中药材挖掘与输送、根土分离装置研制5台套（挖掘与输送装置2套、根土分离装置3套），揭示了深根茎中药材收获过程中的减阻挖掘、柔性输送和高效分离规律，提出设计了方法，为深根茎中药材及根茎类作物收获机械的研制提供科学的理论依据，研究成果具有应用前景。