黨參收獲滾筒式根土分離試驗臺的設計與試驗

閆帥，崔清亮，張燕青，李光，趙志宏，安楠

（山西農業大學農業工程學院，山西 太谷 030801）

黨參（Codonopsis pilosula）為多年生桔?？频牟荼舅幱弥参?，又名黃黨、上黨參、防黨參等，是中國藥典收錄記載的一種常用中藥材，主要種植在山西、甘肅、陜西等地［1-2］。臨床醫學上黨參應用很普遍，可以改善造血功能，也可以減緩應激反應給身體帶來的不適等［3-4］。目前黨參根土分離基本還是傳統的人工分離，挖掘出來的黨參，由于其根系復雜，往往包裹著大量土壤，使得人工分離工作強度大、效率低、損傷程度高，致使黨參種植的效益下降［5］。因此，研究設計黨參根土分離裝置，從而實現黨參收獲規?；?，保證醫療保健行業發展的需要［6］。

國外對根莖類藥材收獲分離裝置研究較少，國內主要通過擊打、碾壓、抖動等方式對根土復合體進行根土分離。岳園滿［7］通過輾輥碾壓和振動裝置振動實現甘草根土分離；陳學深［8］通過擊打輥對物料連續擊打實現根莖脫土；崔振猛［9］通過曲柄搖桿機構帶動振動篩往復運動實現的三七根土分離；武濤［10］通過碾壓及飛錘的擊打實現玉米根茬根土分離。由于黨參根莖較長，分根較多，根莖脆性較大，須根將土壤緊緊包裹在主根上，若使用以上分離方式會導致黨參根土分離裝置分離效率低下、損失率較高等情況。因此，確定分離裝置是黨參收獲機設計的關鍵，目前尚未發現采用滾筒裝置對根莖類中藥材進行根土分離的報道，根據實際工作需求，設計了滾筒式黨參根土分離裝置，對物料在滾筒內的運動軌跡進行分析，并用ANSYS 軟件驗證其結構的合理性，以分離率和損失率作為試驗指標搭建試驗臺進行試驗，確定最佳的結構參數和工作參數，為后續樣機試制提供技術參考。

1 根土分離裝置的技術要求

1.1 生產效率

根據實際收獲要求，確定處理效率為108 m3/h，即0.03 m3/s。

1.2 基本結構及參數要求

挖掘裝置工作幅寬為1.5 m，高度為1 m，根土分離裝置同挖掘裝置配合使用，為了保證結構緊湊，行走方便，分離裝置不宜過長。

2 試驗臺的結構組成與工作原理

2.1 試驗臺的結構組成

黨參收獲機根土分離裝置試驗臺總體結構如圖1 所示，該試驗臺主要由試驗臺架、支撐梁、運行軌道、篩網、聚氨酯輪、定滑輪、限位調節器、電機及變頻器等相關部件組成，運行軌道和支撐梁通過螺栓連接構成滾筒的框架，并用螺栓將篩網固定在外框架上。工作時，電機通過鏈條傳動，帶動聚氨酯輪的轉動，從而使得滾筒做圓周轉動，黨參根土復合體在滾筒內翻轉碰撞，從而實現黨參的根土分離。

圖1 黨參根土分離試驗臺三維模型Figure 1 Three-dimensional model of Codonopsis pilosula root-soil separation test bed

2.2 工作原理介紹

為了防止根系在分離裝置內纏繞，造成根莖大量損傷，設計外部機構進行傳動，由變頻器控制電機無極輸出，通過皮輪與滾筒運行軌道的摩擦實現滾筒運轉。聚氨酯作為皮輪的表皮材料，其彈性性能介于塑料和橡膠之間，具有耐磨，耐老化等特性。限位調節器可改變試驗臺傾斜度，使滾筒在不同傾斜角下運轉，確保根土復合體在滾筒內能夠有效分離及傳送。滾筒前段的根土復合體較大，為了保證分離滾筒的處理能力，避免篩孔堵塞，選用較大篩孔的篩網；后段采用較小篩孔的篩網，能夠防止黨參在根土分離過程中從篩孔大量遺漏。

3 分離滾筒結構的設計

3.1 黨參根土復合體在滾筒內運動分析

首先選取一個黨參根土復合體，在不考慮其軸向滑動的情況下，它在滾筒內的運動可以近似看作螺旋式拋物線運動［11］。在A 點建立平面坐標系，運動過程可以分為2 段即B 點到A 點的圓周運動和A點到B點的拋物線運動，圖2為根土復合體從A點脫離篩面作拋物線的運動軌跡。

圖2 根土復合體在滾筒內運動軌跡Figure 2 The trajectory of the root-soil complex in the roller

順時針從B點到A點的圓周運動方程為：

從A點到B點的拋物線運動方程為：

根據公式（1）和（2）可以求出拋物線運動與圓周運動的交點A和C的坐標。為了使黨參獲得更高的機械能，則需要A點和C點高度差最大，對拋物線方程進行求導得：

令公式（3）等于0時，得到最高點C的坐標，將C點坐標和B點坐標作差得：

當|yC-yB|＇=0時，獲得最大拋落落差高度，此時脫離角α=54.7 °。

當滾筒傾斜安裝時，根土復合體相鄰兩次下落的位置不同，在滾筒軸線方向存在位移，位移的大小l與滾筒的轉數n、傾斜角θ及滾筒的半徑r有關。黨參根土復合體實際運動軌跡為近似螺旋線的運動，任意相鄰兩拋落點的水平位移距離為：

3.2 分離滾筒的工作和結構參數

3.2.1 確定分離滾筒的填充比例 根土復合體在滾筒內壁上厚度較小，在篩網上碰撞機會較高，且在滾筒內的翻轉空間較大，不會造成篩網的堵塞，但這樣會使處理能力下降，因此滾筒內黨參根土復合體的填充比例對處理能力有較大影響，對分離效果也有一定影響。一般情況下，滾筒的填充比例不超過30%［12］。

3.2.2 確定分離滾筒的安裝傾斜角度 安裝傾斜角度對黨參根土分離的效率和處理能力有很大影響。當滾筒安裝傾斜角較大時，黨參根土復合體在滾筒軸線方向上運動較快，能夠在較短時間內完成根土分離，但黨參根土復合體與篩網碰撞次數明顯減少，導致分離效率降低。根據黨參根土復合體在篩網上的休止角測量，保證其不發生滑動或滾動時，傾斜角應該小于21°。通過對根土復合體進行撞擊試驗（圖3）及其在分離滾筒內運動軌跡計算（式5），為了讓黨參根土復合體在滾筒內充分分離且處理能力達到實際工作要求，安裝傾斜度應為3°～11°［13］。

圖3 根土復合體的撞擊試驗Figure 3 Impact test of root-soil complex

3.2.3 計算分離滾筒的直徑 分離滾筒直徑的大小直接影響黨參根土分離的效果及單位時間內處理根土復合體的能力。分離裝置需和挖掘裝置配套使用，挖掘裝置的工作幅寬1.5 m，對于滾筒來說直徑越大，分離效果和處理能力越好，但也會造成結構龐大、行走不便、振動劇烈等情況。根據國內外已有滾筒結構，用滾筒分離生活垃圾［14］，可為設計提供一定的參考依據。

式中：D為滾筒直徑，m；V為滾筒的最大處理量，（m3/h）；F為填充系數，取0.3；θ為滾筒的傾斜角，（°），θ=7°；K為速度修正系數，θ=7°時，K=1.85；g為重力加速度，m/s2，g=9.8 m/s2；

根據實際工作情況最大處理量V=108 m3/h，可得滾筒最大直徑D=1.2 m，由于黨參根土分離易于垃圾分離，取滾筒直徑1 m。

3.2.4 分析分離滾筒的轉速 分離滾筒的轉數是影響分離效果的一個重要工作參數，為了保證黨參根土復合體能夠充分分離，其在滾筒內應做拋物線運動（如圖2），根土復合體脫離滾筒的臨界條件為F≥N，即離心力F不小于重力的分力N，應滿足：

式中：m為根土復合體的質量，kg；v為根土復合體沿滾筒的切向線速度，m/s；整理得：

α=90°時，根土復合體到達M點不會拋落，由公式（8）可得滾筒的臨界轉數為當α=54.7 °，根土復合體單元體獲得最大拋落高度時，得n=0.76n＇，綜上所述，滾筒最佳轉數范圍在25～45 r/min。

3.2.5 確定滾筒有效分離區域的長度 滾筒的有效分離區域為篩網覆蓋的滾筒框架部分，不包括滾筒兩端的運行軌道。目前，滾筒主要用于生活垃圾的分離，其有效分離區域的長度設計為2D［15］（D為滾筒的直徑）。滾筒有效分離區域的長度越長，黨參根土復合體在滾筒內運動的時間也越長，根土的分離效果也越好。根據黨參根土復合體在傾斜滾筒內的運動軌跡分析（式4），將分離滾筒有效分離區長度暫定為1.4 m，通過試驗進一步確定最佳的尺寸。

3.2.6 確定滾筒的篩孔大小及篩網類型 篩孔的大小直接決定著黨參根土分離的效果和分離時根莖遺漏數量。黨參有著復雜根莖系統，根莖粗細不均，且略有彎曲，總寬度在15～20 mm 之間。當土壤含水率較大時，分離時圓形篩孔和條形篩孔容易出現堵塞，因此選用不銹鋼方形篩孔。在保證其處理能力的同時能夠把把較大的硬土塊快速分離出去，篩網前半段采用30 mm×30 mm 篩孔的篩網，后半段采用20 mm×20 mm 篩孔的篩網，防止黨參大量遺漏。

4 滾筒框架結構有限元分析

4.1 模型的前處理

滾筒框架材料選用Q235結構鋼，泊松比為0.3，彈 性 模 量 為 2.06×105N/mm2，密 度 為7.8×10-9t/mm2。分離滾筒在工作時，運轉平穩，沖擊小，因此將其作為靜力學問題進行有限元分析［16］。在圓柱坐標下約束滾筒兩端的軸向及徑向自由度，釋放滾筒的轉動自由度。

分離滾筒在運轉時，作用在滾筒的外載荷主要有滾筒框架自身重力及其離心力、篩網自身重力及其離心力、黨參根土復合體的重力及其離心力。滾筒框架的自身重力和離心力通過軟件輸入材料密度、重力及轉數來自動施加。由于篩網分布較密，篩網直徑較小，受力分析需要較小的網格，網格劃分量較大，因此將其看作外部載荷作用在滾筒框架上。根據滾筒運轉速度及根土復合體單位時間喂入量可知，黨參根土復合體進入滾筒后主要覆蓋在分離滾筒的3根支撐梁上，隨機選相鄰3根的支撐梁進行受力分析；根據黨參根土復合體在滾筒內運動軌跡分析以及碰撞試驗，大塊根土復合體主要分布在滾筒喂入口前60 cm內，在其上面施加均布載荷。

4.2 分析結果

4.2.1 滾筒框架變形量分析 滾筒框架總變形云圖如圖4所示，不同顏色對應不同的位移變化量。圖中Max 位置為變形量最大處，發生在支撐梁的中心位置附近，最大位移為0.49 mm，支撐梁變形量較小，滿足剛度要求。

圖4 滾筒框架總變形云圖Figure 4 Total deformation cloud of drum frame

4.2.2 滾筒框架的應力分析 滾筒框架總應力云圖如圖5所示，從圖中顏色分布可知滾筒框架的最大應力值及其位置。圖中Max 為應力集中處，位于運行軌道和支撐梁連接處，所受應力值為18.131 MPa；支撐梁所受最大應力值為10.073 MPa，位于支撐梁中心位置附近。

圖5 滾筒框架總應力云圖Figure 5 Cloud diagram of total stress of drum screen frame

由于滾筒運轉時筒內的應力不斷循環變化。因此計算疲勞極限許用應力σ-1時，取材料屈服應力σb的1/3［17］。

滾筒框架實際最大應力為18.131 MPa，低于材料的許用應力，安全系數為4.31，滿足強度要求。

5 根土分離裝置技術參數優化

5.1 黨參根土分離裝置試驗臺試制

對黨參根土分離裝置進行理論分析確定整機結構，通過ANSYS軟件進行靜力學分析保證其結構的合理性，根據其結構參數利用SolidWorks 軟件對各個零件進行三維建模，并進行CAD 繪圖，加工制造出黨參根土分離試驗臺（圖6），通過傳送臺架（圖7）將黨參根土復合體運送到分離滾筒內。

圖6 黨參根土分離試驗臺Figure 6 Codonopsis pilosula root-soil separation test rig

圖7 位于輸送臺架上的黨參根土復合體Figure 7 Codonopsis pilosula root-soil complex on the conveying platform

5.2 試驗材料

試驗黨參來源于山西長治黨參種植基地，移栽至山西農業大學試驗田，半年后通過鐵耙將黨參根土復合體挖掘出來，為了保持黨參根土復合體原有的水分，挖掘得到的黨參根土復合體需立即進行試驗。對收獲時黨參種植地的土壤基本特性進行測量（圖8），當種植深度為50 mm 時，測得土壤緊實度為0.31 MPa，土壤密度為1.4 g/cm3，土壤含水率為18.9%。

圖8 黨參種植地的土壤基本特性測量Figure 8 Measurement of soil basic characteristics in codonopsis pilosula planting area

5.3 試驗指標

根據黨參收獲的實際要求，參考甘草和黃芪收獲機分離裝置的評價標準，歸納出黨參收獲機分離裝置評價規范，即分離率≤95%，損失率≤5%，驗證該分離裝置的工作性能［18-19］。

1） 根土分離率。計算公式為：

式中：T1為黨參根土分離率，%；m1為試驗前黨參根土復合體總質量，kg；m2為試驗后土壤和黨參的質量，kg；m3為不含土壤的黨參根莖的質量，kg。

2） 黨參的損失率。損失包括根土分離過程中遺漏和損傷的根莖。遺漏指的是在根土分離過程中從篩網孔漏出的黨參根莖。根莖損傷以黨參根莖有破損、不完整或者分根拉斷為標準。其計算公式為：

式中：T2為損失率，%；m4為分離后損失的黨參質量，kg；m5為試驗黨參的總質量，kg。

5.4 單因素試驗

為了確定黨參根土復合體在分離滾筒的不同結構參數和工作參數下的分離效果，保證喂入量不變的情況下，驗證分離裝置設計的合理性，以分離滾筒的轉數、前段30 mm×30 mm篩孔的篩網長度、后段20 mm×20 mm篩孔的篩網長度以及滾筒傾斜角（°）為試驗因素，試驗時控制一個因素變化，其他的因素不發生變化，每次試驗重復3次，取平均值。通過調節變頻器控制分離滾筒的轉速，移動傳送臺架的位置來改變前段篩網的長度，在20 mm×20 mm 篩孔的篩網后段內壁包一層彩條布，實現該篩孔篩網長度的變化，通過調節試驗臺架的限位調節器控制分離滾筒的傾斜度。

1） 滾筒的轉數對分離效果的影響。試驗結果如圖9，隨著滾筒轉速增大，黨參的分離率先急速增大后減小，損失率先減小后增大。當分離滾筒的30～45 r/min，根土分離效果較好。

圖9 滾筒的轉速對分離效果的影響Figure 9 Influence of rotation speed of drum on separation effect

2） 前段30 mm×30 mm 篩孔的篩網長度對分離效果的影響。試驗結果如圖10，隨著前段30 mm×30 mm篩孔的篩網長度增加，分離率不斷增大，但整機不宜過長，當前段30 mm×30 mm篩孔的篩網長度在50 cm時，分離率已經達到了95.8%。隨著前段30 mm×30 mm 篩孔的篩網長度增加，黨參根土復合體在滾筒內運動時間較長，使得損失率上升，當前段篩網的長度為55 cm時，損失率為3.8%。

圖10 前段30 mm×30 mm篩孔的篩網長度對分離效果的影響Figure 10 The effect of the length of the front 30 mm×30 mm screen on the separation effect

3） 后段20 mm×20 mm 篩孔的篩網長度對分離效果的影響。試驗結果如圖11，后段20 mm×20 mm篩孔的篩網主要目的是減少分離過程中黨參根莖遺漏。隨著20 mm×20 mm篩孔的篩網長度不斷增加，分離率也不斷增加，但損失率也隨之增加，當后段篩網的長度為55 cm 時，分離率已達到96.1%，損失率為5.2%。

圖11 后段20 mm×20 mm篩孔的篩網長度對分離效果的影響Figure 11 Influence of mesh length of 20 mm×20 mm sieve hole on separation effect

4） 滾筒的傾斜度對分離效果的影響。試驗結果如圖12，傾斜度太小會降低根土復合體的分離能力，傾斜角太大會降低根土復合體的分離效果。隨著滾筒的傾斜角變大，分離率下降，損失率也明顯下降，當滾筒的傾斜度為7 °時，分離率為96.8%，損失率為3.5%。

圖12 滾筒傾斜度對分離效果的影響Figure 12 Influence of drum inclination on separation effect

5.5 正交試驗

通過單因素分析，確定了黨參根土復合體在不同結構參數和工作參數下分離裝置的分離效果，在此基礎上，對滾筒的轉速（r/min）、前段篩網的長度（cm）、后段篩網的長度（cm）及滾筒的傾斜角（°）這4個因素進行正交試驗，以分離率和損失率為指標，設計L9（34）正交表，各因素水平如表1 所示，黨參根土分離試驗結果如表2所示。

表1 黨參根土分離正交試驗的因素水平方案Table 1 Factor level scheme of codonopsis pilosula root soil separation orthogonal test

表2 黨參根土分離正交試驗結果Table 1 Orthogonal test results of Codonopsis pilosula root soil separation

直觀分析法可簡單的計算各因素對分離率和損失率的影響，通過極差R值的大小可知各因素對試驗結果的重要性［20］。由表1所示，各因素對分離率影響的主次順序為D＞C＞A＞B，即滾筒的傾斜角對分離率影響最大，其次是后段篩孔篩網長度，再次是滾筒的轉數，前段篩網長度的影響最??；各因素對損失率影響的主次順序為B＞D＞C＞A，即前段篩網長度影響對損失率最大，其次是滾筒的傾斜度，再次是后段篩網長度，滾筒的轉數影響最小。通過比較K值的大小，分離率最佳的組合為A2B3C3D1，損失率最佳的組合為A2B1C1D3，對A2B3C3D1組合進行試驗，分離率為98.2%，損失率為6.2%，不符合實際要求；對A2B1C1D3組合進行試驗，分離率為94.1%，損失率為2.3%，不符合實際要求。但正交設計表中A1B1C1D1、A2B1C2D3、A3B1C3D2均可滿足分離要求，為了適應復雜工作環境，采用較短的滾筒長度，即滾筒的轉速為30 r/min，前段篩網長度為50 cm，后段篩網長度為45 cm，滾筒的傾斜度為3°。

6 結論

根據實際工作需求，對黨參根土分離裝置進行結構設計，對黨參根土復合體在滾筒內運動及力學進行分析，并利用ANSYS軟件對該裝置進行有限元仿真，確定了試驗臺分離裝置結構。以黨參根土復合體為試驗材料，進行單因素試驗確定各因素水平范圍；進行正交試驗分析各因素對分離率及損失率的影響；通過優化分析，確定了試驗臺的最佳作業參數組合為：滾筒的轉數為30 r/min，前段30 mm×30 mm 篩孔的篩網長度為50 cm，后段20 mm×20 mm 篩孔的篩網長度為45 cm，滾筒的傾斜度為3°，在此條件下其分離率為95.7%，損失率4.1%，滿足設計要求。