根茎类中药材仿生挖掘铲的设计与试验

Design and research of bionic digging shovel for rhizome Chinese herbal medicine

摘要

目的 针对挖掘阻力制约根茎类中药材收获机械发展这一问题。 方法 基于蝼蛄前足趾构型，设计了一种仿生挖掘铲。通过CAXA软件获取前足爪趾轮廓曲线，利用MATLAB进行轮廓曲线的提取，并借助EXCEL得到拟合曲线方程；根据轮廓曲线在SolidWorks建模软件中建立仿生挖掘铲模型，采用ANSYS Workbench软件对挖掘铲进行应力应变分析；最后通过土槽和田间试验检测挖掘铲减阻效果和挖掘性能。 结果 仿真结果表明，仿生挖掘铲强度能达到使用性能要求；环形土槽试验表明，仿生挖掘铲相较于平面铲具有一定的减阻功效；田间试验表明，仿生挖掘铲具有良好的挖掘效果。 结论 在铲面末端高度100mm到160mm的范围内，仿生铲所受阻力均小于平面铲，该研究能为根茎类药材收获机减阻降耗提供理论参考和设计依据。

Abstract

Objective This study was conducted to solve the problem that digging resistance restricts the development of harvesting machinery for rhizome Chinese herbal medicine. Method A bionic digging shovel was designed based on the front claw configuration of Gryllotalpa orientalis Burmeistr；the contour curve of the front claw toe was obtained by using CAXA software；MATLAB was used to extract the contour curve，and EXCEL was used to get the fitting curve equation.The model of bionic shovel was established by using SolidWorks software according to the contour curve；the stress and strain of the shovel were analyzed by ANSYS Workbench software.Finally，the drag reduction effect and digging performance of the digging shovel were tested by annular soil bin and field experiment. Result The simulation results showed that the strength of the bionic shovel could meet the performance requirements.The annular soil bin test showed that the bionic shovel had a certain drag reduction effect comparing with the plane shovel.Field experiments showed that bionic digging shovel has good digging effect. Conclusion The resistance of the bionic shovel was less than that of plane shovel when the height of the shovel surface end ranged from 100 mm to 160 mm.This study can provide theoretical reference for the design of harvesting machine of the rhizome Chinese herbal medicine，which was featured by a reduced drag and energy consumption.

Graphical abstract

关键词

中药材 / 挖掘铲 / 仿生设计 / 减阻 / 土槽

Key words

Chinese herbal medicine / digging shovel / bionic design / drag reduction / soil bin

甘肃是我国中药材的优势产区之一，素有“千年药乡”“天然药库”等美称，受其独特的气候条件和水热资源的影响，已成为我国中药材的优势产区和生产大省，并在全国都具有明显的竞争优势^［1］，但目前中药材的主要收获方式仍是以人工挖掘为主，而对于根茎类药材，人工作业难以在不影响药材品质的基础上将其完整挖出，这严重影响药材整体的产量和品质，以及农民的经济效益。

现有的根茎类中药材挖掘机普遍是以薯类挖掘机为原型的改款，作业深度难以满足根茎类药材的挖掘要求，挖掘阻力较大，导致拖拉机功耗过高。近年来，很多学者都将仿生学运用于农业机械部件的设计中，并取得了一定的成果^［2-3］，利用逆向工程技术，通过形态仿生和构形仿生脱附减阻，设计出的仿生铲各方面性能都优于普通挖掘铲^［4-8］。因此，设计一种能够减小挖掘阻力的仿生挖掘铲，对推动中药材产业的发展具有一定的现实意义^［9-10］。

本文针对根茎类药材的特性，基于蝼蛄前足趾的构型，进行仿生挖掘铲的设计，利用SolidWorks软件建立挖掘铲模型，采用ANSYS对挖掘铲模型进行应力应变分析，最后通过仿真和试验，验证挖掘铲的减阻性和可行性。

1 仿生对象

1.1 仿生对象选择

现代仿生学研究表明，自然界中的某些动物在经过长期的土壤环境生活后，身体的某些器官发生了进化，表现出了优秀的挖掘功能，使其在挖掘过程中能够获得最低的挖掘阻力和较高的挖掘效率。

蝼蛄作为一种土栖昆虫，是典型的土壤动物，依靠食用地下的植物根茎生存，经过长期的进化之后，其前足的行走能力逐渐消失，进化为挖掘足，具有良好的挖掘能力。在土质松软的农田里，蝼蛄的掘进速度能达到20 cm/min，快速的掘进方式可以防御天敌。不同于鼹鼠和蚯蚓在土壤中的掘进方式，蝼蛄主要依靠其前足在土壤中的扩张，不仅挖掘速度快而且对土层表面的土壤扰动较小^［11］。通过观察蝼蛄前足的结构后发现，其前足爪趾的正向和侧向形状均为弧形曲面^［12-13］，这种独特结构比较适合在土壤中进行挖掘且阻力较小，并且由于两个方向的形状均为楔形，且角度约为30°，其独特的结构能够减小蝼蛄在挖掘时的土壤摩擦力和土体堆积。因而，本文选择参照东方蝼蛄前足爪趾的结构进行仿生挖掘铲的设计。

1.2 蝼蛄爪趾轮廓曲线提取与拟合

由于蝼蛄前足爪趾的轮廓曲线不便于直接提取，通过显微镜照片将蝼蛄前足爪趾的图像导入CAXA电子图板使用样条曲线工具进行轮廓形状拟合，红色曲线为拟合后的形状。

将CAXA电子图板拟合后的曲线导入MATLAB，使用MATLAB中的曲线坐标提取工具分别对两条曲线的坐标进行提取。选择左上方边界坐标为（0，10），右下方边界坐标为（10，0），进行坐标转化，建立的坐标系如图2所示。

坐标系建立后，分别对2条曲线的坐标进行提取，删除提取曲线中的杂点，步长过大时增加相应提取点，处理后的上下轮廓曲线如图3所示，然后将上下轮廓曲线的对应坐标导出并保存在Microsoft Office Excel中。

通过Excel坐标点数据，进行二项式拟合，得到轮廓曲线方程。

上轮廓曲线方程为：

y=0.034x² -0.156x+3.792

拟合度：R²=0.991

下轮廓曲线方程为：

y=0.056x² -0.116x+1.556

拟合度：R²=0.998 5

拟合后两方程的回归系数R² 均大于99%，拟合度较高，具有一定的可靠性，可用于仿生铲的设计。

2 仿生挖掘铲的设计

2.1 结构设计

一般挖掘铲铲刃为三角形，挖掘出的沟底为V形（图4-A），虽然铲尖可以到达较深的挖掘位置，但两侧挖掘位置较浅容易损伤根茎。若是要达到足够的挖掘深度要求铲面形状为“U”形，因此，设计梯形铲尖仿生挖掘铲，在满足挖掘深度的条件下能够更好挖掘前方土壤，保证铲刃处的中药材根茎可以被完整的挖出，设计的仿生挖掘铲铲尖如图4-B所示。

基于平面铲结构，将提取到的蝼蛄前足爪趾曲线应用于平面单铲的侧面轮廓上。通过SolidWorks软件将轮廓曲线应用到挖掘铲模型设计，建模后的仿生挖掘铲结构如图5所示。

2.2 尺寸设计

根茎类挖掘机械挖掘铲入土切削角θ一般为15°~25°之间，因此设计该仿生挖掘铲的入土角θ可调范围为15°~25°。

挖掘铲长度的设计能直接影响到其上方是否受根茎混合物和地表杂草的壅堵。长度的设计主要由铲面末端至水平地面的垂直高度h和挖掘铲铲面倾角α决定^［14］。

铲面末端水平高度h过小可能会导致分离筛触底损坏，而过大则会导致挖掘装置阻力增加，不利于铲面土壤流动，故设计铲面末端水平高度为150 mm；对于挖掘铲铲面倾角α，如图6所示，通过分析工作时的阻力，建立如下方程^［15-18］：

\left\{\begin{array}{c}P\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -f-G\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha =\mathrm{0}\\ N-G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -P\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha =\mathrm{0}\end{array}\right.

式中：P为挖掘铲挖起药土混合物所承受的力，N；f为摩擦力，N；G为挖掘铲上的土壤重力，N；N为曲面铲对药土混合物的反作用力，N；α为挖掘铲铲面倾角，（°）；ε为根茎混合物对挖掘铲的摩擦因数

\epsilon =\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha

最后得到挖掘铲铲面倾角α为

\alpha =\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\frac{P-\epsilon G}{\epsilon P+G}

通过计算可得，挖掘铲铲面倾角α的角度设计为30°~42°之间，能够有效避免挖掘铲过长所造成的壅堵，并且保证挖掘铲后端有足够的垂直高度。

3 挖掘铲力学分析

3.1 模型搭建及材料选用

仿生挖掘铲最大挖掘深度接近40 cm，所受阻力较大，因此需要对其结构进行静力学分析，找到该仿生挖掘铲的薄弱环节，进行优化改进，防止其在耕作过程发生损坏，提高其结构强度和可靠性。

仿生挖掘铲根据设计尺寸使用SolidWorks对其进行模型建立，由于该仿生挖掘铲为平面多铲。在分析过程中，取其中一片进行静力学分析即可，铲架也同样简化取整体铲架其中一段。模型建立后将挖掘铲和铲架进行装配，另存为.IGES格式，完成后的模型如图7所示。

在ANSYS Workbench中将建立好的模型导入，对材料进行设置，铲架材料选择45^#钢，仿生挖掘铲材料为65Mn。2种材料参数如表1所示。

3.2 网格划分及载荷添加

挖掘铲静力学分析中，主要研究仿生挖掘铲的受力情况，需要对挖掘铲网格划分进行细化，网格尺寸为5 mm，铲架网格则选择自动划分。网格划分完成后统计网格个数，合计单元数为24 344个，合计节点个数为41 768个，其网格结构如图8所示。

在Static structural选项中，添加约束和载荷。选择铲架后端的位置为约束位置，在铲面添加大小为5 000 N的载荷，应力方向垂直于铲面。

3.3 仿生铲应力分布与变形

在添加总变形Total deformation和等效弹性应变Equivalent elastic strain后，经过软件运算后发现，在结构分析-总体形变分析中，最大形变量为8.53 mm，发生在仿生挖掘铲铲尖位置，结果如图9所示。

弹性形变分析中，最大形变量为0.12 mm，如图10所示，发生在仿生挖掘铲安装孔和铲架后端连接位置，但变形量较小，可以满足根茎类药材收获作业需求。

综上分析，再通过热处理工艺，仿生挖掘铲材料选择65Mn，铲架选择45^#钢，可以满足根茎类药材收获作业要求。

4 土槽试验

4.1 试验设备

针对根茎类中药材仿生挖掘铲，采用环形土槽进行试验测试，如图11所示，小型试验环形土槽的结构主要由环形土槽、挖掘测试机构、动力系统、以及挖掘测试数据采集系统等几部分构成，土槽内土壤高度可根据试验需求进行填充。其工作原理为：由电动机将动力传至蜗轮蜗杆减速机，输出转速经减速机降速并增大扭矩后对动力输出方向进行转换，带动挖掘测试机构围绕环形土槽运动，挖掘测试机构上安装的扭矩传感器，可将测定扭矩参数传输到数据采集系统上，数据经无线传输可直接在系统自带显示器或计算机上显示出扭矩曲线。

整个土槽试验台安装1组挖掘测试机构，挖掘铲铲架安装至扭矩传感器上，挖掘深度随着铲架上下移动进行调节。为防止仿生挖掘铲在挖掘测试后造成土壤侧壁耕作硬化，在挖掘测试机构后安装深松装置，对仿生挖掘铲挖掘后的土壤进行深松，然后经整形镇压装置对耕作表面土壤进行整形镇压。整个测试装置的转速由变频器频率控制，频率控制范围为0~50 Hz。

4.2 试验条件与方案

试验通过对平面三角铲和仿生铲进行对比研究，于试验开始前对试验土槽内进行土壤填充，土槽高度为500 mm，填充土壤高度为400 mm。试验前在土槽内洒水以提高土壤水分，并将土壤翻松耙平，使用YGS-505触屏快速水分仪和土壤坚实度测定仪分别对试验土槽内土壤水分和土壤坚实度进行测量，分别取土槽内4个位置的水分和土壤坚实度取其平均值为试验土槽内实际土壤的水分和坚实度，最终得到的平均土壤水分和土壤坚实度为分别为10.3%和3.8 kg/cm³。

本试验中前进速度为0.6 m/s，即仿生挖掘铲的线速度v₀ 为0.6 m/s，又因为仿生挖掘铲环绕土槽试验台的半径r为1 m，所以挖掘测试机构的转速n₀ 为：

n_{\mathrm{0}}=\frac{v_{\mathrm{0}}}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}=5.73（r/min）

受仿生挖掘铲铲面为曲面的影响，所以设计试验时依据挖掘铲末端高度进行，分别测试末端高度80、100、120、140、160 mm时仿生挖掘铲和平面挖掘铲的阻力大小。

4.3 试验过程

试验土壤为黄绵土，试验用挖掘铲为仿生挖掘铲和平面三角铲2种，其结构如图12所示。分别将两种挖掘铲安装至铲架，按试验方案调整挖掘铲角度，调整完成后将铲架安装在扭矩传感器上调整入土深度，调整至与边沿垂直距离为400 mm，实际入土深度为300 mm。按照试验方案分别调整挖掘铲铲面倾角，采集试验数据。

采集完试验数据，经计算机整理好后导出，由于采集到的数据为扭矩，将其换算为阻力数据，进行整理，其数据如图13所示。

如图13-A所示当挖掘铲铲面末端高度为80 mm时，仿生挖掘铲阻力在650 N上下波动，而平面三角铲阻力在450 N上下波动，仿生挖掘铲所受阻力大于平面三角铲阻力。

如图13-B所示，当挖掘铲铲面末端高度为100 mm时，仿生挖掘铲阻力和平面三角铲阻力均在550 N上下波动，仿生挖掘铲所受阻力略小于平面三角铲阻力。

如图13-C所示，随着铲面末端高度上升至120 mm时，仿生挖掘铲所受阻力远小于平面三角铲所受阻力，仿生挖掘铲受力为400 N左右，而平面三角铲受力则在600 N左右波动。

如图13-D所示，当铲面末端高度继续上升到140 mm时，仿生挖掘铲所受阻力上升至570 N左右，而平面三角铲受力达到600 N左右，平面三角铲受力大于仿生挖掘铲受力。

如图13-E所示，当铲面末端为160 mm时，仿生挖掘铲受力为650 N左右，而平面三角铲受力则达到750 N。随着铲面末端高度的提升，仿生挖掘铲阻力均小于平面三角铲阻力。

基于同样的土壤条件下，通过对两种挖掘铲进行试验后得出，当铲面末端高度大于100 mm后，仿生挖掘铲阻力开始小于普通平面挖掘铲，随着末端高度的不断增大，仿生铲的阻力也均小于平面铲，因此，设计的根茎类中药材仿生挖掘铲具有一定的减阻效果。

5 田间试验

加工设计好的仿生挖掘铲，并更换至配套的中药材收获机上，于2021年10月在甘肃省定西市陇西县通安驿镇进行田间性能试验。该地平均海拔2 109 m，年平均气温5.7 ℃，年平均降水量400 mm，全年无霜期138 d，土壤为黄绵土，土壤平均含水率为12.74%，容重为1.03~1.24 g/cm³，坚实度<320×10³ Pa，主要以露地平作模式为主，挖掘对象为黄芪。试验前先用耕整机械翻耕整地，收获机配套动力为东方红904拖拉机，发动机标定功率为（12 h）66.15 kW，配套根茎类药材收获机的幅宽为1.3m，安装仿生挖掘铲，长度为220 mm，宽度为140 mm，挖掘铲铲面倾角为40°，进行田间试验，田间作业情况如图14所示。

试验根据标准《NY/T 3481-2019 根茎类中药材收获机 质量评价技术规程》和农业机械推广鉴定大纲《DG/T 189-2019 药材挖掘机》对配套中药材收获机的明茎率、伤损率和挖掘深度进行测定，同时对设计的仿生挖掘铲工作情况进行研究。

随机在田间选择50 m的种植区域进行试验检测，两端稳定区不小于10 m，宽度不小于作业幅宽的8倍。试验时测往返两个行程，每个行程随机选择3个小区，每个小区长3 m，收集各小区内地表的长根茎药材计算明茎率、伤损率，计算方法如下^［19-20］：

W_{\mathrm{1}}(\mathrm{\%})=\frac{M_{\mathrm{1}}}{M}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

式中：W₁ 为明茎率，%；M₁ 为明茎质量，kg；M为挖掘机收集的总根茎质量，kg。

W_{\mathrm{2}}(\mathrm{\%})=\frac{M_{\mathrm{2}}}{M}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

式中：W₂ 为伤损率，%；M₂ 为伤损根茎质量，kg。

挖掘深度计算方法为作业后每个行程测定11点，在每点的工作幅宽上测定挖掘深度，即沟底到地表面的垂直距离。

H=\frac{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{H}_i}{n}

式中：H为挖掘深度平均值，mm；N为测点点数，个；H_i 为第i个点的挖掘深度，mm。

测试的中药材挖掘机的试验结果如表2所示。

通过田间试验测定的中药材收获机所得的明茎率，伤损率和挖掘深度均满足国家和行业标准。在挖掘深度较大时，设计的仿生挖掘铲可靠性较高，无故障发生，并且挖掘过程更加顺畅，无壅堵现象，具有良好的挖掘效果。

6 结论

为解决传统根茎类中药材收获机挖掘铲阻力大、碎土性能差等问题，本文以平面三角铲为基础，利用MATLAB软件对东方蝼蛄前足爪趾的轮廓曲线坐标进行提取并拟合，得到其轮廓曲线的拟合方程。并以拟合方程为仿生原型，设计了一种根茎类中药材的仿生挖掘铲。

1） 通过分析东方蝼蛄前足爪趾的结构对蝼蛄在土壤中挖掘时的阻力影响，使用MATLAB对蝼蛄前足爪趾的曲线进行拟合，得到曲线方程，并将曲线应用到平面三角铲侧面轮廓，得到一种根茎类药材仿生减阻挖掘铲。

2） 通过应力应变分析发现，仿生挖掘铲变形最大位置为铲尖，最大变形量为8.53 mm，在等效弹性形变分析中，最大应力位置和最大形变位置位于挖掘铲安装孔位置和铲架末端连接位置。因此，在仿生挖掘铲加工时，选择材料为65Mn，数控折弯后对其进行调质处理，提高其强度及韧性，以达到使用性能要求。同时，对挖掘铲刃口位置进行发黑处理，可以有效提高刃口的抗氧化和抗腐蚀能力。

3） 通过环形土槽试验，相较于普通平面挖掘铲，仿生挖掘铲具有一定的减阻性能，在铲面末端高度100~160 mm的范围内，仿生铲所受阻力均小于平面铲。

4） 通过田间试验，在较大的挖掘深度时，设计的仿生挖掘铲工作稳定，可靠性较高，具有良好的挖掘效果。

参考文献

[1] 刘鹏霞，郑晓莉.甘肃省根茎类中药材机械化收获发展现状［J］.农业机械，2017（7）：109-111.

[2] Ren L Q， Han Z W， Li J Q，et al.Experimental investigation of bionic rough curved soil cutting blade surface to reduce soil adhesion and friction［J］.Soil and Tillage Research，2004，85（1）： 1-12.

[3] Tong J， Guo Z J， Ren L Q，et al.Curvature features of three soil-burrowing animal claws and their potential applications in soil-engaging components［J］．International Agricultural Engineering Journal，2003，12（3）：119-130．

[4] 石林榕，孙伟，王蒂，等.马铃薯仿生挖掘铲片的设计与仿真［J］.干旱地区农业研究，2014，32（1）：268-272.

[5] Liu S H， Weng S J， Liao Y L，et al.Structural Bionic Design for Digging Shovel of Cassava Harvester Considering Soil Mechanics［J］.Applied Bionics and Biomechanics，2014（11）：1-11.

[6] 赵萍，赵吉喆，樊昱，等.马铃薯仿生挖掘铲的设计与有限元静力学分析［J］.中国科技论文，2017，12（22）：2543-2548.

[7] Fan Y， Zhao P， Qiu L，et al.Simulation analysis and experiment on performance of bionic potato digging shovel［J］.International Agricultural Engineering Journal，2019，28（1）：208-218.

[8] 李长铭.仿生蝼蛄花生挖掘铲的设计与分析［D］.沈阳：沈阳农业大学，2018.

[9] 陈秉聪，任露泉，徐晓波，等.土壤粘附仿生研究（二） 典型土壤动物体表形态减粘脱土的初步研究［J］.农业工程学报，1990，（2）：1-6.

[10] 任露泉，徐晓波，陈秉聪，等.典型土壤动物爪趾形态的初步分析［J］.农业机械学报，1990，（2）：44-49.

[11] 佟金，高吭，孙霁宇.东方蝼蛄前足爪趾结构与表皮纳米力学性能［J］.农业机械学报，2009，40（5）：190-193.

[12] 高吭.东方蝼蛄（Gryllotalpa orientalis Burmeister）：特征、功能、力学及其仿生分析［D］.长春：吉林大学，2009.

[13] 李晓鹏，廖敏，胡奔，等.马铃薯仿生挖掘铲片及其减阻特性研究［J］.农机化研究，2019，41（6）：19-25.

[14] 陈威，曹成茂，等.太子参联合收获机挖掘铲的设计与试验［J］.甘肃农业大学学报，2021，56（4）：178-184.

[15] 孙伟，王虎存，赵武云，等.残膜回收型全膜覆土垄播马铃薯挖掘机设计与试验［J］.农业机械学报，2018，49（9）：105-114.

[16] 吕金庆，田忠恩，杨颖，等.4U2A型双行马铃薯挖掘机的设计与试验［J］.农业工程学报，2015，31（6）：17-24.

[17] 张兆国，王海翼，李彦彬，等.多级分离缓冲马铃薯收获机设计与试验［J］.农业机械学报，2021，52（2）：96-109.

[18] 戴飞，郭笑欢，赵武云，等.帆布带式马铃薯挖掘-残膜回收联合作业机设计与试验［J］.农业机械学报，2018，49（3）：104-113.

[19] NY/T 3481-2019 根茎类中药材收获机质量评价技术规程 ［S］.

[20] 中华人民共和国农业农村部. DG/T 189-2019药材挖掘机 ［S］.2019.

基金资助

甘肃省科技重大专项项目(22ZD6NA046)

甘肃省教育厅产业支撑计划项目(2022CYZC-42)

甘肃农业大学自列项目(GSAU-ZL-2020-01)