党参收获滚筒式根土分离试验台的设计与试验

Design and testing of a drum-type root-soil separator for Codonopsis pilosula harvesting

摘要

目的 党参收获缺乏适宜的机械，针对党参收获过程根土分离环节存在的问题，设计了一种滚筒式党参根土分离试验台。 方法 根据实际工作需求，对分离滚筒进行结构设计，对分离滚筒里的物料进行运动轨迹分析；利用ANSYS软件对该分离滚筒进行静力学仿真，保证分离装置结构的合理性。 结果 以人工挖掘的党参根土复合体作为试验材料，进行单因素试验分析各因素变化水平，通过正交设计试验得到最佳作业参数为分离滚筒的转速为30 r/min，前段30 mm×30 mm筛孔的筛网长度为50 cm，后段20 mm×20 mm筛孔的筛网长度为45 cm，分离滚筒的倾斜度为3°，在此条件下其分离率为95.7%，损失率4.1%，满足设计要求。 结论 通过试验，党参根土复合体分离效果较好，可为党参收获机设计提供依据。

Abstract

Objective Codonopsis pilosula harvesting is labor-intensive，time-consuming，and lacks suitable machinery. This study aimed to address the problem of the root and soil separation in the process of Codonopsis pilosula harvesting by designing a roller-type test bench for root and soil separation. Method The separation cylinder structure was designed and the material movement track analysis was carried out according to actual work requirements.The statics simulation of the separation drum was conducted using ANSYS software to ensure the rationality of the screening device structure. Result One way ANOVA was performed to analyze the level of change of various factors with manually excavated Codonopsis pilosula root-soil complex. The optimal operation parameters obtained by orthogonal design test were as follows：the rotation of the separation drum was 30 r/min，the length of the front 30 mm×30 mm screen was 50 cm，the length of the back 20 mm×20 mm screen was 45 cm，and the inclination of the separation drum was 3°.Under such conditions，the separation rate was 95.7%，and the loss rate was 4.1%，meeting the design requirements. Conclusion The results indicated that the roller-type test bench for root and soil separation had a better effect on Codonopsis pilosula root-soil complex，providing a basis for the design of a Codonopsis pilosula harvester.

Graphical abstract

关键词

党参 / 收获 / 分离装置 / 静力学仿真 / 试验分析

Key words

Codonopsis pilosula / harvest / separation drum / statics simulation / test analysis

党参（Codonopsis pilosula）为多年生桔梗科的草本药用植物，又名黄党、上党参、防党参等，是中国药典收录记载的一种常用中药材，主要种植在山西、甘肃、陕西等地^［1-2］。临床医学上党参应用很普遍，可以改善造血功能，也可以减缓应激反应给身体带来的不适等^［3-4］。目前党参根土分离基本还是传统的人工分离，挖掘出来的党参，由于其根系复杂，往往包裹着大量土壤，使得人工分离工作强度大、效率低、损伤程度高，致使党参种植的效益下降^［5］。因此，研究设计党参根土分离装置，从而实现党参收获规模化，保证医疗保健行业发展的需要^［6］。

国外对根茎类药材收获分离装置研究较少，国内主要通过击打、碾压、抖动等方式对根土复合体进行根土分离。岳园满^［7］通过辗辊碾压和振动装置振动实现甘草根土分离；陈学深^［8］通过击打辊对物料连续击打实现根茎脱土；崔振猛^［9］通过曲柄摇杆机构带动振动筛往复运动实现的三七根土分离；武涛^［10］通过碾压及飞锤的击打实现玉米根茬根土分离。由于党参根茎较长，分根较多，根茎脆性较大，须根将土壤紧紧包裹在主根上，若使用以上分离方式会导致党参根土分离装置分离效率低下、损失率较高等情况。因此，确定分离装置是党参收获机设计的关键，目前尚未发现采用滚筒装置对根茎类中药材进行根土分离的报道，根据实际工作需求，设计了滚筒式党参根土分离装置，对物料在滚筒内的运动轨迹进行分析，并用ANSYS软件验证其结构的合理性，以分离率和损失率作为试验指标搭建试验台进行试验，确定最佳的结构参数和工作参数，为后续样机试制提供技术参考。

1 根土分离装置的技术要求

1.1 生产效率

根据实际收获要求，确定处理效率为108 m³/h，即0.03 m³/s。

1.2 基本结构及参数要求

挖掘装置工作幅宽为1.5 m，高度为1 m，根土分离装置同挖掘装置配合使用，为了保证结构紧凑，行走方便，分离装置不宜过长。

2 试验台的结构组成与工作原理

2.1 试验台的结构组成

党参收获机根土分离装置试验台总体结构如图1所示，该试验台主要由试验台架、支撑梁、运行轨道、筛网、聚氨酯轮、定滑轮、限位调节器、电机及变频器等相关部件组成，运行轨道和支撑梁通过螺栓连接构成滚筒的框架，并用螺栓将筛网固定在外框架上。工作时，电机通过链条传动，带动聚氨酯轮的转动，从而使得滚筒做圆周转动，党参根土复合体在滚筒内翻转碰撞，从而实现党参的根土分离。

2.2 工作原理介绍

为了防止根系在分离装置内缠绕，造成根茎大量损伤，设计外部机构进行传动，由变频器控制电机无极输出，通过皮轮与滚筒运行轨道的摩擦实现滚筒运转。聚氨酯作为皮轮的表皮材料，其弹性性能介于塑料和橡胶之间，具有耐磨，耐老化等特性。限位调节器可改变试验台倾斜度，使滚筒在不同倾斜角下运转，确保根土复合体在滚筒内能够有效分离及传送。滚筒前段的根土复合体较大，为了保证分离滚筒的处理能力，避免筛孔堵塞，选用较大筛孔的筛网；后段采用较小筛孔的筛网，能够防止党参在根土分离过程中从筛孔大量遗漏。

3 分离滚筒结构的设计

3.1 党参根土复合体在滚筒内运动分析

首先选取一个党参根土复合体，在不考虑其轴向滑动的情况下，它在滚筒内的运动可以近似看作螺旋式抛物线运动^［11］。在A点建立平面坐标系，运动过程可以分为2段即B点到A点的圆周运动和A点到B点的抛物线运动，图2为根土复合体从A点脱离筛面作抛物线的运动轨迹。

顺时针从B点到A点的圆周运动方程为：

{(x-r\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}a)}^{\mathrm{2}}+{(y+r\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}a)}^{\mathrm{2}}=r^{\mathrm{2}}（1）

从A点到B点的抛物线运动方程为：

\mathrm{y}=xtan\alpha -\frac{x^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}r\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{3}}\alpha }（2）

根据公式（1）和（2）可以求出抛物线运动与圆周运动的交点A和C的坐标。为了使党参获得更高的机械能，则需要A点和C点高度差最大，对抛物线方程进行求导得：

\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha -\frac{x}{r\mathrm{t}\mathrm{a}{\mathrm{n}}^{\mathrm{3}}\alpha }（3）

令公式（3）等于0时，得到最高点C的坐标，将C点坐标和B点坐标作差得：

(y_{\mathrm{C}}-y_{\mathrm{B}})=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}r\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha \mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\alpha +\mathrm{4}r\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha \mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\alpha（4）

当\left|y_C-y_B\right|＇=0时，获得最大抛落落差高度，此时脱离角α=54.7 °。

当滚筒倾斜安装时，根土复合体相邻两次下落的位置不同，在滚筒轴线方向存在位移，位移的大小l与滚筒的转数n、倾斜角θ及滚筒的半径r有关。党参根土复合体实际运动轨迹为近似螺旋线的运动，任意相邻两抛落点的水平位移距离为：

l=\left|y_{\mathrm{1}}-y_{\mathrm{2}}\right|\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\theta =\mathrm{4}r\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\alpha \mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}\alpha \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\theta（5）

3.2 分离滚筒的工作和结构参数

3.2.1 确定分离滚筒的填充比例

根土复合体在滚筒内壁上厚度较小，在筛网上碰撞机会较高，且在滚筒内的翻转空间较大，不会造成筛网的堵塞，但这样会使处理能力下降，因此滚筒内党参根土复合体的填充比例对处理能力有较大影响，对分离效果也有一定影响。一般情况下，滚筒的填充比例不超过30%^［12］。

3.2.2 确定分离滚筒的安装倾斜角度

安装倾斜角度对党参根土分离的效率和处理能力有很大影响。当滚筒安装倾斜角较大时，党参根土复合体在滚筒轴线方向上运动较快，能够在较短时间内完成根土分离，但党参根土复合体与筛网碰撞次数明显减少，导致分离效率降低。根据党参根土复合体在筛网上的休止角测量，保证其不发生滑动或滚动时，倾斜角应该小于21°。通过对根土复合体进行撞击试验（图3）及其在分离滚筒内运动轨迹计算（式5），为了让党参根土复合体在滚筒内充分分离且处理能力达到实际工作要求，安装倾斜度应为3°~11°^［13］。

3.2.3 计算分离滚筒的直径

分离滚筒直径的大小直接影响党参根土分离的效果及单位时间内处理根土复合体的能力。分离装置需和挖掘装置配套使用，挖掘装置的工作幅宽1.5 m，对于滚筒来说直径越大，分离效果和处理能力越好，但也会造成结构庞大、行走不便、振动剧烈等情况。根据国内外已有滚筒结构，用滚筒分离生活垃圾^［14］，可为设计提供一定的参考依据。

D={\left(\frac{\mathrm{11.36}V}{FK{g}^{\mathrm{0.5}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\theta }\right)}^{\mathrm{0.4}}\times \mathrm{0.037}\mathrm{808}（6）

式中：D为滚筒直径，m；V为滚筒的最大处理量，（m³/h）；F为填充系数，取0.3；θ为滚筒的倾斜角，（°），θ=7°；K为速度修正系数，θ=7°时，K=1.85；g为重力加速度，m/s²，g=9.8 m/s²；

根据实际工作情况最大处理量V=108 m³/h，可得滚筒最大直径D=1.2 m，由于党参根土分离易于垃圾分离，取滚筒直径1 m。

3.2.4 分析分离滚筒的转速

分离滚筒的转数是影响分离效果的一个重要工作参数，为了保证党参根土复合体能够充分分离，其在滚筒内应做抛物线运动（如图2），根土复合体脱离滚筒的临界条件为F≥N，即离心力F不小于重力的分力N，应满足：

\left\{\begin{array}{l}N=G\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \\ \frac{m{v}^{\mathrm{2}}}{r}=G\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \\ v=\frac{nnr}{\mathrm{30}}\end{array}\right.

式中：m为根土复合体的质量，kg； v为根土复合体沿滚筒的切向线速度，m/s；整理得：

n=\frac{\mathrm{30}}{\mathrm{\pi }}\sqrt[]{\frac{g\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha }{r}}（8）

α=90°时，根土复合体到达M点不会抛落，由公式（8）可得滚筒的临界转数为n^{\text{'}}=\frac{\mathrm{30}}{\mathrm{\pi }}\sqrt[]{\frac{g\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta }{r}}；当α=54.7 °，根土复合体单元体获得最大抛落高度时，得n=\mathrm{0.76}{n}^{\text{'}}，综上所述，滚筒最佳转数范围在25~45 r/min。

3.2.5 确定滚筒有效分离区域的长度

滚筒的有效分离区域为筛网覆盖的滚筒框架部分，不包括滚筒两端的运行轨道。目前，滚筒主要用于生活垃圾的分离，其有效分离区域的长度设计为2D^［15］（D为滚筒的直径）。滚筒有效分离区域的长度越长，党参根土复合体在滚筒内运动的时间也越长，根土的分离效果也越好。根据党参根土复合体在倾斜滚筒内的运动轨迹分析（式4），将分离滚筒有效分离区长度暂定为1.4 m，通过试验进一步确定最佳的尺寸。

3.2.6 确定滚筒的筛孔大小及筛网类型

筛孔的大小直接决定着党参根土分离的效果和分离时根茎遗漏数量。党参有着复杂根茎系统，根茎粗细不均，且略有弯曲，总宽度在15~20 mm之间。当土壤含水率较大时，分离时圆形筛孔和条形筛孔容易出现堵塞，因此选用不锈钢方形筛孔。在保证其处理能力的同时能够把把较大的硬土块快速分离出去，筛网前半段采用30 mm×30 mm筛孔的筛网，后半段采用20 mm×20 mm筛孔的筛网，防止党参大量遗漏。

4 滚筒框架结构有限元分析

4.1 模型的前处理

滚筒框架材料选用Q235结构钢，泊松比为0.3，弹性模量为2.06×10⁵ N/mm²，密度为7.8×10^-9 t/mm²。分离滚筒在工作时，运转平稳，冲击小，因此将其作为静力学问题进行有限元分析^［16］。在圆柱坐标下约束滚筒两端的轴向及径向自由度，释放滚筒的转动自由度。

分离滚筒在运转时，作用在滚筒的外载荷主要有滚筒框架自身重力及其离心力、筛网自身重力及其离心力、党参根土复合体的重力及其离心力。滚筒框架的自身重力和离心力通过软件输入材料密度、重力及转数来自动施加。由于筛网分布较密，筛网直径较小，受力分析需要较小的网格，网格划分量较大，因此将其看作外部载荷作用在滚筒框架上。根据滚筒运转速度及根土复合体单位时间喂入量可知，党参根土复合体进入滚筒后主要覆盖在分离滚筒的3根支撑梁上，随机选相邻3根的支撑梁进行受力分析；根据党参根土复合体在滚筒内运动轨迹分析以及碰撞试验，大块根土复合体主要分布在滚筒喂入口前60 cm内，在其上面施加均布载荷。

4.2 分析结果

4.2.1 滚筒框架变形量分析

滚筒框架总变形云图如图4所示，不同颜色对应不同的位移变化量。图中Max位置为变形量最大处，发生在支撑梁的中心位置附近，最大位移为0.49 mm，支撑梁变形量较小，满足刚度要求。

4.2.2 滚筒框架的应力分析

滚筒框架总应力云图如图5所示，从图中颜色分布可知滚筒框架的最大应力值及其位置。图中Max为应力集中处，位于运行轨道和支撑梁连接处，所受应力值为18.131 MPa；支撑梁所受最大应力值为10.073 MPa，位于支撑梁中心位置附近。

由于滚筒运转时筒内的应力不断循环变化。因此计算疲劳极限许用应力σ_-1时，取材料屈服应力σ_b的1/3^［17］。

{\sigma }_{-\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}{\sigma }_b=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\times \mathrm{235}=\mathrm{78.3}\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}（9）

滚筒框架实际最大应力为18.131 MPa，低于材料的许用应力，安全系数为4.31，满足强度要求。

5 根土分离装置技术参数优化

5.1 党参根土分离装置试验台试制

对党参根土分离装置进行理论分析确定整机结构，通过ANSYS软件进行静力学分析保证其结构的合理性，根据其结构参数利用SolidWorks软件对各个零件进行三维建模，并进行CAD绘图，加工制造出党参根土分离试验台（图6），通过传送台架（图7）将党参根土复合体运送到分离滚筒内。

5.2 试验材料

试验党参来源于山西长治党参种植基地，移栽至山西农业大学试验田，半年后通过铁耙将党参根土复合体挖掘出来，为了保持党参根土复合体原有的水分，挖掘得到的党参根土复合体需立即进行试验。对收获时党参种植地的土壤基本特性进行测量（图8），当种植深度为50 mm时，测得土壤紧实度为0.31 MPa，土壤密度为1.4 g/cm³，土壤含水率为18.9%。

5.3 试验指标

根据党参收获的实际要求，参考甘草和黄芪收获机分离装置的评价标准，归纳出党参收获机分离装置评价规范，即分离率≤95%，损失率≤5%，验证该分离装置的工作性能^［18-19］。

1） 根土分离率。计算公式为：

T_{\mathrm{1}}(\mathrm{\%})=\frac{m_{\mathrm{1}}-m_{\mathrm{2}}}{m_{\mathrm{1}}-m_{\mathrm{3}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（10）

式中：T₁为党参根土分离率，%；m₁为试验前党参根土复合体总质量，kg；m₂为试验后土壤和党参的质量，kg；m₃为不含土壤的党参根茎的质量，kg。

2） 党参的损失率。损失包括根土分离过程中遗漏和损伤的根茎。遗漏指的是在根土分离过程中从筛网孔漏出的党参根茎。根茎损伤以党参根茎有破损、不完整或者分根拉断为标准。其计算公式为：

T_{\mathrm{2}}(\mathrm{\%})=\frac{m_{\mathrm{4}}}{m_{\mathrm{5}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（11）

式中：T₂为损失率，%；m₄为分离后损失的党参质量，kg；m₅为试验党参的总质量，kg。

5.4 单因素试验

为了确定党参根土复合体在分离滚筒的不同结构参数和工作参数下的分离效果，保证喂入量不变的情况下，验证分离装置设计的合理性，以分离滚筒的转数、前段30 mm×30 mm筛孔的筛网长度、后段20 mm×20 mm筛孔的筛网长度以及滚筒倾斜角（°）为试验因素，试验时控制一个因素变化，其他的因素不发生变化，每次试验重复3次，取平均值。通过调节变频器控制分离滚筒的转速，移动传送台架的位置来改变前段筛网的长度，在20 mm×20 mm筛孔的筛网后段内壁包一层彩条布，实现该筛孔筛网长度的变化，通过调节试验台架的限位调节器控制分离滚筒的倾斜度。

1） 滚筒的转数对分离效果的影响。试验结果如图9，随着滚筒转速增大，党参的分离率先急速增大后减小，损失率先减小后增大。当分离滚筒的30~45 r/min，根土分离效果较好。

2） 前段30 mm×30 mm筛孔的筛网长度对分离效果的影响。试验结果如图10，随着前段30 mm×30 mm筛孔的筛网长度增加，分离率不断增大，但整机不宜过长，当前段30 mm×30 mm筛孔的筛网长度在50 cm时，分离率已经达到了95.8%。随着前段30 mm×30 mm筛孔的筛网长度增加，党参根土复合体在滚筒内运动时间较长，使得损失率上升，当前段筛网的长度为55 cm时，损失率为3.8%。

3） 后段20 mm×20 mm筛孔的筛网长度对分离效果的影响。试验结果如图11，后段20 mm×20 mm筛孔的筛网主要目的是减少分离过程中党参根茎遗漏。随着20 mm×20 mm筛孔的筛网长度不断增加，分离率也不断增加，但损失率也随之增加，当后段筛网的长度为55 cm时，分离率已达到96.1%，损失率为5.2%。

4） 滚筒的倾斜度对分离效果的影响。试验结果如图12，倾斜度太小会降低根土复合体的分离能力，倾斜角太大会降低根土复合体的分离效果。随着滚筒的倾斜角变大，分离率下降，损失率也明显下降，当滚筒的倾斜度为7 °时，分离率为96.8%，损失率为3.5%。

5.5 正交试验

通过单因素分析，确定了党参根土复合体在不同结构参数和工作参数下分离装置的分离效果，在此基础上，对滚筒的转速（r/min）、前段筛网的长度（cm）、后段筛网的长度（cm）及滚筒的倾斜角（°）这4个因素进行正交试验，以分离率和损失率为指标，设计L₉（3⁴）正交表，各因素水平如表1所示，党参根土分离试验结果如表2所示。

直观分析法可简单的计算各因素对分离率和损失率的影响，通过极差R值的大小可知各因素对试验结果的重要性^［20］。由表1所示，各因素对分离率影响的主次顺序为D>C>A>B，即滚筒的倾斜角对分离率影响最大，其次是后段筛孔筛网长度，再次是滚筒的转数，前段筛网长度的影响最小；各因素对损失率影响的主次顺序为B>D>C>A，即前段筛网长度影响对损失率最大，其次是滚筒的倾斜度，再次是后段筛网长度，滚筒的转数影响最小。通过比较K值的大小，分离率最佳的组合为A₂B₃C₃D₁，损失率最佳的组合为A₂B₁C₁D₃，对A₂B₃C₃D₁组合进行试验，分离率为98.2%，损失率为6.2%，不符合实际要求；对A₂B₁C₁D₃组合进行试验，分离率为94.1%，损失率为2.3%，不符合实际要求。但正交设计表中A₁B₁C₁D₁、A₂B₁C₂D₃、A₃B₁C₃D₂均可满足分离要求，为了适应复杂工作环境，采用较短的滚筒长度，即滚筒的转速为30 r/min，前段筛网长度为50 cm，后段筛网长度为45 cm，滚筒的倾斜度为3°。

6 结论

根据实际工作需求，对党参根土分离装置进行结构设计，对党参根土复合体在滚筒内运动及力学进行分析，并利用ANSYS软件对该装置进行有限元仿真，确定了试验台分离装置结构。以党参根土复合体为试验材料，进行单因素试验确定各因素水平范围；进行正交试验分析各因素对分离率及损失率的影响；通过优化分析，确定了试验台的最佳作业参数组合为：滚筒的转数为30 r/min，前段30 mm×30 mm筛孔的筛网长度为50 cm，后段20 mm×20 mm筛孔的筛网长度为45 cm，滚筒的倾斜度为3°，在此条件下其分离率为95.7%，损失率4.1%，满足设计要求。

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基金资助

山西省农业科技成果转化项目(SCZZNCGZH201306)

山西省研究生教育创新项目(2021Y308)