根茎类中药材机械化收获现状及展望

王泽宇, 刘小龙, 张 华 , 李 辉, 昕若飞, 魏 乐

(甘肃农业大学机电工程学院,甘肃 兰州 730070)

中药材是中医药事业传承和发展的重要物质基础,是维护人民身体健康的重要物质保障,更是我国特色经济作物,其经济收益较高,有助于提升农民收入。

我国是中医药发源地,中药在我国已经有千年历史。据统计,当前我国中药资源品种达12 807种,常用中药材有600多种,有300多种已实现人工栽培和种植,其中,常用根茎类中药材有160多种,如三七、当归、甘草、人参、柴胡、党参、黄芪等,占常用中药材的25%以上[1]。

根茎类中药材在我国几乎每个省份均有种植,由于各地区地理环境及气候不同,中药材的种植品种各异。其中主要有10大产区:东北产区主要种植人参、细辛、五味子等;河北、山东、山西等省和内蒙古自治区中部和东部等地区主要种植党参、板蓝根、黄芩等;河南产区常种植有怀地黄、怀山药、怀牛膝等;浙江产区主要种植如白术、白芍、玄参等;江南产区主要有湘、鄂、苏、皖、闽、赣等省,主要有太子参、白术等;四川产区的常见药材有川穹、麦冬等;云贵产区常见药材有天麻、当归等;南部产区指广东、广西南部及海南和中国台湾地区,出产的主要有三七、陈皮、何首乌等;西北产区包括陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆及内蒙古西部所产的药材,主要有当归、党参、甘草等;最后是青藏高原产区,主要有胡黄连、羌活、天麻等[2]。中药材种植面积最多的省份有三个,云南省种植面积连续六年位居第一,2022年种植面积为60.23万hm2;第二为四川省,2022年种植面积为56.8万hm2;第三为贵州省,2022年种植面积为53.08万hm2,三省种植面积较大的主要原因是由于国家扶贫政策的影响[3]。

中药材经济进入了快速发展阶段,产业规模正在不断扩大[4]。但目前根茎类中药材收获仍依赖人工劳动,耗时费力,缺乏针对不同地区和不同栽培品种的成熟现代化收获机械。农民对于现代化收获机械的认知和接受度较低,致使机械化收获的普及率较低,这些情况制约根茎类中药材产业发展,限制其潜在市场规模和经济效益。促进根茎类中药材收获机械化水平提高,对中药材产业可持续发展、产业利润提升、种植户收入提高、助力乡村振兴具有重要意义[5]。

1 国内外根茎类中药材机械化收获研究现状

根据在土壤中生长的深度不同分类,根茎类中药材分为浅根茎、中根茎和深根茎类[6-7]。浅根茎指的是生长深度小于200 mm的中药材。这类中药材的根茎在土壤中分布相对较浅,容易被发现和采集。浅根茎类中药材有白术、黄连、防风等。中根茎指的是生长深度在200～400 mm之间的中药材。这类中药材根茎相对于浅根茎更深些,采集难度相对较大。中根茎类中药材的代表有黄芩、半夏、当归等。深根茎指的是生长深度大于400 mm的中药材。这类中药材的根茎长在土壤较深处,采集难度高。深根茎类中药材的代表有人参、党参、天麻等。

1.1 国外研究现状

国外中药材种植量少,故针对根茎类中药材机械化收获研究较少。国外研究主要针对根茎类作物(如马铃薯、花生、胡萝卜等)的机械化收获,以美国、日本、德国为代表的发达国家,对根茎类作物机械化收获研究开发起步早,投入大,成果较多,并不断把新技术应用到根茎类作物收获机械中,如美国W.S.Kang 和 M.I.Dawelbeit 研制的振动式低阻挖掘马铃薯和花生的机型。日本久保田公司生产的CH-201C型胡萝卜联合收获机,最深挖掘深度可达300 mm[8]。日本苫米地技研工业株式会社发明了TG系列牛蒡收获机[9],株式会社小松制作所研制了YCD-60PM型锯齿式山药收获机。德国GRIMME公司的根茎类作物联合收获技术处于全球领先水平[10],GT170马铃薯挖掘机通过液压仿形轮可实现挖掘深度随地面仿形,SE150收获机集成牵引式带料斗,可完成大面积的机械化收获,Matron620 型自走式甜菜收获机工作可靠、效率高。

1.2 国内研究现状

如今中国是全球最大的中药材生产和消费国,约占全球中药材市场的70%。我国从20世纪60年代开始引进国外根茎挖掘机械,主要用于马铃薯、花生等浅根茎作物收获[11]。深根茎和中根茎作物需要人工挖掘、人工根土分离和收集作业,或通过简易半机械化挖掘机械挖掘后采取人工捡拾和人工根土分离。进入80年代,我国开始研发中根茎和深根茎作物挖掘机械,甘肃省渭源引进的4WG-120型根茎类中药材挖掘机,长治市农机试验站研制的4SD-280型振动式收获机,都能挖掘深度小于400 mm的作物。甘肃省渭源农机推广站研制的4YW-160型根茎类中药材挖掘机,能挖掘深度大于400 mm的作物[12]。但这些收获机械普遍存在制造成本高、油耗高、药材损伤率高等缺点。

目前国内有大量科研团队投入到根茎类中药材收获机械的研究中,4Y-1200型药材收获机由甘肃农业大学张文杰设计,采用三阶平面组合铲,挖掘深度0～500 mm,可一次性完成黄芪、红芪、甘草等深根茎中药材的挖掘、除土、分离输送和集中堆放作业。甘肃省农机化技术推广总站和定西市农机化技术推广站联合研制的4WGX-120/150 型根茎类药材挖掘机,挖掘深度可达400～500 mm[13]。沈阳农业大学李增玺设计研制的百合鳞茎收获机,有效解决了百合鳞茎和土壤的分离问题[14]。黑龙江八一农垦大学宋江等改进的4B-1200A型平贝母药材收获机,采用双层振动筛分离和输送平贝母混合物,同时挖掘铲挖掘深度可调,最高可挖400 mm,药材挖掘损失率、损伤率分别低于 3.8%和 2.9%[15]。新疆农业大学谢新亚设计研制一种适应北疆地区砂质土壤的甘草收获机[16]。安徽农业大学陈威等研制的太子参联合收获机,适用于丘陵山地,能够集挖掘、破土清土、收获为一体,太子参的采净率为 96.56%,损伤率为6.12%[17]。安徽农业大学张顺等设计一种牵引式根茎类中药材收获机,采用二阶平面组合式挖掘铲,分离装置采用直线式振动筛,通过有限元软件ANSYS对挖掘铲进行强度分析,结果满足强度要求[18]。江苏大学周梦渊针对黄芪收获机挖掘深度浅、损伤率和损失率高、作业效率低等问题,设计一种振动三角形挖掘铲,铲片轮廓结合仿生学优化设计,挖掘铲采用偏心振动机构驱动。经过田间对比试验得出,改进后机具作业深度从304.3 mm提升至361.3 mm,作业效率从0.15 hm2/h提升至0.16 hm2/h[19]。石河子大学郭新峰针对马铃薯收获时容易出现壅土、明薯率低和伤薯现象,设计一款小型马铃薯收获机,采用二阶凸面挖掘铲,分离装置为抖动筛式,实验结果为明薯率大于95%,伤薯率小于4%,挖掘铲的挖掘深度h=166 mm[20]。典型根茎类中药材收获机结构及其参数特点如表1所示。

表1 典型根茎类中药材收获机结构及其参数特点

2 关键部件的研究

根茎类中药材收获机是一种专业农业机械设备,组成机构主要由机架、挖掘机构、分离机构、输送机构、收集机构等组成,其中挖掘、分离、输送机构是关键部件。目前,根茎类中药材收获机分为挖掘机和联合收获机两种机型。挖掘机主要通过机械挖掘的方式将土壤中的中药材根茎挖掘出来,然后通过分离和输送机构将其分离并输送至收集装置。联合收获机则集挖掘、分离和输送功能于一体,可以一次性完成三个步骤。挖掘机收获性能指标要求明茎率≥90%、深松率≥95%、伤损率≤5%,挖掘机更注重对根茎的保护,要求明显的茎部比例高、土壤松散程度高、损伤率低;联合收获机性能指标要求挖净率≥95%、伤损率≤7%,联合收获机更注重的是高效率的操作,要求根茎被挖净、损伤率低[21]。

2.1 挖掘机构

根茎类中药材大多根系发达,根茎较深,药土分离难度大。为保证中药材完整挖出,挖掘机构的挖掘深度须大于药材最大根深。挖掘过程中,会出现杂草和土块,影响药材的质量和有效成分的提取。因此,挖掘机构还需要具备一定的土壤破碎分离功能。通过破碎分离土壤,将杂草、土块与中药材进行有效地分离,从而保证药材的纯度和质量。挖掘机构需具备稳定的性能,以确保挖掘过程的顺利进行。

2.1.1 挖掘铲

挖掘机构中的核心部件是挖掘铲,它能施加强大作用力于土壤,实现对土壤的切削和破碎功能。因此,挖掘铲的性能对收获质量有较大影响。目前,挖掘铲类型多样,按运动形式可分为固定式、振动式挖掘铲;按形状分,有平面铲、曲面铲、叉齿铲、组合铲等[22]。挖掘铲类型及细分类型如表2所示。

表2 挖掘铲类型及细分类型

固定式挖掘铲一般破碎分离土壤能力较差,铲面容易堆积药土混合物;振动式挖掘铲破碎分离效果好于固定式挖掘铲。平面铲制造简单、成本低,是目前应用最多的一种铲形;曲面铲使用寿命长,制造工艺复杂,大多结合仿生技术,模仿动物挖掘器官形状和特征。叉齿铲入土能力强,破碎和分离土壤效果好,但可靠性较差,容易发生折断叉齿的情况,使用寿命较短。组合铲破碎和分离土壤效果好,挖掘阻力小,结构复杂,结合仿生技术的组合挖掘铲是发展趋势。

王亨泰等针对机收时挖掘阻力大的问题,设计一种仿生挖掘铲,其灵感来自于蝼蛄的前足趾,通过模仿这种趾部构型,开发出能够减少挖掘阻力的挖掘铲,通过仿真、土槽试验,证明达到一定减阻功效[23]。李长铭针对普通挖掘铲阻力大、碎土性差的问题,设计的仿生蝼蛄花生挖掘铲,通过静力学分析和仿真,证明其减阻率均值为8.2%,碎土性提升2.86%,性能优于普通挖掘铲[24]。陈威针对太子参收获机设计三角平面铲,并经过仿真分析选出最佳参数组合[25]。许渊等针对固定式挖掘铲收获挖掘深度不足、铲尖磨损大等问题、设计一种振动式挖掘铲,通过正交实验,确定最佳参数组合,前进速度为2.4 m/s,入土角为25°,转速为280 r/min时挖掘阻力最小[26]。吕金庆等设计分体式挖掘铲配分石栅结构,石栅作为防堵部件,有效降低机组的故障率,解决石块在挖掘铲和升运链交汇处的拥堵问题[27]。张丹根据三七的种植模式和农艺要求设计一种新型组合式挖掘铲,可降低机前壅土程度,通过EDEM离散元仿真,验证其保证收获率前提下减租效果优于普通挖掘铲[28]。崔天凯等设计的4U—750甘薯收获机,挖掘装置中挖掘铲采用固定式三角形平面铲,挖掘铲长度550 mm,可使掘起物沿整个筛子宽度均匀喂入[29]。

2.1.2 挖掘机构

挖掘机构是挖掘铲运动的核心部件,根据挖掘铲运动方式不同,挖掘机构分为固定式、振动式、组合式。固定式挖掘机构通常和机架刚性连接,结构简单,成本低,可靠性高,主要应用于浅根茎类药材挖掘,缺点是入土阻力较大,碎土分离差,能耗偏高。振动式挖掘铲根据振动方式不同,分为受迫式、自激式振动。一般由挖掘铲和振动筛组成,碎土分离效果好,适用于深根茎中药材挖掘,缺点是对机具冲击大、容易失衡,功耗大。组合式挖掘机构由两种及以上挖掘机构组合而成,此类挖掘铲适应性强,结构复杂,适用于深根茎中药材挖掘。

王虎存等设计的振铲式马铃薯挖掘机,对核心的振动挖掘装置、栅条分离筛进行解析和结构优化,确定性能参数[30]。吕宏靖研发的新型牛蒡收获机采用受迫式振动挖掘铲,振动挖掘铲通过倒U型振动传递连杆与偏心轮连接,通过动态与静态分析,确定设计参数合理,通过田间试验,确定关键部件工作可靠[31]。程一启等针对三七的特殊农艺和机械化收获阻力大的特点,采用组合式挖掘铲的设计,在二阶平面铲的基础上加上土壤破碎铲,并用EDEM对关键部件仿真,证明其水平和垂直阻力均小于传统挖掘铲[32]。陈林等在借鉴已有成果基础上设计了一种适用于较高含水率土壤的深根茎中药材振动挖掘装置,挖掘铲采用条形铲结构, 振动机构采用曲柄摇杆机构,其工作幅宽为1 800 mm,最大工作深度为500 mm,入土角为 20°,试验证明,该振动挖掘铲达到减阻效果[33]。

2.2 分离输送机构

分离机构在根茎类中药材收获机中的应用十分重要,它能同时发挥输送作用,提高作业效率。升运链式、滚筒式以及分离筛式是常见的分离机构类型。其中,升运链式分离机构按链条结构形式有链杆式、钩杆式、带杆式等,具有分离能力强,技术成熟的特点,缺点是磨损快、故障率高。滚筒式分离机构具有故障率低、受力均匀、使用寿命长、功耗低等优点,但制造难度大、结构复杂。分离筛式分离机构主要由分离筛和驱动机构组成,结构简单、性能稳定、输送效率高[34]。输送机构作用是将作物从一处转移到另一处,根据不同的输送方式,有网带输送式、刮板输送式、辊筒输送式等,根据输送级数的不同,分为一级输送、二级输送和多级输送[35]。

张泽璞设计一种适用于单垄作业的摆动筛式板蓝根收获机,采用具有筛条-筛板组合式筛面的摆动式根土分离筛,对参数进行联合选取,得到适宜的曲率半径、曲柄转速、筛面倾角[36]。谢新亚等设计的甘草收获机,甘草分离装置同时发挥输送作用,采用一级分离装置、二级分离装置,一级分离装置作用是将甘草和土壤分离并运送至地面,接着通过二级分离装置对剩余夹杂土块和甘草进一步分离。通过理论分析和正交实验确定分离输送装置最优性能参数,即分离装置倾角 15°、辊筒转速 255 r/min,辊筒直径60 mm[37]。张兆国教授团队设计的三七收获机,升运器充当其振动分离装置,且在升运器中间加入抖动器,以此增加土壤破碎率[38]。陈威设计的自走式太子参联合收获机,关键部件采用圆筒筛、输送网带,工作过程中网带能产生一定自激振动,有利于进一步将细小土粒分离,研究表明最佳倾角在20°～30°[39]。于文娟等针对我国现有花生分段收获机械化程度低、动力消耗大及工作稳定性差等问题,研究设计了一种铲筛组合式花生分段收获机。可一次完成挖掘、去土、送秧等工序,采用曲柄摇杆机构驱动分离筛振动实现了两侧机构等角度、同方向摆动,减小机身侧向力。田间试验测试表明:收获机挖掘深度平均为143 mm,落果率平均为0.21%,破损率平均为0.33%[40]。崔天凯等为解决目前甘薯收获机械大多沿用马铃薯收获机成熟技术设计,不能根据甘薯特殊生长状况开发研制等问题,完成4U-750甘薯收获机的设计、试制及田间试验。采用升运链式输送分离装置,设有随动型抖动轮,可实现土壤破碎及土薯分离,有效降低伤薯率。田间试验表明:在拖拉机前进速度为1.5 km/h时,4U-750甘薯收获机损失率、伤薯率、破皮率和生产效率分别达到2.9%、0.6%、1.5%和0.13 hm2/h。

3 结论与展望

近年来,我国科研单位和企业在根茎类中药材机械化收获方面取得了显著进展,已步入理论研究和创新研发的新阶段。针对不同的药材产区和种植模式,相应的收获机械正在逐步完善。然而与马铃薯等主要粮食作物相比,根茎类中药材的机械化收获水平仍然较低,适合丘陵山地的小型收获机械开发款式较少,国内缺少成熟机具可推广应用,且存在挖掘阻力大、收净率低和破损率高等问题。目前,根茎类中药材收获装备中智能化技术应用较少,现有装备功能简单,无法实现自适应调控、错误报警、在线监测和故障诊断等功能。综上,针对根茎类中药材收获机提出以下展望:

(1)加强智能调控技术的研发和应用。实现关键参数在不同作业条件下的自适应调控,引入先进传感器和数据分析算法,可以实现对土壤、气候和作业环境等因素的实时监测和分析,从而根据不同的条件自动调整设备的工作参数,使其更灵活地适应不同的作业条件,提高根茎类中药材收获机的普适性。

(2)挖掘机构向低耗深挖技术发展。为进一步提高挖掘效率和降低能源消耗,需要深入研究土壤破碎、挖掘机构功率损耗等机理。同时,结合仿生技术,借鉴生物体的破碎原理,设计出更加优化的破碎结构,提高挖掘机构的破碎效率。在此基础上,研发融合仿生技术和振动减阻技术的组合式深挖机构,逐步实现挖掘过程中的高效能转化和能耗降低。

(3)分离和输送机构向柔性低损耗技术发展。传统的机械化收获过程中存在较高的药材损伤率,柔性低损耗技术是解决这一问题的关键。需要进一步研发多种机构的柔性收获关键技术,包括减少机械冲击力、优化分离和输送过程、控制物料流动速度等,以适应不同类型的药材,降低机械收获过程中的破损率,提高中药材质量和市场竞争力。

(4)加强联合收获机的研发力度。随着中药材种植面积逐步扩大,收获方式正在从传统挖掘机向联合收获机发展,推动农机与农艺深度融合,可以提高收获机的田间作业能力,实现更高效、精准收获。逐步向智能自走式化联合收获机发展,可以减少人力投入,还能提升作业质量和产量。因此,加大研发联合收获机的力度,以满足快速增长的中药材市场需求,并推动农业现代化进程势在必行。