三七移栽机分离装置设计与试验研究

三七作为中国传统的名贵中药材,是400多种药物的主要成分,已成为仅次于人参的中药材大品种。据统计,2015年种植面积已达70万亩。移栽是三七种植过程中的重要环节,该环节季节性强,作业周期短。三七移栽种植密度为2.6～3.2万株/亩,传统人工移栽作业效率低,费工费时,劳动强度大,用工成本高,且人工移栽很难保证作业质量,影响出苗率,出苗质量不一致,因此机械化移栽是必然趋势。由于采收后的三七种苗是缠绕在一起的,移栽前需将缠绕的种苗分离,因此,分离装置是移栽机的关键部件,其性能直接影响了移栽机的作业质量和作业效率。本文在分析国内外移栽机研究现状的基础上,开展了三七种苗物理特性试验,结合三七种苗移栽农艺要求,提出了钉齿式螺旋分离方法,设计了种苗分离装置,利用离散元软件EDEM对分离机构进行仿真分析,根据仿真分析结果,确定了分离机构结构参数,加工分离装置试验样机,通过性能优化试验确定分离装置的最佳工作参数。具体研究内容如下:(1)对三七种苗的物理参数进行试验,得到种苗的平均质量、密度、休止角、尺寸、剪切模量、泊松比,以及种苗与不同材料的静摩擦系数、滚动摩擦系数和碰撞恢复系数。由于种苗之间的滚动摩擦系数和静摩擦系数难以通过试验的方法获得,本研究通过参数标定方法确定了种苗的滚动摩擦系数和静摩擦系数。并通过验证试验检验了使用参数标定确定种苗滚动摩擦系数和静摩擦系数的方法可行。(2)根据钉齿式螺旋输送机构具有搅动和松散物料的特点,结合三七种苗移栽农艺要求,确定了种苗分离装置的结构方案,并对其结构和工作原理进行了阐述。对分离装置的分离机构各部件进行了理论分析和计算,初步确定了分离机构的结构参数。(3)为分析分离机构各结构参数对分离性能的影响规律,进一步优化分离机构的结构参数,对分离机构进行了仿真分析。通过单因素试验方法确定了分离机构的结构参数。对单因素试验确定了结构参数的分离机构进行模拟验证试验和实际验证试验。通过模拟验证试验得到变异系数为24.62%,分离率为83.5%。根据分离机构结构参数的仿真分析结果,试制了三七种苗分离试验装置,对仿真结果进行实际验证试验,得到变异系数为27.14%,分离率为80.83%。模拟验证试验与实际验证试验之间的结果基本相符,变异系数偏差为8.96%、分离率偏差为3.30%。通过实际验证试验得出,采用EDEM仿真分析确定分离机构结构参数的方法可行。(4)对分离装置的分离性能开展了中心组合试验,以转子转速、转齿转速和倾斜角度作为试验因素,以分离的变异系数、分离率和破损率为试验指标。通过响应曲面法对试验结果进行分析,分别建立了各因素与各试验指标之间的数学模型,确定了各因素对试验指标的影响规律。对试验结果进行参数优化,当倾斜角度为6.38°,转子转速在38～59rpm,转齿转速在20～36rpm时,变异系数小于25%,分离率在90%以上,破损率小于5%。对优化后的分离装置性能参数进行试验验证,选取转子转速为39.57rpm,转齿转速为24.90rpm,倾斜角度为6.83°,在相同的试验条件下重复试验5次,得到种苗分离装置的变异系数为24.76%,分离率为91.6%,破损率为3.6%,与优化结果一致。通过研究所得的结论为三七种苗移栽机分离装置和移栽机整机的研究提供参数依据和理论基础。