我国是药材种植大国,根茎类药材是主要种类,虎杖是重要的根茎类药材,传统医学可治疗活血、散瘀、通经、镇咳等病症,随着现代科技的发展,其所提炼的植物抗毒素具有防治心血管疾病,防癌、抗病毒及免疫调节的作用,使国际市场需求量显著增长。扩大种植规模是提高虎杖产量,满足供需平衡的有效方式。然而,虎杖药用制备的根系脱土环节,由于虎杖的根构复杂、持土力强、个体差异大等原因,现有的机械化根土分离技术及装备还不适宜虎杖的根土分离要求,主要采用人工或机械辅助方式脱土,其劳动强度大、效率低、破损率高。严重制约了虎杖的规模化发展。因此,实现机械化根土分离是虎杖规模化、产业化发展的亟需。同时,虎杖根系结构、种类及固土方式具有代表性,解决虎杖机械化根土分离,也可为其它根茎类作物的机械化根土分离提供依据。本文在分析国内外根茎类作物根土分离机理及装置工作原理的基础上,针对虎杖生理结构及固土机理,研制了一种双辊式根土分离装置,实现“底部梳刷脱土、侧面翻转配合”的根土分离模式。从虎杖根系及根土复合体的物理特性研究入手,借鉴根土复合体的相关理论,进行了虎杖根土分离关键部件的工作机理研究;运用数值仿真方法分析在外力作用下根土复合体的失效机理及翻转运动特征;通过试验研究对虎杖根土分离装置的工作参数进行优化分析,得到了提高根土分离效果的最优组合参数。主要研究内容及结论如下:(1)进行了虎杖根系及根土复合体的力学特性试验研究,获得了虎杖根系与根土复合体的力学特性,为根土分离部件的研制提供了依据。通过根系拉伸力学试验,获得根系直径对根系最大拉力、抗拉强度以及弹性模量的影响均极为显著,根系直径与最大抗拉力呈幂指数关系;通过根土复合体压缩力学试验,发现根土复合体破坏存在明显的破碎和压实临界点,获得典型压缩破坏规律;通过冲击试验,获得冲击次数与脱净率的关系,关系表明单一作用的脱土方式,不适宜虎杖的根土分离。(2)进行了虎杖根土复合体的复合材料理论分析,总结并提出了实现根土复合体破坏的基本方法。通过对根土复合体的力学模型,以及根土复合体的加筋与锚固理论的研究分析,总结出根纤维提高土体的抗剪强度主要是通过根土接触面的摩擦力把土中的剪应力转换成根的拉应力来实现的;通过对破碎能耗理论的比较分析,结合虎杖根土复合体特性,提出根土分离以采用土壤裂纹的失效形式为宜。(3)研制了双辊式虎杖根土分离装置,实现了“底部梳刷脱土、侧面翻转配合”的根土分离模式。研制的曲线滑梳式脱土辊指,将旋转、滑切、梳刷作业方式融为一体,更有效的提高了根土复合体的分离效果。在脱土辊指研究中,通过对脱土关键部件的动力学分析,获得了不同类型脱土辊指的作业特点;通过对脱土辊指作业形式分析,建立了不同脱土方式的功耗模型,获得结论为辊指长度对功耗影响最大,其次为转速,辊指倾角影响最小,辊指前倾相对于后倾功耗较大;根据等滑切原理,建立了曲线脱土辊指梳刃方程,确定了滑梳作业的临界条件为滑切角大于30°;通过建立曲线辊指的功耗模型,确定了滑梳作用方式的最佳滑切角范围为30°-67°。在翻转机构中,通过对翻转辊指与物料作用过程的分析,明晰了脱土辊与翻转辊轴心的水平距离S与物料尺寸呈幂函数关系,并确定了范围为180mm≤S≤275mm;通过建立物料输送速度模型,获得翻转辊指输送的螺旋升角α范围为60.5°-78.4°,可满足根土分离作业要求。(4)采用EDEM离散元和数理统计相结合方法,仿真分析根土复合体外层土壤在脱土辊指旋梳作用下的土壤失效机理,为根土复合体动态行为变化规律提供了新的研究方法,为梳刷式脱土部件提供依据。通过分析仿真层域内壤粒吸收能量与内移强度的关系,获得吸收能量与土壤颗粒内移破坏程度并非正相关,辊指根部作用层域吸收能量大小对壤粒内移运动程度不敏感;辊指中部作用层域吸收能量大小与壤粒内移运动程度正相关;辊指间接作用层域吸收能量大小与壤粒内移运动程度没有明显相关性。通过辊指旋梳作用下壤粒发生内移行为规律的分析,获得辊指工作前方壤粒的内移行为是通过壤粒介质传递形成速度梯度,在速度分界面附近高、低速壤粒流冲击与阻挡的共同作用下形成的;而辊指工作后方壤粒的内移行为是通过局部壤体崩塌失效形成的。辊指工作前、后方相比较,后方发生内移壤粒相对较少,且发生时间相对辊指前方有所延迟。通过对壤粒外迁强度分布规律的分析,获得相对于内移强度最大发生在辊指中部仿真层域而言,外迁强度最大发生在辊指根部仿真层域;随着仿真区域数增大,最强外迁出现时刻逐渐延迟;通过对外迁壤粒迁移轨迹的分析,获得外迁最大强度有明显的时序性,并呈小范围的聂动特征。通过对切向迁移壤粒的特征分析,获得壤体内部不同区域间迁移壤粒数量的变化趋势大体相同;在辊指的旋梳作用下壤体内部动能和压聚势能经历三个阶段,分别为显著增加阶段、波动变化阶段以及压聚势能减小而动能增加阶段。(5)进行了翻转机构工作原理分析,确定了物料理想翻转的评价指标,优化分析得到物料翻转效果最优时的工作参数。通过动力学仿真分析翻转辊指的长度L和转速N与翻转指标的关系,获得翻转辊指转速对物料抛起高度有稳定影响,较长辊指对物料抛起高度影响具有不确定性。角动能与总动能的比值主要由辊指长度控制,转速对角动能与总动能的比值影响相对较小。通过翻转辊指参数与指标关系的分析,获得翻转机构宜采用低转速、短辊指的设计理念;通过响应面的虚拟优化试验,建立了翻转效果评价指标的回归数值模型,获得当翻转辊指长度L=48mm、转速N=50r/min时,物料翻转效果评价指标最优,此时指标h=36.2mm,指标η=0.75。(6)系统地进行了双辊式虎杖根土分离装置的试验研究,优化得到了直线和曲线脱土辊指分离装置的最优组合参数。通过脱净率效果试验,获得脱净率随脱土辊指转速增加而增大,脱土辊指作业长度在40mm时,脱土效果最好;脱净率随翻转辊转速提高而略有增加,翻转辊指长度为80mm时脱净率最高;脱净率随翻转辊指长度变化呈先增后减趋势,在20mm-80mm范围时,脱净率增大明显,在80mm-140mm时,脱净率略有下降,超过140mm下降迅速。通过比较直线和曲线辊指的作业效果,获得直线辊指较曲线辊指生成率高,但功耗较大。通过直线脱土辊指性能试验,获得在脱土辊转速为500 r/min、翻转辊转速为240 r/min、两辊轴水平距离为230 mm的最优参数组合下,脱净率为91.2%,生产率为1.35 t/h,;通过曲线脱土辊指性能试验,获得影响综合指标的主次因素顺序为:辊指转速>辊指作业长度>辊指滑切角。最优组合参数为:辊指转速为350 r/min、滑切角为67°、辊指作业长度为30 mm,此时脱净率为93.03%,,功耗为76.73 w;