一種新型手扶挖藕機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

劉向軍，王艾倫，李世杰，朱卓平，2

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410083;2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

由于蓮藕的食用藥用價(jià)值高，人們種植積極性持續(xù)上漲，種植面積也逐年增多，但因蓮藕生長(zhǎng)環(huán)境的特殊性，蓮藕采收成為困擾農(nóng)戶的一個(gè)問(wèn)題，農(nóng)戶為收獲蓮藕投入了大量的人力物力，但效率低下、經(jīng)濟(jì)效益差，不利于蓮藕產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展。粗略的統(tǒng)計(jì)全國(guó)的蓮藕種植面積高達(dá)400萬(wàn)hm2，其中人為淺水種植占65%，沼澤地湖區(qū)自然生長(zhǎng)的占35%，蓮藕生長(zhǎng)隨機(jī)分布于泥土中，一般的品種產(chǎn)量約37.5 t/hm2，單個(gè)藕支重量為3～4 kg，蓮藕在泥田中分布密度約為1 支/m2[1]。目前，蓮藕主要依靠人工單噴槍采挖，這種傳統(tǒng)的挖藕方式在一定程度上提高了人們的工作效率，但對(duì)挖藕師傅的經(jīng)驗(yàn)要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度大而且長(zhǎng)時(shí)間泡在水中對(duì)身體有損害[2]。針對(duì)日益增大的蓮藕種植面積，高強(qiáng)度、低效率的傳統(tǒng)人工挖藕方式越來(lái)越不能滿足人們的需求，據(jù)實(shí)地調(diào)研，人工單噴槍挖藕效率約35 m2/h，每年有大量的蓮藕由于沒(méi)有及時(shí)采挖而就地腐爛，伴隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，勞務(wù)者趨向于老齡化，傳統(tǒng)的人工挖藕方式終將被淘汰，因此，開發(fā)一種高效挖藕機(jī)械勢(shì)在必行。

為了解決繁重低效的人工挖藕方式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)挖藕機(jī)械進(jìn)行了研究，日本的日東工業(yè)研究所在20世紀(jì)80年代初期對(duì)挖藕機(jī)開始了研究，共研制了三代相關(guān)挖藕機(jī)，即帶高壓水泵的 Ⅰ 型噴流式挖藕機(jī)、寬幅度作業(yè) Ⅱ 型挖藕機(jī)、水泵定置式 Ⅲ 型挖藕機(jī)[3]；2009年南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院的科研人員設(shè)計(jì)出4SWO-1.2型船式挖藕機(jī)；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院黃海東等[4]開發(fā)設(shè)計(jì)4CWO-3.2型船式自動(dòng)挖藕機(jī)；2010年湖北省武漢興盛開發(fā)有限公司研究出浮筒鴨嘴式蓮藕采挖機(jī)，依靠左、右2個(gè)圓柱大浮桶排水從而使得機(jī)器漂??；安徽省淮北市孫疃鎮(zhèn)黃莊千碧荷農(nóng)業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司也對(duì)挖藕機(jī)進(jìn)行了多年研究，生產(chǎn)Q1、Q2、Q3 3種型號(hào)挖藕機(jī)，匹配的水泵功率分別為9、10、11馬力，船身整體式設(shè)計(jì)質(zhì)量較大。目前國(guó)內(nèi)外所研制的挖藕機(jī)均為船式挖藕機(jī)，但其存在以下不足：機(jī)器整體式設(shè)計(jì)，質(zhì)量體積大，需多人搬運(yùn)，價(jià)格昂貴難以被農(nóng)戶接受；船體漂浮水面依靠人工推進(jìn)，依然需要一定的勞動(dòng)強(qiáng)度；船身具有一定的吃水深度，所以在淺水藕田無(wú)法正常漂浮作業(yè)；噴頭距離泥面較遠(yuǎn)，在水中射流沿程損失較大。筆者提出了一種車架手扶輪式挖藕機(jī)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，各部分便于拆裝運(yùn)輸，質(zhì)量小成本低，自帶車輪驅(qū)動(dòng)裝置，可搭配不同尺寸輪圈適應(yīng)不同深度的泥田，相對(duì)以往船式挖藕機(jī)對(duì)泥田深度適應(yīng)范圍更廣，對(duì)手扶輪式挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，并對(duì)加工樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，檢驗(yàn)了樣機(jī)的作業(yè)適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

1　手扶挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1手扶輪式挖藕機(jī)基本構(gòu)造手扶輪式挖藕機(jī)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)、減速箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、水泵、分水器水箱、噴射系統(tǒng)、車輪、車架、噴頭角度調(diào)節(jié)杠桿機(jī)構(gòu)等部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。手扶輪式底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該機(jī)在工作時(shí)各部分便于拆裝運(yùn)輸，對(duì)于作業(yè)人員具有一定的輕便性。噴頭射流高度角度均可調(diào)節(jié)，水柱與泥面直接作用，減小噴頭浸沒(méi)時(shí)在水中射流的沿程損失，相對(duì)以往挖藕機(jī)而言對(duì)水泵流量和揚(yáng)程要求更低，節(jié)約能量且作業(yè)效率高。

在整個(gè)挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，優(yōu)先考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及行進(jìn)過(guò)程中的重心平衡，由于機(jī)架幾乎支撐了整個(gè)挖藕機(jī)的重量，所以兩側(cè)采用三角形承重結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)形狀的穩(wěn)定性。車身上部面板采用矩形框架式結(jié)構(gòu)，便于零部件的放置及固定安裝，車身載體使用3 mm厚矩形空心管材，保證整機(jī)結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度剛度。

注：1.擺動(dòng)連桿；2.噴頭；3.噴頭支撐桿；4.車輪；5.車架；6.擺動(dòng)桿；7.分水器；8.水泵；9.減速器；10.皮帶；11.發(fā)動(dòng)機(jī)；12.扶手；13.車輪離合器；14.鏈條Note:1.Swinging rod;2.Nozzle;3.Nozzle support rod;4.Wheel;5.Frame;6.Oscillating rod;7.Water segregator;8.Water pump;9.Reducer;10.Belt;11.Engineer;12.Armrest;13.Wheel clutch;14.Chain圖1　輪式挖藕機(jī)的基本結(jié)構(gòu)Fig.1　The basic structure of wheel dig lotus root machine

1.2挖藕機(jī)工作原理挖藕機(jī)作業(yè)時(shí)，先把車架底盤放入泥田中，然后將發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、減速箱、噴頭、分水器定位安裝在車架上。水泵負(fù)責(zé)供水，水先經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)蓮蓬頭到達(dá)水泵中，把水抽到分水器，分水箱有1個(gè)入口和5個(gè)出口，每個(gè)出口通過(guò)軟管連接1個(gè)錐形噴頭，調(diào)節(jié)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)油門來(lái)控制水泵的流量和壓力，可以通過(guò)支撐桿3和擺桿6調(diào)節(jié)噴頭位置高低和角度，噴頭靠近泥面沖刷，減小水中的沿程射流損失。驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)通過(guò)皮帶連接變速箱減速增扭從而驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)，該機(jī)通過(guò)更換不同尺寸的輪圈適用于不同深度的泥田，噴頭適當(dāng)擺動(dòng)對(duì)前方泥土沖刷、粉碎和推移效果更佳，同時(shí)也可以對(duì)挖出來(lái)的蓮藕起到清洗作用。車輪離合器13用鋼絲繩連接至扶手，控制挖藕機(jī)器拐彎行走，蓮藕本身密度比水小，在高壓水柱的沖洗下可以脫離泥土和雜草的束縛自動(dòng)浮出水面。水泵進(jìn)水軟管拖在挖藕機(jī)后下方，進(jìn)水口連接細(xì)密網(wǎng)格的鐵質(zhì)蓮蓬頭，防止雜草進(jìn)入水泵堵塞管路，蓮蓬頭利用自身重力沉入水底，由于蓮蓬頭處于機(jī)器剛行走過(guò)的區(qū)域，相當(dāng)于形成一條狀的水溝，蓮蓬頭潛底吸水防止進(jìn)入空氣保證了良好的密封性。因此，該樣機(jī)相對(duì)以往船式挖藕機(jī)而言，更加適用于淺水藕田，更換較大直徑的輪圈可以在泥腳相對(duì)較深的藕田使用。挖藕機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：挖藕機(jī)外形尺寸為1 626 mm×850 mm×1 050 mm；噴頭內(nèi)徑為15 mm，共5個(gè)；水泵流量為55 m3/h。

2　基于ANSYS車架結(jié)構(gòu)有限元分析

由于該輪式挖藕機(jī)主要以車架作為載體，水泵、減速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件固定于車架上方，車架的強(qiáng)度剛度對(duì)機(jī)器使用安全密不可分，同時(shí)利用有限元仿真可以為設(shè)計(jì)、加工樣機(jī)提供有效的理論依據(jù)，節(jié)約材料、時(shí)間成本，所以有必要對(duì)整個(gè)挖藕機(jī)的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度剛度分析。建立車架結(jié)構(gòu)三維模型，根據(jù)有限元分析結(jié)果判斷整個(gè)車架結(jié)構(gòu)的薄弱位置，并加以改進(jìn)優(yōu)化，避免應(yīng)力集中，使車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度得到進(jìn)一步改善。

在對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，組成車架結(jié)構(gòu)為剛性材料，外力作用下引起的形變?yōu)閺椥孕巫儯?dāng)引起變形的外力撤除后依然可以恢復(fù)到原來(lái)的形狀，車架形變完全取決于受力時(shí)刻的外力，即可以把車架強(qiáng)度問(wèn)題當(dāng)成彈性力學(xué)去研究，彈性體都是三維立體結(jié)構(gòu)，假設(shè)物體是連續(xù)的，完全彈性物體遵從胡克定律:

[K]{X}={F}

(1)

假設(shè)[K]是一個(gè)連續(xù)的常量剛度矩陣，材料滿足線性小變形理論，{F}為加載在物理模型上的力，靜態(tài)力學(xué)分析所施加的載荷包括作用力和壓力。基于ANSYS Workbench網(wǎng)格劃分平臺(tái)，網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接關(guān)系到計(jì)算的收斂性、效率和精度，大量的單元需要更多的計(jì)算資源、內(nèi)存和運(yùn)行時(shí)間，因此根據(jù)車架實(shí)際情況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分[5]。利用Pro/Engineer建立車架三維模型，然后導(dǎo)入Workbench軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分及求解運(yùn)算[6]。仿真過(guò)程中材料屬性選擇鋼材Q235，設(shè)定彈性模量E=2.08×1011N/m2，泊松比為0.277，質(zhì)量密度ρ=7.86×103kg/m3，選擇四面體網(wǎng)格劃分方法，設(shè)置單元尺寸為2 mm用于控制初始單元的大小，邊界條件的設(shè)定主要是施加約束條件和載荷，整個(gè)車架主要承受水泵、減速器、驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)、分水器、噴頭支撐桿的彈力[7]。水泵、減速器、驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)重量分別為40、25、30 kg，各部件通過(guò)4個(gè)支點(diǎn)與車架銜接，墊片接觸面積S=πr2=1.7×10-4m3，通過(guò)P=F/S可得，水泵接觸面壓強(qiáng)約0.58 MPa，減速器接觸面壓強(qiáng)為0.36 MPa，驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)接觸面壓強(qiáng)為0.43 MPa，同理可計(jì)算出噴頭支架連接處載荷為0.2 MPa，分水器支撐板壓強(qiáng)為0.05 MPa。

通過(guò)初始仿真計(jì)算可知，車架前端分水器支撐板連接處應(yīng)力值最大，附近區(qū)域應(yīng)力值下降較快，該點(diǎn)出現(xiàn)了應(yīng)力集中，可以推斷出此處的高應(yīng)力是由于幾何形狀的不合理設(shè)計(jì)而導(dǎo)致的，把連接處設(shè)置幾何倒角圓滑過(guò)渡，部分應(yīng)力較小桿件尺寸縮小，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得到車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云如圖2、3所示。

圖2　車架應(yīng)力分布云示意Fig.2　The distribution cloud of frame stress

通過(guò)查詢材料的屬性，Q235鋼材的屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，考慮挖藕機(jī)實(shí)際使用情況取安全系數(shù)S=1.5～1.8，即在該條件下材料的許用應(yīng)力值：

(2)

圖3　車架總變形分布云示意Fig.3　The distribution cloud of total frame deformation

仿真結(jié)果云圖顯示,車架應(yīng)力最大值為104 MPa，扶手臂較長(zhǎng)所以出現(xiàn)最大形變量為7.2 mm，車架在考慮安全系數(shù)后的許用應(yīng)力值在130.55～156.66 MPa。通過(guò)分析可知，車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，在使用的過(guò)程中車架不會(huì)出現(xiàn)斷裂和大變形的情況，保證了作業(yè)的可靠性和安全性。

3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

3.1試驗(yàn)?zāi)康臋z驗(yàn)挖藕機(jī)在不同深度藕田中作業(yè)情況，整個(gè)樣機(jī)的可行性、工作穩(wěn)定性，測(cè)定樣機(jī)作業(yè)的各項(xiàng)指標(biāo)，挖藕機(jī)的前進(jìn)速度、蓮藕采凈率、損傷率、工作效率等，為后續(xù)挖藕機(jī)的改進(jìn)提供參考[8]。

3.2試驗(yàn)工具及條件皮尺、時(shí)鐘、電子秤、扳手鉗子工具箱1套，在郊區(qū)選取了2塊不同深度的試驗(yàn)田進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。

3.3挖藕機(jī)設(shè)計(jì)要求整塊藕田的采凈率在95%以上，并且損傷率不能高于5%，蓮藕經(jīng)過(guò)高壓水柱射流沖刷能自動(dòng)浮出水面，在作業(yè)過(guò)程中挖藕機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)不出現(xiàn)熄火的情況，同時(shí)測(cè)量出油耗，可得挖藕機(jī)的工作燃油經(jīng)濟(jì)性。

試驗(yàn)測(cè)得挖藕機(jī)最大前進(jìn)速度為2.1 m/min，通過(guò)柴油機(jī)油門可控制，工作幅寬為1.2 m，根據(jù)前進(jìn)速度和作業(yè)幅寬得知每小時(shí)的工作效率，稱量采挖出蓮藕的質(zhì)量以及損傷質(zhì)量、機(jī)器采挖過(guò)的藕田再進(jìn)行1次人工清挖，得到出藕率、損傷率和采凈率，輪式挖藕機(jī)藕田試驗(yàn)數(shù)據(jù)和某船式挖藕機(jī)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　輪式挖藕機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和某船式挖藕機(jī)對(duì)比

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)對(duì)比，某船式挖藕機(jī)整機(jī)重量150 kg，適水深度為0.3～1.0 m，作業(yè)效率為100 m2/h左右，手扶輪式挖藕機(jī)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與某船式挖藕機(jī)參數(shù)進(jìn)行比較，手扶輪式挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，整體質(zhì)量為120 kg，成本較低，各部分可以拆裝便于搬運(yùn)，能在水深0.1～0.6 m的藕田藕塘作業(yè)，作業(yè)效率為122.25 m2/h；船式挖藕機(jī)水泵流量為75 m3/h，手扶輪式挖藕機(jī)水泵流量為55 m3/h，噴頭靠近泥面減少了高壓水柱浸沒(méi)狀態(tài)的沿程損失，能量利用效率高，船式挖藕機(jī)在淺水藕田更加適應(yīng)，但在深水藕塘或者湖藕基地，船式挖藕機(jī)較適應(yīng)。通過(guò)上述試驗(yàn)可見(jiàn)，手扶輪式挖藕機(jī)藕田試驗(yàn)效果優(yōu)良(圖4、5)，結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4　藕田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.4　Field experiment of lotus root

圖5　所采挖的蓮藕Fig.5　The collected lotus root

4　結(jié)論

手扶輪式挖藕機(jī)底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，各部分可以拆裝運(yùn)輸，對(duì)于農(nóng)戶使用具有一定的輕便性，且加工便利，采用輪式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)船式挖藕機(jī)更適應(yīng)于淺水藕田工作，適水深度為0.1～0.6 m，操作簡(jiǎn)單易學(xué)。

對(duì)車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度進(jìn)行有限元分析，車架應(yīng)力最大值為104 MPa，最大變形量在扶手處為7.2 mm，考慮安全系數(shù)檢驗(yàn)，最大應(yīng)力應(yīng)變?cè)诓牧显S用應(yīng)力值范圍內(nèi)，車架強(qiáng)度剛度滿足使用條件。

輪式挖藕機(jī)噴頭浸沒(méi)靠近泥面沖刷，減少了高壓水柱的沿程射流損失，且噴頭可以通過(guò)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)自由俯仰調(diào)節(jié)0～15°，對(duì)前方硬泥沖刷效果較好，同時(shí)對(duì)采挖出來(lái)的蓮藕具有一定的清洗作用。輪式挖藕機(jī)帶驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可自動(dòng)行走，無(wú)需人工推進(jìn)。

經(jīng)藕田試驗(yàn)測(cè)試，手扶輪式挖藕機(jī)平均工作效率為122.25 m2/h，人工單噴槍挖藕效率約35 m2/h，相對(duì)人工挖藕效率提高3.5倍左右，手扶輪式挖藕機(jī)藕田試驗(yàn)效果優(yōu)良，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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