螺旋推進式挖藕機的設(shè)計與試驗

馮闖闖，周勇，涂鳴，柯燴彬，陳行，吳昊，焦俊

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，湖北 武漢 430070)

蓮藕的食用藥用價值較高，是一種深受廣大人民群眾青睞的水生蔬菜和特色農(nóng)產(chǎn)品，在我國分布廣泛，種植區(qū)域遍布華南、西南、長江流域等地[1-3].隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，農(nóng)戶種植積極性持續(xù)上漲，種植面積也逐年增多，但因蓮藕生長環(huán)境的特殊性，蓮藕采收成為困擾農(nóng)戶的一個問題.農(nóng)戶為收獲蓮藕投入了大量人力物力，但效率低下、經(jīng)濟效益差，不利于蓮藕產(chǎn)業(yè)的長期發(fā)展[4-5].蓮藕目前主要依靠人工單噴槍采挖[6-7]，即手持水槍沖刷覆蓋于蓮藕上方的泥土，再將蓮藕從泥土中抽出，這種蓮藕收獲方式一定程度上提高了收獲效率，但對挖藕工人要求熟練程度較高，且勞動強度大.

為了解決繁重低效的人工挖藕方式，國內(nèi)外學(xué)者對挖藕機械進行了研究.日本的日東工業(yè)研究所在20世紀80年代初期對挖藕機進行了研究，共研制了三代相關(guān)挖藕機，即帶高壓水泵的Ⅰ型噴流式挖藕機、寬幅度作業(yè)Ⅱ型挖藕機、水泵定置式Ⅲ型挖藕機，該系列挖藕機生產(chǎn)效率低，作業(yè)機動性和適應(yīng)性較差，不適應(yīng)規(guī)模化生產(chǎn)種植，且造價較高，不適合我國國情，不被我國藕農(nóng)接受[8-12].

國內(nèi)水力挖藕機械主要分為大型船式挖藕機和浮筒挖藕機兩大類.前者作業(yè)時通過鋼絲繩牽引移動，無外延長水管，存在機動性能差、體積質(zhì)量大等問題.如4CWO-3.2型船式挖藕機、4SWO-1.2型船式挖藕機等.后者作業(yè)時操作人員需下水作業(yè)，無外延長水管，存在挖藕機需人工推動作業(yè)，勞動強度大，且需要一定的吃水深度，在淺水藕田無法進行正常漂浮作業(yè)等問題.如W-FPZ-1200C型浮筒式挖藕機、DCE-1001D浮筒式挖藕機、自旋射流式浮筒挖藕機等[13-19].這兩類挖藕機均無法自主行走，需借助外部裝置或人工進行移動，操作復(fù)雜，勞動強度依然較大.

為了提高蓮藕采收機械的機動性、減輕勞動強度、提高蓮藕采挖收獲效率，本文結(jié)合傳統(tǒng)水力沖刷挖藕方式和采用螺旋推進式底盤，設(shè)計了一種螺旋推進式挖藕機，并進行了樣機試制和田間性能試驗.

1 螺旋推進式挖藕機的構(gòu)建

1.1 螺旋推進式挖藕機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1.1 挖藕機結(jié)構(gòu) 螺旋推進式挖藕機主要由柴油機、汽油機水泵、螺旋推進式底盤、減速箱、T型傳動箱、噴流系統(tǒng)等組成，如圖1所示.

該挖藕機使用雙動力系統(tǒng)，柴油機為螺旋滾筒提供動力，實現(xiàn)整機行走，汽油機水泵為噴流裝置提供動力，實現(xiàn)水力沖刷挖藕功能.噴流裝置安裝在機器后方，其進水口連接網(wǎng)格細致的過濾裝置，防止水草等雜質(zhì)進入水泵造成堵塞；在豎直方向可進行調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同的水深.主要參數(shù)如表1所示.

1.1.2 工作原理 工作時，柴油機動力通過減速箱等裝置傳動到下方螺旋滾筒，螺旋滾筒葉片和泥土相互作用，通過泥土對葉片的反作用力驅(qū)動整機進行行走；且螺旋葉片轉(zhuǎn)動時，會對泥土表層進行切割破碎，便于水射流進行沖刷，實現(xiàn)機械水力聯(lián)合采挖；同時啟動汽油機水泵，高壓水射流從噴頭噴射出，覆蓋蓮藕上方的泥土受到射流沖擊后破碎后被水流帶走，直至蓮藕完全裸露在水底，受自身浮力作用浮出水面，再由人工進行打撈，完成蓮藕采挖作業(yè).

表1 挖藕機關(guān)鍵參數(shù)

1.2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

1.2.1 螺旋推進式底盤關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計與計算 螺旋推進底盤主要由桁架，浮筒、螺旋葉片組成，其中螺旋葉片焊接在浮筒表面，如圖2所示.

1：桁架；2：浮筒；3：螺旋葉片.1：Truss；2：Float；3：Spiral blade.圖2 螺旋推進式底盤結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Diagram of screw-propelled chassis

浮筒材料采用1 mm厚度304工業(yè)不銹鋼，通過折彎和焊接加工而成，具有良好的密封性能和防銹性能.螺旋葉片采用3 mm厚度的工業(yè)不銹鋼，在兼顧防銹性能的同時，具有一定的強度.為保證整機重心不會過高，且兼顧鏈輪鏈條不會在工作時長時間浸泡在水中引起生銹，選取滾筒半徑為300 mm.

以水深200 mm為計算線，計算兩個浮筒的實際浮力，如圖3所示.

浮筒有效側(cè)面積：

S=S2-S1

(1)

浮筒的體積：

V=SL

(2)

根據(jù)阿基米德定律：

F=ρgV

(3)

式中，S1為滾筒圓心和滾筒與水面兩接觸點形成三角形區(qū)域面積，m2；S2為滾筒圓心和滾筒與水面兩接觸點形成扇形的面積，m2；V為浮筒排出水的體積，m3；L為滾筒總長度，m；F為浮筒在水中收到的浮力，N；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2.

圖3 滾筒浮力計算示意圖Figure 3 Diagram of buoy buoyancy calculation

浮筒半徑R=300 mm，長度L=1 200 mm，當(dāng)水深為200 mm時，可計算出F=1 970 N；樣機主要由柴油機、汽油機水泵、減速箱等組成，其總重力約為1 800 N，滾筒設(shè)計滿足挖藕機預(yù)期要求.

螺旋推進底盤關(guān)鍵參數(shù)如表2所示.

表2 螺旋推進式底盤關(guān)鍵參數(shù)

螺旋滾筒轉(zhuǎn)動時候提供的理論前進速度為：

(4)

根據(jù)轉(zhuǎn)動角速度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，有：

ω=2πn

(5)

螺旋滾筒的螺距與螺旋升角滿足以下關(guān)系式：

P=π(r1+r2)tanη

(6)

式中，P為螺旋滾筒螺距，mm；ω為螺旋滾筒轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；n為轉(zhuǎn)速，r/s；r1為螺旋滾筒半徑，mm；r2為螺旋葉片高度，mm.

柴油機動力輸出軸轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)值為3 600 r/min，即為60 r/s.在整個傳動過程中，共有三級減速，減速比分別為4、3.4和2，總減速速比為27.2，則螺旋滾筒最終的轉(zhuǎn)速為2.21 r/s.據(jù)公式(4)～(6)可計算理論速度vt=0.75 m/s.

螺旋滾筒運動時，隨著泥土的壓實和下陷，同時會產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其滑轉(zhuǎn)率[18]為：

(7)

式中，v1為滾筒沿軸向方向?qū)嶋H速度，m/s.

整機是在藕田中進行工作，水田環(huán)境較為復(fù)雜，在淤泥中樣機滑轉(zhuǎn)率較大.經(jīng)過田間試驗，該樣機速度可在0.09～0.34 m/s之間調(diào)節(jié)，樣機滑轉(zhuǎn)率最小值為54.7%，最大值為85.3%.

1.2.2 管路設(shè)計 管路主要由吊管、橫管和噴頭組成，如圖4所示.為減少管路對水泵工況流量及揚程的影響，橫管截面面積之和等于水泵出水管截面面積，可得橫管與水泵出水管內(nèi)徑關(guān)系式.

D1=0.707D2

(8)

式中，D1為橫管內(nèi)徑，mm；D2為水泵出水管內(nèi)徑，mm.

經(jīng)測量，水泵出水管內(nèi)徑為D276 mm，由式(8)可計算得橫管內(nèi)徑為53.73 mm.根據(jù)不銹鋼管道標(biāo)準(zhǔn)件手冊查到接近該尺寸的管道內(nèi)徑為54 mm，其工作幅寬為600 mm，噴頭間距為300 mm，噴頭直徑為17 mm[20].

1：吊管；2：橫管；3：噴頭.1：Hanging pipe；2：Horizontal pipe；3：Nozzle.圖4 噴流管路結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Structure diagram of jet pipe

1.2.3 深度調(diào)節(jié)設(shè)計 深度調(diào)節(jié)裝置如圖5所示，使用304工業(yè)不銹鋼方管焊接到桁架上，在方管的下方分布有通孔；共有4組通孔，最下方孔在距下端20 mm處，依次向上排列，距離均為50 mm.以45°安裝角度為基準(zhǔn)，當(dāng)分水器整體安裝位置處于連接方管從上往下第二螺栓孔處時，噴頭頂端與挖藕機浮筒底端平齊，即此時噴頭與泥面距離為0；當(dāng)連接到第三、四螺栓孔處，噴頭與泥面距離分別為-50 mm和-100 mm，實現(xiàn)噴頭與泥面距離較準(zhǔn)確控制.

1.2.4 角度調(diào)節(jié)設(shè)計 角度調(diào)節(jié)裝置如圖6所示，預(yù)先已在固定環(huán)圓周做好角度標(biāo)記角度調(diào)節(jié)，需要對噴頭進行角度調(diào)整時，松開固定環(huán)兩端固定螺母，將噴頭調(diào)整到需要的角度，再對固定環(huán)兩端螺母進行擰緊加固，即可實現(xiàn)角度調(diào)節(jié).

噴流裝置總體結(jié)構(gòu)如圖7所示.

1：方管；2：通孔；3.螺母.1：Square tube；2：Through hole；3：Screw nut.圖5 深度調(diào)節(jié)裝置示意圖Figure 5 Structure diagram of depth adjustment device

1：螺母；2：螺桿；3：固定環(huán).1：Screw nut；2：Screw thread stick；3：Fixing ring.圖6 角度調(diào)整結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6 Structure diagram of angle adjustment device

2 田間性能試驗

2.1 試驗材料與方法

2.1.1 試驗材料 蓮藕品種選取南方地區(qū)廣泛種植、備受歡迎的‘鄂蓮五號’，簡稱代號‘3735’.

2.1.2 試驗方法 試驗地點為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機械試訓(xùn)中心室外土槽.試驗前，在試驗田內(nèi)選取泥腳深度約400 mm，邊長4 m×12 m的試驗區(qū)域，將蓮藕10枝為一組進行均勻埋覆，將泥土壓實，再靜置一天后放水開展試驗，如圖8示.

1：方管；2.螺桿；；3：分水器；4：固定環(huán)；5：噴頭.1：Square tube；2：Screw thread stick；3：Water diversion pipe；4：Fixing ring；5：Nozzle.圖7 噴流裝置結(jié)構(gòu)圖Figuee 7 Structure diagram of jet device

圖8 田間挖藕試驗Figure 8 Diagram of field-digging lotus root test

2.1.3 評價指標(biāo) 鑒于國內(nèi)外蓮藕機械化采收技術(shù)研究甚少，缺乏相關(guān)的評價技術(shù)規(guī)范.本試驗結(jié)合當(dāng)前人工采收蓮藕的要求，在螺旋推進式挖藕機田間試驗中，測定挖掘深度、蓮藕浮出率2個試驗指標(biāo)，作為考察樣機采挖性能的依據(jù)[21].

1) 挖掘深度 挖掘深度的大小直接反映挖藕機沖擊和破碎泥土的能量，利用鋼尺測量挖藕機作業(yè)前后泥層上表面和水面的垂直距離，兩者相減得到挖藕機的挖掘深度.

2) 蓮藕浮出率 挖藕機在試驗區(qū)域內(nèi)開展收獲作業(yè)，測定自行浮出的蓮藕占試驗區(qū)域埋覆蓮藕總量的百分比.

2.1.4 試驗因素 在本試驗中，為研究行走速度、噴射角度(噴頭與水平方向夾角)、噴頭與泥面距離等因素對挖藕機作業(yè)質(zhì)量的影響，以挖掘深度、蓮藕浮出率為試驗指標(biāo)，開展三因素三水平全因素試驗，分析各因素對作業(yè)質(zhì)量的影響規(guī)律，尋求優(yōu)化參數(shù)組合.進行蓮藕水力采挖收獲時，行走速度及噴射角度對沖刷質(zhì)量影響明顯[11，20]，且噴頭置于泥面下方時，水射流的速度和壓力損失會減小較多，試驗因素及因素水平如表3所示.

表3 試驗因素水平

2.2 試驗結(jié)果分析

在不同因素、不同水平下對螺旋推進式挖藕機開展全因素試驗，利用SPSS統(tǒng)計軟件對試驗結(jié)果進行分析處理，結(jié)果如表4～5所示[22].

表4 全因素試驗結(jié)果

表5 單因素方差分析

由表4可知，當(dāng)行走速度為0.1 m/s、噴射角度為60°、噴頭與泥面距離為-100 mm時，試驗效果最好，挖掘深度達到424 mm，蓮藕浮出率為100%.

由表5可知，行走速度、噴射角度及噴頭與泥面距離對挖掘深度和蓮藕浮出率均具有極顯著影響，與試驗結(jié)果吻合.

試驗序號1～9為挖藕機行走速度為0.1 m/s時的田間試驗結(jié)果.由試驗結(jié)果可知，當(dāng)噴射角度為60°，噴頭與泥面距離為-100 mm時，挖掘深度為最大值424 mm，且蓮藕浮出率為100%；當(dāng)噴射角度為60°，挖掘深度達到376 mm及以上，蓮藕浮出率達到94%及以上，試驗效果較好.

圖9為不同噴射角度和噴頭與泥面距離對挖藕機挖掘深度和蓮藕浮出率的影響.由圖9-A可知，挖掘深度隨著噴射角度的增大而呈現(xiàn)上升的趨勢，隨著噴頭與泥面距離的增大而呈現(xiàn)下降的趨勢，即挖掘深度和噴射角度呈正相關(guān)關(guān)系，和噴頭與泥面距離呈負相關(guān)關(guān)系；當(dāng)噴射角度為60°，噴頭與泥面距離為-100 mm時，挖掘深度達到最大值，為424 mm.由圖9-B可知，蓮藕浮出率隨著噴射角度的增大而呈現(xiàn)上升的趨勢，隨著噴頭與泥面距離的增大而呈現(xiàn)下降的趨勢，即蓮藕浮出率和噴射角度呈正相關(guān)關(guān)系，和噴頭與泥面距離呈負相關(guān)關(guān)系；當(dāng)噴射角度為60°，噴頭與泥面距離為-100 mm時，此時蓮藕浮出率達到最大值，為100%.

試驗序號10～18為挖藕機行走速度為0.2 m/s時的田間試驗結(jié)果.由試驗結(jié)果可知，當(dāng)噴射角度為60°，噴頭與泥面距離為-100 mm時，挖掘深度為最大值383 mm，且蓮藕浮出率為最大值92%，試驗效果較好；在試驗號12、15、18中，挖掘深度達到345 mm及以上，蓮藕浮出率達到86%及以上，試驗效果較好.

圖10為不同噴射角度和噴頭與泥面距離對挖藕機挖掘深度和蓮藕浮出率的影響.由圖10-A可知，挖掘深度隨著噴射角度的增大而呈現(xiàn)上升的趨勢，隨著噴頭與泥面距離的增大而呈現(xiàn)下降的趨勢，即挖掘深度和噴射角度呈正相關(guān)關(guān)系，和噴頭與泥面距離呈負相關(guān)關(guān)系；當(dāng)噴射角度為60°，噴頭與泥面距離為-100 mm時，挖掘深度達到最大值，為383 mm.由圖10-B可知，蓮藕浮出率隨著噴射角度的增大而呈現(xiàn)上升的趨勢，隨著噴頭與泥面距離的增大而呈現(xiàn)下降的趨勢，即蓮藕浮出率和噴射角度呈正相關(guān)關(guān)系，和噴頭與泥面距離呈負相關(guān)關(guān)系；當(dāng)噴射角度為60°，噴頭與泥面距離為-100 mm時，此時蓮藕浮出率達到最大值，為92%.

試驗序號19～27為挖藕機行走速度為0.3 m/s時的田間試驗結(jié)果.由試驗結(jié)果可知，當(dāng)噴射角度為60°，噴頭與泥面距離為-100 mm時，挖掘深度達到最大值301 mm，蓮藕浮出率達到71%，為本組試驗最佳效果，但蓮藕浮出率低于85%，試驗效果不佳；進行本組試驗時，挖藕機行走速度較快，挖掘深度和蓮藕浮出率的結(jié)果都不甚理想；在19～25號試驗中，蓮藕浮出率均小于50%，甚至出現(xiàn)數(shù)次為0的情況，試驗效果較差.分析可能是由于挖藕機行走速度過快，導(dǎo)致沖刷時間短，沖刷效果不夠充分，導(dǎo)致試驗效果較差.

圖9 噴射角度和噴頭與泥面距離對作業(yè)質(zhì)量的影響1Figure 9 Influence 1 of jet angle and distance between the nozzle and mud surface on operation quality

圖10 噴射角度和噴頭與泥面距離對作業(yè)質(zhì)量的影響2Figure 10 Influence 2 of jet angle and distance between the nozzle and mud surface on operation quality

圖11為不同噴射角度和噴頭與泥面距離對挖藕機挖掘深度和蓮藕浮出率的影響.由圖11-A可知，挖掘深度隨著噴射角度的增大而呈現(xiàn)上升的趨勢，隨著噴頭與泥面距離的增大而呈現(xiàn)下降的趨勢，即挖掘深度和噴射角度呈正相關(guān)關(guān)系，和噴頭與泥面距離呈負相關(guān)關(guān)系；當(dāng)噴射角度為60°，噴頭與泥面距離為-100 mm時，挖掘深度達到最大值，為301 mm.由圖11-B可知，蓮藕浮出率隨著噴射角度的增大而呈現(xiàn)上升的趨勢，隨著噴頭與泥面距離的增大而呈現(xiàn)下降的趨勢，即蓮藕浮出率和噴射角度呈正相關(guān)關(guān)系，和噴頭與泥面距離呈負相關(guān)關(guān)系；當(dāng)噴射角度為60°，噴頭與泥面距離為-100 mm時，此時蓮藕浮出率達到本組試驗最大值，為71%.

圖11 噴射角度和噴頭與泥面距離對作業(yè)質(zhì)量的影響3Figure 11 Influence 3of jet angle and distance between the nozzle and mud surface on operation quality

3 結(jié)論

1) 為提高蓮藕采收機械的機動性、減輕勞動強度、提高蓮藕采挖收獲效率，設(shè)計了一種螺旋推進式挖藕機，主要包括利用滑轉(zhuǎn)原理設(shè)計的螺旋推進式自主行走底盤及基于流體力學(xué)設(shè)計的噴流裝置，二者結(jié)合進行蓮藕采挖收獲，即機械水力聯(lián)合采挖收獲.

2) 以挖掘深度、蓮藕浮出率為試驗指標(biāo)，以行走速度、噴射角度和噴頭與泥面距離為試驗因素，開展三因素三水平全因素試驗.田間試驗表明：在行進速度為0.1 m/s、噴射角度為60°，噴頭距離泥面距離為-100 mm時，能夠完全挖出泥下400 mm的蓮藕，蓮藕浮出率達到最大值100%，挖掘深度達到最大值424 mm，滿足設(shè)計要求.該螺旋推進式底盤還能應(yīng)用于水田行走裝備等領(lǐng)域的研究.