手扶水力沖刷式挖藕機設(shè)計與試驗

黃琳，周勇，張國忠，涂鳴，劉沿，王宏波，吳澤棟

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

藕(NelumbonuciferaGaertn)，又稱蓮藕，屬睡蓮科植物，具有很高的藥用價值，是一種重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物，在我國有廣泛的種植[1]。蓮藕采挖作業(yè)環(huán)境惡劣，早期主要依靠工人翻挖蓮藕上層的泥土，勞動效率低，勞動強度過大。目前主要依靠工人手持水槍沖刷蓮藕上層的泥土，對工人的操作要求較高，機械化程度較低。隨著我國人口老齡化，挖藕工人年齡普遍偏大，新生力量不足，蓮藕的機械化收獲為今后發(fā)展的必然趨勢[2]。

為了實現(xiàn)蓮藕的機械化采收，國內(nèi)外研究人員對挖藕機械進(jìn)行了相關(guān)探索。黃海東等[3]研制的4CWO-3.2型船式挖藕機集蓮藕采挖、清洗作業(yè)于一體,同時該機采用雙向螺旋機構(gòu)帶動噴頭往復(fù)運動。王維等[4]研制的4SWJ-1型船式水力挖藕機由鋼絲繩牽引前進(jìn)，可避免挖藕機主動輪卡死的現(xiàn)象。2004年研制的4CW-2.6型船式挖藕機采用鏟泥板與高壓水槍相結(jié)合的方式進(jìn)行蓮藕采挖[5]。1980年代，日本研制出了帶高壓泵的噴流式Ⅰ型、寬幅Ⅱ型以及泵定置式小型(簡稱Ⅲ型)挖藕機,該系列挖藕機作業(yè)機動性差，不適合規(guī)?；N植[6]。

目前蓮藕采挖機械化發(fā)展水平較低，滿足市場需求的蓮藕采挖產(chǎn)品較少。為提高蓮藕的采挖效率及減少工人的勞動強度，本研究結(jié)合水力沖刷挖藕方式，設(shè)計了一種手扶水力沖刷式挖藕機，該挖藕機采用“二對二”的配置方式，即2個污水潛水泵分別配置1個噴頭，通過液壓系統(tǒng)控制污水潛水泵的工作轉(zhuǎn)速和噴頭的往復(fù)運動，實現(xiàn)水力沖刷挖掘蓮藕，以期為挖藕機的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 挖藕機結(jié)構(gòu)與工作原理

1)挖藕機結(jié)構(gòu)。該挖藕機主要由柴油發(fā)動機、污水潛水泵、浮筒、液壓控制系統(tǒng)、噴頭和噴頭連接裝置等組成(圖1)。挖藕機底盤浮筒采用可發(fā)性聚苯乙烯EPS泡沫壓縮成型。藕田水中主要含有藕葉、水草及泥沙，為避免堵塞，選擇葉輪為流道式的污水潛水泵作為抽水裝置。挖藕機動力由柴油發(fā)動機提供。污水潛水泵懸掛裝置位于機架的中后方，液壓馬達(dá)、污水潛水泵從上至下依次通過螺栓連接置于懸掛裝置上。液壓馬達(dá)與污水潛水泵之間用聯(lián)軸器相連。挖藕機采用2個污水潛水泵，每個污水潛水泵由1個液壓馬達(dá)控制。升降液壓缸對污水潛水泵懸掛裝置進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，從而控制污水潛水泵的吸水高度。換向閥、噴頭連接裝置、推移液壓缸從左至右依次位于機架的后方，噴頭連接裝置可根據(jù)水深在豎直方向上對噴頭的噴水高度進(jìn)行上下調(diào)節(jié)及角度噴射調(diào)節(jié)，推移液壓缸控制其在水平方向上的移動。為保持挖藕機的平衡性，柴油發(fā)動機位于機架左上方，液壓油箱位于機架的右上方。挖藕機主要參數(shù)如表1所示。

1.浮筒 Float; 2.升降液壓缸 Hydraulic cylinder for lifting; 3.液壓馬達(dá) Hydraulic motor; 4.推移液壓缸 Hydraulic cylinder for pushing; 5.折疊腳 Foldable support; 6.噴頭連接裝置 Nozzle connection device; 7.污水潛水泵懸掛裝置 Sewage submersible pump suspension device; 8.同步閥 Hydraulic synchronizing valve; 9.三聯(lián)液壓泵 Three-through hydraulic pump; 10.液壓油箱 Hydraulic tank; 11.噴頭 Nozzle;12.污水潛水泵 Sewage submersible pump;13.換向閥 Directional valve;14.柴油發(fā)動機 Diesel engine.

表1 挖藕機主要技術(shù)參數(shù) Table 1 Key parameters of lotus root digging machine

2)工作原理。在進(jìn)行水力沖刷前，為便于污水潛水泵吸水，將與升降液壓缸相連的污水潛水泵懸掛裝置調(diào)節(jié)到合適高度。水力沖刷時，液壓馬達(dá)帶動水泵軸高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，泥水從污水潛水泵出口通過出水管直接流入噴頭，噴頭將泥水的壓力能轉(zhuǎn)換成動能，進(jìn)而使其加速噴出。與此同時，噴頭調(diào)節(jié)裝置在推移液壓缸的作用下帶動噴頭在水平方向上左右移動，覆蓋于蓮藕上方的泥土因受到射流的反復(fù)沖刷，其破碎后不斷被水流帶走，最后蓮藕裸露在水底，在自身浮力作用下浮出水面，再由人工打撈完成蓮藕的采挖作業(yè)。挖藕機通過人工手扶控制其前進(jìn)方向，當(dāng)挖藕機確定一處工作位置后，在此位置前后往復(fù)運動相應(yīng)時間后再繼續(xù)前進(jìn)尋找下一工作位置，如此循環(huán)重復(fù)，以進(jìn)行挖藕作業(yè)。

1.2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

1)浮筒的設(shè)計。選用的浮筒內(nèi)芯為可發(fā)性聚苯乙烯EPS泡沫壓縮成型，外殼為加厚膜和全封網(wǎng)處理，保護浮筒內(nèi)部的泡沫不受破壞，同時具有一定的強度、耐腐蝕性。經(jīng)估算樣機除浮筒外總質(zhì)量約為500 kg，為使浮筒產(chǎn)生相應(yīng)浮力支撐整機，設(shè)計浮筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。浮筒形狀為半圓柱形，可增大受力面積同時便于安裝加工[7]。浮筒浮力根據(jù)公式(1)計算：

(1)

對式(1)簡化可得式(2)：

(2)

式(1)～(2)中：θ為圓心角，(°)；d為浮筒的截面寬，m；H為浮筒的高，m；r為浮筒的半徑，m；S為浮筒的側(cè)面積，m2；V為浮筒的體積，m3；L為浮筒的長，m；F浮為浮筒在水中收到的浮力，N；ρ液為水的密度，ρ液=1 000 kg/m3；g為重力加速度，g=10 m/s2；V排為浮筒浸入水中的體積，m3。

由式(2)可知，浮筒浮力主要與浮筒的截面寬d、浮筒的高H、浮筒的半徑r、浮筒的長L有關(guān)?？紤]整機尺寸，設(shè)計6個浮筒支撐整機，單個浮筒尺寸設(shè)計為d=330 mm，H=550 mm，r=300 mm，L=900 mm，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)可得單個浮筒浮力為2 300 N，考慮藕田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，為保證挖藕機正常運行，設(shè)計挖藕機載荷最大時浮筒只浸入水中一半，此時浮筒的浮力約為1 100 N，則6個浮筒可提供總浮力約為6 600 N，其可支撐質(zhì)量約為660 kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣機除浮筒外的總質(zhì)量，滿足所需要求。

圖2 浮筒結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural drawing of buoy

2)噴頭的設(shè)計。噴頭的結(jié)構(gòu)如圖3所示，噴頭的內(nèi)部截面形狀為錐直形，噴頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：進(jìn)水口內(nèi)徑D，出水口內(nèi)徑d，收縮角α，噴頭長度H，噴頭總長L，長徑比Cp(噴頭圓柱段長度l/出水口內(nèi)徑d)。由于水泵的出水口內(nèi)徑為35 mm，所以噴頭的進(jìn)水口內(nèi)徑D為35 mm。為保證好的射流集束性，選取收縮角α為13°，d=20 mm，長徑比Cp為2[8-10]。根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知：

(3)

式(3)中，H為噴頭長度，mm；d為噴頭出水口內(nèi)徑，mm；L為噴頭總長，mm。則噴頭長度為75 mm，噴頭總長為225 mm。

圖3 噴頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure drawing of nozzle

3)噴頭連接裝置的設(shè)計。噴頭的角度調(diào)節(jié)及高度調(diào)節(jié)關(guān)系沖刷效果。合適的噴頭連接裝置可以減少管路對挖藕機的水能量損失(圖4)。將污水潛水泵的出水口與噴頭連接裝置中的噴頭連接口上端直接相連。噴頭通過螺紋連接與噴頭連接口下端相連，2個噴頭對稱布置，間距為600 mm，即在600 mm行程的液壓缸的推動下，挖藕機的工作幅寬為1 200 mm。角度連接片上以45°為間隔，開直徑為8 mm的圓孔。角度固定片上開4個直徑為8 mm的腰型孔，將角度連接片與角度固定片上的孔對齊，再用螺栓連接鎖緊加固即可實現(xiàn)多角度自由調(diào)節(jié)。U型不銹鋼槽Ⅰ每隔25 mm開1個直徑為10 mm的孔，不銹鋼槽總長500 mm，U型不銹鋼槽Ⅱ總長200 mm，間隔160 mm開2個直徑為10 mm的孔，將2塊U型槽上的孔相對通過螺栓連接緊固即可上下調(diào)節(jié)噴頭與泥面之間的距離。

1.角度固定片 Angle fixing piece; 2.U型不銹鋼槽Ⅰ U-shaped stainless steel groove Ⅰ; 3.U型不銹鋼槽Ⅱ U-shaped stainless steel groove Ⅱ; 4.角度連接片 Angle connecting piece; 5.噴頭連接口 Nozzle connection port.

1.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

1)液壓原理圖。液壓控制回路主要用來控制挖藕機的水力沖刷，是挖藕機的重要組成部分，液壓原理圖如圖5所示。發(fā)動機帶動三聯(lián)泵從油箱吸油，三聯(lián)泵的3個出油口將液壓油的流動路線分成3條支路，各條支路相互獨立，互不干擾。第1條支路的液壓油流進(jìn)兩路三位四通換向閥，一路換向閥控制升降液壓缸上下運動，升降液壓缸有2個，通過同步閥控制其同步；另一路控制閥控制推移液壓缸左右移動，通過節(jié)流閥控制流量進(jìn)行調(diào)速。第2條支路的液壓油通過三位四通換向閥和節(jié)流閥流進(jìn)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速快慢由節(jié)流閥控制。第3條支路與第2條支路相同。流進(jìn)液壓缸和液壓馬達(dá)的液壓油最后都通過與各自相連的三位四通換向閥的回油口流回油箱[12-14]。選用三聯(lián)液壓泵為CBN-F306/F306/304，液壓馬達(dá)為1MM1P35，液壓缸為40/50×25。

圖5 液壓原理圖Fig.5 Hydraulic schematic diagram

2)建立AMESim液壓系統(tǒng)模型。由于選用的三聯(lián)泵的各個油腔之間不串油，3條液壓支路相互獨立，所以單獨對液壓馬達(dá)支路、液壓缸支路進(jìn)行仿真分析，其AMESim模型如圖6所示。根據(jù)液壓元件的型號和系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境設(shè)置各元件仿真模型的參數(shù)。選用的液壓泵的額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，為使二者轉(zhuǎn)速匹配，使用帶傳動將柴油發(fā)動機傳入液壓泵的轉(zhuǎn)速降低到2 000 r/min，在液壓仿真時將柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速設(shè)為2 000 r/min，主要參數(shù)設(shè)置如表2所示[15-16]。

A:推移液壓缸支路仿真模型 Branch simulation model of the hydraulic cylinder for pushing; B:液壓馬達(dá)支路仿真模型 Branch simulation model of hydraulic motor.

3)仿真結(jié)果。由圖7A可知，當(dāng)節(jié)流閥的閥口信號為0.55時，液壓缸的運行速度可達(dá)到最大值11 cm/s；閥口的信號為0.01時，液壓缸的運行速度達(dá)到最小值,為2 cm/s；閥口信號在0.01～0.11時，液壓缸的移動速度處于明顯的變化階段，閥口信號在0.11～0.55時，液壓缸的移動速度處于微小變化階段，此時不適合調(diào)節(jié)液壓缸的移動速度。因此，選擇閥口信號為0.55、0.04、0.01進(jìn)行單獨分析。由圖7B、C可知，當(dāng)閥口信號為0.55時，液壓缸的移動速度為最大值11 cm/s，大約5 s可達(dá)到液壓缸的最大行程；當(dāng)閥口信號為0.04時，液壓缸的移動速度為6.5 cm/s，大約9 s可達(dá)到液壓缸的最大行程；當(dāng)閥口信號為0.01時，液壓缸的移動速度為2 cm/s，29 s可達(dá)到液壓缸的最大行程。

表2 AMESim模型元件主要參數(shù) Table 2 Main parameters of AMESim model components

由圖8可知，當(dāng)節(jié)流閥的閥口開到最大時液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速可達(dá)到2 995 r/min。此水泵可允許的最大轉(zhuǎn)速為2 860 r/min。考慮到水泵的轉(zhuǎn)速超過最大轉(zhuǎn)速會造成水泵內(nèi)部的密封圈損毀，將節(jié)流閥的開口適當(dāng)調(diào)小，當(dāng)閥口信號值為0.05時，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速可達(dá)到2 862 r/min。

4)液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能。為了驗證仿真的準(zhǔn)確性及對推移液壓缸的移動速度進(jìn)行標(biāo)定，在進(jìn)行沖刷性能試驗之前先對液壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)試驗。在挖藕機正常工作后使用轉(zhuǎn)速測速儀對液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測定，重復(fù)3次取平均值為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速值，同時使用超聲波流量計對此轉(zhuǎn)速下水泵的出水量進(jìn)行測試。經(jīng)測定液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為2 005 r/min，水泵的流量為10.52 m3/h。通過調(diào)節(jié)試驗發(fā)現(xiàn)節(jié)流閥的閥口開至最大時液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速達(dá)到2 005 r/min，低于液壓仿真分析結(jié)果，通過分析可知，由于挖藕作業(yè)是在含有泥沙的環(huán)境里，當(dāng)水泵的進(jìn)水口泥沙量過多，會使液壓馬達(dá)的負(fù)載加大，從而使馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變慢同時油管發(fā)熱、節(jié)流閥等液壓元件的使用、液壓油管過長等因素對液壓系統(tǒng)的壓力造成了損失。

A:推移液壓缸多速度運行曲線圖 Multi speed operation curve of the hydraulic cylinder for pushing; B:推移液壓缸的運行速度曲線圖 Speed operation curve of the hydraulic cylinder for pushing; C:推移液壓缸的運行位移曲線圖 Displacement operation curve of the hydraulic cylinder for pushing.

圖8 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線圖Fig.8 Speed curve of hydraulic motor

推移液壓缸移動速度的標(biāo)定：將節(jié)流閥的閥口調(diào)至合適位置，測定推移液壓缸的活塞桿伸出至極限位置時所用的時間，根據(jù)公式：

(4)

式(4)中，v為推移液壓缸的移動速度，cm/s；s為推移液壓缸活塞桿的總長，cm；t為推移液壓缸活塞桿伸出所用時間，s。經(jīng)測定，將節(jié)流閥的閥口調(diào)至最大時，液壓缸的移動速度約為10 cm/s；將節(jié)流閥的閥口打開2/3圈時，液壓缸的移動速度約為6 cm/s；將節(jié)流閥的閥口打開1/4時，液壓缸的移動速度約為2 cm/s。此后的試驗相應(yīng)的速度值將按以上相應(yīng)節(jié)流閥的開口大小來調(diào)節(jié)。

1.4 性能試驗

1)試驗方法。在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)室外水槽以蓮藕為試驗對象開展了手扶水力沖刷式挖藕機的性能試驗(圖9)。試驗水槽長10 m，寬2.7 m。試驗蓮藕的品種為鄂蓮1號，平均長度704 mm，平均直徑86.748 mm，平均質(zhì)量1 825 g。為驗證挖藕機是否具有藕田適應(yīng)性，試驗前先將蓮藕以前后300 mm的間距埋入泥下250～300 mm的位置，再將泥土壓實，靜泡1 d后開展試驗，每組試驗10枝蓮藕。試驗儀器與設(shè)備有挖藕機、鋼尺、轉(zhuǎn)速測速儀、計時器等。

圖9 性能試驗Fig.9 Performance test

2)評價指標(biāo)。目前國內(nèi)外對蓮藕的機械化采收技術(shù)研究較少，缺乏相關(guān)的評價技術(shù)指標(biāo)。本試驗結(jié)合當(dāng)前人工采收蓮藕的要求，以沖刷深度、蓮藕浮出率為試驗指標(biāo)，作為考察樣機沖刷性能的依據(jù)[17-18]。

沖刷深度(H)可由公式(5)計算得到。

H=H2-H1

(5)

式(5)中，H1為作業(yè)前泥層上表面至水面的距離，mm；H2為作業(yè)后泥層上表面至水面的距離，mm。

蓮藕浮出率(A)可由公式(6)計算得到。

(6)

式(6)中，m為在試驗區(qū)作業(yè)后浮出蓮藕的質(zhì)量，g；M為在試驗區(qū)埋入蓮藕的總質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 沖刷性能試驗

考慮挖藕機的作業(yè)要求，以噴頭的噴射角度(噴頭的中軸線與豎直方向的夾角)、推移液壓缸的移動速度、噴頭的入泥深度(噴頭的入泥深度為噴頭與泥面之間的距離，噴頭在泥面之上為“+”，在泥面之下為“-”，與泥面相切為“0”)為試驗因素，以沖刷深度、浮出率為試驗指標(biāo)，設(shè)計三因素三水平Box-Behnken試驗，共進(jìn)行17組試驗，每組試驗重復(fù)3次，取平均值為試驗結(jié)果[19-20]。挖藕機在一工作位置沖刷1 min后再繼續(xù)前進(jìn)到下一工作位置[21]。噴頭沖刷示意圖如圖10所示，各試驗因素水平及編碼如表3所示，試驗方案及結(jié)果如表4所示。

圖10 噴頭沖刷示意圖Fig.10 Schematic diagram of nozzle flushing

表3 Box-Behnken試驗因素水平編碼表 Table 3 Box-Behnken design of factors and levels

表4 試驗方案及結(jié)果 Table 4 Test design and results

2.2 顯著性檢驗與回歸方程

試驗數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0.5軟件進(jìn)行分析，建立沖刷深度H、浮出率A的回歸方程。

H=267.80-13.00X1-32.75X2+

(7)

表5 沖刷深度H方差分析 Table 5 ANOVA for percentage of scour depth H

A=43.20-11.88X1-25.50X2+21.38X3+

(8)

表6 浮出率方差分析 Table 6 ANOVA for percentage of floating rate

2.3 響應(yīng)曲面分析

由表5和表6可知，噴射角度X1、入泥深度X2、移動速度X3對沖刷深度和浮出率均有顯著影響，但它們的交互項影響不顯著。對有顯著影響的交互項進(jìn)行響應(yīng)曲面分析。

1)沖刷深度。由圖11A可知，當(dāng)入泥深度一定時，沖刷深度隨著移動速度的增大而增大，即沖刷深度與移動速度呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)移動速度一定時，沖刷深度隨著入泥深度的增大呈先增大隨后減小的趨勢。

2)浮出率。由圖11B可知，當(dāng)噴射角度一定時，浮出率隨著入泥深度的增大呈先增大隨后減小的趨勢；若入泥深度一定時，浮出率隨著噴射角度的減小而增大，即浮出率與噴射角度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由圖11C可知，當(dāng)移動速度一定時，浮出率隨著入泥深度的增大呈先增大隨后減小的趨勢；若入泥深度固定，浮出率隨著移動速度的增大而增大，即浮出率與移動速度呈正相關(guān)關(guān)系。

A:X2X3交互作用對沖刷深度的響應(yīng)曲面 Response surface of scour depth in X2X3 interaction;B:X1X2交互作用對浮出率的響應(yīng)曲面 Response surface of floating rate in X1X2 interaction;C:X2X3交互作用對浮出率的響應(yīng)曲面 Response surface of floating rate in X2X3 interaction.

2.4 參數(shù)優(yōu)化

為獲得挖藕機作業(yè)時的最優(yōu)參數(shù)組合，對回歸模型進(jìn)行優(yōu)化分析。挖藕機的水力沖刷深度是決定挖藕機采挖出蓮藕的關(guān)鍵因素，因此將沖刷深度作為重點考察目標(biāo)，約束條件為：

(9)

當(dāng)噴射角度為30°、入泥深度為-24.19 mm、移動速度為10 cm/s時挖藕機的沖刷性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，其沖刷深度為299.963 mm，浮出率為99.994%。為驗證仿真結(jié)果的可靠性，根據(jù)實際作業(yè)將入泥深度取為-24 mm、噴射角度為30°、移動速度為10 cm/s開展驗證試驗，試驗重復(fù)3次，取其結(jié)果的平均值，則沖刷深度為302 mm，浮出率為90%。

3 討 論

為減輕勞動強度，提高蓮藕的采挖效率，本研究設(shè)計了一種手扶水力沖刷式挖藕機。采用噴頭與污水潛水泵“二對二”的配置方式，提供足夠的流量和壓力。液壓系統(tǒng)仿真分析和調(diào)節(jié)性能試驗表明，液壓系統(tǒng)滿足工作要求，但應(yīng)注意泥水對轉(zhuǎn)速的影響。通過沖刷性能試驗表明，噴頭的噴射角度、噴頭的入泥深度、推移液壓缸的移動速度均對挖藕機的沖刷深度和浮出率有極顯著影響；噴頭的入泥深度和推移液壓缸的移動速度的交互作用對沖刷深度和浮出率有極顯著影響；噴頭的噴射角度和噴頭的入泥深度的交互作用對蓮藕的浮出率有顯著影響。通過Design-Expert 8.0.5軟件的參數(shù)優(yōu)化分析，在噴射角度為30°、入泥深度為-24 mm、移動速度為10 cm/s時挖藕機的沖刷性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，通過試驗驗證，沖刷深度為302 mm，浮出率為90%，試驗時的系統(tǒng)誤差可能使浮出率的試驗結(jié)果比仿真優(yōu)化結(jié)果略低。