人—機—環(huán)境理念在噴流式挖藕機功能優(yōu)化中的設計與實踐

河北工程大學機器人工程系 楊大亮

蓮藕是食用、藥用價值均較高的水產農產品，其在國內分布廣泛，種植區(qū)遍及長江、西南及華南等地區(qū)。近年來，隨著農村產業(yè)結構調整及國家政策的傾斜，蓮藕種植面積不斷擴大，但由于蓮藕生長環(huán)境較為特殊，其采收一直是影響農戶收益的重要因素。目前，國內的蓮藕種植戶多依靠人工單噴槍采挖，該種采收方式雖然可以提升收獲效率，但勞動量極大且對采藕人的熟練度要求較高。為了改變這種低效、繁重的采藕方式，日本在20 世紀80 年代發(fā)明了3 重噴流式挖藕機，近年來國內的設計者們也依據不同需求研制出浮筒、大型船式挖藕機。“人—機—環(huán)境”是錢學森先生在1981年提出的重要概念，是對未來人類技術發(fā)展的偉大構想[1]，即以“人”為核心，在產品開發(fā)中首先以使用者（即人）視角為出發(fā)點，考慮環(huán)境因素等客觀隱私，以充分發(fā)揮人的能力和工作效能。本文則淺析了基于“人—機—環(huán)境”理念對傳統噴流式挖藕機進行改良設計和應用，通過加強挖藕效率來提升藕農的經濟效益。

1 挖藕機發(fā)展里程及我國挖藕機設計改良方向

市面上最早的噴流式挖藕機要追溯至20 世紀80年代，設計師依據不同用途分別研發(fā)噴流式Ⅰ型、寬幅式Ⅱ型和泵定式Ⅲ型3 種挖藕機。國內的挖藕機研發(fā)始于20 世紀80 年代武漢工學院李凡愛發(fā)表的挖藕機設計的文章。自1998 年武漢市科委研制出第一臺水壓力挖藕機到如今的20 多年間，經過優(yōu)化改良，目前市面上的挖藕機能夠滿足各種環(huán)境、不同需求的挖藕需求。

縱觀我國挖藕機研制的歷程可以分為三個階段，初始階段設計師們考慮的較為復雜，在設計層面要求自動化程度必須滿足要求；但是自動化程度越高實際應用中出現的問題就越多，且大多數情況下很多功能難以有效使用。第二階段，設計師們開始通過改善其性能，如使用不同天氣環(huán)境、適應不同水深、可以自動行走、操控的便利性和舒適性等進行改進。第三個階段即基于“人—機—環(huán)境”體系的改良。機械工程師劉義滿[2]連同其團隊基于目前挖藕機的功能和性能，對未來采藕機械的設計提出了以下幾點設想：首先，智能化、舒適性，減少或者不需要操作人員下水作業(yè)；其次，確保蓮藕的完好率，盡量減少蓮藕表皮、芽頭等部位損壞；再者，功能的多樣化。

2 傳統噴流式挖藕機的缺點及改良思路

2.1 傳統噴流式挖藕機

噴流式挖藕機主要用于藕田灌水在10cm~20cm深度下作業(yè)，整個機身由挖掘機、牽引設備組成。挖掘機又分為機體、泵體和噴流裝置。機體主要起到浮舟作用，機體前中后部分分別安裝了泵體、吸水水槽和噴管，兩側各安裝土砂篩網。進水口位置有兩個能夠移動的渦輪泵，具體見圖1 所示。傳統噴流式挖藕機設計的初衷主要考慮到實用功能，以工程師的主導思想來處理挖耦機作業(yè)時如何高效挖出蓮藕，但是對用戶使用感受考量不足，并且也沒有關注到設備與使用環(huán)境的相互關系，因而無法被市場接受。

2.2 基于“人—機—環(huán)境”理論對噴流式挖藕機的優(yōu)化

2.2.1 “人—機”理論對噴流式挖藕機設計的啟發(fā)

人機挖藕機的使用者，其對設備的操作不僅要完成采藕作業(yè)的任務，還要滿足運輸、維護簡單易行等要求。單從“人”的角度來分析需要滿足生理、心理兩個層面:（1）生理層面。人或者使用者的活動與機械設備、時間/空間、環(huán)境密切相關。人體活動期間一般都是在確保效率、安全性的同時，縮短時間、提高精確度。帶入到挖藕機操作方面可以化簡至3 個類型，第一，搬運操作省時、省力；第二，挖藕作業(yè)時操作便捷，如各種功能按鈕、擋桿易操作、易識別；手扶連桿尺寸、高度符合人體工程學；第三，便于維護，挖藕機是藕農在日常勞作生產中使用最頻繁的工具之一，水下作業(yè)容易對金屬設備造成銹蝕，需要及時更換零部件，這就要求設計整機可拆卸，活動零件易拆卸。（2）心理層面。對使用者而言其對挖藕機的心理感受有兩個明顯的階段：使用前對設備表面的質感、形狀、顏色、尺寸等的整體判斷；對使用后的心理感受主要包括操作感、平衡感、行為結果感受等。在設計之處應該滿足使用者這兩方面的需求。

（1）挖藕機不同操作中使用者與部件的關系

挖藕機的搬運、挖藕作業(yè)及維護這3 種操作中人必定會和某一個部件發(fā)生直接關系。以噴流式挖藕機的部件（發(fā)動機、水泵、射流噴頭、儲水箱、浮筒、框架、手扶連桿、水管、高壓水腔及濾網）的矩陣分析來體現在不同操作時與使用者直接關系的部件。與使用者操作直接關系的標“*”，未直接作用標“-”，見表1。通過分析顯示，使用者“搬運”操作中分別浮筒、手扶連桿部件直接相關；挖藕作業(yè)時與框架、發(fā)動機、射流噴頭和手扶連桿直接相關；而維護則與所有部件直接相關。

表1 使用者不同操作與設備部件的直接關系

（2）人體工程學在噴流式挖藕機改良中的應用

噴流式挖藕機搬運、挖藕作業(yè)和維護3 種操作技能需要使用者上下肢的操作，上肢包括手臂和手掌，下肢包括站姿要求等。因此需要依據我國成年男女人體尺寸（詳見GB 10000-1988[3]）進行優(yōu)化。①人體操作高度。依據GB 中的成年男女百分位數P90，考慮到挖藕作業(yè)水塘深度約25mm~45mm、操作高度應略高于站姿的肘部高度更省力，因此將作業(yè)時手臂操作高度與水面距離設置為660mm~1085mm 為宜。②手握把寬度。國人成年男女百分位數P90，手寬度為700mm，因此按照該標準設計可以提升操作的舒適度。③操作臺面。研究發(fā)現，帶傾角的操作臺面方便使用者操作和觀察，一般的使用者和操作面間高度的關系，其傾角在10°~45°最佳（見圖2）；另外，為了方便搬運的便利性，可以在浮筒外側增設副把手等。

圖2 基于“人—機”理念對挖藕機的優(yōu)化設計

2.2.2 “機—環(huán)境”理念對噴流式挖藕機優(yōu)化的啟發(fā)

（1）降阻和減震優(yōu)化設計

按照國內的氣候環(huán)境及蓮藕生長特性，挖藕機的作業(yè)時間是每年的7 月到第二年的5 月間[4]。作業(yè)時挖藕機的移動靠使用者晃動、推動，但水阻力會導致作業(yè)的效率大幅下降。水阻力主要有波浪阻力和摩擦阻力兩種類型，波浪阻力和機器的移動速度及形態(tài)相關，因此可以將浮筒的形態(tài)進行優(yōu)化，流線型浮筒能夠降低波浪阻力。摩擦阻力則與機械表面光滑程度及移速有關，因此盡量保證浮筒表面的光滑度。噴流式挖藕機在工作狀態(tài)下發(fā)動機的抖動對使用者造成影響，這種抖動會導致手扶連桿和握把也會出現震動，長時間作業(yè)不僅會影響設備的使用年限，還會造成操作者手臂肌肉損傷。為了緩解設備的震動，可以通過增加減振裝置、提高握把摩擦力的方式進行改進。

（2）射流噴頭參數優(yōu)化設計

噴流式挖藕機在工作狀態(tài)時，由噴頭噴射高壓射流，將蓮藕上層及表面覆蓋或附著的泥土沖擊帶走（作業(yè)原理見圖3），待蓮藕充分顯露于水下后受浮力作用漂在水面，然后打撈，整個采藕作業(yè)順利完成。

圖3 挖藕機射流噴頭作業(yè)原理

優(yōu)化思路即對射流噴頭參數進行調整：①旋轉管路設計。為降低管路對水泵揚程、流量等的影響，兩根橫管的橫截面積相加之和應與水泵出水管橫截面積相等，假設橫管內徑為d，而水泵出水管內徑為D，則得出公式d=0.707D。傳統噴流式挖藕機的水泵出水管內徑D 約為70mm，因此可計算出橫管內徑約為49.49mm。

②建立泥土模型，確定噴嘴參數。鑒于荷塘泥土的濕潤性、粘性特質，泥土顆粒間有范德華力存在，因此選擇Hertz-Mindlin with JKR 模型對泥漿（泥土）建模。以**大學人工種植藕田測得的泥土堆積角、體積密度，經JKR 模型數據庫查出動摩擦系數、靜摩擦系數和恢復系數。查閱文獻獲得土壤彈性模量1143.2kPa，而泊松比為0.4[5]。獲得彈性模量和泊松比的關系式G=E/2(1+v)，其中G 為剪切模量，E 為彈性模量，v 為泊松比，計算得出G 值（kPa）。分析出射流噴頭水流速度、噴射角度對挖掘深度的影響。分析噴頭形狀、噴射角度對挖掘深度的影響。對比不同噴頭性狀對泥土的沖刷效果，結果發(fā)現圓形效果優(yōu)于其他性狀。在噴頭噴射角度的分析中假設噴頭方向和豎直方向夾角為θ（見圖4），仿真實驗結果顯示，噴射角度越大則泥土更容易被水流沖刷，且能夠緩解泥土回填的情況。本次對噴流式挖藕機噴頭參數的設置共包括4 點：橫管內徑約為50mm，噴頭為圓形，噴射水流速度為20m/s，噴射角度為45°的最佳組合。

圖4 射流噴頭噴射平面圖

2.2.3 “人—機—環(huán)境”理念對噴流式挖藕機優(yōu)化的思考

人與環(huán)境對挖藕機設計的影響側重點不同，但又彼此相互影響。從人的角度分析，美觀度是繼適用性、舒適性和高效性之后重點考量的改良點之一。彩色的不單單指的是整體外觀的顏色，還要體現其與功能的匹配性。色彩心理學理論認為，在社會活動、自然欣賞方面，從主觀上來看色彩是對人的一種行為反應，客觀上則是一種刺激和象征[6]。人們在日常生活中觀察到的各種顏色會逐漸形成心理顏色視覺感，如天藍色、葉綠色等等。因此在挖藕機色彩搭配時應該考慮到其對人心理的影響。本次對噴流式挖藕機的顏色優(yōu)化主要體現在以下幾點：①將挖藕機主體涂為金黃色，金色象征豐收和財富；②操作面板上以彩色展示，方便使用者識別不同的功能。

3 結語

“人一機一環(huán)境”理念是未來機械設備制造均遵循的一套先進體系，傳統噴流式挖藕機在設計之初考量的因素較少，無法滿足現階段藕農的采藕需求。通過分析“人—機”“機—環(huán)境”以及“人—機—環(huán)境”在挖藕機設計的體現，從而對其結構功能及造型方面進行優(yōu)化，在確保采收效率的同時，盡量提升使用者操作的便利性、舒適性。