新疆蓮藕旱田采收機的設計

安文斌，亞森江·白克力，宋 玲，劉瀚軒，胡佳佳，郭 凱

（新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，新疆烏魯木齊 830052）

0 引言

蓮藕可以生吃也可熟食，味道微甜爽口。蓮藕中主要含淀粉、蛋白質(zhì)以及多種維生素，藥用價值相當高，且加工形式多樣，既可以直接作為蔬菜食用，也可以加工成藕粉等產(chǎn)品，深受消費者的喜愛[1]。蓮藕在我國種植歷史悠久，在我國已有3 000多年的栽培歷史。2011年于田縣引進蓮藕并種植成功，2013年烏魯木齊市米東區(qū)試種蓮藕并種植成功，隨著蓮藕在新疆部分地區(qū)的試種成功，新疆其他地區(qū)也陸續(xù)開始種植蓮藕[2]，蓮藕的種植帶動了本地經(jīng)濟的增長。新疆種植的蓮藕一般主藕有3~5節(jié)，長400~800 mm。蓮藕的收獲期一般為立秋前后至次年4月[3]，新疆地區(qū)立秋后天氣逐漸轉(zhuǎn)涼，溫度普遍在-6~8℃，藕田結冰，已經(jīng)不適合進行水田蓮藕采收，因此新疆藕農(nóng)會在9月中旬前后將藕田中水排空，曬田后進行采挖。

我國傳統(tǒng)蓮藕采挖機主要為水田蓮藕采挖機械，主要針對南方地區(qū)水田蓮藕進行采挖。其采挖方式多為渦輪高壓噴水切割、破碎、沖刷蓮藕周圍土壤使蓮藕與泥分離浮起后人工撿拾。目前市面上的蓮藕挖掘機一般分為三種：小型手扶式挖藕機、水泵組漂浮式和大型自走式挖藕機[4]。馬向東發(fā)明了一款用于蓮藕采收的裝置，主要由支撐座、殼體、底板、浮艙等裝置組成，有效地降低了工作人員的勞動強度，提高了作業(yè)的安全性[5]。程英等設計了一種聯(lián)合式蓮藕采收機械，裝置主要包含動力裝置、采挖裝置、運輸裝置、收集裝置、傳動裝置，完成了蓮藕的采挖、運輸、收集，提高了蓮藕的品質(zhì)，減輕了勞動強度，提高了采收效率[6]。綜合分析，現(xiàn)有的蓮藕采挖機雖然種類繁多但都是針對水田蓮藕挖掘進行設計研發(fā)的，對于新疆曬田后的干田進行采挖并不適合，目前新疆蓮藕挖掘基本靠人工挖掘，勞動強度大，挖掘效率低下，并不能滿足目前市場需求，因此開發(fā)一種適合于新疆地區(qū)的蓮藕采挖機十分迫切。

本文涉及了一種利用內(nèi)燃機、變速箱、液壓支撐裝置、浮土剝離裝置、蓮藕采挖傳送裝置、蓮藕清潔系統(tǒng)和蓮藕儲存箱等組成的蓮藕采收機。此裝置可對新疆地區(qū)干田蓮藕進行挖掘并同步實現(xiàn)蓮藕清洗、儲存等。

1 設計方案及工作原理

1.1 蓮藕生物學特性

蓮藕，睡蓮科，多年生宿根水生植物，屬木蘭亞綱，山龍眼目。鮮藕營養(yǎng)豐富，含淀粉、蛋白質(zhì)、維生素B、維生素C和無機鹽類等成分。南方蓮藕2月份左右進行播種，北方蓮藕在4~5月份之間進行播種。

新疆種植的蓮藕品種一般為一年生旱田淺水藕，在谷雨后氣溫15℃左右時進行播種，氣溫逐步升高后在小滿前后進入旺盛生長期。新疆蓮藕主藕一般為3~5節(jié)，其長度一般可以長到400~800mm。在立秋前后至來年4月左右進行采收，采收時可根據(jù)市場情況按需采挖（圖1）。

圖1 人工采挖蓮藕

1.2 整機總體設計方案

新疆蓮藕旱田采收機由內(nèi)燃機、變速箱、機架、液壓支撐裝置、浮土剝離裝置、蓮藕采挖傳送裝置、蓮藕清潔系統(tǒng)、蓮藕儲存箱等組成，整機結構見圖2[7]。

圖2 蓮藕采收機整機結構

浮土剝離裝置、蓮藕采挖傳送裝置由內(nèi)燃機輸出動力，變速箱分配動力，依靠V型帶傳動。液壓支撐裝置利用三位四通換向閥進行換向，控制四根液壓油缸的升降。兩液壓油缸底端安裝在機架上，頂端與浮土剝離裝置相連。工作時油缸下降，浮土剝離裝置、蓮藕采挖傳送裝置同時下降，皮帶拉伸進行工作，工作完成后油缸上升帶動浮土剝離裝置、蓮藕采挖傳送裝置共同上升。方便裝置總體轉(zhuǎn)移運輸，同時避免不必要的功率損耗。裝置工作行程800～1000mm。其余兩液壓油缸用來對兩前輪進行位置控制。底部安裝在機架上、頂部與兩前輪支架連接，采收機工作時油缸伸出，使采收機整體重心下移，工作完成后油缸收回使重心提升。蓮藕清潔裝置依靠電動高壓水泵進行壓力輸出，其動力來源依靠內(nèi)燃機帶動發(fā)電機發(fā)電后接入高壓水泵中。清洗裝置放置于蓮藕采挖傳送裝置上方，便于對蓮藕進行清洗，同時在挖掘時可有效降低作業(yè)灰塵。通過操控扶手可對裝置進行轉(zhuǎn)向操縱，方便裝置掉頭等操作[8]。

1.3 工作原理

使用前將蓮藕旱田采收機行駛到需要進行蓮藕挖掘的藕田地頭，經(jīng)過曬田的藕田土質(zhì)較為硬實，需要在采收機工作前由人工提前將藕田地頭挖掘出1500mm×1500 mm×1000mm（長×寬×深）的機器運轉(zhuǎn)空間。

將蓮藕旱田采收機駕駛至已提前清理的藕田地頭處，啟動內(nèi)燃機，操控連接使浮土剝離裝置的液壓油缸下降，油缸帶動浮土剝離裝置、蓮藕采挖傳送裝置下降至油缸最大行程后，操控前輪兩液壓油缸進行伸出運動至浮土剝離裝置到達挖掘蓮藕所需深度。開始使用變速箱進行傳動，變速箱通過皮帶帶動浮土剝離裝置、蓮藕采挖傳送裝置運轉(zhuǎn)。浮土剝離裝置向前進行浮土剝離，蓮藕采挖傳送裝置開始蓮藕挖掘傳送作業(yè)。

蓮藕通過浮土剝離裝置的旋轉(zhuǎn)運動進行蓮藕浮土的剝離，在浮土剝離裝置中設置有凹槽，凹槽內(nèi)部均布漏孔，漏孔將多余的土切除，因凹槽與蓮藕表面進行貼合所以不會損傷蓮藕。藕土分離完成后由蓮藕采挖傳送裝置進行抓取傳送，在蓮藕采挖傳送裝置中設置傳送叉、彈簧，傳送叉設置有收縮圓弧面使其與蓮藕表面相貼合，可進行蓮藕抓取并傳送。在傳送過程中由設置在蓮藕采挖傳送裝置上方的蓮藕清潔系統(tǒng)通過高壓水槍進行蓮藕清洗，清洗時通過電動高壓水泵進行加壓，加壓后由設置在水箱側面的噴嘴對剛挖掘出的蓮藕進行高壓清洗，清洗完成后蓮藕進入蓮藕儲存箱。此裝置操作簡單，省時省力，可節(jié)省較多的勞動時間。

2 零部件設計

2.1 浮土剝離裝置的設計

2.1.1 結構設計

浮土剝離裝置為蓮藕旱田采收機的關鍵部件，主要用于將蓮藕與浮土分離，由切土輪、帶輪、花鍵及軸承組裝成形，裝置主體見圖3。

圖3 浮土剝離裝置

浮土剝離裝置在工作時深入地下，由皮帶帶動做逆時

針旋轉(zhuǎn)運動，通過旋轉(zhuǎn)及振動達到藕土分離的目的。裝置主體無尖角，運轉(zhuǎn)時凹槽可與蓮藕貼合避免損傷蓮藕。漏孔均布在裝置上，可將多余泥土剝離，輪輻式的設計可去除更多泥土，裝置重量輕、承載能力大。裝置兩側設計一對液壓油缸可控制裝置作業(yè)深度，以提高裝置工作質(zhì)量。

2.1.2 尺寸的確定

根據(jù)新疆蓮藕尺寸（主藕長度400~800mm，主藕外徑50~100mm，節(jié)數(shù)3~5節(jié)）、生長特性、作業(yè)環(huán)境（土地經(jīng)過曬田，土層硬實，溫度-5℃~8℃），考慮到入土深度、裝置運轉(zhuǎn)及實際操作情況等，確定浮土剝離裝置尺寸。裝置主體為手扶類型，結構緊湊，長度和寬度根據(jù)人工作業(yè)配置。

浮土剝離裝置凹槽處根據(jù)主藕外徑最大尺寸設計凹槽處直徑為Φ120mm，最小直徑為Φ40mm。主藕長度為50~1000mm，為保證挖掘質(zhì)量，裝置主體尺寸確定為1 100mm。根據(jù)實際工況對漏孔及傳動進行設計，因土質(zhì)不同，蓮藕生長高度也有所不同，為保證不必要的傳動損耗，裝置要完成上升及下降動作，考慮用液壓油缸控制動作的完成。液壓油缸可在300~600mm之間進行動作。浮土剝離裝置在工作時，需要將藕田中的土進行切除，所以在凹槽處設計漏孔保證泥土通過漏孔返回田間以達到藕土分離的效果。根據(jù)作業(yè)情況將漏孔均勻布置在裝置凹槽中，因裝置主體采用手扶式，所以其長度、寬度及高度不能很大，綜合考慮設計其尺寸為1100mm×700mm×1100mm（長×寬×高）。

2.2 蓮藕采挖傳送裝置的設計

2.2.1 結構設計

蓮藕采挖傳送裝置是對浮土剝離后的蓮藕進行采挖傳送的重要裝置，裝置主要由轉(zhuǎn)軸、多楔帶、多楔帶帶輪、傳送叉和傳送彈簧組成（圖4）。

圖4 蓮藕采挖傳送裝置

蓮藕在經(jīng)浮土剝離裝置剝離時，由傳送叉抓取，傳送帶對蓮藕進行一個拉的作用力后由浮土剝離裝置進行蓮藕下層浮土剝離，剝離完成后對已經(jīng)完成浮土剝離的蓮藕進行采集傳送。由皮帶帶動多楔帶進行順時針旋轉(zhuǎn)，多楔帶中均勻布置傳送叉，傳送叉主體設計為橢圓型，采用圓角設計依靠表面摩擦及剛性對蓮藕進行采挖和傳送。傳送叉底固定在傳送皮帶上，底部設計有彈簧，彈簧依靠其自身彈性與螺母、傳送帶相配合進行傳送叉的伸出高度調(diào)節(jié)，適用于不同類型的土壤采集，同時達到柔性挖掘蓮藕的效果，降低蓮藕損傷。

2.2.2 尺寸的確定

根據(jù)機構采挖過程，考慮新疆地區(qū)蓮藕尺寸、生長特性及采挖深度裝置運轉(zhuǎn)的實際情況，確定蓮藕采挖傳送裝置尺寸及結構。蓮藕在經(jīng)浮土剝離裝置剝離時，由傳送叉進行抓取，傳送帶對蓮藕進行一個拉的作用力，使其形成拉藕剝土的連貫動作。

根據(jù)新疆本地蓮藕普遍尺寸及生長特性確定傳送叉外形尺寸，傳送叉根據(jù)主藕外徑最大尺寸設計最大直徑尺寸為Φ120mm，最小尺寸Φ40mm。主藕長度在50~1000 mm之間，為保證傳送方便，裝置主體長度尺寸設計為800 mm。因土質(zhì)不同，蓮藕生長高度也有所不同，為保證傳送叉按照土質(zhì)進行松緊調(diào)節(jié)，同時為避免蓮藕表面與傳送叉接觸時受力過大，傳送叉尾部設計可調(diào)節(jié)螺母及彈簧。采挖傳送裝置與浮土剝離裝置在工作時相互配合，在設計時考慮實際工況、方便安裝等條件，采挖傳送裝置應大于浮土剝離裝置寬度。考慮工作深度、工作條件及運輸?shù)葐栴}，裝置需完成上升及下降動作，在設計時考慮由安裝在下部的浮土剝離裝置上的液壓油缸對兩裝置共同進行動作的完成。蓮藕采挖傳送裝置與浮土剝離裝置間間隙可調(diào)，方便在裝置工作時根據(jù)實際情況對裝置進行調(diào)節(jié)。根據(jù)以上條件確定蓮藕采挖傳送裝置具體尺寸為800mm×750mm（長×寬）。

2.3 蓮藕清潔裝置的設計

蓮藕清潔系統(tǒng)是清潔蓮藕的重要部件，由水箱、電動高壓水泵和高壓噴頭組成（圖5）。

圖5 蓮藕清潔裝置

蓮藕清洗裝置設置在蓮藕采挖傳送裝置上方，由內(nèi)燃機帶動發(fā)電機進行發(fā)電，進而帶動高壓水泵工作[10]，使加壓后的高壓水通過高壓噴頭對采挖出來的蓮藕進行清洗，同時清洗完成后洗藕水可經(jīng)過自由落體對采挖時產(chǎn)生的灰塵起到降塵作用。清潔水箱體尺寸為長450 mm，寬675mm，高350mm。

2.4 機架的設計

機架整體由方鋼通過二氧化碳氣體焊焊接而成（圖6），機架長900mm，寬700mm，壁厚4mm，機器作業(yè)高度為1 100 mm；撿拾裝置機架最大形變量為0.787 mm，可滿足工作要求。機架后端與內(nèi)燃機、變速箱連接，中間焊接鋼板用于安裝蓮藕儲存箱，機架中上方與蓮藕采挖傳送裝置后端連接，機架前部與蓮藕采挖傳送裝置前端連接，機架前設有滑動軌道。裝置可通過機架滑動軌道上下運動。機架前端安裝有蓮藕清洗裝置，與輪胎支架形成可轉(zhuǎn)動連接，便于采收機作業(yè)與非作業(yè)時進行升降。機架前部安裝有液壓油缸，與輪胎支架連接使輪胎可以按需升降。機架后部與浮土剝離裝置支架形成轉(zhuǎn)動連接。機架后端安裝液壓油缸與浮土剝離裝置支架進行連接使裝置在工作時深入地下，非工作時抬升，同時液壓裝置可將浮土剝離裝置及蓮藕采挖傳送裝置同時抬起、下降。機架整體設計緊湊、重量輕、維護方便、成本低，方便使用。

圖6 機架結構

3 傳動系統(tǒng)設計

3.1 裝置整體傳動設計

傳動是整個裝置的核心，是實現(xiàn)裝置運轉(zhuǎn)的重要部分，傳動系統(tǒng)由內(nèi)燃機、變速箱、皮帶、帶輪、鍵、花鍵及轉(zhuǎn)軸組成（圖7）。

圖7 傳動系統(tǒng)流程

工作開始后由啟動的內(nèi)燃機使用皮帶將動力傳遞給發(fā)電機及變速箱。變速箱將動力進行分配后傳遞給輪胎、轉(zhuǎn)軸及液壓泵[11]。轉(zhuǎn)軸通過皮帶傳動將動力輸出至浮土剝離裝置及采挖傳送裝置中。發(fā)電機經(jīng)過變壓、穩(wěn)壓后通過線纜與電動高壓水泵連接。液壓泵通過液壓油管與液壓油缸連接。

皮帶傳動雖然傳動比不準確但其傳動平穩(wěn)、能夠緩沖吸振、噪音小、成本低、維護方便，可在過載時打滑起到過載保護的作用，保證操作人員安全，提高采收機壽命]。

3.2 傳動軸的設計

根據(jù)實際工況選取常柴L24系列單缸柴油機作為采收機的動力來源，查表可知L24系列單缸柴油機參數(shù)（缸徑115 mm，排量1.246 L，標定功率17.0 kW，最大扭矩82.6N·m，最大轉(zhuǎn)速1760r/min），傳動軸是一個高轉(zhuǎn)速、少支承的旋轉(zhuǎn)體，因此它的動平衡是至關重要的。

（1）輸入軸功率P1、轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1。

（2）計算作用在齒輪上的力。

根據(jù)機械工況確定高速級小齒輪的分度圓直徑d1=58mm。則:

（3）初步確定軸的最小直徑。

選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)機械設計手冊，取A0=112，得：

輸入軸的最小直徑是安裝大帶輪處的軸徑，由于安裝鍵將軸徑增大5%，故選取d12=21mm。根據(jù)6206型軸承查手冊得帶輪中點距左支點距離T=16mm，計算軸上零件據(jù)支點距離，經(jīng)計算軸側支反力和彎矩處于安全范圍內(nèi)。

3.3 液壓系統(tǒng)的設計

裝置的液壓系統(tǒng)是機器工作機構進行直線往復運動的重要組成部分。蓮藕旱田采收機的液壓系統(tǒng)主要由動力源液壓泵、執(zhí)行部件單桿活塞缸、控制元件分流閥、溢流閥、三位四通換向閥及其他部件組成，工作流程如圖8。液壓系統(tǒng)可以輸出大轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)無級調(diào)速，具有體積小、重量輕、結構緊湊等特點同時便于實現(xiàn)過載保護。

圖8 液壓系統(tǒng)工作流程

裝置在工作時通過三位四通換向閥進行換向操作以此控制單桿活塞缸進行往復運動。液壓油通過液壓泵將低壓油轉(zhuǎn)換為高壓油經(jīng)單向閥輸出，通過控制三位四通換向閥使兩組單桿活塞缸分別達到同步伸出、回收、暫停的目的，以此控制前輪及浮土剝離裝置的抬升、停止及下降。

4 結束語

針對新疆地區(qū)蓮藕收獲期因氣溫過低導致蓮藕采收困難等問題，設計了一款新疆地區(qū)蓮藕采收裝置。解決了新疆藕農(nóng)在蓮藕收獲時效率低下、成本高、挖掘困難、勞動強度大等問題。經(jīng)過分析，本次研究的旱地蓮藕采收機具有結構緊湊、使用方便、采收效率高、環(huán)境污染小等特點，適合在西北蓮藕種植地區(qū)推廣。