履帶自走式蓮藕收獲機的結構設計*

李鋒霞 ， 張 佳 ， 黃 勇 ， 高國剛 ， 武玉柱 ， 王 夢

（1.新疆工程學院機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830023；2.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區工學院，新疆 克拉瑪依 834000）

蓮藕，具有很高的藥用和食用價值，深受人民群眾喜愛。其因經濟效益好，種植技術和生長管理技術簡單，在我國種植區域廣泛分布[1]。然而，目前蓮藕的采收卻較為困難，人工挖藕勞動強度大、損傷率高、生產效率低，已經嚴重制約了我國蓮藕產業的發展[2]，因此，研究蓮藕機械化采收具有重要的現實意義。

目前，日本日東工業研究所研究過蓮藕采收機，主要利用噴流式原理的采收機有三種類型：噴流式I、寬幅II型和泵定置式III型[3]。我國自20世紀70年代開始對蓮藕機械化采收技術進行研究，各大科研機構、相關企業及個人等對蓮藕采挖的作業機理、關鍵技術及設備等進行了研究[4]。1999—2001年期間，華中農業大學、武漢市農機服務總站及南通市江華機械有限公司聯合研制了4OZ-3型自走式水壓蓮藕掘取機[5]；2004—2008年期間，華中農業大學工學院研究團隊聯合企業研發了4CWO-3.2型船式自動挖藕機[6]；2009年，南京農業大學工學院王維等設計出4SWJ-1型船式水力挖藕機[7]；2010年山東省微山縣孟凡良等設計了一種船式液壓挖藕機[8]；2018年，中南大學劉向軍等研制出一種新型手扶挖藕機[9]；2015年，郭洋民設計了船式水力自走式采收機[10]；2018年，吳昊研制出一種自旋射流式挖藕機[11]；2021年，高雪峰等提出了大功率蓮藕采收機[12]。根據調研，目前的挖藕機普遍處于試驗階段，工作不穩定，大多被閑置，無法真正投入生產，實際使用效果差。

基于此，本課題組提出了一種履帶自走式蓮藕收獲機，以履帶式步進系統控制行走方式，通過高壓噴射裝置將蓮藕沖出后，再由后方的收集裝置進行輸送并且增加噴頭達到清洗的目的，最后將干凈整潔的蓮藕運送至機械后方的收集網中，完成蓮藕的采挖和收集。該機械設備集挖掘、清洗和收集等作業功能于一體，具有功能齊全、機械化程度高、人工作業強度低、適應環境能力強、工作效率高等特點，適合我國多數地區中大型蓮藕種植地區。其主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

1 結構和工作原理

1.1 結構

課題組設計的履帶式蓮藕收獲機主要由動力系統、行進系統、噴射系統、輸送收集系統等組成，基本結構示意圖如圖1所示。該收獲機采用雙動力供能系統，由柴油發動機為高底盤履帶式步進系統提供動力，使其蓮藕采挖與收裝一體機進行行走，同時將動力通過皮帶輸送至輸送帶，實現行走和收集功能。汽油機為噴射系統中的高壓水泵供應動力，實現挖藕功能。噴射系統中噴射采藕裝置安裝在機械的前方，噴射清洗裝置安裝在柴油發動機底板下方、傳送機構上方位置，其進水口設置網格式過濾裝置，防止水田中一些水草、莖稈、淤泥進入水泵導致其堵塞。輸送帶前方通過收集擋板起到擴大工作收集幅寬和導向的作用。作業時，將蓮藕采收機開到水田中，根據水位的高低調整前端噴射裝置的埋沒高度，然后啟動汽油發動機帶動高壓水泵讓其達到平穩的作業狀態，再啟動柴油發動機，使其驅動整機可以行走，并對水田中的蓮藕進行收獲和采集作業。

圖1 蓮藕收獲機結構示意圖

1.2 工作原理

機械作業時，柴油發動機通過傳動軸將動力傳送至減速器再到后橋使動力分散到履帶兩端，帶動履帶輪轉動，使其履帶向前行駛。在整機向前行駛的過程中，同時啟動汽油機，通過聯接使其動力連接至水泵和輸送帶，在過濾器的協助下，將水吸入高壓水泵后輸送至前端噴水裝置將蓮藕沖出后，蓮藕因為自身的浮力浮出水面，通過挖藕機收集板將漂浮在水面上的蓮藕收集引導至輸送帶，將其運送至后端收集袋中。同時，高壓水泵將水輸送至底部清洗裝置，對輸送帶上的蓮藕進行清洗。工作原理圖如圖2所示。

圖2 蓮藕收獲機的工作原理圖

2 關鍵零部件的設計

2.1 履帶式行進方式的設計

蓮藕采收機采用履帶式行進方式，這不同于以往挖藕機在作業時只能漂浮于水面。底盤加高后發動機、操作室、傳動系統均保持在水面上方，保證了一體機的正常工作。履帶式挖藕機能在不同水深的藕田完成藕稈切割和高效低損傷采藕的聯合作業，適應環境能力強，可以顯著降低蓮藕采收的勞動強度并提高作業效率[13]。高三角履帶結構示意圖，如圖3所示。工作時，柴油機提供動力支持，履帶式行走機構的履帶底盤的車輪不與地面直接接觸，而是通過環繞在驅動輪和一系列滾輪外側的循環履帶和地面發生作用，履帶由驅動輪驅動，實現車輪在履帶上的相對滾動，同時履帶在地面循環向前鋪設，從而帶動整機運動。

圖3 履帶結構示意圖

2.2 噴射系統結構的設計

2.2.1 噴射系統結構

本設計采用水流噴射式結構，如圖4所示。通過汽油機水泵將水田中的水吸入后產生高壓水輸送至前端噴射系統，作業時高壓水從前端噴頭射出，對蓮藕表面泥土進行沖刷，因為噴嘴的設計使高壓水將覆蓋于蓮藕上的淤泥層轉化成稀泥水，可以讓蓮藕快速脫離上層淤泥后在自身浮力的作用下浮出水面。采用高壓噴水挖藕方式可以極大地降低蓮藕破損率，且減小機械在水田中運行的阻力。

圖4 噴射系統結構示意圖

2.2.2 噴射管路設計

本設計將噴射挖掘裝置安裝于整機的前部位置，考慮到前部噴射裝置需要調節不同高度，則前部管道采用軟管與分水器連接；吸水及過濾裝置置于整機后端，其水泵與汽油機通過皮帶相連接；清洗裝置通過橡膠水管從中部水管處分流，使其為清洗輸送帶上的蓮藕提供用水。

對于噴射管路的影響較大的是水泵工況流量和水泵揚程，為了將這種影響降到最小，需要確定水泵的出水管道內徑與橫管內徑的大小，并且根據理論，分水器連接的橫管截面積的總和與水泵出水管截面積相同[14]，可知其計算公式為：

式中：DX——分水器連接的兩橫管的管道內徑，mm；

Dy——水泵的出水管內徑，mm。

水泵的出水管內徑Dy是76 mm，按照式（1）計算可知分水器連接的兩橫管的管道內徑DX是53.73 mm，依據不銹鋼管道標準件手冊可發現最貼近此計算結果的尺寸內徑為54 mm。則本設計中選擇橫管的管道內徑是54 mm，作業幅寬是2 520 mm。

2.2.3 噴嘴

雙腔自激振蕩脈沖射流式噴嘴，是一種在淹沒狀態下瞬時噴流能量很強的噴嘴，該類噴嘴普遍應用于鉆井時的水力沖刷或者在河流埋沒狀態下的水切割工具。在相同的條件下當噴嘴內徑大小相等情況下，普通連續噴嘴比雙腔自激振蕩脈沖射流式噴嘴壓力值低25%~35%，且自激振蕩脈沖射流式噴嘴的瞬時沖擊力峰值為普通連續噴嘴的1.3~2倍[15]。故本設計采用雙腔自激振蕩脈沖射流式噴嘴作為蓮藕采挖與收裝一體機的前端挖藕噴射裝置的噴嘴。

2.2.4 噴嘴口徑的確定和計算

蓮藕采挖與收裝一體機的噴射嘴內徑的大小對于噴射水壓有至關重要的影響。內徑過小，噴射口易被水田中的雜草淤泥阻塞；內徑過大，噴射水壓則會降低使其無法將蓮藕上方的淤泥沖刷掉，導致蓮藕無法浮出水面[16]。根據配套動力和實際生產率的要求，噴嘴個數確定為12個，噴射嘴內徑為15 mm、噴嘴的往復工作行程確定為450 mm，移動速度0.09 m/s~0.18 m/s，工作周期T噴=5 s~10 s，最大工作幅寬為3.2 m。

2.2.5 水泵揚程和流量的確定

實驗測得，蓮藕藕身的極限抗壓強度為4.5×105N/m2，泵的出水口壓強和其水泵揚程的關系為：

式中：P——泵的出水口壓強，Pa；

ρ——水的密度，kg/m；

H——水泵揚程，m。

根據公式ρgH≤4.5×105N/m2計算得出：設定所需水泵的最大流量為94 m3/h，其水泵的揚程不大于45 m即可滿足使用條件。依照上式計算結果可知，在選擇水泵時，根據上述數據和計算結果并查閱工業泵選用手冊，課題組采用IS100-65-200A型水泵。該泵結構簡單，功率大，性能可靠，體積小，重量輕，抗氣蝕性能好，電耗低，使用維修方便。

2.2.6 過濾裝置

蓮藕種植于水田中，在采挖蓮藕時水田中會有部分淤泥、水草等雜質，資料顯示這些問題對水泵的影響不大，只需在抽水口加裝過濾網即可。

2.2.7 清洗裝置的設計

考慮到蓮藕從泥土層中沖刷出來后依舊帶有少量淤泥和水中漂浮的雜草，當通過傳送帶時，由汽油機水泵將高壓水輸送至水平安裝在傳送帶上方的清洗裝置中，再由噴頭對輸送帶上的蓮藕進行清洗[17]。

由圖4可知，水泵提供的高壓水通過高壓水管運至蓮藕清洗裝置中，再通過左右2排的18個噴射口將水射出，出水口的噴嘴內徑為4 mm，達到清洗蓮藕上附著的淤泥和雜草的目的。

2.3 輸送收集系統的設計

本設計主要是將蓮藕從水田中沖出后，通過輸送帶輸送至后方的收集袋中，因為其輸送的物資是質量較輕的蓮藕，且前端有一段運送帶埋沒在水面下，所以采取傳統圓管輸送機的方式傳送。

2.3.1 輸送帶的設計

根據蓮藕采挖與收裝一體機在水田中的工作環境，輸送裝置采用傳統圓管輸送機的方式傳送，輸送帶上兩側使用欄桿結構，前端低后端高呈5°的傾角，使其后方為輸送帶供能的皮帶和帶輪都在水面上方，達到延長使用壽命的目的，且可以使其與水田底部的環境隔離開。輸送帶上分布有略微凸起的孔，既能起到增加摩擦力的作用，又能使蓮藕上泥沙、雜草漏出，防止水田中雜質阻礙輸送帶的運轉而降低其傳送效率。輸送帶平面采用鏤空帶式，可以提高輸送過程中蓮藕的完整率。輸送帶結構如圖5所示。

圖5 輸送帶結構示意圖

2.3.2 收集裝置的設計

蓮藕收集時，將尼龍收集網安裝到輸送帶后方的掛鉤處，在工作時輸送帶將蓮藕輸送至尼龍收集網后，因為蓮藕的浮力，其蓮藕裝在網兜內漂浮于水面上，這降低了整機的質量。尼龍收集網結構設計如圖6所示，需要具有耐沖擊性、耐磨性和柔軟性的特點，這樣可以延長使用壽命和降低蓮藕破損率。

圖6 尼龍收集網結構示意圖

3 小結

課題組提出的是一種履帶自走式蓮藕收獲機，采用高底盤三角履帶的自動行進方式，利用噴流式工作原理，通過高壓噴射裝置將蓮藕沖出后，再由后方的收集裝置進行輸送并且增加噴頭達到清洗的目的，最后將干凈整潔的蓮藕運送至機械后方的收集網中，完成蓮藕的采挖、清洗和收集等作業功能的一體化。該機具有機械化程度高、人工作業強度低、適應環境能力強、工作效率高等特點，適用于我國多數中大型蓮藕種植地區。課題組對關鍵部件進行選型與設計，重點包含了整機結構的設計、行進系統的設計、噴射系統構造的設計、噴射管路及噴嘴的設計和計算、水泵的選型和輸送收集系統的設計。