水田環(huán)境下自走式智能蓮藕采收機(jī)械的設(shè)計(jì)研究＊

吳茗宇，徐陶祎，康之訥，徐意皓，廖志杰，嚴(yán)子豪，鄧羽彤，黃梟波

（1.武漢城市學(xué)院，湖北武漢 430083；2.武漢外語(yǔ)外事職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430075）

0 引言

蓮藕因其豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值深受大眾喜愛(ài)，蓮藕種植具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。蓮藕生產(chǎn)涉及種植水田塊耕整、蓮藕種植、田間管理和蓮藕采收4個(gè)環(huán)節(jié)，其中蓮藕采收困難的問(wèn)題始終制約蓮藕產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展［1］。長(zhǎng)期以來(lái)，藕農(nóng)主要依靠人工采挖、采用手持高壓水泵進(jìn)行沖壓作業(yè)等方式采收蓮藕，這些方式對(duì)工人的采挖技術(shù)要求較高，對(duì)蓮藕損傷較大，而且采挖效率低。因此，需要研制作業(yè)效率高、操作簡(jiǎn)便、能適應(yīng)多工況的挖藕機(jī)械，才能進(jìn)一步推動(dòng)蓮藕產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

20世紀(jì)90年代，我國(guó)開(kāi)始研制蓮藕采收機(jī)械。2017年，劉鵬等［2］設(shè)計(jì)的浮筒型液力驅(qū)動(dòng)蓮藕收獲機(jī)通過(guò)汽油機(jī)向水泵等輸送動(dòng)力，分別由浮艙、噴射系統(tǒng)、蓄水裝置、動(dòng)力系統(tǒng)和操作系統(tǒng)組成。該類(lèi)型機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、工作平穩(wěn)，目前應(yīng)用較為廣泛。2018年，劉向軍等［3］研制出一種新型手扶挖藕機(jī)，以車(chē)架作為載體承載發(fā)動(dòng)機(jī)和噴頭支架，工作時(shí)手扶車(chē)架行走底盤(pán)進(jìn)入水田，先用噴頭噴射高壓水流沖刷粉碎泥土，再進(jìn)行挖藕作業(yè)。2021年，肖化超［4］設(shè)計(jì)一種履帶自走式高效低損傷水力采藕機(jī)，該機(jī)器工作時(shí)，由柴油機(jī)提供動(dòng)力支持，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)采藕機(jī)行走和擺動(dòng)噴嘴。現(xiàn)階段蓮藕采收機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)仍存在自動(dòng)化程度低的弊端，大多數(shù)的采收機(jī)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，仍需要藕農(nóng)下水田控制蓮藕收獲機(jī)的移動(dòng)，并且進(jìn)行人工收集和上岸卸貨，勞動(dòng)強(qiáng)度大［5］。

本文研制一種水田環(huán)境下自走式智能蓮藕采收機(jī)，對(duì)蓮藕采收機(jī)械進(jìn)行總體設(shè)計(jì)與計(jì)算，并基于虛擬仿真技術(shù)對(duì)挖藕機(jī)的關(guān)鍵部件展開(kāi)分析與計(jì)算，測(cè)試其工作性能。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體架構(gòu)

水田自走式蓮藕采收機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括雙螺旋驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、自動(dòng)升降式水力沖刷機(jī)構(gòu)、多層滑軌擺動(dòng)式采收機(jī)械臂、雙絲桿推拉式自卸貨貨艙，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水田自走式智能蓮藕采收機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 雙螺旋驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)

雙螺旋驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)主要包括用于承載的中央浮水艙、連接支撐浮水艙和雙螺旋滾筒的底盤(pán)前、后端面支架，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。雙螺旋驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)前、后端面支架連接于浮水艙，兩個(gè)旋向相反的螺旋滾筒對(duì)稱(chēng)安裝于行走底盤(pán)兩側(cè)，內(nèi)部為空腔，便于漂浮于水面；行走馬達(dá)安裝于滾筒之中，為其提供轉(zhuǎn)矩；動(dòng)力系統(tǒng)安裝于底盤(pán)之上，利用齒輪箱實(shí)現(xiàn)動(dòng)力轉(zhuǎn)向。為了使行走機(jī)構(gòu)能更好地適應(yīng)水田的濕軟黏性地質(zhì)，降低推進(jìn)的滑轉(zhuǎn)率并增強(qiáng)推進(jìn)的平穩(wěn)性，本文參考螺旋傳動(dòng)理論，設(shè)計(jì)一種雙頭螺旋葉片的螺旋滾筒，即以2 條結(jié)構(gòu)、尺寸完全相同的螺旋葉片對(duì)稱(chēng)繞在圓柱浮筒上形成雙螺旋滾筒。

圖2 雙螺旋驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.3 自動(dòng)升降式水力沖刷機(jī)構(gòu)

水力沖刷機(jī)構(gòu)為蓮藕采收機(jī)的核心部分，水力沖刷系統(tǒng)的好壞直接影響采收機(jī)的工作性能。水力沖刷機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件為水泵和噴嘴，水泵的性能決定了水力沖刷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力性能；結(jié)構(gòu)較優(yōu)的噴嘴則可以使水力沖刷系統(tǒng)的性能更佳。

自動(dòng)升降式水力沖刷機(jī)構(gòu)位于底盤(pán)下部的前方，采用雙電動(dòng)推桿升降結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)噴頭與水面的距離。水力沖刷系統(tǒng)主要包括進(jìn)水管、水泵、流量調(diào)節(jié)閥、輸水管路、噴嘴及噴嘴固定底座等，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動(dòng)升降式水力沖刷機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)升降式水力沖刷系統(tǒng)工作時(shí)，首先根據(jù)水田環(huán)境確認(rèn)噴頭與水面的合適距離，調(diào)整噴頭姿態(tài)，打開(kāi)水泵開(kāi)關(guān)后單級(jí)雙吸離心水泵在發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，將水流經(jīng)進(jìn)水管→單級(jí)離心水泵→流量調(diào)節(jié)閥→主輸水管→變徑三通管→金屬編織波紋管→分水橫管后到達(dá)噴嘴，高壓射流從噴嘴高速射出，沖擊破碎泥土，蓮藕在浮力作用下浮出水面時(shí)即可進(jìn)行采收。

1.4 多層滑軌牽引式采收機(jī)械臂

多層滑軌牽引式采收機(jī)械臂由支座、三層導(dǎo)向滑軌、雙向絲杠、排線(xiàn)滑車(chē)、牽引滑輪組、線(xiàn)纜、翻折結(jié)構(gòu)、機(jī)械排爪和電機(jī)等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 多層滑軌牽引式采收機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖

三層導(dǎo)向滑軌的兩端與支座固定連接，排線(xiàn)滑車(chē)包括支座和安裝在支座上用于引導(dǎo)繞線(xiàn)方向的牽引滑輪組，以及安裝在支座上的第一滑輪架和第二滑輪架。第一滑輪架下端設(shè)有第一上滑輪，第一上滑輪下面對(duì)應(yīng)安裝有與支座連接的第一下滑輪；第二滑輪架下端設(shè)有第二上滑輪，第二上滑輪下面對(duì)應(yīng)安裝有與支座連接的第二下滑輪，第二下滑輪位于第一下滑輪和導(dǎo)向滑輪之間。滑輪組與線(xiàn)纜繞線(xiàn)裝置配合使用，引導(dǎo)線(xiàn)纜自動(dòng)均勻地收放，使滑軌伸縮，從而完成機(jī)械臂的伸出和回收動(dòng)作。

機(jī)械臂前端通過(guò)舵機(jī)連接橫臂實(shí)現(xiàn)翻折動(dòng)作，橫臂上安裝機(jī)械排爪，通過(guò)防水舵機(jī)控制爪頭開(kāi)合。當(dāng)采收系統(tǒng)檢測(cè)到蓮藕漂浮在水面，即可根據(jù)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)蓮藕與采收機(jī)的距離，伸出機(jī)械臂，翻折連接橫臂，對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)張開(kāi)機(jī)械排爪，抓住蓮藕后縮回機(jī)械臂并反向翻折，將蓮藕收入貨艙存儲(chǔ)。

1.5 雙絲桿推拉式自動(dòng)卸貨貨艙

雙絲桿推拉式自動(dòng)卸貨貨艙安裝于底盤(pán)后部凹陷處，由絲桿、滑塊、推拉桿、自動(dòng)卸貨翻斗、底座軸承座、連桿機(jī)構(gòu)和電機(jī)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙絲桿推拉式自動(dòng)卸貨貨艙結(jié)構(gòu)圖

裝載貨物時(shí)，翻斗門(mén)呈關(guān)閉狀態(tài)，蓮藕放置在貨艙之中。蓮藕載滿(mǎn)后需要卸貨時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿，絲桿帶動(dòng)推拉桿，將卸貨翻斗向船體后方推，由于卸貨翻斗底部軸承轉(zhuǎn)動(dòng)呈傾斜狀態(tài)，翻斗門(mén)在連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下自動(dòng)打開(kāi)，蓮藕向船體后方傾卸。

2 關(guān)鍵部件參數(shù)計(jì)算

螺旋推進(jìn)底盤(pán)承載機(jī)身的全部重量，為設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部件，主要由支撐架、螺旋式推進(jìn)浮筒、專(zhuān)項(xiàng)桿、電機(jī)等組成，其中推進(jìn)式浮筒由于內(nèi)部空心且表面焊有螺紋，因此可以漂浮于水面上且能通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)集體前進(jìn)與后退。浮筒用1 mm 不銹鋼鈑金焊接制作，考慮工作環(huán)境對(duì)機(jī)體的影響，其表面需涂防銹和防水材料。螺旋葉片與淤泥接觸較多，因而磨損較多，可采用2～3 mm 厚的不銹鋼，以抗磨損。同時(shí)，為保證機(jī)器人工作時(shí)不會(huì)因整體重心過(guò)高而搖晃或側(cè)翻，浮筒直徑取600 mm［6］。假設(shè)水田環(huán)境中水深為200 mm，可根據(jù)公式計(jì)算出螺旋式推進(jìn)浮筒的浮力（如圖6所示）。

圖6 浮筒浮力計(jì)算示意圖 （單位：mm）

浮筒有效側(cè)面積：

浮筒的體積：

根據(jù)阿基米德定律：以上公式中：S1為螺旋式浮筒的圓心和水田接觸面形成的三角形區(qū)域，m2；S2為螺旋式浮筒的圓心和水田接觸面形成的扇形區(qū)域，m2；V為螺旋式浮筒的排水體積，m3；L為螺旋式浮筒長(zhǎng)度，m；F為螺旋式浮筒的浮力，N。

現(xiàn)將采收機(jī)實(shí)際參數(shù)代入：r=300 mm，L=1 200 mm，計(jì)算得到F=1 970 N；將蓮藕采收機(jī)機(jī)體機(jī)械結(jié)構(gòu)重量與所搭載的動(dòng)力系統(tǒng)重量（包括柴油機(jī)、水泵、減速箱等）考慮在內(nèi)，其總重力約為1 850 N，因此，所設(shè)計(jì)的螺旋式浮筒可以在水田環(huán)境中浮起。

螺旋式浮筒能否在水田環(huán)境中順利行進(jìn)取決于其底盤(pán)參數(shù)，螺旋式浮筒參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 螺旋式浮筒參數(shù)

螺旋式浮筒工作時(shí)，因轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的速度為

根據(jù)旋轉(zhuǎn)角速度和浮筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系，ω計(jì)算公式為

浮筒上螺旋葉片的螺距與螺旋升角應(yīng)滿(mǎn)足：

以上公式中：ω為浮筒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；n為浮筒轉(zhuǎn)速，r/s；P為螺旋葉片的螺距，mm；r1為浮筒半徑，mm；r2為螺旋葉片高度，mm。在整個(gè)傳動(dòng)過(guò)程中，總減速比為24，假設(shè)機(jī)體搭載的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/s，則螺旋浮筒的轉(zhuǎn)速為2.5 r/s。根據(jù)公式（4）～公式（6），可計(jì)算螺旋式浮筒速度vt=0.75 m/s。

螺旋式浮筒工作時(shí)，除了水平方向運(yùn)動(dòng)，受工作環(huán)境影響，還會(huì)因?yàn)橹亓﹄S著水田中淤泥的壓實(shí)和下陷發(fā)生打滑，其滑轉(zhuǎn)率為

其中，v1為浮筒沿軸向運(yùn)動(dòng)的速度，m/s。蓮藕采收機(jī)由于在泥濘的水田環(huán)境中工作，機(jī)滑轉(zhuǎn)率較大。經(jīng)過(guò)田間試驗(yàn)，該樣機(jī)速度可在0.08～0.3 m/s 之間調(diào)節(jié)，滑轉(zhuǎn)率在50.7%～82.5%。

3 關(guān)鍵部件應(yīng)力仿真與參數(shù)分析

水田自走式蓮藕采收機(jī)中雙螺旋驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的螺旋推進(jìn)器支撐件的承載力決定了螺旋浮筒推進(jìn)器能否與底盤(pán)穩(wěn)定連接，機(jī)械排爪的支架決定了蓮藕夾取的支撐力，這2個(gè)關(guān)鍵零件決定了整個(gè)系統(tǒng)各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在軟件中對(duì)這2個(gè)關(guān)鍵零件建模，設(shè)置制作材料以及固定約束孔，定義活動(dòng)孔Z方向的壓力為100 N，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵零件的模擬分析得到其受力變形分析圖，螺旋推進(jìn)器支撐件應(yīng)力變形分析見(jiàn)圖7 和表2，機(jī)械排爪支架應(yīng)力變形分析見(jiàn)圖8和表3。

圖7 螺旋推進(jìn)器支撐件應(yīng)力分析圖

圖8 機(jī)械排爪支架應(yīng)力分析圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能蓮藕采收機(jī)械采用雙螺旋推進(jìn)式浮筒結(jié)構(gòu)作為行走機(jī)構(gòu)，可適應(yīng)水田環(huán)境，行走穩(wěn)定，工作性能優(yōu)良。相較市面上已有的蓮藕采收設(shè)備，該全自動(dòng)智能蓮藕采收機(jī)械具備如下創(chuàng)新點(diǎn)。

（1）實(shí)現(xiàn)蓮藕采收過(guò)程自動(dòng)化操作，可代替水田工作環(huán)境下繁重的人工采挖作業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（2）具備雙螺旋浮筒行進(jìn)機(jī)構(gòu)，可控制浮力，在水田或泥濘蓮藕采收環(huán)境自由行進(jìn)。

（3）利用射流技術(shù)，以水泵抽水再濾除泥沙，高強(qiáng)水流噴入淤泥中，將蓮藕表面附著污泥沖掉，使蓮藕浮于水面，可降低蓮藕采摘時(shí)受到損傷。

（4）配備自動(dòng)卸貨翻斗，可在采收滿(mǎn)載后，行駛回岸邊卸貨點(diǎn)，無(wú)需人力，以絲桿推動(dòng)的方式將蓮藕卸出貨艙。