圓周往復水射流式挖藕試驗裝置設計與試驗

玉蘇甫江·艾米都力,張 佳,潘江如,,郭 輝,佟靈茹,朱 軍

(1.新疆農業大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052;2.新疆工程學院 機電工程學院,烏魯木齊 830023;3.新疆鑫力同機械制造有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

蓮藕屬睡蓮科,又名藕、荷藕、湖藕等,在我國已有3000多年的種植歷史,是我國多個省份和地區廣泛種植的水生經濟作物之一。根據初步統計,我國蓮藕種植面積可達400萬hm2多,自然生長面積約占35%,人工種植面積約占65%。隨著品種和栽培技術的改良,蓮藕在淺水地和旱地種植成功,種植面積呈逐年增長的態勢,其種植與采挖問題也逐漸受到關注[1-3]。我國蓮藕采挖機械起步較晚,資金投入力度較小,且蓮藕的種植與生長過程都在淤泥中完成,采挖作業環境惡劣,難度較大,無法保證完整度,難以實現機械化和智能化,且國內外針對此方面研究較少,市場空白較大,采挖技術和機械裝備尚未成熟,目前還在研究階段[4-7]。

為了減輕蓮藕采挖勞動強度,提高采挖效率,國內外已經有了關于蓮藕采挖機械的研究[8]。20世紀80年代初期,日本研制出了噴流式Ⅰ型、Ⅱ型和試制的泵定置式小型(Ⅲ型)挖藕機,雖然提高了效率,但工作機動性及適用性較差,造價成本高,不適合規模化種植[9]。國內研制的挖藕機可分為船式水力挖藕機、自走式水力挖藕機和浮筒式水力挖藕機3大類。前兩類由于結構復雜、造價高、對操作人員的技術要求高和適應性差等原因,難以推廣。目前,藕農自制的單噴頭高壓水槍和浮筒式水力挖藕機使用得較多,但勞動強度大,操作過程繁瑣,會出現重復沖刷或漏沖刷的現象,導致作業效率降低[10-17]。為了能夠便捷、有效地進行蓮藕采挖部件多種作業模式的試驗研究,筆者基于模擬藕池試驗臺,設計了圓周往復水射流式挖藕試驗裝置,并進行了試驗。

1 結構與工作原理

圓周往復水射流式挖藕試驗裝置主要由汽油機水泵、模擬藕池、試驗臺機架、平行雙曲柄結構和噴流系統等組成,能夠模擬藕田蓮藕采挖部件的田間工況,如圖1所示。

試驗裝置中,圓周往復運動結構通過橫向導軌架懸掛在試驗臺機架上,試驗臺以牽引的方式通過模擬藕池兩側的行走輪直線運動,挖藕系統的噴頭與泥土表面的距離可以垂直上下移位調節,通過旋轉噴頭分水器調節噴頭的水射流角度。為了便于更換不同直徑的噴頭,設計時采用標準法蘭。工作時,電動機通過皮帶傳動驅動兩根平行主動軸,兩根主動軸分別和雙曲柄的一邊固定,雙曲柄的另一邊通過從動軸和噴頭分水器連接并做圓周往復運動;同時,啟動汽油機水泵,水從噴頭高壓射出,沖擊蓮藕上方覆蓋的泥土,蓮藕受自身空芯浮力作用浮出水面,再進行撿撈,完成蓮藕采挖作業。當挖藕機在臺架上前進時,噴頭隨著曲柄結構做螺旋運動(見圖2)。前進速度決定螺旋軌跡的螺距,圓周運動實現了一個點沖刷兩次的效果,可提高作業效率和蓮藕的采凈率。挖藕機主要性能參數如表1所示。

表1 挖藕機關鍵參數Table 1 Keyparametersoflotusrootdiggingmachine

圖2 沖刷作業原理Fig.2 Principle of scouring operation

2 關鍵部件設計

2.1 噴頭與泥土表面距離調節機構設計

試驗裝置的核心是通過平行雙曲柄結構、噴頭與泥土表面距離調節機構和噴射角度調節機構,實現圓周往復水射流、精確地調節噴頭與泥土表面距離和噴射角度。水射流式挖藕機在作業時,水壓(沖擊壓力)和噴射角度不變的情況下,若噴頭與泥土表面距離過大,水壓在水和泥土的反作用力下挖掘深度達不到蓮藕生長深度,導致挖藕機做無用功或作業效率過低等現象;若噴頭與泥土表面距離過小,水壓會造成泥土里蓮藕表面損傷,降低蓮藕市場價值等。因此,為了研究噴頭與泥土表面距離對挖藕機挖掘深度和蓮藕浮出率的影響,設計了噴頭與泥土表面距離調節機構。通過試驗臺機架和曲柄結構機架之間空位調節噴頭與泥土表面距離,如圖3所示。其垂直方向相鄰調節空位之間的距離為50mm,可以在50～300mm范圍內調節,滿足本文試驗噴頭與泥土表面距離選用為50、100、150mm調節范圍的設計要求。

1.曲柄結構機架 2.試驗臺機架 3.調節空位圖3 噴頭與泥土表面距離調節機構Fig.3 Nozzle and soil surface distance adjustment mechanism

2.2 傳動結構設計

連桿結構需要滿足連桿與機架的長度相等、兩曲柄長度相等及曲柄轉向相同的條件,故設計采用兩根直徑為30mm、長度為500mm的驅動軸,且兩根軸之間的距離定為450mm。由于V帶的傳動能力較強、結構簡單、噪聲小、可吸收震動,且利用打滑現象可保護機器在作業中障礙物對噴頭的過載,因此選用V帶驅動。為保證電動機輸出軸的皮帶輪和帶動兩根驅動軸的皮帶輪在同一平面上,同時解決V帶的張緊問題,設計了電動機調節器,如圖4所示。工作時,通過縱向上下移動調節3個皮帶輪在同一平面,橫向水平移動調節皮帶的張緊。

1.電動機 2.電動機調節器 3.電動機固定架 4.帶立式座軸承 5.曲柄 6.驅動軸 7.皮帶輪 8.V帶圖4 調節基架結構圖Fig.4 Structural diagram of the adjustment base frame

實現圓周往復運動的平行雙曲柄結構中的曲柄,是旋轉運動中關鍵的構件。主動軸與曲柄通過軸套側面的橫向固定螺絲和矩形鋼管下方的縱向固定螺絲固定,達到曲柄和主動軸轉向相同、轉速相等的目的,實現了上下結構的連接和同時旋轉的目的;雙曲柄轉向與轉速相同時,可減少噴頭分水器對曲柄施加的力,達到圓周運動的穩定性。

2.3 噴頭分水器設計

通過多次取樣測量,武值二號蓮藕平均長度在800～1200mm之間。為了有效蓮藕采挖,噴頭分水器分布相鄰兩個噴頭之間距離為300mm、水泵分水器到噴頭分水器之間選用內徑為80mm的消防水帶,噴頭分水器兩側選用外徑為80mm的等徑直角彎頭。根據國家標準件手冊,適合外徑80mm的等徑直角彎頭法蘭公稱尺寸為DN80(國標號GB/T6070-2007)。調節噴頭角度時,需調節噴頭分水器進水口與水泵分水器出水口保持在一條直線上,以避免消防水帶折疊導致的水壓下降等問題。為便于噴頭的安裝卸載,噴頭分水器出水口采用公稱尺寸為DN40(國標號GB/T 6070-2007)固定法蘭。調節噴射角度時通過噴頭分水器和固定架的U型管夾,調節噴頭的中軸線與豎直方向的夾角為30°、45°、60°等3個角度。噴頭分水器的結構如圖5所示。

1.法蘭盤 2.等徑直角彎頭 3.橫管 4.噴頭 5.U型管夾 6.固定架 7.軸套圖5 噴頭分水器結構圖Fig.5 Nozzle water separator Structure diagram

2.4 噴頭設計

噴頭設計結構如圖6所示。由于噴頭分水器出水口固定法蘭直徑為40mm,為安裝方便和減少壓力損失,噴頭進水口D直徑選為40mm,出水口內徑d內部截面形狀為錐直形,收縮角為α,噴頭長度為L2,噴頭總長為L,長徑比為Cp(噴頭圓柱段長度L1/出水口內徑d)。為保證好的射流集束性,選取收縮角α= 11°,d1=16mm,d2=20mm,d3=25,長徑比Cp=2。根據文獻[18]可知

圖6 噴頭設計結構圖Fig.6 Nozzle structure diagram

L2=3.75×d
L=3×L2

(1)

其中,L2為噴頭長度(mm);d為噴頭出水口內徑(mm);L為噴頭總長(mm)。因此,噴頭長度分為60、75、93.75mm,噴頭總長分為180、225、281.25mm。

2.5 噴頭運動軌跡分析

為驗證圓周往復運動結構設計的可靠性,利用SolidWorks三維繪圖軟件設計與建立圓周往復運動結構模型;通過SolidWorks Motion功能跟蹤運動軌跡,得出噴頭在作業時的運動軌跡,如圖7所示。由于曲柄的半徑為160mm,相鄰兩噴頭之間的距離為300mm,故機器在作業時理論作業幅寬計算公式為

1.噴頭 2.噴頭運動軌跡圖7 理論作業幅寬示意圖Fig.7 Diagramof theoreticaloperating width

L=4a-3b

(2)

其中,L為挖藕試驗裝置理論噴射幅寬(mm);a為噴頭圓周軌跡直徑(mm);b為相鄰的兩個噴頭圓周軌跡交接寬度(mm)。

2.6 模擬藕池設計與制作

為便于實現蓮藕采挖試驗裝置功能,調節噴頭與泥土表面距離、移動速度等,在新疆工程學院室內制作1個深度為1000mm、長度為4300mm、寬度為2200mm的模擬藕池。為提高試驗精度的準確性,從新疆五家渠市青格達湖荷花景區土壤和新疆工程學院人工湖土壤取樣并測量對比,發現土壤體積密度相差不大,故藕池里的淤泥采用新疆工程學院人工湖土壤。為研究圓周往復水射流式挖藕試驗裝置在不同條件下蓮藕采挖的效果和試驗裝置的可靠性,把蓮藕預埋在250～350mm深度的泥土中,并灌水靜止兩天,再進行試驗。模擬藕池如圖8所示。

圖8 模擬藕池與蓮藕預埋效果圖Fig.8 Effect drawing of lotus root embedding in simulated lotus pond

圖9 臺架試驗效果圖Fig.9 Effect drawing of bench test

3 臺架性能試驗

3.1 試驗材料

試驗地點為新疆工程學院室內,模擬藕池里預埋的蓮藕品種為新疆引種多年的武植二號蓮藕。

3.2 試驗方法

為驗證采挖結構設計的合理性,選擇噴頭直徑、噴頭與泥土表面的垂直距離和噴射角度(噴頭的中軸線與豎直方向的夾角)展開三因素三水平試驗,因素水平值如表2所示。其它參數設為恒定值。

表2 因素水平表Table 2 Ffactor level table

試驗開始前,先將水泵調至最大功率擋位,檢查過濾器,通過渦輪流量計測試水泵出水口流量,使出水口流量保持在30～38m3/h范圍內。為了便于試驗結果的觀察與測量,將挖藕裝置安裝在臺架試驗臺上,如圖10所示。在圓周運動轉速為30r/min、水池泥土深度為450mm、水深為300mm、沖刷時間為30s、噴頭數量為4個的情況下,進行單點沖刷試驗和蓮藕浮出率測試試驗。

3.3 試驗目的

圓周往復水射流式挖藕試驗裝置,以常見的蓮藕養殖深度為參數值,檢驗設計的挖藕裝置是否能挖出埋于泥土下25～35cm位置處的蓮藕,還要保證蓮藕浮出率及破損率。同時,挑選出較好的區組試驗參數,得出各參數對單點挖掘深度與沖刷面積的影響。

3.4 試驗指標

鑒于國內外蓮藕采挖機械化、智能化研究技術甚少,缺少相關評價指標體系及技術規范[19-20],故結合當前人工蓮藕采挖的技術要求,在本挖藕機進行臺架性能試驗與田間試驗時,將挖掘深度、沖刷面積和蓮藕浮出率設定為3個評價指標作為考察本挖藕機性能的依據。

1)挖掘深度(H)是指噴頭圓周往復沖刷泥土所產生的平均深度。挖掘深度的大小直接反應挖藕機噴頭所產生的沖擊和破碎泥土的力度,此數值在臺架試驗完成后將水槽里的水排凈,利用測量工具測量噴頭沖刷出來的坑深,得到挖掘深度(H)值。

2)沖刷面積(E)是指在作業過程中挖藕機做圓周往復運動完成的單點沖刷稱為沖刷面積。沖刷面積的大小直接影響到作業效率,故在臺架試驗完成后,通過測量單點沖刷所產生的泥坑長度和寬度,計算沖刷面積(E)。挖藕機的單點沖刷面積計算公式為

Es=Ea×Eb

(3)

其中,Es為沖刷面積(m2);Ea為單點沖刷后所產生凹坑長度(m);Eb為單點沖刷后所產生凹坑寬度(m)。

3)蓮藕浮出率(F)是指挖藕機在試驗區域內開展收獲作業,測定自行漂浮的蓮藕質量占試驗區域埋覆蓮藕總質量的百分比。蓮藕浮出率(F)計算公式為

(4)

其中,F為蓮藕浮出率(m)為試驗區作業后自行漂浮的蓮藕質量(g);M為試驗區埋覆蓮藕的總質量(g)。

3.5 試驗結果

在不同因素、不同水平試驗條件下,圓周往復水射流式挖藕機開展全因素水平臺架性能試驗,以挖掘深度、單點沖刷面積和蓮藕浮出率為試驗指標,利用正交設計助手軟件設計三因素三水平正交試驗,共進行9組試驗,每組試驗重復3次,取平均值為試驗結果,如表3所示。同時,對試驗結果進行分析處理,得到最終試驗結果,如表4所示。

表3 臺架試驗結果Table 3 Bench test results

表4 試驗結果分析Table 4 Experiment result analysis

由表4可知:①影響挖掘深度的因素主次順序為:噴頭直徑>噴射角度>噴頭與泥土表面距離;②影響沖刷面積的因素順序為:噴射角度>噴頭與泥土表面距離>噴頭直徑。當噴頭直徑為16mm、噴頭與泥土表面距離為50mm、噴射角度30°時,試驗效果最好,挖掘深度達到362mm,因素水平組合為A1B1C1。對應沖刷面積最優因素水平組合為A2B2C3,噴頭直徑16mm、噴頭與泥土表面距離100mm、噴射角度60°,單點沖刷面積可達0.833m2。在多指標試驗分析中,有綜合平衡法和綜合加權評分法兩種,筆者通過綜合平衡法選出最優組合。由于挖掘深度在挖藕機性能指標中直接反應挖藕機性能效果的好壞,因此根據各因素水平對挖掘深度的影響、挖掘深度因素水平主次順序和實踐經驗,以挖掘深度為重點考察目標,通過多次試驗得出噴頭直徑為16mm時效果較好。噴頭與泥土表面距離過小再加上藕田泥土表面的不平衡存在噴頭和泥土表面直接接觸,導致在往復運動的情況下出現噴頭的變形、斷裂和堵塞等情況。噴頭與泥土表面距離為150mm時影響挖掘深度,故選用噴頭與泥土表面距離為100mm效果較好。直徑(A)為主因素,從臺架試驗結果中可知噴射角度對蓮藕浮出率的影響大。通過綜合評價法,得知最優組序為A1C1B2。

當噴頭直徑不變時,噴射角度和噴頭與泥土表面距離對該挖藕機的挖掘深度有明顯影響。噴射角度30°～60°時,噴頭的中軸線與豎直方向的夾角越大挖掘深度越淺;反之,噴頭的中軸線與豎直方向的夾角越小挖藕機挖掘深度越深。噴頭與泥土表面距離50～150mm時,噴頭與泥土表面距離越小挖掘深度越深。當噴頭直徑不變時,噴射角度越大沖刷面積越大,成正比例關系;當噴頭直徑不變、噴射角度30°～60°時,噴頭與泥土表面距離越近、射角度越小情況下蓮藕的浮出率越高。

4 結論

1)使用SolidWorks三維設計軟件進行挖藕機各部分的結構設計和運動仿真的圓周往復運動結構具有可行性。

2)臺架單點沖刷試驗表明:單點作業時,當噴頭直徑為16mm、噴頭與泥土表面距離為100mm、噴射角度30°時,挖掘深度和沖刷面積的達到最佳值。噴頭直徑不變時,噴射角度越小挖掘深度越深、噴頭與泥土表面距離越小挖掘深度越深,噴射角度越大沖刷面積越大,成正比例關系,且噴頭與泥土表面距離越近、噴射角度越小情況下蓮藕的浮出率越高。由于運動結構原因,圓周運動轉速高時出現整機的晃搖,因此需對圓周往復運動結構進行進一步調整及改善,以給農戶蓮藕采挖工作提供方便。

3)試驗過程中,由于結構的原因,圓周運動轉速高時出現整機的晃搖,水泵吸水口過濾器容易堵塞限制了水泵滿負荷供水。該機在圓周往復運動時,沖刷過程中已經漂浮到水面的蓮藕和噴頭之間碰撞,導致蓮藕表面損傷,故在噴頭外面包一層橡膠片,可避免此類問題的發生。由于該圓周往復水射流式挖藕試驗裝置結構還未改善等原因,因此不能進行田間試驗,還需要深入研究優化改進。