液力驱动挖藕机的结构设计

刘 鹏，陶 雷，吕石祥，许林云，陈 青，蒋雪松，周宏平，王金鹏，

(1.南京林业大学 机械电子工程学院，南京 210037；2.金湖金龙祥渔业设备有限公司，江苏 淮安 211600)



液力驱动挖藕机的结构设计

刘 鹏1，陶 雷1，吕石祥2，许林云1，陈 青1，蒋雪松1，周宏平1，王金鹏1，2

(1.南京林业大学 机械电子工程学院，南京 210037；2.金湖金龙祥渔业设备有限公司，江苏 淮安 211600)

为了解决采藕困难、劳动强度大、效率低和现有挖藕机工作不理想等问题，研制出液力驱动挖藕机。依据莲藕所能承受最大压力确定汽油机水泵的型号，通过喷射系统喷出水柱对淤泥进行冲刷、推移，使莲藕自动浮出水面。试验表明：该机操作简便、性能良好，是莲藕采摘很好的工具。

莲藕；挖藕机；液力驱动

0 引言

莲藕(lotus root)是一种水生经济作物，用途广泛，可以食用、药用和观赏等[1]，一直深受人们喜爱。据不完全统计，我国莲藕的种植面积已有400万hm2多，正常莲藕产量可以达到30 000～37 500kg/hm2，较好品种和环境下可达到75 000kg/hm2，其经济价值可观。但我国目前对莲藕的挖掘主要靠人力劳动，人在挖掘过程中消耗体力过大、效率低下，对藕的损伤也较大，不能及时将藕挖出，经济损失较大，挖藕机械的研究很有必要。国内外已经对挖藕机械进行相关研究，早在20世纪80年代时，日本就研制了喷流式Ⅰ型、宽幅Ⅱ型和Ⅲ型等3种挖藕机[2]。2002年，湖北省武汉市农机服务总站研制了4OZ-3型自走式水压莲藕掘取机[3]；2008年，华中农业大学工程技术学院研制出4CWO-3.2型船式挖藕机[4]；2009年，南京农业大学工学院研制了4SWJ-1型船式水力挖藕机[5]。根据后期实践调研，国内这些挖藕机都存在工作不稳定、挖藕效果不理想，以及适应范围存在局限性或者生产成本较高等问题。

本挖藕机产品是由“金湖县科技镇长团”和南京林业大学机械电子工程学院主导设计，金湖金龙祥渔业设备有限公司配合设计、研制的一款莲藕收获机械化的机具，能较好地解决目前面存在的不足。液力驱动挖藕机主要由动力系统、储水系统、喷射系统、操控系统和主体框架构成，主要特点为整机结构紧凑、操控方便、成本低、工作性能稳定、质量小及使用范围广泛。本机启动后只需由一人控制可随意行走，一人拾取浮出水面的莲藕；主要由汽油机提供动力，运用水泵来吸水和喷水从而控制整机自由行走，确保了挖藕机工作的稳定性和准确性，使整机的工作效率提升。

1 主要技术参数

主要技术参数如下:

外形尺寸/mm：1 510×1 260×830

结构质量/kg：97

配套动力：QG2100-50-17 汽油机水泵

作业效率/m2·h-1：100以上(按8h工作制计)

最大流量/m3·h-1：100

喷头安装角度/(°)：往下倾斜45°，调整范围为±10°

工作幅宽/m：0.7

最大挖藕深度/m：0.9

挖藕机适水深度/m：0.3～1.5

作业油耗率/kg·h-1：2.4

喷嘴尺寸/mm：20×28

2 结构与工作原理

2.1 结构

液压驱动挖藕机主要是由动力系统、储水系统、喷射系统、操控系统和主体框架5个部分构成，基本结构如图1所示。采用浮筒式结构进行设计，挖藕机在工作时与水接触面积较大，前进时受到水的阻力较小，与以往挖藕机械相比质量小，无需较大动力的汽油机即可工作。

1.射流喷头 2.浮筒 3.滤网 4.高压水腔 5.框架 6.储水室 7.扶手 8.出水管 9.进水管 10.水泵 11.发动机

2.2 工作原理

目前，挖藕机主要有机械式和射流式[2]两种：机械式依靠挖掘铲或其他机构将藕挖出来，然后再清洗；射流式是通过发动机驱动水泵，产生高压，经喷头形成射流将覆盖在莲藕上的泥土冲掉，莲藕依靠浮力自动浮出水面，同时射流将莲藕冲洗干净。机械式挖藕机作业效率低、伤藕率高。现在市场上宣传和使用较多的挖藕机主要是射流式，射流式挖藕机主要有浮筒式[6]和船式两种：船式挖藕机在使用过程中有很大的局限性，不适用于稻田藕、水池藕和专用膜池藕使用，且造价高、操作复杂；浮筒式挖藕机操作简单、价格便宜，适用于各种种植水域挖藕作业。

本产品设计成浮筒式挖藕机，先把挖藕机放入水中，通过汽油机给水泵提供动力，水先经过滤网进入到储水室中，通过进水管到达水泵内，再通过出水管排入高压水腔中，最后通过喷射系统喷出；喷嘴处于水平面以下，喷出来的水不断冲刷、粉碎和推移水的泥土，使藕浮出水面即可。

3 挖藕机整体结构设计

莲藕作为水生作物，适宜在25～30℃水温、30～40cm水下生长[7]。人工养殖的莲藕较大、较脆、口感好，生长在淤泥以下30～40cm、土质偏软且肥沃，其抗压能力在0.35～0.45MPa，抗弯能力在3.2～13.7N·m，藕身的抗拉能力为350N左右[8]。

3.1 动力装置选择

3.2 浮舱主体

对挖藕机进行设计先考虑到整体框架的搭建，主体结构的设计对整个挖藕机起支撑作用，可保证挖藕机在工作过程中重心平衡。如图2所示，浮筒式挖藕机的主体结构属于仿船型结构称为浮舱主体，浮舱主体下方为小半圆形结构，前方为半圆形结构。整个浮舱主体采用1.0mm厚不锈钢板做成密闭空间，减少其在水中前进时的阻力；下方的半圆形可以使整个挖藕机对水接触面积增加，使其浮力增加。浮舱主体做成密闭空间能够承受侧面水带来的巨大压力，防止整体机械产生变形，不仅节省空间、成本，也省时、省力。

图2 液力驱动挖藕机的浮舱主体

浮舱主体放置于进水舱的两侧，大大削弱了两侧水对进水舱带来的巨大压力。进水舱形状类似于浮舱主体，但其高度低于浮舱主体，进水舱底部受到水的压力也会减小。进水舱下方与上方安放一层滤网，其将对杂草、浮萍物等有隔离作用，可全面保护进水舱，使水顺利；流入到进水舱中，也会保护进水舱不会产生变形。

在浮舱主体的上方安放汽油机、水泵对整台机器提供动力，浮舱主体处于水中不仅受到挖藕机本身的压力，也要受到挖藕机在工作过程中水带来的巨大压力，因此浮舱主体的结构是整个挖藕机设计关键部件之一。

3.3 储水系统

储水系统主要由储水室和高压水腔室构成，如图3所示。在储水室的两侧开有矩形方孔，水通过方孔可进入储水室中；储水室上方连接进水管，高压水腔较小，放置在储水室后方并且连接出水管与喷射系统。具体工作过程：当水泵开始吸水时，储水室内的压力就会变小，水就会进入到储水室；储水室下方有一层滤网可过滤水中的杂草和浮萍物，防止杂物进入到水泵中影响其工作效率，也可以保证水通过方孔顺利进入到储水室中。当储水室中的水快充满时就会进入进水管从而到达水泵中；再通过水泵内循环，水通过出水管排到高压水腔中。随着水不断排入使高压水腔不断增压，最后再通过喷射系统排出。整个结构简单，设计精巧，形成一个增压系统，使喷射系统的压力增加。

1. 储水室 2. 高压水腔

高压水腔结构设计应保证密封性较好，不能存在边缝破损，形成高压外泄[9]，造成的压力损失不可估量。水不断冲入高压水腔中，压力是一个逐渐增加的过程，形成一个低速高压环境，藕塘中的水由水泵作用进入到高压水腔中，再由4个喷嘴喷出，即水腔中的水分配到4个节点[10]，水压也进行分配保证了4个喷嘴压力的均衡性。因此，高压水腔的密闭性保证喷嘴喷出水压大小的关键。

3.4 喷射系统

喷射系统主要是把高压水腔中的水通过喷嘴喷出，但喷嘴形状的设计、安放位置、喷嘴的运动频率对藕的质量有直接关系。在以往的挖藕机结构设计时，喷嘴都采用圆锥形，喷嘴孔为圆形，但这样喷嘴孔的直径需要做的较小才能增加喷出水的压力，还需要配套的结构来调节喷嘴的工作角度使挖藕机的工作面积增加。本挖藕机的喷嘴同样采用圆锥形，但喷嘴孔采用椭圆形的形状，安放时采用后倾式安装，同时安装4个喷嘴，4个喷嘴并不安放在同一水平线上。当高压水箱中充满水时，控制喷嘴上方的调节阀进行排水(见图4)，喷嘴喷的水不仅扬程较高，同时挖藕机的工作面积也大，无需配套动力来调节喷嘴的工作角度，大大降低了成本。

图4 喷嘴

3.5 操控系统

操控系统主要是靠喷射出的水提供动力，由操控者把持扶手即可使挖藕机随意移动，通过对水泵的调控而调节挖藕机的移动速度；但在挖藕过程中通过喷射系统对有藕的地方不断冲刷耗费一些时间，操控者只需等待即可。

4 试验测试与分析

设计挖藕机时要求：莲藕的挖出率需达到95%(池塘中的莲藕分布相对均匀)，并且莲藕的损伤率不高于3%，同时莲藕在挖出后会自动浮出水面。挖藕机工作时的具体耗油量也需同时测出，以最低的成本来挖出最多的莲藕。

对挖藕机各项性能测试指标如表1所示，图5为试验测试示意图。

在定型样机测试时得到，莲藕的挖出率达到97.1%，对莲藕的损伤率仅为2%，淤泥中的莲藕也全部浮出水面，挖藕机在工作时的耗油量仅为2.4kg/h，且挖藕机在工作时也没有出现熄火或者吸入杂草等堵塞水泵等现象，工作性能完好，达到了理想目标。

与以前的挖藕机相比，液力驱动挖藕机质量小、操控方便、生产成本低。以前的挖藕机在工作中容易吸入杂草导致挖藕机熄火，挖藕机的质量也较大修理起来困难，挖藕的效率大大降低，并且耗油量很大，因此许多挖藕机不能得到有效的推广；现在生产的液力驱动挖藕机可以有效解决此类问题，且综合许多挖藕机的优点进行设计，在挖藕试验过程中，效果较为明显，满足农户需求。

表1 液力驱动挖藕机实验性能结果

图5 液力驱动挖藕机实验测试示意图

Tab.1 Experimental test of hydraulic drive lotus digging machine

5 结论

1)液力驱动挖藕机总体结构紧凑，加工方便，解决，以往的船式挖藕机加工不方便等问题，采用浮筒式的挖藕机适用于藕塘中工作，当地农户学习使用也很方便。

2)作业效率高，正常工作时只需一人操控挖藕机， 另外一人捡取浮出的莲藕。 经过测试， 采藕0.08hm2/天(8h)，挖藕2 072kg；但人工挖藕机挖藕效率为400kg/(天·人)，挖藕机的作业效率是人工的2.59倍，并且人工挖藕对藕的损伤率较高、劳动强度较大，采用挖藕机都可以解决此类问题。

3)本次挖藕机利用高压水柱对淤泥进行冲刷、推移使莲藕浮出水面，会有许多浮萍物影响挖藕机的工作效率。为此，在进水舱底部和上面安放一层滤网可以完全抵挡这些杂物，使水中杂草等浮出，有利于对泥土进行翻新，对次年莲藕的生长提供一定的生长环境。

4)莲藕采摘的季节都处于寒冷的冬季，并且莲藕在水下生长毫无规律，运用挖藕机采藕对农户的身体素质要求较高，也需要农户熟知藕的生长规律。在将来若能使莲藕以一定的生长规律进行生长，并且在开发出一种自动探藕仪器来检测水中莲藕的存在，则会大大地提高挖藕机的效率，对将来藕业的发展推进也会较大。

[1] 严芬娟.莲藕对环境的要求及浅水藕栽培技术[J].现代农业科学,2014(18):94-95.

[2] 张耀宏,姜喆雄.喷流式挖藕机的研制[J].粮油加工与食品机械,1982(8)：33-38.

[3] 尤俊,陈斯蓉.4OZ-3型自走式水压莲藕掘取[J].南方农机,2000(6):9.

[4] 黄海东,张国忠,夏俊芳，等.4CWO-3.2型船式挖藕机[J].湖北农机化,2008(3):24-25.

[5] 王维,顾宝兴,姬长英.4SWJ-1型船式水力挖藕机研制[J].农业机械,2009(4)：88-90.

[6] 马立新,沈启扬.浮筒式挖藕机的原理及优势[J].中国农机化导报,2014(8)：1.

[7] 李凡爱.挖藕机的初步研究[J].粮油加工与食品机械,1984(6)：12-16.

[8] 王维.4SWO-1.2型船式水力挖藕机的研制[D].南京:南京农业大学,2009.

[9] Dasgupta K, Mandal S K, Pan S.Dynamic analysis of a low speed high torque hydrostatic drive using steady-state characteristics[J].Mechanism and Machine Theory，2012,52:1-17.

[10] Xu Y, Zhang X Y.Research on pressure optimization effect of high level water tank by drinking water network hydraulic model [J].Procedia Engineering，2012,31:958-966.Abstract ID:1003-188X(2017)01-0078-EA

The Structure Design of Hydraulic Drive Lotus Root Digging Machine

Liu Peng1, Tao Lei1, Lv Shixiang2, Xu Linyun1, Chen Qing1, Jiang Xuesong1,Zhou Hongping1, Wang Jinpeng1,2

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2.Jinhu Jinlongxiang Fishery Equipment Co.Ltd., Huai'an 211600, China)

To solve the difficult of dig lotus, labor-intensive, inefficient and existing unsatisfactory work lotus root digging machine problems. The hydraulic drive lotus root digging machine is developed. Lotus root can withstand the maximum pressure to determine the gasoline engine pump model. Spray of water via injection system to silt erosion, goes on, lotus automatically surfaced. Easy operating, good performance, it is a good tool for picking lotus.

lotus root; lotus root digging machine; hydraulic drive

2015-12-14

2014年度苏北科技专项资金项目(BN2014127)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

刘 鹏(1991-)，男，河南信阳人，硕士研究生，(E-mail) liupengguoyan@163.com。

蒋雪松(1979-)，男，江苏海安人，副教授，博士，(E-mail)xsjiang@126.com。

S225.92

A

1003-188X(2017)01-0078-04