螺旋推进式挖藕机的设计与试验

冯闯闯，周勇，涂鸣，柯烩彬，陈行，吴昊，焦俊

(华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070，农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，湖北 武汉 430070)

莲藕的食用药用价值较高，是一种深受广大人民群众青睐的水生蔬菜和特色农产品，在我国分布广泛，种植区域遍布华南、西南、长江流域等地[1-3].随着农村产业结构调整，农户种植积极性持续上涨，种植面积也逐年增多，但因莲藕生长环境的特殊性，莲藕采收成为困扰农户的一个问题.农户为收获莲藕投入了大量人力物力，但效率低下、经济效益差，不利于莲藕产业的长期发展[4-5].莲藕目前主要依靠人工单喷枪采挖[6-7]，即手持水枪冲刷覆盖于莲藕上方的泥土，再将莲藕从泥土中抽出，这种莲藕收获方式一定程度上提高了收获效率，但对挖藕工人要求熟练程度较高，且劳动强度大.

为了解决繁重低效的人工挖藕方式，国内外学者对挖藕机械进行了研究.日本的日东工业研究所在20世纪80年代初期对挖藕机进行了研究，共研制了三代相关挖藕机，即带高压水泵的Ⅰ型喷流式挖藕机、宽幅度作业Ⅱ型挖藕机、水泵定置式Ⅲ型挖藕机，该系列挖藕机生产效率低，作业机动性和适应性较差，不适应规模化生产种植，且造价较高，不适合我国国情，不被我国藕农接受[8-12].

国内水力挖藕机械主要分为大型船式挖藕机和浮筒挖藕机两大类.前者作业时通过钢丝绳牵引移动，无外延长水管，存在机动性能差、体积质量大等问题.如4CWO-3.2型船式挖藕机、4SWO-1.2型船式挖藕机等.后者作业时操作人员需下水作业，无外延长水管，存在挖藕机需人工推动作业，劳动强度大，且需要一定的吃水深度，在浅水藕田无法进行正常漂浮作业等问题.如W-FPZ-1200C型浮筒式挖藕机、DCE-1001D浮筒式挖藕机、自旋射流式浮筒挖藕机等[13-19].这两类挖藕机均无法自主行走，需借助外部装置或人工进行移动，操作复杂，劳动强度依然较大.

为了提高莲藕采收机械的机动性、减轻劳动强度、提高莲藕采挖收获效率，本文结合传统水力冲刷挖藕方式和采用螺旋推进式底盘，设计了一种螺旋推进式挖藕机，并进行了样机试制和田间性能试验.

1 螺旋推进式挖藕机的构建

1.1 螺旋推进式挖藕机结构与工作原理

1.1.1 挖藕机结构 螺旋推进式挖藕机主要由柴油机、汽油机水泵、螺旋推进式底盘、减速箱、T型传动箱、喷流系统等组成，如图1所示.

该挖藕机使用双动力系统，柴油机为螺旋滚筒提供动力，实现整机行走，汽油机水泵为喷流装置提供动力，实现水力冲刷挖藕功能.喷流装置安装在机器后方，其进水口连接网格细致的过滤装置，防止水草等杂质进入水泵造成堵塞；在竖直方向可进行调节以适应不同的水深.主要参数如表1所示.

1.1.2 工作原理 工作时，柴油机动力通过减速箱等装置传动到下方螺旋滚筒，螺旋滚筒叶片和泥土相互作用，通过泥土对叶片的反作用力驱动整机进行行走；且螺旋叶片转动时，会对泥土表层进行切割破碎，便于水射流进行冲刷，实现机械水力联合采挖；同时启动汽油机水泵，高压水射流从喷头喷射出，覆盖莲藕上方的泥土受到射流冲击后破碎后被水流带走，直至莲藕完全裸露在水底，受自身浮力作用浮出水面，再由人工进行打捞，完成莲藕采挖作业.

表1 挖藕机关键参数

1.2 关键部件的设计

1.2.1 螺旋推进式底盘关键参数的设计与计算 螺旋推进底盘主要由桁架，浮筒、螺旋叶片组成，其中螺旋叶片焊接在浮筒表面，如图2所示.

1：桁架；2：浮筒；3：螺旋叶片.1：Truss；2：Float；3：Spiral blade.图2 螺旋推进式底盘结构图Figure 2 Diagram of screw-propelled chassis

浮筒材料采用1 mm厚度304工业不锈钢，通过折弯和焊接加工而成，具有良好的密封性能和防锈性能.螺旋叶片采用3 mm厚度的工业不锈钢，在兼顾防锈性能的同时，具有一定的强度.为保证整机重心不会过高，且兼顾链轮链条不会在工作时长时间浸泡在水中引起生锈，选取滚筒半径为300 mm.

以水深200 mm为计算线，计算两个浮筒的实际浮力，如图3所示.

浮筒有效侧面积：

S=S2-S1

(1)

浮筒的体积：

V=SL

(2)

根据阿基米德定律：

F=ρgV

(3)

式中，S1为滚筒圆心和滚筒与水面两接触点形成三角形区域面积，m2；S2为滚筒圆心和滚筒与水面两接触点形成扇形的面积，m2；V为浮筒排出水的体积，m3；L为滚筒总长度，m；F为浮筒在水中收到的浮力，N；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2.

图3 滚筒浮力计算示意图Figure 3 Diagram of buoy buoyancy calculation

浮筒半径R=300 mm，长度L=1 200 mm，当水深为200 mm时，可计算出F=1 970 N；样机主要由柴油机、汽油机水泵、减速箱等组成，其总重力约为1 800 N，滚筒设计满足挖藕机预期要求.

螺旋推进底盘关键参数如表2所示.

表2 螺旋推进式底盘关键参数

螺旋滚筒转动时候提供的理论前进速度为：

(4)

根据转动角速度和转速的关系，有：

ω=2πn

(5)

螺旋滚筒的螺距与螺旋升角满足以下关系式：

P=π(r1+r2)tanη

(6)

式中，P为螺旋滚筒螺距，mm；ω为螺旋滚筒转动角速度，rad/s；n为转速，r/s；r1为螺旋滚筒半径，mm；r2为螺旋叶片高度，mm.

柴油机动力输出轴转速标准值为3 600 r/min，即为60 r/s.在整个传动过程中，共有三级减速，减速比分别为4、3.4和2，总减速速比为27.2，则螺旋滚筒最终的转速为2.21 r/s.据公式(4)～(6)可计算理论速度vt=0.75 m/s.

螺旋滚筒运动时，随着泥土的压实和下陷，同时会产生滑转现象，其滑转率[18]为：

(7)

式中，v1为滚筒沿轴向方向实际速度，m/s.

整机是在藕田中进行工作，水田环境较为复杂，在淤泥中样机滑转率较大.经过田间试验，该样机速度可在0.09～0.34 m/s之间调节，样机滑转率最小值为54.7%，最大值为85.3%.

1.2.2 管路设计 管路主要由吊管、横管和喷头组成，如图4所示.为减少管路对水泵工况流量及扬程的影响，横管截面面积之和等于水泵出水管截面面积，可得横管与水泵出水管内径关系式.

D1=0.707D2

(8)

式中，D1为横管内径，mm；D2为水泵出水管内径，mm.

经测量，水泵出水管内径为D276 mm，由式(8)可计算得横管内径为53.73 mm.根据不锈钢管道标准件手册查到接近该尺寸的管道内径为54 mm，其工作幅宽为600 mm，喷头间距为300 mm，喷头直径为17 mm[20].

1：吊管；2：横管；3：喷头.1：Hanging pipe；2：Horizontal pipe；3：Nozzle.图4 喷流管路结构图Figure 4 Structure diagram of jet pipe

1.2.3 深度调节设计 深度调节装置如图5所示，使用304工业不锈钢方管焊接到桁架上，在方管的下方分布有通孔；共有4组通孔，最下方孔在距下端20 mm处，依次向上排列，距离均为50 mm.以45°安装角度为基准，当分水器整体安装位置处于连接方管从上往下第二螺栓孔处时，喷头顶端与挖藕机浮筒底端平齐，即此时喷头与泥面距离为0；当连接到第三、四螺栓孔处，喷头与泥面距离分别为-50 mm和-100 mm，实现喷头与泥面距离较准确控制.

1.2.4 角度调节设计 角度调节装置如图6所示，预先已在固定环圆周做好角度标记角度调节，需要对喷头进行角度调整时，松开固定环两端固定螺母，将喷头调整到需要的角度，再对固定环两端螺母进行拧紧加固，即可实现角度调节.

喷流装置总体结构如图7所示.

1：方管；2：通孔；3.螺母.1：Square tube；2：Through hole；3：Screw nut.图5 深度调节装置示意图Figure 5 Structure diagram of depth adjustment device

1：螺母；2：螺杆；3：固定环.1：Screw nut；2：Screw thread stick；3：Fixing ring.图6 角度调整结构示意图Figure 6 Structure diagram of angle adjustment device

2 田间性能试验

2.1 试验材料与方法

2.1.1 试验材料 莲藕品种选取南方地区广泛种植、备受欢迎的‘鄂莲五号’，简称代号‘3735’.

2.1.2 试验方法 试验地点为华中农业大学农业机械试训中心室外土槽.试验前，在试验田内选取泥脚深度约400 mm，边长4 m×12 m的试验区域，将莲藕10枝为一组进行均匀埋覆，将泥土压实，再静置一天后放水开展试验，如图8示.

1：方管；2.螺杆；；3：分水器；4：固定环；5：喷头.1：Square tube；2：Screw thread stick；3：Water diversion pipe；4：Fixing ring；5：Nozzle.图7 喷流装置结构图Figuee 7 Structure diagram of jet device

图8 田间挖藕试验Figure 8 Diagram of field-digging lotus root test

2.1.3 评价指标 鉴于国内外莲藕机械化采收技术研究甚少，缺乏相关的评价技术规范.本试验结合当前人工采收莲藕的要求，在螺旋推进式挖藕机田间试验中，测定挖掘深度、莲藕浮出率2个试验指标，作为考察样机采挖性能的依据[21].

1) 挖掘深度 挖掘深度的大小直接反映挖藕机冲击和破碎泥土的能量，利用钢尺测量挖藕机作业前后泥层上表面和水面的垂直距离，两者相减得到挖藕机的挖掘深度.

2) 莲藕浮出率 挖藕机在试验区域内开展收获作业，测定自行浮出的莲藕占试验区域埋覆莲藕总量的百分比.

2.1.4 试验因素 在本试验中，为研究行走速度、喷射角度(喷头与水平方向夹角)、喷头与泥面距离等因素对挖藕机作业质量的影响，以挖掘深度、莲藕浮出率为试验指标，开展三因素三水平全因素试验，分析各因素对作业质量的影响规律，寻求优化参数组合.进行莲藕水力采挖收获时，行走速度及喷射角度对冲刷质量影响明显[11，20]，且喷头置于泥面下方时，水射流的速度和压力损失会减小较多，试验因素及因素水平如表3所示.

表3 试验因素水平

2.2 试验结果分析

在不同因素、不同水平下对螺旋推进式挖藕机开展全因素试验，利用SPSS统计软件对试验结果进行分析处理，结果如表4～5所示[22].

表4 全因素试验结果

表5 单因素方差分析

由表4可知，当行走速度为0.1 m/s、喷射角度为60°、喷头与泥面距离为-100 mm时，试验效果最好，挖掘深度达到424 mm，莲藕浮出率为100%.

由表5可知，行走速度、喷射角度及喷头与泥面距离对挖掘深度和莲藕浮出率均具有极显著影响，与试验结果吻合.

试验序号1～9为挖藕机行走速度为0.1 m/s时的田间试验结果.由试验结果可知，当喷射角度为60°，喷头与泥面距离为-100 mm时，挖掘深度为最大值424 mm，且莲藕浮出率为100%；当喷射角度为60°，挖掘深度达到376 mm及以上，莲藕浮出率达到94%及以上，试验效果较好.

图9为不同喷射角度和喷头与泥面距离对挖藕机挖掘深度和莲藕浮出率的影响.由图9-A可知，挖掘深度随着喷射角度的增大而呈现上升的趋势，随着喷头与泥面距离的增大而呈现下降的趋势，即挖掘深度和喷射角度呈正相关关系，和喷头与泥面距离呈负相关关系；当喷射角度为60°，喷头与泥面距离为-100 mm时，挖掘深度达到最大值，为424 mm.由图9-B可知，莲藕浮出率随着喷射角度的增大而呈现上升的趋势，随着喷头与泥面距离的增大而呈现下降的趋势，即莲藕浮出率和喷射角度呈正相关关系，和喷头与泥面距离呈负相关关系；当喷射角度为60°，喷头与泥面距离为-100 mm时，此时莲藕浮出率达到最大值，为100%.

试验序号10～18为挖藕机行走速度为0.2 m/s时的田间试验结果.由试验结果可知，当喷射角度为60°，喷头与泥面距离为-100 mm时，挖掘深度为最大值383 mm，且莲藕浮出率为最大值92%，试验效果较好；在试验号12、15、18中，挖掘深度达到345 mm及以上，莲藕浮出率达到86%及以上，试验效果较好.

图10为不同喷射角度和喷头与泥面距离对挖藕机挖掘深度和莲藕浮出率的影响.由图10-A可知，挖掘深度随着喷射角度的增大而呈现上升的趋势，随着喷头与泥面距离的增大而呈现下降的趋势，即挖掘深度和喷射角度呈正相关关系，和喷头与泥面距离呈负相关关系；当喷射角度为60°，喷头与泥面距离为-100 mm时，挖掘深度达到最大值，为383 mm.由图10-B可知，莲藕浮出率随着喷射角度的增大而呈现上升的趋势，随着喷头与泥面距离的增大而呈现下降的趋势，即莲藕浮出率和喷射角度呈正相关关系，和喷头与泥面距离呈负相关关系；当喷射角度为60°，喷头与泥面距离为-100 mm时，此时莲藕浮出率达到最大值，为92%.

试验序号19～27为挖藕机行走速度为0.3 m/s时的田间试验结果.由试验结果可知，当喷射角度为60°，喷头与泥面距离为-100 mm时，挖掘深度达到最大值301 mm，莲藕浮出率达到71%，为本组试验最佳效果，但莲藕浮出率低于85%，试验效果不佳；进行本组试验时，挖藕机行走速度较快，挖掘深度和莲藕浮出率的结果都不甚理想；在19～25号试验中，莲藕浮出率均小于50%，甚至出现数次为0的情况，试验效果较差.分析可能是由于挖藕机行走速度过快，导致冲刷时间短，冲刷效果不够充分，导致试验效果较差.

图9 喷射角度和喷头与泥面距离对作业质量的影响1Figure 9 Influence 1 of jet angle and distance between the nozzle and mud surface on operation quality

图10 喷射角度和喷头与泥面距离对作业质量的影响2Figure 10 Influence 2 of jet angle and distance between the nozzle and mud surface on operation quality

图11为不同喷射角度和喷头与泥面距离对挖藕机挖掘深度和莲藕浮出率的影响.由图11-A可知，挖掘深度随着喷射角度的增大而呈现上升的趋势，随着喷头与泥面距离的增大而呈现下降的趋势，即挖掘深度和喷射角度呈正相关关系，和喷头与泥面距离呈负相关关系；当喷射角度为60°，喷头与泥面距离为-100 mm时，挖掘深度达到最大值，为301 mm.由图11-B可知，莲藕浮出率随着喷射角度的增大而呈现上升的趋势，随着喷头与泥面距离的增大而呈现下降的趋势，即莲藕浮出率和喷射角度呈正相关关系，和喷头与泥面距离呈负相关关系；当喷射角度为60°，喷头与泥面距离为-100 mm时，此时莲藕浮出率达到本组试验最大值，为71%.

图11 喷射角度和喷头与泥面距离对作业质量的影响3Figure 11 Influence 3of jet angle and distance between the nozzle and mud surface on operation quality

3 结论

1) 为提高莲藕采收机械的机动性、减轻劳动强度、提高莲藕采挖收获效率，设计了一种螺旋推进式挖藕机，主要包括利用滑转原理设计的螺旋推进式自主行走底盘及基于流体力学设计的喷流装置，二者结合进行莲藕采挖收获，即机械水力联合采挖收获.

2) 以挖掘深度、莲藕浮出率为试验指标，以行走速度、喷射角度和喷头与泥面距离为试验因素，开展三因素三水平全因素试验.田间试验表明：在行进速度为0.1 m/s、喷射角度为60°，喷头距离泥面距离为-100 mm时，能够完全挖出泥下400 mm的莲藕，莲藕浮出率达到最大值100%，挖掘深度达到最大值424 mm，满足设计要求.该螺旋推进式底盘还能应用于水田行走装备等领域的研究.