履带自走式莲藕收获机的结构设计*

李锋霞 ， 张 佳 ， 黄 勇 ， 高国刚 ， 武玉柱 ， 王 梦

（1.新疆工程学院机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023；2.中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院，新疆 克拉玛依 834000）

莲藕，具有很高的药用和食用价值，深受人民群众喜爱。其因经济效益好，种植技术和生长管理技术简单，在我国种植区域广泛分布[1]。然而，目前莲藕的采收却较为困难，人工挖藕劳动强度大、损伤率高、生产效率低，已经严重制约了我国莲藕产业的发展[2]，因此，研究莲藕机械化采收具有重要的现实意义。

目前，日本日东工业研究所研究过莲藕采收机，主要利用喷流式原理的采收机有三种类型：喷流式I、宽幅II型和泵定置式III型[3]。我国自20世纪70年代开始对莲藕机械化采收技术进行研究，各大科研机构、相关企业及个人等对莲藕采挖的作业机理、关键技术及设备等进行了研究[4]。1999—2001年期间，华中农业大学、武汉市农机服务总站及南通市江华机械有限公司联合研制了4OZ-3型自走式水压莲藕掘取机[5]；2004—2008年期间，华中农业大学工学院研究团队联合企业研发了4CWO-3.2型船式自动挖藕机[6]；2009年，南京农业大学工学院王维等设计出4SWJ-1型船式水力挖藕机[7]；2010年山东省微山县孟凡良等设计了一种船式液压挖藕机[8]；2018年，中南大学刘向军等研制出一种新型手扶挖藕机[9]；2015年，郭洋民设计了船式水力自走式采收机[10]；2018年，吴昊研制出一种自旋射流式挖藕机[11]；2021年，高雪峰等提出了大功率莲藕采收机[12]。根据调研，目前的挖藕机普遍处于试验阶段，工作不稳定，大多被闲置，无法真正投入生产，实际使用效果差。

基于此，本课题组提出了一种履带自走式莲藕收获机，以履带式步进系统控制行走方式，通过高压喷射装置将莲藕冲出后，再由后方的收集装置进行输送并且增加喷头达到清洗的目的，最后将干净整洁的莲藕运送至机械后方的收集网中，完成莲藕的采挖和收集。该机械设备集挖掘、清洗和收集等作业功能于一体，具有功能齐全、机械化程度高、人工作业强度低、适应环境能力强、工作效率高等特点，适合我国多数地区中大型莲藕种植地区。其主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

1 结构和工作原理

1.1 结构

课题组设计的履带式莲藕收获机主要由动力系统、行进系统、喷射系统、输送收集系统等组成，基本结构示意图如图1所示。该收获机采用双动力供能系统，由柴油发动机为高底盘履带式步进系统提供动力，使其莲藕采挖与收装一体机进行行走，同时将动力通过皮带输送至输送带，实现行走和收集功能。汽油机为喷射系统中的高压水泵供应动力，实现挖藕功能。喷射系统中喷射采藕装置安装在机械的前方，喷射清洗装置安装在柴油发动机底板下方、传送机构上方位置，其进水口设置网格式过滤装置，防止水田中一些水草、茎秆、淤泥进入水泵导致其堵塞。输送带前方通过收集挡板起到扩大工作收集幅宽和导向的作用。作业时，将莲藕采收机开到水田中，根据水位的高低调整前端喷射装置的埋没高度，然后启动汽油发动机带动高压水泵让其达到平稳的作业状态，再启动柴油发动机，使其驱动整机可以行走，并对水田中的莲藕进行收获和采集作业。

图1 莲藕收获机结构示意图

1.2 工作原理

机械作业时，柴油发动机通过传动轴将动力传送至减速器再到后桥使动力分散到履带两端，带动履带轮转动，使其履带向前行驶。在整机向前行驶的过程中，同时启动汽油机，通过联接使其动力连接至水泵和输送带，在过滤器的协助下，将水吸入高压水泵后输送至前端喷水装置将莲藕冲出后，莲藕因为自身的浮力浮出水面，通过挖藕机收集板将漂浮在水面上的莲藕收集引导至输送带，将其运送至后端收集袋中。同时，高压水泵将水输送至底部清洗装置，对输送带上的莲藕进行清洗。工作原理图如图2所示。

图2 莲藕收获机的工作原理图

2 关键零部件的设计

2.1 履带式行进方式的设计

莲藕采收机采用履带式行进方式，这不同于以往挖藕机在作业时只能漂浮于水面。底盘加高后发动机、操作室、传动系统均保持在水面上方，保证了一体机的正常工作。履带式挖藕机能在不同水深的藕田完成藕秆切割和高效低损伤采藕的联合作业，适应环境能力强，可以显著降低莲藕采收的劳动强度并提高作业效率[13]。高三角履带结构示意图，如图3所示。工作时，柴油机提供动力支持，履带式行走机构的履带底盘的车轮不与地面直接接触，而是通过环绕在驱动轮和一系列滚轮外侧的循环履带和地面发生作用，履带由驱动轮驱动，实现车轮在履带上的相对滚动，同时履带在地面循环向前铺设，从而带动整机运动。

图3 履带结构示意图

2.2 喷射系统结构的设计

2.2.1 喷射系统结构

本设计采用水流喷射式结构，如图4所示。通过汽油机水泵将水田中的水吸入后产生高压水输送至前端喷射系统，作业时高压水从前端喷头射出，对莲藕表面泥土进行冲刷，因为喷嘴的设计使高压水将覆盖于莲藕上的淤泥层转化成稀泥水，可以让莲藕快速脱离上层淤泥后在自身浮力的作用下浮出水面。采用高压喷水挖藕方式可以极大地降低莲藕破损率，且减小机械在水田中运行的阻力。

图4 喷射系统结构示意图

2.2.2 喷射管路设计

本设计将喷射挖掘装置安装于整机的前部位置，考虑到前部喷射装置需要调节不同高度，则前部管道采用软管与分水器连接；吸水及过滤装置置于整机后端，其水泵与汽油机通过皮带相连接；清洗装置通过橡胶水管从中部水管处分流，使其为清洗输送带上的莲藕提供用水。

对于喷射管路的影响较大的是水泵工况流量和水泵扬程，为了将这种影响降到最小，需要确定水泵的出水管道内径与横管内径的大小，并且根据理论，分水器连接的横管截面积的总和与水泵出水管截面积相同[14]，可知其计算公式为：

式中：DX——分水器连接的两横管的管道内径，mm；

Dy——水泵的出水管内径，mm。

水泵的出水管内径Dy是76 mm，按照式（1）计算可知分水器连接的两横管的管道内径DX是53.73 mm，依据不锈钢管道标准件手册可发现最贴近此计算结果的尺寸内径为54 mm。则本设计中选择横管的管道内径是54 mm，作业幅宽是2 520 mm。

2.2.3 喷嘴

双腔自激振荡脉冲射流式喷嘴，是一种在淹没状态下瞬时喷流能量很强的喷嘴，该类喷嘴普遍应用于钻井时的水力冲刷或者在河流埋没状态下的水切割工具。在相同的条件下当喷嘴内径大小相等情况下，普通连续喷嘴比双腔自激振荡脉冲射流式喷嘴压力值低25%~35%，且自激振荡脉冲射流式喷嘴的瞬时冲击力峰值为普通连续喷嘴的1.3~2倍[15]。故本设计采用双腔自激振荡脉冲射流式喷嘴作为莲藕采挖与收装一体机的前端挖藕喷射装置的喷嘴。

2.2.4 喷嘴口径的确定和计算

莲藕采挖与收装一体机的喷射嘴内径的大小对于喷射水压有至关重要的影响。内径过小，喷射口易被水田中的杂草淤泥阻塞；内径过大，喷射水压则会降低使其无法将莲藕上方的淤泥冲刷掉，导致莲藕无法浮出水面[16]。根据配套动力和实际生产率的要求，喷嘴个数确定为12个，喷射嘴内径为15 mm、喷嘴的往复工作行程确定为450 mm，移动速度0.09 m/s~0.18 m/s，工作周期T喷=5 s~10 s，最大工作幅宽为3.2 m。

2.2.5 水泵扬程和流量的确定

实验测得，莲藕藕身的极限抗压强度为4.5×105N/m2，泵的出水口压强和其水泵扬程的关系为：

式中：P——泵的出水口压强，Pa；

ρ——水的密度，kg/m；

H——水泵扬程，m。

根据公式ρgH≤4.5×105N/m2计算得出：设定所需水泵的最大流量为94 m3/h，其水泵的扬程不大于45 m即可满足使用条件。依照上式计算结果可知，在选择水泵时，根据上述数据和计算结果并查阅工业泵选用手册，课题组采用IS100-65-200A型水泵。该泵结构简单，功率大，性能可靠，体积小，重量轻，抗气蚀性能好，电耗低，使用维修方便。

2.2.6 过滤装置

莲藕种植于水田中，在采挖莲藕时水田中会有部分淤泥、水草等杂质，资料显示这些问题对水泵的影响不大，只需在抽水口加装过滤网即可。

2.2.7 清洗装置的设计

考虑到莲藕从泥土层中冲刷出来后依旧带有少量淤泥和水中漂浮的杂草，当通过传送带时，由汽油机水泵将高压水输送至水平安装在传送带上方的清洗装置中，再由喷头对输送带上的莲藕进行清洗[17]。

由图4可知，水泵提供的高压水通过高压水管运至莲藕清洗装置中，再通过左右2排的18个喷射口将水射出，出水口的喷嘴内径为4 mm，达到清洗莲藕上附着的淤泥和杂草的目的。

2.3 输送收集系统的设计

本设计主要是将莲藕从水田中冲出后，通过输送带输送至后方的收集袋中，因为其输送的物资是质量较轻的莲藕，且前端有一段运送带埋没在水面下，所以采取传统圆管输送机的方式传送。

2.3.1 输送带的设计

根据莲藕采挖与收装一体机在水田中的工作环境，输送装置采用传统圆管输送机的方式传送，输送带上两侧使用栏杆结构，前端低后端高呈5°的倾角，使其后方为输送带供能的皮带和带轮都在水面上方，达到延长使用寿命的目的，且可以使其与水田底部的环境隔离开。输送带上分布有略微凸起的孔，既能起到增加摩擦力的作用，又能使莲藕上泥沙、杂草漏出，防止水田中杂质阻碍输送带的运转而降低其传送效率。输送带平面采用镂空带式，可以提高输送过程中莲藕的完整率。输送带结构如图5所示。

图5 输送带结构示意图

2.3.2 收集装置的设计

莲藕收集时，将尼龙收集网安装到输送带后方的挂钩处，在工作时输送带将莲藕输送至尼龙收集网后，因为莲藕的浮力，其莲藕装在网兜内漂浮于水面上，这降低了整机的质量。尼龙收集网结构设计如图6所示，需要具有耐冲击性、耐磨性和柔软性的特点，这样可以延长使用寿命和降低莲藕破损率。

图6 尼龙收集网结构示意图

3 小结

课题组提出的是一种履带自走式莲藕收获机，采用高底盘三角履带的自动行进方式，利用喷流式工作原理，通过高压喷射装置将莲藕冲出后，再由后方的收集装置进行输送并且增加喷头达到清洗的目的，最后将干净整洁的莲藕运送至机械后方的收集网中，完成莲藕的采挖、清洗和收集等作业功能的一体化。该机具有机械化程度高、人工作业强度低、适应环境能力强、工作效率高等特点，适用于我国多数中大型莲藕种植地区。课题组对关键部件进行选型与设计，重点包含了整机结构的设计、行进系统的设计、喷射系统构造的设计、喷射管路及喷嘴的设计和计算、水泵的选型和输送收集系统的设计。