新疆莲藕旱田采收机的设计

安文斌，亚森江·白克力，宋 玲，刘瀚轩，胡佳佳，郭 凯

（新疆农业大学机电工程学院，新疆乌鲁木齐 830052）

0 引言

莲藕可以生吃也可熟食，味道微甜爽口。莲藕中主要含淀粉、蛋白质以及多种维生素，药用价值相当高，且加工形式多样，既可以直接作为蔬菜食用，也可以加工成藕粉等产品，深受消费者的喜爱[1]。莲藕在我国种植历史悠久，在我国已有3 000多年的栽培历史。2011年于田县引进莲藕并种植成功，2013年乌鲁木齐市米东区试种莲藕并种植成功，随着莲藕在新疆部分地区的试种成功，新疆其他地区也陆续开始种植莲藕[2]，莲藕的种植带动了本地经济的增长。新疆种植的莲藕一般主藕有3~5节，长400~800 mm。莲藕的收获期一般为立秋前后至次年4月[3]，新疆地区立秋后天气逐渐转凉，温度普遍在-6~8℃，藕田结冰，已经不适合进行水田莲藕采收，因此新疆藕农会在9月中旬前后将藕田中水排空，晒田后进行采挖。

我国传统莲藕采挖机主要为水田莲藕采挖机械，主要针对南方地区水田莲藕进行采挖。其采挖方式多为涡轮高压喷水切割、破碎、冲刷莲藕周围土壤使莲藕与泥分离浮起后人工捡拾。目前市面上的莲藕挖掘机一般分为三种：小型手扶式挖藕机、水泵组漂浮式和大型自走式挖藕机[4]。马向东发明了一款用于莲藕采收的装置，主要由支撑座、壳体、底板、浮舱等装置组成，有效地降低了工作人员的劳动强度，提高了作业的安全性[5]。程英等设计了一种联合式莲藕采收机械，装置主要包含动力装置、采挖装置、运输装置、收集装置、传动装置，完成了莲藕的采挖、运输、收集，提高了莲藕的品质，减轻了劳动强度，提高了采收效率[6]。综合分析，现有的莲藕采挖机虽然种类繁多但都是针对水田莲藕挖掘进行设计研发的，对于新疆晒田后的干田进行采挖并不适合，目前新疆莲藕挖掘基本靠人工挖掘，劳动强度大，挖掘效率低下，并不能满足目前市场需求，因此开发一种适合于新疆地区的莲藕采挖机十分迫切。

本文涉及了一种利用内燃机、变速箱、液压支撑装置、浮土剥离装置、莲藕采挖传送装置、莲藕清洁系统和莲藕储存箱等组成的莲藕采收机。此装置可对新疆地区干田莲藕进行挖掘并同步实现莲藕清洗、储存等。

1 设计方案及工作原理

1.1 莲藕生物学特性

莲藕，睡莲科，多年生宿根水生植物，属木兰亚纲，山龙眼目。鲜藕营养丰富，含淀粉、蛋白质、维生素B、维生素C和无机盐类等成分。南方莲藕2月份左右进行播种，北方莲藕在4~5月份之间进行播种。

新疆种植的莲藕品种一般为一年生旱田浅水藕，在谷雨后气温15℃左右时进行播种，气温逐步升高后在小满前后进入旺盛生长期。新疆莲藕主藕一般为3~5节，其长度一般可以长到400~800mm。在立秋前后至来年4月左右进行采收，采收时可根据市场情况按需采挖（图1）。

图1 人工采挖莲藕

1.2 整机总体设计方案

新疆莲藕旱田采收机由内燃机、变速箱、机架、液压支撑装置、浮土剥离装置、莲藕采挖传送装置、莲藕清洁系统、莲藕储存箱等组成，整机结构见图2[7]。

图2 莲藕采收机整机结构

浮土剥离装置、莲藕采挖传送装置由内燃机输出动力，变速箱分配动力，依靠V型带传动。液压支撑装置利用三位四通换向阀进行换向，控制四根液压油缸的升降。两液压油缸底端安装在机架上，顶端与浮土剥离装置相连。工作时油缸下降，浮土剥离装置、莲藕采挖传送装置同时下降，皮带拉伸进行工作，工作完成后油缸上升带动浮土剥离装置、莲藕采挖传送装置共同上升。方便装置总体转移运输，同时避免不必要的功率损耗。装置工作行程800～1000mm。其余两液压油缸用来对两前轮进行位置控制。底部安装在机架上、顶部与两前轮支架连接，采收机工作时油缸伸出，使采收机整体重心下移，工作完成后油缸收回使重心提升。莲藕清洁装置依靠电动高压水泵进行压力输出，其动力来源依靠内燃机带动发电机发电后接入高压水泵中。清洗装置放置于莲藕采挖传送装置上方，便于对莲藕进行清洗，同时在挖掘时可有效降低作业灰尘。通过操控扶手可对装置进行转向操纵，方便装置掉头等操作[8]。

1.3 工作原理

使用前将莲藕旱田采收机行驶到需要进行莲藕挖掘的藕田地头，经过晒田的藕田土质较为硬实，需要在采收机工作前由人工提前将藕田地头挖掘出1500mm×1500 mm×1000mm（长×宽×深）的机器运转空间。

将莲藕旱田采收机驾驶至已提前清理的藕田地头处，启动内燃机，操控连接使浮土剥离装置的液压油缸下降，油缸带动浮土剥离装置、莲藕采挖传送装置下降至油缸最大行程后，操控前轮两液压油缸进行伸出运动至浮土剥离装置到达挖掘莲藕所需深度。开始使用变速箱进行传动，变速箱通过皮带带动浮土剥离装置、莲藕采挖传送装置运转。浮土剥离装置向前进行浮土剥离，莲藕采挖传送装置开始莲藕挖掘传送作业。

莲藕通过浮土剥离装置的旋转运动进行莲藕浮土的剥离，在浮土剥离装置中设置有凹槽，凹槽内部均布漏孔，漏孔将多余的土切除，因凹槽与莲藕表面进行贴合所以不会损伤莲藕。藕土分离完成后由莲藕采挖传送装置进行抓取传送，在莲藕采挖传送装置中设置传送叉、弹簧，传送叉设置有收缩圆弧面使其与莲藕表面相贴合，可进行莲藕抓取并传送。在传送过程中由设置在莲藕采挖传送装置上方的莲藕清洁系统通过高压水枪进行莲藕清洗，清洗时通过电动高压水泵进行加压，加压后由设置在水箱侧面的喷嘴对刚挖掘出的莲藕进行高压清洗，清洗完成后莲藕进入莲藕储存箱。此装置操作简单，省时省力，可节省较多的劳动时间。

2 零部件设计

2.1 浮土剥离装置的设计

2.1.1 结构设计

浮土剥离装置为莲藕旱田采收机的关键部件，主要用于将莲藕与浮土分离，由切土轮、带轮、花键及轴承组装成形，装置主体见图3。

图3 浮土剥离装置

浮土剥离装置在工作时深入地下，由皮带带动做逆时

针旋转运动，通过旋转及振动达到藕土分离的目的。装置主体无尖角，运转时凹槽可与莲藕贴合避免损伤莲藕。漏孔均布在装置上，可将多余泥土剥离，轮辐式的设计可去除更多泥土，装置重量轻、承载能力大。装置两侧设计一对液压油缸可控制装置作业深度，以提高装置工作质量。

2.1.2 尺寸的确定

根据新疆莲藕尺寸（主藕长度400~800mm，主藕外径50~100mm，节数3~5节）、生长特性、作业环境（土地经过晒田，土层硬实，温度-5℃~8℃），考虑到入土深度、装置运转及实际操作情况等，确定浮土剥离装置尺寸。装置主体为手扶类型，结构紧凑，长度和宽度根据人工作业配置。

浮土剥离装置凹槽处根据主藕外径最大尺寸设计凹槽处直径为Φ120mm，最小直径为Φ40mm。主藕长度为50~1000mm，为保证挖掘质量，装置主体尺寸确定为1 100mm。根据实际工况对漏孔及传动进行设计，因土质不同，莲藕生长高度也有所不同，为保证不必要的传动损耗，装置要完成上升及下降动作，考虑用液压油缸控制动作的完成。液压油缸可在300~600mm之间进行动作。浮土剥离装置在工作时，需要将藕田中的土进行切除，所以在凹槽处设计漏孔保证泥土通过漏孔返回田间以达到藕土分离的效果。根据作业情况将漏孔均匀布置在装置凹槽中，因装置主体采用手扶式，所以其长度、宽度及高度不能很大，综合考虑设计其尺寸为1100mm×700mm×1100mm（长×宽×高）。

2.2 莲藕采挖传送装置的设计

2.2.1 结构设计

莲藕采挖传送装置是对浮土剥离后的莲藕进行采挖传送的重要装置，装置主要由转轴、多楔带、多楔带带轮、传送叉和传送弹簧组成（图4）。

图4 莲藕采挖传送装置

莲藕在经浮土剥离装置剥离时，由传送叉抓取，传送带对莲藕进行一个拉的作用力后由浮土剥离装置进行莲藕下层浮土剥离，剥离完成后对已经完成浮土剥离的莲藕进行采集传送。由皮带带动多楔带进行顺时针旋转，多楔带中均匀布置传送叉，传送叉主体设计为椭圆型，采用圆角设计依靠表面摩擦及刚性对莲藕进行采挖和传送。传送叉底固定在传送皮带上，底部设计有弹簧，弹簧依靠其自身弹性与螺母、传送带相配合进行传送叉的伸出高度调节，适用于不同类型的土壤采集，同时达到柔性挖掘莲藕的效果，降低莲藕损伤。

2.2.2 尺寸的确定

根据机构采挖过程，考虑新疆地区莲藕尺寸、生长特性及采挖深度装置运转的实际情况，确定莲藕采挖传送装置尺寸及结构。莲藕在经浮土剥离装置剥离时，由传送叉进行抓取，传送带对莲藕进行一个拉的作用力，使其形成拉藕剥土的连贯动作。

根据新疆本地莲藕普遍尺寸及生长特性确定传送叉外形尺寸，传送叉根据主藕外径最大尺寸设计最大直径尺寸为Φ120mm，最小尺寸Φ40mm。主藕长度在50~1000 mm之间，为保证传送方便，装置主体长度尺寸设计为800 mm。因土质不同，莲藕生长高度也有所不同，为保证传送叉按照土质进行松紧调节，同时为避免莲藕表面与传送叉接触时受力过大，传送叉尾部设计可调节螺母及弹簧。采挖传送装置与浮土剥离装置在工作时相互配合，在设计时考虑实际工况、方便安装等条件，采挖传送装置应大于浮土剥离装置宽度。考虑工作深度、工作条件及运输等问题，装置需完成上升及下降动作，在设计时考虑由安装在下部的浮土剥离装置上的液压油缸对两装置共同进行动作的完成。莲藕采挖传送装置与浮土剥离装置间间隙可调，方便在装置工作时根据实际情况对装置进行调节。根据以上条件确定莲藕采挖传送装置具体尺寸为800mm×750mm（长×宽）。

2.3 莲藕清洁装置的设计

莲藕清洁系统是清洁莲藕的重要部件，由水箱、电动高压水泵和高压喷头组成（图5）。

图5 莲藕清洁装置

莲藕清洗装置设置在莲藕采挖传送装置上方，由内燃机带动发电机进行发电，进而带动高压水泵工作[10]，使加压后的高压水通过高压喷头对采挖出来的莲藕进行清洗，同时清洗完成后洗藕水可经过自由落体对采挖时产生的灰尘起到降尘作用。清洁水箱体尺寸为长450 mm，宽675mm，高350mm。

2.4 机架的设计

机架整体由方钢通过二氧化碳气体焊焊接而成（图6），机架长900mm，宽700mm，壁厚4mm，机器作业高度为1 100 mm；捡拾装置机架最大形变量为0.787 mm，可满足工作要求。机架后端与内燃机、变速箱连接，中间焊接钢板用于安装莲藕储存箱，机架中上方与莲藕采挖传送装置后端连接，机架前部与莲藕采挖传送装置前端连接，机架前设有滑动轨道。装置可通过机架滑动轨道上下运动。机架前端安装有莲藕清洗装置，与轮胎支架形成可转动连接，便于采收机作业与非作业时进行升降。机架前部安装有液压油缸，与轮胎支架连接使轮胎可以按需升降。机架后部与浮土剥离装置支架形成转动连接。机架后端安装液压油缸与浮土剥离装置支架进行连接使装置在工作时深入地下，非工作时抬升，同时液压装置可将浮土剥离装置及莲藕采挖传送装置同时抬起、下降。机架整体设计紧凑、重量轻、维护方便、成本低，方便使用。

图6 机架结构

3 传动系统设计

3.1 装置整体传动设计

传动是整个装置的核心，是实现装置运转的重要部分，传动系统由内燃机、变速箱、皮带、带轮、键、花键及转轴组成（图7）。

图7 传动系统流程

工作开始后由启动的内燃机使用皮带将动力传递给发电机及变速箱。变速箱将动力进行分配后传递给轮胎、转轴及液压泵[11]。转轴通过皮带传动将动力输出至浮土剥离装置及采挖传送装置中。发电机经过变压、稳压后通过线缆与电动高压水泵连接。液压泵通过液压油管与液压油缸连接。

皮带传动虽然传动比不准确但其传动平稳、能够缓冲吸振、噪音小、成本低、维护方便，可在过载时打滑起到过载保护的作用，保证操作人员安全，提高采收机寿命]。

3.2 传动轴的设计

根据实际工况选取常柴L24系列单缸柴油机作为采收机的动力来源，查表可知L24系列单缸柴油机参数（缸径115 mm，排量1.246 L，标定功率17.0 kW，最大扭矩82.6N·m，最大转速1760r/min），传动轴是一个高转速、少支承的旋转体，因此它的动平衡是至关重要的。

（1）输入轴功率P1、转速n1和转矩T1。

（2）计算作用在齿轮上的力。

根据机械工况确定高速级小齿轮的分度圆直径d1=58mm。则:

（3）初步确定轴的最小直径。

选取轴的材料为45钢，调质处理，根据机械设计手册，取A0=112，得：

输入轴的最小直径是安装大带轮处的轴径，由于安装键将轴径增大5%，故选取d12=21mm。根据6206型轴承查手册得带轮中点距左支点距离T=16mm，计算轴上零件据支点距离，经计算轴侧支反力和弯矩处于安全范围内。

3.3 液压系统的设计

装置的液压系统是机器工作机构进行直线往复运动的重要组成部分。莲藕旱田采收机的液压系统主要由动力源液压泵、执行部件单杆活塞缸、控制元件分流阀、溢流阀、三位四通换向阀及其他部件组成，工作流程如图8。液压系统可以输出大转矩，实现无级调速，具有体积小、重量轻、结构紧凑等特点同时便于实现过载保护。

图8 液压系统工作流程

装置在工作时通过三位四通换向阀进行换向操作以此控制单杆活塞缸进行往复运动。液压油通过液压泵将低压油转换为高压油经单向阀输出，通过控制三位四通换向阀使两组单杆活塞缸分别达到同步伸出、回收、暂停的目的，以此控制前轮及浮土剥离装置的抬升、停止及下降。

4 结束语

针对新疆地区莲藕收获期因气温过低导致莲藕采收困难等问题，设计了一款新疆地区莲藕采收装置。解决了新疆藕农在莲藕收获时效率低下、成本高、挖掘困难、劳动强度大等问题。经过分析，本次研究的旱地莲藕采收机具有结构紧凑、使用方便、采收效率高、环境污染小等特点，适合在西北莲藕种植地区推广。