液力驅(qū)動挖藕機的結構設計

劉 鵬，陶 雷，呂石祥，許林云，陳 青，蔣雪松，周宏平，王金鵬，

(1.南京林業(yè)大學 機械電子工程學院，南京 210037；2.金湖金龍祥漁業(yè)設備有限公司，江蘇 淮安 211600)

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液力驅(qū)動挖藕機的結構設計

劉 鵬1，陶 雷1，呂石祥2，許林云1，陳 青1，蔣雪松1，周宏平1，王金鵬1，2

(1.南京林業(yè)大學 機械電子工程學院，南京 210037；2.金湖金龍祥漁業(yè)設備有限公司，江蘇 淮安 211600)

為了解決采藕困難、勞動強度大、效率低和現(xiàn)有挖藕機工作不理想等問題，研制出液力驅(qū)動挖藕機。依據(jù)蓮藕所能承受最大壓力確定汽油機水泵的型號，通過噴射系統(tǒng)噴出水柱對淤泥進行沖刷、推移，使蓮藕自動浮出水面。試驗表明：該機操作簡便、性能良好，是蓮藕采摘很好的工具。

蓮藕；挖藕機；液力驅(qū)動

0 引言

蓮藕(lotus root)是一種水生經(jīng)濟作物，用途廣泛，可以食用、藥用和觀賞等[1]，一直深受人們喜愛。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國蓮藕的種植面積已有400萬hm2多，正常蓮藕產(chǎn)量可以達到30 000～37 500kg/hm2，較好品種和環(huán)境下可達到75 000kg/hm2，其經(jīng)濟價值可觀。但我國目前對蓮藕的挖掘主要靠人力勞動，人在挖掘過程中消耗體力過大、效率低下，對藕的損傷也較大，不能及時將藕挖出，經(jīng)濟損失較大，挖藕機械的研究很有必要。國內(nèi)外已經(jīng)對挖藕機械進行相關研究，早在20世紀80年代時，日本就研制了噴流式Ⅰ型、寬幅Ⅱ型和Ⅲ型等3種挖藕機[2]。2002年，湖北省武漢市農(nóng)機服務總站研制了4OZ-3型自走式水壓蓮藕掘取機[3]；2008年，華中農(nóng)業(yè)大學工程技術學院研制出4CWO-3.2型船式挖藕機[4]；2009年，南京農(nóng)業(yè)大學工學院研制了4SWJ-1型船式水力挖藕機[5]。根據(jù)后期實踐調(diào)研，國內(nèi)這些挖藕機都存在工作不穩(wěn)定、挖藕效果不理想，以及適應范圍存在局限性或者生產(chǎn)成本較高等問題。

本挖藕機產(chǎn)品是由“金湖縣科技鎮(zhèn)長團”和南京林業(yè)大學機械電子工程學院主導設計，金湖金龍祥漁業(yè)設備有限公司配合設計、研制的一款蓮藕收獲機械化的機具，能較好地解決目前面存在的不足。液力驅(qū)動挖藕機主要由動力系統(tǒng)、儲水系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、操控系統(tǒng)和主體框架構成，主要特點為整機結構緊湊、操控方便、成本低、工作性能穩(wěn)定、質(zhì)量小及使用范圍廣泛。本機啟動后只需由一人控制可隨意行走，一人拾取浮出水面的蓮藕；主要由汽油機提供動力，運用水泵來吸水和噴水從而控制整機自由行走，確保了挖藕機工作的穩(wěn)定性和準確性，使整機的工作效率提升。

1 主要技術參數(shù)

主要技術參數(shù)如下:

外形尺寸/mm：1 510×1 260×830

結構質(zhì)量/kg：97

配套動力：QG2100-50-17 汽油機水泵

作業(yè)效率/m2·h-1：100以上(按8h工作制計)

最大流量/m3·h-1：100

噴頭安裝角度/(°)：往下傾斜45°，調(diào)整范圍為±10°

工作幅寬/m：0.7

最大挖藕深度/m：0.9

挖藕機適水深度/m：0.3～1.5

作業(yè)油耗率/kg·h-1：2.4

噴嘴尺寸/mm：20×28

2 結構與工作原理

2.1 結構

液壓驅(qū)動挖藕機主要是由動力系統(tǒng)、儲水系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、操控系統(tǒng)和主體框架5個部分構成，基本結構如圖1所示。采用浮筒式結構進行設計，挖藕機在工作時與水接觸面積較大，前進時受到水的阻力較小，與以往挖藕機械相比質(zhì)量小，無需較大動力的汽油機即可工作。

1.射流噴頭 2.浮筒 3.濾網(wǎng) 4.高壓水腔 5.框架 6.儲水室 7.扶手 8.出水管 9.進水管 10.水泵 11.發(fā)動機

2.2 工作原理

目前，挖藕機主要有機械式和射流式[2]兩種：機械式依靠挖掘鏟或其他機構將藕挖出來，然后再清洗；射流式是通過發(fā)動機驅(qū)動水泵，產(chǎn)生高壓，經(jīng)噴頭形成射流將覆蓋在蓮藕上的泥土沖掉，蓮藕依靠浮力自動浮出水面，同時射流將蓮藕沖洗干凈。機械式挖藕機作業(yè)效率低、傷藕率高。現(xiàn)在市場上宣傳和使用較多的挖藕機主要是射流式，射流式挖藕機主要有浮筒式[6]和船式兩種：船式挖藕機在使用過程中有很大的局限性，不適用于稻田藕、水池藕和專用膜池藕使用，且造價高、操作復雜；浮筒式挖藕機操作簡單、價格便宜，適用于各種種植水域挖藕作業(yè)。

本產(chǎn)品設計成浮筒式挖藕機，先把挖藕機放入水中，通過汽油機給水泵提供動力，水先經(jīng)過濾網(wǎng)進入到儲水室中，通過進水管到達水泵內(nèi)，再通過出水管排入高壓水腔中，最后通過噴射系統(tǒng)噴出；噴嘴處于水平面以下，噴出來的水不斷沖刷、粉碎和推移水的泥土，使藕浮出水面即可。

3 挖藕機整體結構設計

蓮藕作為水生作物，適宜在25～30℃水溫、30～40cm水下生長[7]。人工養(yǎng)殖的蓮藕較大、較脆、口感好，生長在淤泥以下30～40cm、土質(zhì)偏軟且肥沃，其抗壓能力在0.35～0.45MPa，抗彎能力在3.2～13.7N·m，藕身的抗拉能力為350N左右[8]。

3.1 動力裝置選擇

3.2 浮艙主體

對挖藕機進行設計先考慮到整體框架的搭建，主體結構的設計對整個挖藕機起支撐作用，可保證挖藕機在工作過程中重心平衡。如圖2所示，浮筒式挖藕機的主體結構屬于仿船型結構稱為浮艙主體，浮艙主體下方為小半圓形結構，前方為半圓形結構。整個浮艙主體采用1.0mm厚不銹鋼板做成密閉空間，減少其在水中前進時的阻力；下方的半圓形可以使整個挖藕機對水接觸面積增加，使其浮力增加。浮艙主體做成密閉空間能夠承受側(cè)面水帶來的巨大壓力，防止整體機械產(chǎn)生變形，不僅節(jié)省空間、成本，也省時、省力。

圖2 液力驅(qū)動挖藕機的浮艙主體

浮艙主體放置于進水艙的兩側(cè)，大大削弱了兩側(cè)水對進水艙帶來的巨大壓力。進水艙形狀類似于浮艙主體，但其高度低于浮艙主體，進水艙底部受到水的壓力也會減小。進水艙下方與上方安放一層濾網(wǎng)，其將對雜草、浮萍物等有隔離作用，可全面保護進水艙，使水順利；流入到進水艙中，也會保護進水艙不會產(chǎn)生變形。

在浮艙主體的上方安放汽油機、水泵對整臺機器提供動力，浮艙主體處于水中不僅受到挖藕機本身的壓力，也要受到挖藕機在工作過程中水帶來的巨大壓力，因此浮艙主體的結構是整個挖藕機設計關鍵部件之一。

3.3 儲水系統(tǒng)

儲水系統(tǒng)主要由儲水室和高壓水腔室構成，如圖3所示。在儲水室的兩側(cè)開有矩形方孔，水通過方孔可進入儲水室中；儲水室上方連接進水管，高壓水腔較小，放置在儲水室后方并且連接出水管與噴射系統(tǒng)。具體工作過程：當水泵開始吸水時，儲水室內(nèi)的壓力就會變小，水就會進入到儲水室；儲水室下方有一層濾網(wǎng)可過濾水中的雜草和浮萍物，防止雜物進入到水泵中影響其工作效率，也可以保證水通過方孔順利進入到儲水室中。當儲水室中的水快充滿時就會進入進水管從而到達水泵中；再通過水泵內(nèi)循環(huán)，水通過出水管排到高壓水腔中。隨著水不斷排入使高壓水腔不斷增壓，最后再通過噴射系統(tǒng)排出。整個結構簡單，設計精巧，形成一個增壓系統(tǒng)，使噴射系統(tǒng)的壓力增加。

1. 儲水室 2. 高壓水腔

高壓水腔結構設計應保證密封性較好，不能存在邊縫破損，形成高壓外泄[9]，造成的壓力損失不可估量。水不斷沖入高壓水腔中，壓力是一個逐漸增加的過程，形成一個低速高壓環(huán)境，藕塘中的水由水泵作用進入到高壓水腔中，再由4個噴嘴噴出，即水腔中的水分配到4個節(jié)點[10]，水壓也進行分配保證了4個噴嘴壓力的均衡性。因此，高壓水腔的密閉性保證噴嘴噴出水壓大小的關鍵。

3.4 噴射系統(tǒng)

噴射系統(tǒng)主要是把高壓水腔中的水通過噴嘴噴出，但噴嘴形狀的設計、安放位置、噴嘴的運動頻率對藕的質(zhì)量有直接關系。在以往的挖藕機結構設計時，噴嘴都采用圓錐形，噴嘴孔為圓形，但這樣噴嘴孔的直徑需要做的較小才能增加噴出水的壓力，還需要配套的結構來調(diào)節(jié)噴嘴的工作角度使挖藕機的工作面積增加。本挖藕機的噴嘴同樣采用圓錐形，但噴嘴孔采用橢圓形的形狀，安放時采用后傾式安裝，同時安裝4個噴嘴，4個噴嘴并不安放在同一水平線上。當高壓水箱中充滿水時，控制噴嘴上方的調(diào)節(jié)閥進行排水(見圖4)，噴嘴噴的水不僅揚程較高，同時挖藕機的工作面積也大，無需配套動力來調(diào)節(jié)噴嘴的工作角度，大大降低了成本。

圖4 噴嘴

3.5 操控系統(tǒng)

操控系統(tǒng)主要是靠噴射出的水提供動力，由操控者把持扶手即可使挖藕機隨意移動，通過對水泵的調(diào)控而調(diào)節(jié)挖藕機的移動速度；但在挖藕過程中通過噴射系統(tǒng)對有藕的地方不斷沖刷耗費一些時間，操控者只需等待即可。

4 試驗測試與分析

設計挖藕機時要求：蓮藕的挖出率需達到95%(池塘中的蓮藕分布相對均勻)，并且蓮藕的損傷率不高于3%，同時蓮藕在挖出后會自動浮出水面。挖藕機工作時的具體耗油量也需同時測出，以最低的成本來挖出最多的蓮藕。

對挖藕機各項性能測試指標如表1所示，圖5為試驗測試示意圖。

在定型樣機測試時得到，蓮藕的挖出率達到97.1%，對蓮藕的損傷率僅為2%，淤泥中的蓮藕也全部浮出水面，挖藕機在工作時的耗油量僅為2.4kg/h，且挖藕機在工作時也沒有出現(xiàn)熄火或者吸入雜草等堵塞水泵等現(xiàn)象，工作性能完好，達到了理想目標。

與以前的挖藕機相比，液力驅(qū)動挖藕機質(zhì)量小、操控方便、生產(chǎn)成本低。以前的挖藕機在工作中容易吸入雜草導致挖藕機熄火，挖藕機的質(zhì)量也較大修理起來困難，挖藕的效率大大降低，并且耗油量很大，因此許多挖藕機不能得到有效的推廣；現(xiàn)在生產(chǎn)的液力驅(qū)動挖藕機可以有效解決此類問題，且綜合許多挖藕機的優(yōu)點進行設計，在挖藕試驗過程中，效果較為明顯，滿足農(nóng)戶需求。

表1 液力驅(qū)動挖藕機實驗性能結果

圖5 液力驅(qū)動挖藕機實驗測試示意圖

Tab.1 Experimental test of hydraulic drive lotus digging machine

5 結論

1)液力驅(qū)動挖藕機總體結構緊湊，加工方便，解決，以往的船式挖藕機加工不方便等問題，采用浮筒式的挖藕機適用于藕塘中工作，當?shù)剞r(nóng)戶學習使用也很方便。

2)作業(yè)效率高，正常工作時只需一人操控挖藕機， 另外一人撿取浮出的蓮藕。 經(jīng)過測試， 采藕0.08hm2/天(8h)，挖藕2 072kg；但人工挖藕機挖藕效率為400kg/(天·人)，挖藕機的作業(yè)效率是人工的2.59倍，并且人工挖藕對藕的損傷率較高、勞動強度較大，采用挖藕機都可以解決此類問題。

3)本次挖藕機利用高壓水柱對淤泥進行沖刷、推移使蓮藕浮出水面，會有許多浮萍物影響挖藕機的工作效率。為此，在進水艙底部和上面安放一層濾網(wǎng)可以完全抵擋這些雜物，使水中雜草等浮出，有利于對泥土進行翻新，對次年蓮藕的生長提供一定的生長環(huán)境。

4)蓮藕采摘的季節(jié)都處于寒冷的冬季，并且蓮藕在水下生長毫無規(guī)律，運用挖藕機采藕對農(nóng)戶的身體素質(zhì)要求較高，也需要農(nóng)戶熟知藕的生長規(guī)律。在將來若能使蓮藕以一定的生長規(guī)律進行生長，并且在開發(fā)出一種自動探藕儀器來檢測水中蓮藕的存在，則會大大地提高挖藕機的效率，對將來藕業(yè)的發(fā)展推進也會較大。

[1] 嚴芬娟.蓮藕對環(huán)境的要求及淺水藕栽培技術[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學,2014(18):94-95.

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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年度蘇北科技專項資金項目(BN2014127)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(PAPD)

劉 鵬(1991-)，男，河南信陽人，碩士研究生，(E-mail) liupengguoyan@163.com。

蔣雪松(1979-)，男，江蘇海安人，副教授，博士，(E-mail)xsjiang@126.com。

S225.92

A

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