圓周往復水射流式挖藕試驗裝置設(shè)計與試驗

玉蘇甫江·艾米都力,張 佳,潘江如,,郭 輝,佟靈茹,朱 軍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052;2.新疆工程學院 機電工程學院,烏魯木齊 830023;3.新疆鑫力同機械制造有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

蓮藕屬睡蓮科,又名藕、荷藕、湖藕等,在我國已有3000多年的種植歷史,是我國多個省份和地區(qū)廣泛種植的水生經(jīng)濟作物之一。根據(jù)初步統(tǒng)計,我國蓮藕種植面積可達400萬hm2多,自然生長面積約占35%,人工種植面積約占65%。隨著品種和栽培技術(shù)的改良,蓮藕在淺水地和旱地種植成功,種植面積呈逐年增長的態(tài)勢,其種植與采挖問題也逐漸受到關(guān)注[1-3]。我國蓮藕采挖機械起步較晚,資金投入力度較小,且蓮藕的種植與生長過程都在淤泥中完成,采挖作業(yè)環(huán)境惡劣,難度較大,無法保證完整度,難以實現(xiàn)機械化和智能化,且國內(nèi)外針對此方面研究較少,市場空白較大,采挖技術(shù)和機械裝備尚未成熟,目前還在研究階段[4-7]。

為了減輕蓮藕采挖勞動強度,提高采挖效率,國內(nèi)外已經(jīng)有了關(guān)于蓮藕采挖機械的研究[8]。20世紀80年代初期,日本研制出了噴流式Ⅰ型、Ⅱ型和試制的泵定置式小型(Ⅲ型)挖藕機,雖然提高了效率,但工作機動性及適用性較差,造價成本高,不適合規(guī)?；N植[9]。國內(nèi)研制的挖藕機可分為船式水力挖藕機、自走式水力挖藕機和浮筒式水力挖藕機3大類。前兩類由于結(jié)構(gòu)復雜、造價高、對操作人員的技術(shù)要求高和適應性差等原因,難以推廣。目前,藕農(nóng)自制的單噴頭高壓水槍和浮筒式水力挖藕機使用得較多,但勞動強度大,操作過程繁瑣,會出現(xiàn)重復沖刷或漏沖刷的現(xiàn)象,導致作業(yè)效率降低[10-17]。為了能夠便捷、有效地進行蓮藕采挖部件多種作業(yè)模式的試驗研究,筆者基于模擬藕池試驗臺,設(shè)計了圓周往復水射流式挖藕試驗裝置,并進行了試驗。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

圓周往復水射流式挖藕試驗裝置主要由汽油機水泵、模擬藕池、試驗臺機架、平行雙曲柄結(jié)構(gòu)和噴流系統(tǒng)等組成,能夠模擬藕田蓮藕采挖部件的田間工況,如圖1所示。

試驗裝置中,圓周往復運動結(jié)構(gòu)通過橫向?qū)к壖軕覓煸谠囼炁_機架上,試驗臺以牽引的方式通過模擬藕池兩側(cè)的行走輪直線運動,挖藕系統(tǒng)的噴頭與泥土表面的距離可以垂直上下移位調(diào)節(jié),通過旋轉(zhuǎn)噴頭分水器調(diào)節(jié)噴頭的水射流角度。為了便于更換不同直徑的噴頭,設(shè)計時采用標準法蘭。工作時,電動機通過皮帶傳動驅(qū)動兩根平行主動軸,兩根主動軸分別和雙曲柄的一邊固定,雙曲柄的另一邊通過從動軸和噴頭分水器連接并做圓周往復運動;同時,啟動汽油機水泵,水從噴頭高壓射出,沖擊蓮藕上方覆蓋的泥土,蓮藕受自身空芯浮力作用浮出水面,再進行撿撈,完成蓮藕采挖作業(yè)。當挖藕機在臺架上前進時,噴頭隨著曲柄結(jié)構(gòu)做螺旋運動(見圖2)。前進速度決定螺旋軌跡的螺距,圓周運動實現(xiàn)了一個點沖刷兩次的效果,可提高作業(yè)效率和蓮藕的采凈率。挖藕機主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 挖藕機關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Keyparametersoflotusrootdiggingmachine

圖2 沖刷作業(yè)原理Fig.2 Principle of scouring operation

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 噴頭與泥土表面距離調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

試驗裝置的核心是通過平行雙曲柄結(jié)構(gòu)、噴頭與泥土表面距離調(diào)節(jié)機構(gòu)和噴射角度調(diào)節(jié)機構(gòu),實現(xiàn)圓周往復水射流、精確地調(diào)節(jié)噴頭與泥土表面距離和噴射角度。水射流式挖藕機在作業(yè)時,水壓(沖擊壓力)和噴射角度不變的情況下,若噴頭與泥土表面距離過大,水壓在水和泥土的反作用力下挖掘深度達不到蓮藕生長深度,導致挖藕機做無用功或作業(yè)效率過低等現(xiàn)象;若噴頭與泥土表面距離過小,水壓會造成泥土里蓮藕表面損傷,降低蓮藕市場價值等。因此,為了研究噴頭與泥土表面距離對挖藕機挖掘深度和蓮藕浮出率的影響,設(shè)計了噴頭與泥土表面距離調(diào)節(jié)機構(gòu)。通過試驗臺機架和曲柄結(jié)構(gòu)機架之間空位調(diào)節(jié)噴頭與泥土表面距離,如圖3所示。其垂直方向相鄰調(diào)節(jié)空位之間的距離為50mm,可以在50～300mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié),滿足本文試驗噴頭與泥土表面距離選用為50、100、150mm調(diào)節(jié)范圍的設(shè)計要求。

1.曲柄結(jié)構(gòu)機架 2.試驗臺機架 3.調(diào)節(jié)空位圖3 噴頭與泥土表面距離調(diào)節(jié)機構(gòu)Fig.3 Nozzle and soil surface distance adjustment mechanism

2.2 傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

連桿結(jié)構(gòu)需要滿足連桿與機架的長度相等、兩曲柄長度相等及曲柄轉(zhuǎn)向相同的條件,故設(shè)計采用兩根直徑為30mm、長度為500mm的驅(qū)動軸,且兩根軸之間的距離定為450mm。由于V帶的傳動能力較強、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、可吸收震動,且利用打滑現(xiàn)象可保護機器在作業(yè)中障礙物對噴頭的過載,因此選用V帶驅(qū)動。為保證電動機輸出軸的皮帶輪和帶動兩根驅(qū)動軸的皮帶輪在同一平面上,同時解決V帶的張緊問題,設(shè)計了電動機調(diào)節(jié)器,如圖4所示。工作時,通過縱向上下移動調(diào)節(jié)3個皮帶輪在同一平面,橫向水平移動調(diào)節(jié)皮帶的張緊。

1.電動機 2.電動機調(diào)節(jié)器 3.電動機固定架 4.帶立式座軸承 5.曲柄 6.驅(qū)動軸 7.皮帶輪 8.V帶圖4 調(diào)節(jié)基架結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of the adjustment base frame

實現(xiàn)圓周往復運動的平行雙曲柄結(jié)構(gòu)中的曲柄,是旋轉(zhuǎn)運動中關(guān)鍵的構(gòu)件。主動軸與曲柄通過軸套側(cè)面的橫向固定螺絲和矩形鋼管下方的縱向固定螺絲固定,達到曲柄和主動軸轉(zhuǎn)向相同、轉(zhuǎn)速相等的目的,實現(xiàn)了上下結(jié)構(gòu)的連接和同時旋轉(zhuǎn)的目的;雙曲柄轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速相同時,可減少噴頭分水器對曲柄施加的力,達到圓周運動的穩(wěn)定性。

2.3 噴頭分水器設(shè)計

通過多次取樣測量,武值二號蓮藕平均長度在800～1200mm之間。為了有效蓮藕采挖,噴頭分水器分布相鄰兩個噴頭之間距離為300mm、水泵分水器到噴頭分水器之間選用內(nèi)徑為80mm的消防水帶,噴頭分水器兩側(cè)選用外徑為80mm的等徑直角彎頭。根據(jù)國家標準件手冊,適合外徑80mm的等徑直角彎頭法蘭公稱尺寸為DN80(國標號GB/T6070-2007)。調(diào)節(jié)噴頭角度時,需調(diào)節(jié)噴頭分水器進水口與水泵分水器出水口保持在一條直線上,以避免消防水帶折疊導致的水壓下降等問題。為便于噴頭的安裝卸載,噴頭分水器出水口采用公稱尺寸為DN40(國標號GB/T 6070-2007)固定法蘭。調(diào)節(jié)噴射角度時通過噴頭分水器和固定架的U型管夾,調(diào)節(jié)噴頭的中軸線與豎直方向的夾角為30°、45°、60°等3個角度。噴頭分水器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.法蘭盤 2.等徑直角彎頭 3.橫管 4.噴頭 5.U型管夾 6.固定架 7.軸套圖5 噴頭分水器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Nozzle water separator Structure diagram

2.4 噴頭設(shè)計

噴頭設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖6所示。由于噴頭分水器出水口固定法蘭直徑為40mm,為安裝方便和減少壓力損失,噴頭進水口D直徑選為40mm,出水口內(nèi)徑d內(nèi)部截面形狀為錐直形,收縮角為α,噴頭長度為L2,噴頭總長為L,長徑比為Cp(噴頭圓柱段長度L1/出水口內(nèi)徑d)。為保證好的射流集束性,選取收縮角α= 11°,d1=16mm,d2=20mm,d3=25,長徑比Cp=2。根據(jù)文獻[18]可知

圖6 噴頭設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Nozzle structure diagram

L2=3.75×d
L=3×L2

(1)

其中,L2為噴頭長度(mm);d為噴頭出水口內(nèi)徑(mm);L為噴頭總長(mm)。因此,噴頭長度分為60、75、93.75mm,噴頭總長分為180、225、281.25mm。

2.5 噴頭運動軌跡分析

為驗證圓周往復運動結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性,利用SolidWorks三維繪圖軟件設(shè)計與建立圓周往復運動結(jié)構(gòu)模型;通過SolidWorks Motion功能跟蹤運動軌跡,得出噴頭在作業(yè)時的運動軌跡,如圖7所示。由于曲柄的半徑為160mm,相鄰兩噴頭之間的距離為300mm,故機器在作業(yè)時理論作業(yè)幅寬計算公式為

1.噴頭 2.噴頭運動軌跡圖7 理論作業(yè)幅寬示意圖Fig.7 Diagramof theoreticaloperating width

L=4a-3b

(2)

其中,L為挖藕試驗裝置理論噴射幅寬(mm);a為噴頭圓周軌跡直徑(mm);b為相鄰的兩個噴頭圓周軌跡交接寬度(mm)。

2.6 模擬藕池設(shè)計與制作

為便于實現(xiàn)蓮藕采挖試驗裝置功能,調(diào)節(jié)噴頭與泥土表面距離、移動速度等,在新疆工程學院室內(nèi)制作1個深度為1000mm、長度為4300mm、寬度為2200mm的模擬藕池。為提高試驗精度的準確性,從新疆五家渠市青格達湖荷花景區(qū)土壤和新疆工程學院人工湖土壤取樣并測量對比,發(fā)現(xiàn)土壤體積密度相差不大,故藕池里的淤泥采用新疆工程學院人工湖土壤。為研究圓周往復水射流式挖藕試驗裝置在不同條件下蓮藕采挖的效果和試驗裝置的可靠性,把蓮藕預埋在250～350mm深度的泥土中,并灌水靜止兩天,再進行試驗。模擬藕池如圖8所示。

圖8 模擬藕池與蓮藕預埋效果圖Fig.8 Effect drawing of lotus root embedding in simulated lotus pond

圖9 臺架試驗效果圖Fig.9 Effect drawing of bench test

3 臺架性能試驗

3.1 試驗材料

試驗地點為新疆工程學院室內(nèi),模擬藕池里預埋的蓮藕品種為新疆引種多年的武植二號蓮藕。

3.2 試驗方法

為驗證采挖結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,選擇噴頭直徑、噴頭與泥土表面的垂直距離和噴射角度(噴頭的中軸線與豎直方向的夾角)展開三因素三水平試驗,因素水平值如表2所示。其它參數(shù)設(shè)為恒定值。

表2 因素水平表Table 2 Ffactor level table

試驗開始前,先將水泵調(diào)至最大功率擋位,檢查過濾器,通過渦輪流量計測試水泵出水口流量,使出水口流量保持在30～38m3/h范圍內(nèi)。為了便于試驗結(jié)果的觀察與測量,將挖藕裝置安裝在臺架試驗臺上,如圖10所示。在圓周運動轉(zhuǎn)速為30r/min、水池泥土深度為450mm、水深為300mm、沖刷時間為30s、噴頭數(shù)量為4個的情況下,進行單點沖刷試驗和蓮藕浮出率測試試驗。

3.3 試驗目的

圓周往復水射流式挖藕試驗裝置,以常見的蓮藕養(yǎng)殖深度為參數(shù)值,檢驗設(shè)計的挖藕裝置是否能挖出埋于泥土下25～35cm位置處的蓮藕,還要保證蓮藕浮出率及破損率。同時,挑選出較好的區(qū)組試驗參數(shù),得出各參數(shù)對單點挖掘深度與沖刷面積的影響。

3.4 試驗指標

鑒于國內(nèi)外蓮藕采挖機械化、智能化研究技術(shù)甚少,缺少相關(guān)評價指標體系及技術(shù)規(guī)范[19-20],故結(jié)合當前人工蓮藕采挖的技術(shù)要求,在本挖藕機進行臺架性能試驗與田間試驗時,將挖掘深度、沖刷面積和蓮藕浮出率設(shè)定為3個評價指標作為考察本挖藕機性能的依據(jù)。

1)挖掘深度(H)是指噴頭圓周往復沖刷泥土所產(chǎn)生的平均深度。挖掘深度的大小直接反應挖藕機噴頭所產(chǎn)生的沖擊和破碎泥土的力度,此數(shù)值在臺架試驗完成后將水槽里的水排凈,利用測量工具測量噴頭沖刷出來的坑深,得到挖掘深度(H)值。

2)沖刷面積(E)是指在作業(yè)過程中挖藕機做圓周往復運動完成的單點沖刷稱為沖刷面積。沖刷面積的大小直接影響到作業(yè)效率,故在臺架試驗完成后,通過測量單點沖刷所產(chǎn)生的泥坑長度和寬度,計算沖刷面積(E)。挖藕機的單點沖刷面積計算公式為

Es=Ea×Eb

(3)

其中,Es為沖刷面積(m2);Ea為單點沖刷后所產(chǎn)生凹坑長度(m);Eb為單點沖刷后所產(chǎn)生凹坑寬度(m)。

3)蓮藕浮出率(F)是指挖藕機在試驗區(qū)域內(nèi)開展收獲作業(yè),測定自行漂浮的蓮藕質(zhì)量占試驗區(qū)域埋覆蓮藕總質(zhì)量的百分比。蓮藕浮出率(F)計算公式為

(4)

其中,F為蓮藕浮出率(m)為試驗區(qū)作業(yè)后自行漂浮的蓮藕質(zhì)量(g);M為試驗區(qū)埋覆蓮藕的總質(zhì)量(g)。

3.5 試驗結(jié)果

在不同因素、不同水平試驗條件下,圓周往復水射流式挖藕機開展全因素水平臺架性能試驗,以挖掘深度、單點沖刷面積和蓮藕浮出率為試驗指標,利用正交設(shè)計助手軟件設(shè)計三因素三水平正交試驗,共進行9組試驗,每組試驗重復3次,取平均值為試驗結(jié)果,如表3所示。同時,對試驗結(jié)果進行分析處理,得到最終試驗結(jié)果,如表4所示。

表3 臺架試驗結(jié)果Table 3 Bench test results

表4 試驗結(jié)果分析Table 4 Experiment result analysis

由表4可知:①影響挖掘深度的因素主次順序為:噴頭直徑>噴射角度>噴頭與泥土表面距離;②影響沖刷面積的因素順序為:噴射角度>噴頭與泥土表面距離>噴頭直徑。當噴頭直徑為16mm、噴頭與泥土表面距離為50mm、噴射角度30°時,試驗效果最好,挖掘深度達到362mm,因素水平組合為A1B1C1。對應沖刷面積最優(yōu)因素水平組合為A2B2C3,噴頭直徑16mm、噴頭與泥土表面距離100mm、噴射角度60°,單點沖刷面積可達0.833m2。在多指標試驗分析中,有綜合平衡法和綜合加權(quán)評分法兩種,筆者通過綜合平衡法選出最優(yōu)組合。由于挖掘深度在挖藕機性能指標中直接反應挖藕機性能效果的好壞,因此根據(jù)各因素水平對挖掘深度的影響、挖掘深度因素水平主次順序和實踐經(jīng)驗,以挖掘深度為重點考察目標,通過多次試驗得出噴頭直徑為16mm時效果較好。噴頭與泥土表面距離過小再加上藕田泥土表面的不平衡存在噴頭和泥土表面直接接觸,導致在往復運動的情況下出現(xiàn)噴頭的變形、斷裂和堵塞等情況。噴頭與泥土表面距離為150mm時影響挖掘深度,故選用噴頭與泥土表面距離為100mm效果較好。直徑(A)為主因素,從臺架試驗結(jié)果中可知噴射角度對蓮藕浮出率的影響大。通過綜合評價法,得知最優(yōu)組序為A1C1B2。

當噴頭直徑不變時,噴射角度和噴頭與泥土表面距離對該挖藕機的挖掘深度有明顯影響。噴射角度30°～60°時,噴頭的中軸線與豎直方向的夾角越大挖掘深度越淺;反之,噴頭的中軸線與豎直方向的夾角越小挖藕機挖掘深度越深。噴頭與泥土表面距離50～150mm時,噴頭與泥土表面距離越小挖掘深度越深。當噴頭直徑不變時,噴射角度越大沖刷面積越大,成正比例關(guān)系;當噴頭直徑不變、噴射角度30°～60°時,噴頭與泥土表面距離越近、射角度越小情況下蓮藕的浮出率越高。

4 結(jié)論

1)使用SolidWorks三維設(shè)計軟件進行挖藕機各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動仿真的圓周往復運動結(jié)構(gòu)具有可行性。

2)臺架單點沖刷試驗表明:單點作業(yè)時,當噴頭直徑為16mm、噴頭與泥土表面距離為100mm、噴射角度30°時,挖掘深度和沖刷面積的達到最佳值。噴頭直徑不變時,噴射角度越小挖掘深度越深、噴頭與泥土表面距離越小挖掘深度越深,噴射角度越大沖刷面積越大,成正比例關(guān)系,且噴頭與泥土表面距離越近、噴射角度越小情況下蓮藕的浮出率越高。由于運動結(jié)構(gòu)原因,圓周運動轉(zhuǎn)速高時出現(xiàn)整機的晃搖,因此需對圓周往復運動結(jié)構(gòu)進行進一步調(diào)整及改善,以給農(nóng)戶蓮藕采挖工作提供方便。

3)試驗過程中,由于結(jié)構(gòu)的原因,圓周運動轉(zhuǎn)速高時出現(xiàn)整機的晃搖,水泵吸水口過濾器容易堵塞限制了水泵滿負荷供水。該機在圓周往復運動時,沖刷過程中已經(jīng)漂浮到水面的蓮藕和噴頭之間碰撞,導致蓮藕表面損傷,故在噴頭外面包一層橡膠片,可避免此類問題的發(fā)生。由于該圓周往復水射流式挖藕試驗裝置結(jié)構(gòu)還未改善等原因,因此不能進行田間試驗,還需要深入研究優(yōu)化改進。