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(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；2.金湖金龍祥漁業(yè)設(shè)備有限公司，江蘇 淮安 211600)

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液力驅(qū)動(dòng)挖藕機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；2.金湖金龍祥漁業(yè)設(shè)備有限公司，江蘇 淮安 211600)

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

蓮藕；挖藕機(jī)；液力驅(qū)動(dòng)

0 引言

蓮藕(lotus root)是一種水生經(jīng)濟(jì)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(jì)，我國(guó)蓮藕的種植面積已有400萬(wàn)hm2多，正常蓮藕產(chǎn)量可以達(dá)到30 000～37 500kg/hm2，較好品種和環(huán)境下可達(dá)到75 000kg/hm2，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀。但我國(guó)目前對(duì)蓮藕的挖掘主要靠人力勞動(dòng)，人在挖掘過程中消耗體力過大、效率低下，對(duì)藕的損傷也較大，不能及時(shí)將藕挖出，經(jīng)濟(jì)損失較大，挖藕機(jī)械的研究很有必要。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)挖藕機(jī)械進(jìn)行相關(guān)研究，早在20世紀(jì)80年代時(shí)，日本就研制了噴流式Ⅰ型、寬幅Ⅱ型和Ⅲ型等3種挖藕機(jī)[2]。2002年，湖北省武漢市農(nóng)機(jī)服務(wù)總站研制了4OZ-3型自走式水壓蓮藕掘取機(jī)[3]；2008年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院研制出4CWO-3.2型船式挖藕機(jī)[4]；2009年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制了4SWJ-1型船式水力挖藕機(jī)[5]。根據(jù)后期實(shí)踐調(diào)研，國(guó)內(nèi)這些挖藕機(jī)都存在工作不穩(wěn)定、挖藕效果不理想，以及適應(yīng)范圍存在局限性或者生產(chǎn)成本較高等問題。

本挖藕機(jī)產(chǎn)品是由“金湖縣科技鎮(zhèn)長(zhǎng)團(tuán)”和南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院主導(dǎo)設(shè)計(jì)，金湖金龍祥漁業(yè)設(shè)備有限公司配合設(shè)計(jì)、研制的一款蓮藕收獲機(jī)械化的機(jī)具，能較好地解決目前面存在的不足。液力驅(qū)動(dòng)挖藕機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、儲(chǔ)水系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、操控系統(tǒng)和主體框架構(gòu)成，主要特點(diǎn)為整機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)啟動(dòng)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(jī)提供動(dòng)力，運(yùn)用水泵來(lái)吸水和噴水從而控制整機(jī)自由行走，確保了挖藕機(jī)工作的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，使整機(jī)的工作效率提升。

1 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如下:

外形尺寸/mm：1 510×1 260×830

結(jié)構(gòu)質(zhì)量/kg：97

配套動(dòng)力：QG2100-50-17 汽油機(jī)水泵

作業(yè)效率/m2·h-1：100以上(按8h工作制計(jì))

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(jī)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(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)

液壓驅(qū)動(dòng)挖藕機(jī)主要是由動(dòng)力系統(tǒng)、儲(chǔ)水系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、操控系統(tǒng)和主體框架5個(gè)部分構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用浮筒式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，挖藕機(jī)在工作時(shí)與水接觸面積較大，前進(jìn)時(shí)受到水的阻力較小，與以往挖藕機(jī)械相比質(zhì)量小，無(wú)需較大動(dòng)力的汽油機(jī)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(chǔ)水室 7.扶手 8.出水管 9.進(jìn)水管 10.水泵 11.發(fā)動(dòng)機(jī)

2.2 工作原理

目前，挖藕機(jī)主要有機(jī)械式和射流式[2]兩種：機(jī)械式依靠挖掘鏟或其他機(jī)構(gòu)將藕挖出來(lái)，然后再清洗；射流式是通過發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)浮出水面，同時(shí)射流將蓮藕沖洗干凈。機(jī)械式挖藕機(jī)作業(yè)效率低、傷藕率高?，F(xiàn)在市場(chǎng)上宣傳和使用較多的挖藕機(jī)主要是射流式，射流式挖藕機(jī)主要有浮筒式[6]和船式兩種：船式挖藕機(jī)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(jià)高、操作復(fù)雜；浮筒式挖藕機(jī)操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，適用于各種種植水域挖藕作業(yè)。

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)成浮筒式挖藕機(jī)，先把挖藕機(jī)放入水中，通過汽油機(jī)給水泵提供動(dòng)力，水先經(jīng)過濾網(wǎng)進(jìn)入到儲(chǔ)水室中，通過進(jìn)水管到達(dá)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(lái)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(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蓮藕作為水生作物，適宜在25～30℃水溫、30～40cm水下生長(zhǎng)[7]。人工養(yǎng)殖的蓮藕較大、較脆、口感好，生長(zhǎng)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(dòng)力裝置選擇

3.2 浮艙主體

對(duì)挖藕機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)先考慮到整體框架的搭建，主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)挖藕機(jī)起支撐作用，可保證挖藕機(jī)在工作過程中重心平衡。如圖2所示，浮筒式挖藕機(jī)的主體結(jié)構(gòu)屬于仿船型結(jié)構(gòu)稱為浮艙主體，浮艙主體下方為小半圓形結(jié)構(gòu)，前方為半圓形結(jié)構(gòu)。整個(gè)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(jìn)時(shí)的阻力；下方的半圓形可以使整個(gè)挖藕機(jī)對(duì)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(lái)的巨大壓力，防止整體機(jī)械產(chǎn)生變形，不僅節(jié)省空間、成本，也省時(shí)、省力。

圖2 液力驅(qū)動(dòng)挖藕機(jī)的浮艙主體

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

在浮艙主體的上方安放汽油機(jī)、水泵對(duì)整臺(tái)機(jī)器提供動(dòng)力，浮艙主體處于水中不僅受到挖藕機(jī)本身的壓力，也要受到挖藕機(jī)在工作過程中水帶來(lái)的巨大壓力，因此浮艙主體的結(jié)構(gòu)是整個(gè)挖藕機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件之一。

3.3 儲(chǔ)水系統(tǒng)

儲(chǔ)水系統(tǒng)主要由儲(chǔ)水室和高壓水腔室構(gòu)成，如圖3所示。在儲(chǔ)水室的兩側(cè)開有矩形方孔，水通過方孔可進(jìn)入儲(chǔ)水室中；儲(chǔ)水室上方連接進(jìn)水管，高壓水腔較小，放置在儲(chǔ)水室后方并且連接出水管與噴射系統(tǒng)。具體工作過程：當(dāng)水泵開始吸水時(shí)，儲(chǔ)水室內(nèi)的壓力就會(huì)變小，水就會(huì)進(jìn)入到儲(chǔ)水室；儲(chǔ)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(jìn)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(jìn)入到儲(chǔ)水室中。當(dāng)儲(chǔ)水室中的水快充滿時(shí)就會(huì)進(jìn)入進(jìn)水管從而到達(dá)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(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)精巧，形成一個(gè)增壓系統(tǒng)，使噴射系統(tǒng)的壓力增加。

1. 儲(chǔ)水室 2. 高壓水腔

高壓水腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)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(gè)逐漸增加的過程，形成一個(gè)低速高壓環(huán)境，藕塘中的水由水泵作用進(jìn)入到高壓水腔中，再由4個(gè)噴嘴噴出，即水腔中的水分配到4個(gè)節(jié)點(diǎn)[10]，水壓也進(jìn)行分配保證了4個(gè)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(guān)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(shè)計(jì)、安放位置、噴嘴的運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)藕的質(zhì)量有直接關(guān)系。在以往的挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)噴嘴的工作角度使挖藕機(jī)的工作面積增加。本挖藕機(jī)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(shí)采用后傾式安裝，同時(shí)安裝4個(gè)噴嘴，4個(gè)噴嘴并不安放在同一水平線上。當(dāng)高壓水箱中充滿水時(shí)，控制噴嘴上方的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行排水(見圖4)，噴嘴噴的水不僅揚(yáng)程較高，同時(shí)挖藕機(jī)的工作面積也大，無(wú)需配套動(dòng)力來(lái)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(dòng)力，由操控者把持扶手即可使挖藕機(jī)隨意移動(dòng)，通過對(duì)水泵的調(diào)控而調(diào)節(jié)挖藕機(jī)的移動(dòng)速度；但在挖藕過程中通過噴射系統(tǒng)對(duì)有藕的地方不斷沖刷耗費(fèi)一些時(shí)間，操控者只需等待即可。

4 試驗(yàn)測(cè)試與分析

設(shè)計(jì)挖藕機(jī)時(shí)要求：蓮藕的挖出率需達(dá)到95%(池塘中的蓮藕分布相對(duì)均勻)，并且蓮藕的損傷率不高于3%，同時(shí)蓮藕在挖出后會(huì)自動(dòng)浮出水面。挖藕機(jī)工作時(shí)的具體耗油量也需同時(shí)測(cè)出，以最低的成本來(lái)挖出最多的蓮藕。

對(duì)挖藕機(jī)各項(xiàng)性能測(cè)試指標(biāo)如表1所示，圖5為試驗(yàn)測(cè)試示意圖。

在定型樣機(jī)測(cè)試時(shí)得到，蓮藕的挖出率達(dá)到97.1%，對(duì)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(jī)在工作時(shí)的耗油量?jī)H為2.4kg/h，且挖藕機(jī)在工作時(shí)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(dá)到了理想目標(biāo)。

與以前的挖藕機(jī)相比，液力驅(qū)動(dòng)挖藕機(jī)質(zhì)量小、操控方便、生產(chǎn)成本低。以前的挖藕機(jī)在工作中容易吸入雜草導(dǎo)致挖藕機(jī)熄火，挖藕機(jī)的質(zhì)量也較大修理起來(lái)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(jī)不能得到有效的推廣；現(xiàn)在生產(chǎn)的液力驅(qū)動(dòng)挖藕機(jī)可以有效解決此類問題，且綜合許多挖藕機(jī)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在挖藕試驗(yàn)過程中，效果較為明顯，滿足農(nóng)戶需求。

表1 液力驅(qū)動(dòng)挖藕機(jī)實(shí)驗(yàn)性能結(jié)果

圖5 液力驅(qū)動(dòng)挖藕機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖

Tab.1 Experimental test of hydraulic drive lotus digging machine

5 結(jié)論

1)液力驅(qū)動(dòng)挖藕機(jī)總體結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，解決，以往的船式挖藕機(jī)加工不方便等問題，采用浮筒式的挖藕機(jī)適用于藕塘中工作，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶學(xué)習(xí)使用也很方便。

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

3)本次挖藕機(jī)利用高壓水柱對(duì)淤泥進(jìn)行沖刷、推移使蓮藕浮出水面，會(huì)有許多浮萍物影響挖藕機(jī)的工作效率。為此，在進(jìn)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(duì)泥土進(jìn)行翻新，對(duì)次年蓮藕的生長(zhǎng)提供一定的生長(zhǎng)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(zhǎng)毫無(wú)規(guī)律，運(yùn)用挖藕機(jī)采藕對(duì)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(zhǎng)規(guī)律。在將來(lái)若能使蓮藕以一定的生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行生長(zhǎng)，并且在開發(fā)出一種自動(dòng)探藕儀器來(lái)檢測(cè)水中蓮藕的存在，則會(huì)大大地提高挖藕機(jī)的效率，對(duì)將來(lái)藕業(yè)的發(fā)展推進(jìn)也會(huì)較大。

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

[2] 張耀宏,姜喆雄.噴流式挖藕機(jī)的研制[J].糧油加工與食品機(jī)械,1982(8)：33-38.

[3] 尤俊,陳斯蓉.4OZ-3型自走式水壓蓮藕掘取[J].南方農(nóng)機(jī),2000(6):9.

[4] 黃海東,張國(guó)忠,夏俊芳，等.4CWO-3.2型船式挖藕機(jī)[J].湖北農(nóng)機(jī)化,2008(3):24-25.

[5] 王維,顧寶興,姬長(zhǎng)英.4SWJ-1型船式水力挖藕機(jī)研制[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2009(4)：88-90.

[6] 馬立新,沈啟揚(yáng).浮筒式挖藕機(jī)的原理及優(yōu)勢(shì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化導(dǎo)報(bào),2014(8)：1.

[7] 李凡愛.挖藕機(jī)的初步研究[J].糧油加工與食品機(jī)械,1984(6)：12-16.

[8] 王維.4SWO-1.2型船式水力挖藕機(jī)的研制[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[9] Dasgupta K, Mandal S K, Pan S.Dynamic analysis of a low speed high torque hydrostatic drive using steady-state characteristics[J].Mechanism and Machine Theory，2012,52:1-17.

[10] Xu Y, Zhang X Y.Research on pressure optimization effect of high level water tank by drinking water network hydraulic model [J].Procedia Engineering，2012,31:958-966.Abstract ID:1003-188X(2017)01-0078-EA

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(xiàng)資金項(xiàng)目(BN2014127)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

劉 鵬(1991-)，男，河南信陽(yáng)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