李鋒霞 ， 張 佳 ， 黃 勇 ， 高國(guó)剛 ， 武玉柱 ， 王 夢(mèng)

（1.新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000）

蓮藕，是一種草本植物，具有很好的藥用和食用價(jià)值，深受廣大人民群眾喜愛。其因種植技術(shù)和生長(zhǎng)管理技術(shù)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益好，在我國(guó)種植分布廣泛[1]。然而，蓮藕的采收卻較為困難，人工挖藕勞動(dòng)作業(yè)繁重，生產(chǎn)效率低，制約了蓮藕產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，蓮藕機(jī)械化采收是關(guān)鍵。我國(guó)自20世紀(jì)70年代開始對(duì)蓮藕機(jī)械化采收技術(shù)進(jìn)行研究，各大科研機(jī)構(gòu)、相關(guān)企業(yè)及個(gè)人等對(duì)蓮藕采挖的作業(yè)機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備等進(jìn)行了研究[2]，對(duì)實(shí)現(xiàn)高效率、低能耗的蓮藕機(jī)械化采收具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 蓮藕采收機(jī)理

蓮藕機(jī)械采收實(shí)際上是將藕泥分離，目前，根據(jù)采收原理不同分為三種方式：機(jī)械式、噴流式、機(jī)械與噴流結(jié)合式。

1.1 機(jī)械式

機(jī)械式是指通過(guò)挖藕機(jī)上的采挖機(jī)構(gòu)將蓮藕從泥里掘起，使泥藕分離開來(lái)，然后再清洗。

1.2 射流式

射流式是指利用水泵抽水，產(chǎn)生高壓，通過(guò)管道系統(tǒng)將水輸送至采收機(jī)上的噴頭處，然后噴頭噴出高壓水流，形成射流，將蓮藕上的泥土沖洗掉，由于蓮藕本身是中空結(jié)構(gòu)，密度比水的密度小，依靠浮力即可自動(dòng)浮出水面，達(dá)到了藕泥分離的效果，完成蓮藕收獲。

1.3 機(jī)械式+射流式

機(jī)械式和射流式的結(jié)合是指利用車體前端的挖掘機(jī)構(gòu)配合高壓水槍將蓮藕與淤泥分離。挖掘機(jī)構(gòu)與水槍角度可跟隨液壓缸進(jìn)行一定范圍內(nèi)的調(diào)整。輸送系統(tǒng)安裝在車體底盤搭配著沖水系統(tǒng)的二次清洗，可獲得干凈的蓮藕。

目前，在國(guó)外日本研究過(guò)蓮藕采收機(jī)，主要利用噴流式原理的采收機(jī)有3種類型[3]，噴流式I型挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)是船體式結(jié)構(gòu)，無(wú)牽引裝置，可在藕田水深0.1 m~0.2 m的條件下進(jìn)行作業(yè)；寬幅II型挖藕機(jī)比I型增加了牽引裝置、驅(qū)動(dòng)裝置及集藕裝置；泵定置式小型（簡(jiǎn)稱III型）挖藕機(jī)是浮舟式結(jié)構(gòu)，其采挖作業(yè)效率比人工挖藕提高了3~5倍。日東工業(yè)設(shè)計(jì)利用機(jī)械式和噴流式結(jié)合的采收機(jī)[4]，該挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，但由于體積笨重、效率低、價(jià)格昂貴、田間適應(yīng)度不高等原因，目前還未被廣大農(nóng)民接受和使用。

中國(guó)現(xiàn)有的挖藕設(shè)備的研究中，主要利用的原理是高壓射流技術(shù)，如陳輝等[5]、何競(jìng)飛等[6]、肖科星[7]、李烈[8]研究了噴流式挖藕機(jī)，吳昊[9]研制出一種自旋射流式挖藕機(jī)。高雪峰等[10]提出了結(jié)合了鏟掘式和噴流式兩種采藕方式的大功率蓮藕采收機(jī)。

大量研究結(jié)果表明：由于藕在水下分布雜亂，易斷，機(jī)械式收獲方式采挖速度慢，損傷率高，應(yīng)用不廣泛。射流式收獲方式采用高壓水流的方式，解決了機(jī)械式挖藕存在的采挖效率和采挖損傷之間的矛盾，應(yīng)用廣泛[11]。機(jī)械式+射流式收獲方式結(jié)合前兩者的優(yōu)點(diǎn)，且能對(duì)蓮藕實(shí)行二次清洗，收獲效率高，蓮藕破損率小，效果良好。

2 蓮藕采收機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究

目前，我國(guó)研究的蓮藕收獲機(jī)械主要由動(dòng)力裝置、高壓水泵、液壓系統(tǒng)、分水器和高壓噴嘴（噴頭）、浮栽裝置、操作裝置、行走裝置等組成。根據(jù)采收結(jié)構(gòu)和浮栽裝置不同，分為3種形式：手扶式挖藕機(jī)、船式挖藕機(jī)和浮筒式挖藕機(jī)。

2.1 手扶式挖藕機(jī)

2018年，中南大學(xué)劉向軍等[12]研制出一種新型手扶挖藕機(jī)，如圖1所示，以車架作為載體承載發(fā)動(dòng)機(jī)和噴頭支架，工作時(shí)手扶車架行走底盤進(jìn)入水田中后，噴頭利用高壓水射流沖刷粉碎泥土，再進(jìn)行挖藕作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該樣機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性能優(yōu)良，工作效率比人工單噴槍挖藕提高3.5倍左右，滿足不同水深的需要。2021年黃琳等[13]設(shè)計(jì)了一種手扶水力沖刷式挖藕機(jī)，該挖藕機(jī)采用“二對(duì)二”的配置方式，即2個(gè)污水潛水泵分別配置1個(gè)噴頭，通過(guò)液壓系統(tǒng)控制污水潛水泵的工作轉(zhuǎn)速和噴頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)的挖藕機(jī)沖刷性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，此時(shí)挖藕機(jī)沖刷深度為302 mm，蓮藕浮出率為90%。

圖1 手扶式挖藕機(jī)

2.2 船式挖藕機(jī)

2000年，湖北武漢市農(nóng)機(jī)管理辦研發(fā)了船式自走式水力蓮藕掘取機(jī)[14]，該機(jī)采收方式為水力式，機(jī)體與水泵分離，依靠機(jī)械傳動(dòng)使整機(jī)能夠自動(dòng)行走，再通過(guò)液壓控制系統(tǒng)控制噴頭的左右擺動(dòng)沖刷藕泥，實(shí)現(xiàn)泥藕分離。

2002年，湖北宜城市農(nóng)機(jī)局張全壽開發(fā)的船式自動(dòng)挖藕機(jī)[15]，在船體上固定的動(dòng)力裝置分別與水泵和減速器連接，減速器帶動(dòng)挖頭在船體尾部作往復(fù)平行移動(dòng)，水泵通過(guò)高壓將水輸出噴頭。工作時(shí)排水、挖藕、洗凈等環(huán)節(jié)連續(xù)作業(yè)，可根據(jù)需要全部或部分將藕挖出。

2004—2008年期間，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合企業(yè)研發(fā)了4CWO-3.2型船式自動(dòng)挖藕機(jī)[16-18]。采用“水力采挖”方法，通過(guò)雙螺旋機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)噴頭往復(fù)切割、破碎、沖刷土壤，使整根干凈蓮藕自動(dòng)浮現(xiàn)水面。保證采挖工作部件的可靠性和整機(jī)平衡性，有利于提高工作效率。

2009年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院王維等設(shè)計(jì)出4SWJ-1型船式水力挖藕機(jī)[19]，利用船體上固定的柴油機(jī)為水泵提供動(dòng)力，通過(guò)液壓系統(tǒng)控制噴頭實(shí)現(xiàn)左右往復(fù)移動(dòng)。其工作性質(zhì)穩(wěn)定，采收效果比較理想。但機(jī)器無(wú)法自動(dòng)行走，需要由鋼絲繩牽引實(shí)現(xiàn)。同年，在該挖藕機(jī)基礎(chǔ)上研制了4SWO-1.2型船式水力挖藕機(jī)[20]。

2009年，山東微山湖挖藕機(jī)械制造廠開發(fā)了4CW-2.6型船式蓮藕采收機(jī)[21]。該機(jī)是利用鏟泥板與高壓水槍結(jié)合的方式對(duì)蓮藕進(jìn)行采收，機(jī)械動(dòng)力帶動(dòng)鏟泥板鏟除蓮藕上的泥土，再利用高壓水槍產(chǎn)生的射流沖破泥土、沖刷藕體，實(shí)現(xiàn)蓮藕采收。該機(jī)工作時(shí)仍需三人水下輔助作業(yè)，機(jī)械化程度有待進(jìn)一步提高。

2.3 浮筒式挖藕機(jī)

2010年，武漢興盛農(nóng)機(jī)技術(shù)開發(fā)有限公司開發(fā)出的浮桶鴨嘴式挖藕機(jī)[22]，有3個(gè)機(jī)型相繼出廠，分別為W-FPZ-1200-A型、W-FPZ-1200-B型、W-FPZ-1200C型。以型號(hào)為W-FPZ-1200C為例。C型采收機(jī)實(shí)物圖如圖2所示。該挖藕機(jī)左右兩側(cè)安裝有密封浮桶，使其依靠浮力漂浮在水面上，在兩浮桶之間的工作倉(cāng)外側(cè)、左右、前后及頂面均有過(guò)濾網(wǎng)焊接在地盤架上成為一個(gè)整體。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活、運(yùn)輸方便。

圖2 浮桶鴨嘴式挖藕機(jī)（W-FPZ-1200C）

2012年，山東省孟慶前設(shè)計(jì)了一種類似原理的浮筒式挖藕機(jī)[23]，該挖藕機(jī)在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上對(duì)進(jìn)水口、工作倉(cāng)、噴頭數(shù)量進(jìn)行了完善，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的作業(yè)效率低的問(wèn)題。此類機(jī)械適用于深水藕池。

2017年，南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院劉鵬等設(shè)計(jì)了浮筒型液力驅(qū)動(dòng)蓮藕收獲機(jī)[24]，通過(guò)汽油機(jī)向水泵等輸送動(dòng)力，分別由浮艙、噴射系統(tǒng)、蓄水裝置、動(dòng)力系統(tǒng)和操作系統(tǒng)組成。該類型機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、工作平穩(wěn)，目前在市面上流通較為廣泛。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，并對(duì)目前市面上典型的挖藕機(jī)的機(jī)構(gòu)性能參數(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明：船式挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體型較大，作業(yè)可靠，操作穩(wěn)定，但在作業(yè)時(shí)需要通過(guò)鋼絲繩牽引移動(dòng)，無(wú)外延長(zhǎng)水管，因此在使用過(guò)程中有很大的局限性；浮筒式挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體型比較小巧，由人工拖拽移動(dòng)，需下水作業(yè)，但需要一定的吃水深度，在淺水藕田無(wú)法進(jìn)行正常漂浮作業(yè)等；手扶式采收機(jī)因結(jié)構(gòu)小巧、操作方便、作業(yè)效果良好，受到部分藕農(nóng)的肯定，但是需要有人下水作業(yè)，冬季采收極為不便。

表1 典型挖藕機(jī)的性能參數(shù)表

3 蓮藕采收機(jī)械裝置的行走方式的研究

從上述研究中可以看出，目前的挖藕機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠，操作簡(jiǎn)易。但自動(dòng)化程度不高，自主行走裝置需借助外部裝置或人工進(jìn)行移動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)壓力有限，勞動(dòng)強(qiáng)度依然較大。為了提高蓮藕采收機(jī)械的收獲效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，目前，根據(jù)采藕機(jī)在作業(yè)過(guò)程中的行進(jìn)方式的不同，將自走裝置分為3種：自走式、螺旋推進(jìn)式和履帶式。

3.1 自走式

1999—2001年期間，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、武漢市農(nóng)機(jī)服務(wù)總站及南通市江華機(jī)械有限公司聯(lián)合研制了4OZ-3型自走式水壓蓮藕掘取機(jī)[25]，該采藕機(jī)由岸邊水泵機(jī)組和田間自走式水力作業(yè)機(jī)兩部分組成。該挖藕機(jī)利用機(jī)械傳動(dòng)可在水田自動(dòng)行走。2015年，郭洋民設(shè)計(jì)了船式水力自走式蓮藕采收機(jī)[26]。該機(jī)以機(jī)耕船為動(dòng)力機(jī)，利用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)使噴頭作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)適宜在淺水中作業(yè)，作業(yè)能力強(qiáng)，但是不適應(yīng)藕田路太窄的情況。

3.2 螺旋推進(jìn)式

2010年，山東省微山縣孟凡良等設(shè)計(jì)了一種螺旋推進(jìn)式挖藕機(jī)[27]，該機(jī)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)艉軸螺旋推進(jìn)器組成推進(jìn)裝置。液壓油泵驅(qū)動(dòng)挖藕機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)作業(yè)。2020年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院馮闖闖設(shè)計(jì)了一種自主行走的螺旋推進(jìn)式挖藕機(jī)[28]，主要結(jié)構(gòu)包括螺旋推進(jìn)底盤和噴流裝置等。其工作時(shí)螺旋滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，利用螺旋葉片對(duì)泥土的反作用力驅(qū)動(dòng)整機(jī)行走。

3.3 履帶式

2021年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)肖化超設(shè)計(jì)了一種履帶自走式高效低損傷水力采藕機(jī)[29]。其工作時(shí)，柴油機(jī)提供動(dòng)力支持；液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)采藕機(jī)行走和噴嘴擺動(dòng)。履帶式行走機(jī)構(gòu)的履帶底盤的車輪通過(guò)循環(huán)履帶與地面接觸，從而帶動(dòng)整機(jī)運(yùn)動(dòng)，履帶由驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)。履帶式行走機(jī)構(gòu)的抓地能力強(qiáng)，適應(yīng)性好，工作穩(wěn)定，不易打滑[30]。

以上所述蓮藕采收機(jī)械裝置的行走方式中自走式挖藕機(jī)適用于淺水藕田。該類機(jī)械依靠機(jī)械傳動(dòng)和液壓控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走作業(yè)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)使挖藕機(jī)在水陸行走。不適合復(fù)雜惡劣的藕田作業(yè)環(huán)境，前進(jìn)不穩(wěn)定。螺旋推進(jìn)式適宜在灘涂、沼澤等特殊地形行走。在水中工作時(shí)，螺旋滾筒能夠起到輔助漂浮作用。螺旋推進(jìn)式底盤還能應(yīng)用于水田行走裝備等領(lǐng)域的研究。履帶式挖藕機(jī)能在不同水深的藕田完成蓮藕切割和高效低損傷采藕的聯(lián)合作業(yè)，可以顯著降低蓮藕采收的勞動(dòng)強(qiáng)度，并提高作業(yè)效率。

4 蓮藕收獲機(jī)械發(fā)展方向

現(xiàn)有的機(jī)械采收技術(shù)還不成熟，存在問(wèn)題較多。因此，課題組認(rèn)為以下幾個(gè)方面是挖藕機(jī)未來(lái)發(fā)展方向：

1）蓮藕種植的規(guī)?；?。蓮藕在水下的分布雜亂無(wú)章，影響其生長(zhǎng)的因素也較為復(fù)雜，因此，對(duì)于蓮藕的種植應(yīng)該進(jìn)行深入的研究，包括品種、土壤、氣候、入泥深度、行列化等規(guī)?；姆N植，便于挖藕機(jī)的行走和采收，更有利于機(jī)械性能的發(fā)揮，也為挖藕機(jī)的研究工作減輕負(fù)擔(dān)、提高效率。

2）噴流式采收參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，關(guān)鍵部件的優(yōu)化，機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新。國(guó)內(nèi)利用噴流式挖藕機(jī)還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作不穩(wěn)定、加工制造工藝水平較低和生產(chǎn)成本較高等問(wèn)題，今后還需對(duì)所用的水泵、噴頭參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)關(guān)鍵部件在結(jié)構(gòu)、配置和制造工藝方面進(jìn)行不斷優(yōu)化和創(chuàng)新研究，提高采收效果。

3）采用旱田蓮藕結(jié)合泥土震動(dòng)的采收方式。目前，挖藕機(jī)大多是對(duì)于水田蓮藕的采收，針對(duì)旱田蓮藕的采收研究鮮有，建議考慮旱田蓮藕，研究泥土特性、采收原理結(jié)合泥土震動(dòng)的方式，為蓮藕的采收拓寬思路。

4）未來(lái)蓮藕采挖機(jī)械的性能方面也要向自動(dòng)化、智能化、自動(dòng)導(dǎo)航及無(wú)人駕駛的方向發(fā)展。目前，挖藕機(jī)的問(wèn)題較多，實(shí)際應(yīng)用性不理想，要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還需要朝著實(shí)現(xiàn)蓮藕采收的精準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化、自動(dòng)導(dǎo)航及無(wú)人駕駛的方向發(fā)展。