吳茗宇，徐陶祎，康之訥，徐意皓，廖志杰，嚴子豪，鄧羽彤，黃梟波

（1.武漢城市學院，湖北武漢 430083；2.武漢外語外事職業(yè)學院，湖北武漢 430075）

0 引言

蓮藕因其豐富的營養(yǎng)價值深受大眾喜愛，蓮藕種植具有良好的經濟效益和廣闊的市場前景。蓮藕生產涉及種植水田塊耕整、蓮藕種植、田間管理和蓮藕采收4個環(huán)節(jié)，其中蓮藕采收困難的問題始終制約蓮藕產業(yè)的進一步發(fā)展［1］。長期以來，藕農主要依靠人工采挖、采用手持高壓水泵進行沖壓作業(yè)等方式采收蓮藕，這些方式對工人的采挖技術要求較高，對蓮藕損傷較大，而且采挖效率低。因此，需要研制作業(yè)效率高、操作簡便、能適應多工況的挖藕機械，才能進一步推動蓮藕產業(yè)的發(fā)展。

20世紀90年代，我國開始研制蓮藕采收機械。2017年，劉鵬等［2］設計的浮筒型液力驅動蓮藕收獲機通過汽油機向水泵等輸送動力，分別由浮艙、噴射系統(tǒng)、蓄水裝置、動力系統(tǒng)和操作系統(tǒng)組成。該類型機械結構緊湊、成本低、工作平穩(wěn)，目前應用較為廣泛。2018年，劉向軍等［3］研制出一種新型手扶挖藕機，以車架作為載體承載發(fā)動機和噴頭支架，工作時手扶車架行走底盤進入水田，先用噴頭噴射高壓水流沖刷粉碎泥土，再進行挖藕作業(yè)。2021年，肖化超［4］設計一種履帶自走式高效低損傷水力采藕機，該機器工作時，由柴油機提供動力支持，由液壓系統(tǒng)驅動采藕機行走和擺動噴嘴?，F(xiàn)階段蓮藕采收機械的關鍵技術仍存在自動化程度低的弊端，大多數(shù)的采收機結構較簡單，仍需要藕農下水田控制蓮藕收獲機的移動，并且進行人工收集和上岸卸貨，勞動強度大［5］。

本文研制一種水田環(huán)境下自走式智能蓮藕采收機，對蓮藕采收機械進行總體設計與計算，并基于虛擬仿真技術對挖藕機的關鍵部件展開分析與計算，測試其工作性能。

1 機械結構設計

1.1 整體架構

水田自走式蓮藕采收機的機械結構包括雙螺旋驅動行走機構、自動升降式水力沖刷機構、多層滑軌擺動式采收機械臂、雙絲桿推拉式自卸貨貨艙，其整體結構如圖1所示。

圖1 水田自走式智能蓮藕采收機整體結構圖

1.2 雙螺旋驅動行走機構

雙螺旋驅動行走機構主要包括用于承載的中央浮水艙、連接支撐浮水艙和雙螺旋滾筒的底盤前、后端面支架，其結構如圖2所示。雙螺旋驅動行走機構前、后端面支架連接于浮水艙，兩個旋向相反的螺旋滾筒對稱安裝于行走底盤兩側，內部為空腔，便于漂浮于水面；行走馬達安裝于滾筒之中，為其提供轉矩；動力系統(tǒng)安裝于底盤之上，利用齒輪箱實現(xiàn)動力轉向。為了使行走機構能更好地適應水田的濕軟黏性地質，降低推進的滑轉率并增強推進的平穩(wěn)性，本文參考螺旋傳動理論，設計一種雙頭螺旋葉片的螺旋滾筒，即以2 條結構、尺寸完全相同的螺旋葉片對稱繞在圓柱浮筒上形成雙螺旋滾筒。

圖2 雙螺旋驅動行走機構結構圖

1.3 自動升降式水力沖刷機構

水力沖刷機構為蓮藕采收機的核心部分，水力沖刷系統(tǒng)的好壞直接影響采收機的工作性能。水力沖刷機構的關鍵部件為水泵和噴嘴，水泵的性能決定了水力沖刷系統(tǒng)的結構和動力性能；結構較優(yōu)的噴嘴則可以使水力沖刷系統(tǒng)的性能更佳。

自動升降式水力沖刷機構位于底盤下部的前方，采用雙電動推桿升降結構調節(jié)噴頭與水面的距離。水力沖刷系統(tǒng)主要包括進水管、水泵、流量調節(jié)閥、輸水管路、噴嘴及噴嘴固定底座等，其結構如圖3所示。

圖3 自動升降式水力沖刷機構結構圖

自動升降式水力沖刷系統(tǒng)工作時，首先根據水田環(huán)境確認噴頭與水面的合適距離，調整噴頭姿態(tài)，打開水泵開關后單級雙吸離心水泵在發(fā)動機的驅動下高速旋轉，將水流經進水管→單級離心水泵→流量調節(jié)閥→主輸水管→變徑三通管→金屬編織波紋管→分水橫管后到達噴嘴，高壓射流從噴嘴高速射出，沖擊破碎泥土，蓮藕在浮力作用下浮出水面時即可進行采收。

1.4 多層滑軌牽引式采收機械臂

多層滑軌牽引式采收機械臂由支座、三層導向滑軌、雙向絲杠、排線滑車、牽引滑輪組、線纜、翻折結構、機械排爪和電機等部件組成，其結構如圖4所示。

圖4 多層滑軌牽引式采收機械臂結構圖

三層導向滑軌的兩端與支座固定連接，排線滑車包括支座和安裝在支座上用于引導繞線方向的牽引滑輪組，以及安裝在支座上的第一滑輪架和第二滑輪架。第一滑輪架下端設有第一上滑輪，第一上滑輪下面對應安裝有與支座連接的第一下滑輪；第二滑輪架下端設有第二上滑輪，第二上滑輪下面對應安裝有與支座連接的第二下滑輪，第二下滑輪位于第一下滑輪和導向滑輪之間?；喗M與線纜繞線裝置配合使用，引導線纜自動均勻地收放，使滑軌伸縮，從而完成機械臂的伸出和回收動作。

機械臂前端通過舵機連接橫臂實現(xiàn)翻折動作，橫臂上安裝機械排爪，通過防水舵機控制爪頭開合。當采收系統(tǒng)檢測到蓮藕漂浮在水面，即可根據機器視覺檢測蓮藕與采收機的距離，伸出機械臂，翻折連接橫臂，對準目標張開機械排爪，抓住蓮藕后縮回機械臂并反向翻折，將蓮藕收入貨艙存儲。

1.5 雙絲桿推拉式自動卸貨貨艙

雙絲桿推拉式自動卸貨貨艙安裝于底盤后部凹陷處，由絲桿、滑塊、推拉桿、自動卸貨翻斗、底座軸承座、連桿機構和電機等組成，其結構如圖5所示。

圖5 雙絲桿推拉式自動卸貨貨艙結構圖

裝載貨物時，翻斗門呈關閉狀態(tài)，蓮藕放置在貨艙之中。蓮藕載滿后需要卸貨時，電機轉動帶動絲桿，絲桿帶動推拉桿，將卸貨翻斗向船體后方推，由于卸貨翻斗底部軸承轉動呈傾斜狀態(tài)，翻斗門在連桿機構帶動下自動打開，蓮藕向船體后方傾卸。

2 關鍵部件參數(shù)計算

螺旋推進底盤承載機身的全部重量，為設計中的關鍵部件，主要由支撐架、螺旋式推進浮筒、專項桿、電機等組成，其中推進式浮筒由于內部空心且表面焊有螺紋，因此可以漂浮于水面上且能通過旋轉實現(xiàn)集體前進與后退。浮筒用1 mm 不銹鋼鈑金焊接制作，考慮工作環(huán)境對機體的影響，其表面需涂防銹和防水材料。螺旋葉片與淤泥接觸較多，因而磨損較多，可采用2～3 mm 厚的不銹鋼，以抗磨損。同時，為保證機器人工作時不會因整體重心過高而搖晃或側翻，浮筒直徑取600 mm［6］。假設水田環(huán)境中水深為200 mm，可根據公式計算出螺旋式推進浮筒的浮力（如圖6所示）。

圖6 浮筒浮力計算示意圖 （單位：mm）

浮筒有效側面積：

浮筒的體積：

根據阿基米德定律：以上公式中：S1為螺旋式浮筒的圓心和水田接觸面形成的三角形區(qū)域，m2；S2為螺旋式浮筒的圓心和水田接觸面形成的扇形區(qū)域，m2；V為螺旋式浮筒的排水體積，m3；L為螺旋式浮筒長度，m；F為螺旋式浮筒的浮力，N。

現(xiàn)將采收機實際參數(shù)代入：r=300 mm，L=1 200 mm，計算得到F=1 970 N；將蓮藕采收機機體機械結構重量與所搭載的動力系統(tǒng)重量（包括柴油機、水泵、減速箱等）考慮在內，其總重力約為1 850 N，因此，所設計的螺旋式浮筒可以在水田環(huán)境中浮起。

螺旋式浮筒能否在水田環(huán)境中順利行進取決于其底盤參數(shù)，螺旋式浮筒參數(shù)見表1。

表1 螺旋式浮筒參數(shù)

螺旋式浮筒工作時，因轉動所產生的速度為

根據旋轉角速度和浮筒轉速的關系，ω計算公式為

浮筒上螺旋葉片的螺距與螺旋升角應滿足：

以上公式中：ω為浮筒轉動角速度，rad/s；n為浮筒轉速，r/s；P為螺旋葉片的螺距，mm；r1為浮筒半徑，mm；r2為螺旋葉片高度，mm。在整個傳動過程中，總減速比為24，假設機體搭載的柴油機轉速為60 r/s，則螺旋浮筒的轉速為2.5 r/s。根據公式（4）～公式（6），可計算螺旋式浮筒速度vt=0.75 m/s。

螺旋式浮筒工作時，除了水平方向運動，受工作環(huán)境影響，還會因為重力隨著水田中淤泥的壓實和下陷發(fā)生打滑，其滑轉率為

其中，v1為浮筒沿軸向運動的速度，m/s。蓮藕采收機由于在泥濘的水田環(huán)境中工作，機滑轉率較大。經過田間試驗，該樣機速度可在0.08～0.3 m/s 之間調節(jié)，滑轉率在50.7%～82.5%。

3 關鍵部件應力仿真與參數(shù)分析

水田自走式蓮藕采收機中雙螺旋驅動行走機構的螺旋推進器支撐件的承載力決定了螺旋浮筒推進器能否與底盤穩(wěn)定連接，機械排爪的支架決定了蓮藕夾取的支撐力，這2個關鍵零件決定了整個系統(tǒng)各部分機械結構的穩(wěn)定性。在軟件中對這2個關鍵零件建模，設置制作材料以及固定約束孔，定義活動孔Z方向的壓力為100 N，通過對關鍵零件的模擬分析得到其受力變形分析圖，螺旋推進器支撐件應力變形分析見圖7 和表2，機械排爪支架應力變形分析見圖8和表3。

圖7 螺旋推進器支撐件應力分析圖

圖8 機械排爪支架應力分析圖

4 結語

本文設計的智能蓮藕采收機械采用雙螺旋推進式浮筒結構作為行走機構，可適應水田環(huán)境，行走穩(wěn)定，工作性能優(yōu)良。相較市面上已有的蓮藕采收設備，該全自動智能蓮藕采收機械具備如下創(chuàng)新點。

（1）實現(xiàn)蓮藕采收過程自動化操作，可代替水田工作環(huán)境下繁重的人工采挖作業(yè)，具有廣闊的應用前景。

（2）具備雙螺旋浮筒行進機構，可控制浮力，在水田或泥濘蓮藕采收環(huán)境自由行進。

（3）利用射流技術，以水泵抽水再濾除泥沙，高強水流噴入淤泥中，將蓮藕表面附著污泥沖掉，使蓮藕浮于水面，可降低蓮藕采摘時受到損傷。

（4）配備自動卸貨翻斗，可在采收滿載后，行駛回岸邊卸貨點，無需人力，以絲桿推動的方式將蓮藕卸出貨艙。